模拟部分第一章稳压电源设计.ppt

电子技术课程设计 (模拟部分),梁 文 海 EMAIL: VHI2009126.COM 四川师范大学物理与电子工程学院 2011年2月,第一章 直流稳压电源设计,第一节,第三节,第二节,直流稳压电源的组成及工作原理,串联反馈式稳压电路,数控直流稳压电源设计,引言,在电子电路和电气设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流电源可分为两大类，一类是化学电源，如各种各样的干电池、蓄电池、充电电池等电源；其优点是体积小、重量轻、携带方便等，缺点是成本高，易污染。另一类是稳压电源，它是把交流电网220V的电压降为所需要的数值，然后通过整流、滤波和稳压电路，得到稳定的直流电压，这是现实生活中应用比较广泛的一类。,第一节 直流稳压电源 的基本组成及工作原理,一、直流稳压电源的组成 二、直流电源各部分原理 三、直流稳压电源的性能指标,一、直流稳压电源的组成,直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。,VO,VI,功能,作用,交流电压变换部分,将电网电压变为所需的交流电压,将直流电源与交流电网隔离,二、直流稳压电源各部分原理,电源变压器,1、电源变压器,电源变压器,电源变压器,仿真一：电源变压器的基本特性 1、要求：电源变压器：10：1，200V/50Hz 负载电阻：100欧，示波器 2、仿真电路：,电源变压器,3、回答问题： 变压器初级输出电压幅值约为 200 V 变压器次级输出电压幅值约为 20 V 初级绕组输入电压与次级绕组输出电压之比 约为 10 ： 1 。 注：理想变压器满足： I1/I2=U2/U1= N2/N1 （P1=P2）,电源变压器,问题,变压器是否可以进行直流变压？ 不可以进行直流变压 是否可以用电位器来变压？可以 变压器的输出功率与输入功率关系是怎样？相等的p1=p2,电源变压器,2、整流部分,作用：将变换后的交流电压转换为单 方向的脉动电压。 (ACDC) 说明： 1、单方向的脉动电压存在很大脉动成 份，不能直接提供给负载。 2、脉动谐波成份纹波,整流电路,技术：二极管的单向导电性 电路形式：半波整流 全波整流 桥式整流,整流电路,整流电路,1、电路图：如图所示，利用二极管的单向导电性，在负载电阻RL上得到单向脉动电压VO,整流：利用二极管的单向导电性，把交流变成脉动的直流,2、电路特点：电路结构简单，输出电压波动较大、效率低,输出的直流电压值为:,整流电路,3、工作原理： U2为正半周： D管导通，有输出电压； U2为负半周： D管截止，无输出电压,输出的直流电压值为:,整流电路,仿真二：半波整流电路 1、要求：二极管（理想）1只 2、仿真电路：,整流电路,3、观察并回答问题： 二极管输入电压是 单极性 （双极性/单极性） 电路输出电压是 单极性 （双极性/单极性） 输出电压的波形是 半波 （全波/半波） 输出电压与输入电压的幅值相比（基本相等/相差很大）,整流电路,4、参数计算,（1）输出的直流电压值为:,（2）流过负载平均电流:,IDO= UO /RL=0.45V2/ RL,（3）流过整流二极管的平均电流:,IF= IDO =0.45V2/ RL,（4）整流二极管的最大反向电压:,整流电路,5、二极管的选择： （1）D管的最大整流电流IF必须大于 实际流过二极管的平均电流IDO ： IF IDO =ULO/RL=0.45 V2/RL （2）D管的最大反向工作电压UR必须 大于二极管实际所承受的最大反 向峰值电压URM UR URM =SQR（2） V2,整流电路,1、电路图：如图所示，二极管D1、 D2分别在V2的正、负半周导通，在RL上得到如图所示电压波形。,整流电路,2、电路特点：是输出电压波动小，变压需中心抽头，绕制复杂，成本高，笨重,整流电路,3、工作原理： 在U2正半周： D1导通、D2管截止，负载中有电流流过； 在U2负半周： D1截止、D2管导通，负载中有电流流过。,整流电路,仿真三：单相全波整流电路 1、要求：二极管（理想）2只 2、仿真电路：,整流电路,3、观察并回答问题： 全波整流电路的输出电压波形并记录。 输出电压是 双极性 （双极性/单极性） 输出电压是 全波 （全波/半波） 输出电压与输入电压的幅值相比是 （基本相等/相差很大）,整流电路,4、参数计算：,（1）输出的直流电压值为:,（2）流过负载平均电流:,IDO= UO /RL=0.9U2/ RL,（3）流过整流二极管的平均电流:,IF= IDO /2=0.45U2/ RL,（4）整流二极管的最大反向电压:,UDR=2SQR(2)U2,整流电路,5、二极管的选择： （1）D管的最大整流电流IF必须大于 实际流过二极管的平均电流IDO ： IF IDO =ULO/RL=0.45 U2/RL （2）D管的最大反向工作电压UR必须 大于二极管实际所承受的最大反 向峰值电压URM UR URM =2SQR(2)U2,整流电路,1、电路图：如图所示，二极管D1、 D2 、D3、 D4四只二极管接成电桥的形式，名称由此而来。,整流电路,2、工作原理： 在V2的正半周， D1、 D3导通， D2、 D4截止， 通过D1、 D3给RL提供电流，方向由上向下（图中虚线)； 在V2的负半周， D2、 D4导通， D1、 D3截止，通过D2、 D4给RL提供电流，方向仍然是由上向下（图中虚线）由此得到图示的整流波形,整流电路,3、波形图,导通,导通,导通,导通,Vo的大小与全波整流电路相同，即:,整流电路,仿真四：桥式整流电路 1、要求：整流桥（理想）1只。 2、仿真电路：,整流电路,3、观察并回答问题： 桥式整流电路的输出电压波形并记录。 输出电压是 （双极性/单极性） 输出电压是 （全波/半波） 输出电压与输入电压的幅值相比是 （基本相等/相差很大） 如何用次级带中心抽头变压器输出正、负两种极性的电压？,整流电路,4、参数计算：,（1）输出的直流电压值为:,（2）流过负载平均电流:,IDO= UO /RL=0.9U2/ RL,（3）流过整流二极管的平均电流:,IF= IDO /2=0.45U2/ RL,（4）整流二极管的最大反向电压:,UDR= U2,整流电路,5、整流二极管的选择： （1）D管的最大整流电流IF必须大于 实际流过二极管的平均电流IDO ： IF IDO =ULO/RL=0.45 U2/RL （2）D管的最大反向工作电压UR必须 大于二极管实际所承受的最大反 向峰值电压URM UR URM =SQR（2） U2,整流电路,3、滤波电路,作用：对整流电路输出的脉动直流进 行平滑，使之成为含交变成份 很小的直流电压。 说明： 1、滤波电路实际上是一个低通滤波器。 2、截止频率低于整流输出电压的基波 频率,滤波电路,电路形式：,一、电容滤波 二、电感滤波 三、 L型滤波电路 四、 型滤波电路,滤波电路,（1）电容滤波电路,尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，仍然不能直接作为电源使用，还需进一步滤波，将其中的交流成份滤掉。滤波通常是采用电容或电感的能量存储作用来实现的常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、倒L型滤波、型滤波等几种。在小功率整流滤波电路中，电容滤波是最常用的一种，其特点是结构简单，效果较好。本节中只介绍电容滤波电路。电感滤波电路主要用于大电路中，其他滤波电路自行分析。,滤波电路,电容滤波电路,（1）桥式整流、电容滤波电路如图所示,1,电路组成：,滤波电路,（2）电容滤波的原理： 电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。,电容滤波电路,1,电路组成：,滤波电路,（1）负载未接入（开关S断开）时：设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当V2为正半周时， V2通过D1、 D3向电容C充电； V2为负半周时，经D2、 D4向电容C充电。充电时间常数为：C=RintC,t,电容滤波电路,2,工作原理：,滤波电路,（1）其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压V2的最大值V2 ，由于电容无放电回路，故输出电压（电容C两端的电压)保持在V2不变。,电容滤波电路,2,工作原理：,滤波电路,电容滤波电路,2,工作原理：,（2）.1 接入负载RL（开关S合上）时：设变压器副边电压V2从0开始上升时接入RL，由于电容已到V2 ，故刚接入负载时， V2 VC，二极管在反向电压作用下而截止，电容C经RL放电，放电时间常数为：d=RLC。因d一般较大，故电容两端电压Vc(即Vo)按指数规律慢下降（图中a,b段）,滤波电路,电容滤波电路,2,工作原理：,（2）.2 当V2升至V2VC时，二极管D1、 D3在正向电压作用下而导通，此时V2经D1、 D3一方面向RL提供电流，一方面向C充电（接入RL后充电时间常数变为C=RL/RintCRintC ）。VC将如图中b、 c段所示,滤波电路,（2）.3 当V2又降至V2VC时，二极管又截止，电容C又向RL放电，如图中c 、d段所示.电容如此周而复始充放电，就得到了一个如图所示的锯齿波电压Vo = VC ，由此可见输出电压的波动大大减小。,电容滤波电路,2,工作原理：,滤波电路,（2）.4 为了得到平滑的负载电压，一般取 d=RLC(35)T/2 (T为交流电周期20ms) 此时：Vo = (1.11.2) V2,电容滤波电路,2,工作原理：,滤波电路,滤波电路,仿真五：电容滤波 1、要求：电容1000µF 1只 2、仿真电路：,滤波电路,3、观察并回答问题： 观察电容滤波电路的输出电压波形并记录。 输出电压直流分量为 V，纹波分量峰峰值（用AC输入档测量）为 mV。,滤波电路,输出电压纹波 （已消失/仍存在），滤波后的纹波要比滤波前 （大得多/小得多） 滤波后的输出电压的直流分量 （大于/等于/小于）滤波前的输出电压的直流分量。 电容是不是越大滤波效果越好？,滤波电路,电容滤波电路,3,电容滤波的特点,1、RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成份越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的输出电压，一般取： RLC（35）T/2 (T交流电源电压周期),滤波电路,2、RL越小，输出电压越小。 （1）当C一定时， RL时，即空载： ULO=1.4U2 （2）当C=0时，即无电容时： ULO=0.9U2 （3）一般情况下，ULO=（1.11.2)U2 3、电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合。,滤波电路,4、稳压部分,作用：维持输出直流电压的基本稳定。 说明： 1、经过滤波电路后的电压的稳定性比 较差。 2、电压受温度、负载、电网电压波动 等因素的影响较大,稳压电路,一、稳压管电路组成（并联稳压电路）： 1、电路图： 2、说明： R限流电阻 Dz稳压二极管,稳压电路,二、稳压管稳压原理： 利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基本不变的特点而实现的。 三、工作原理： UOIZ IR UR UO ,稳压电路,仿真一：稳压管稳压电路 1、要求：稳压二极管（1N4740A，Uz=10V）1只 电阻R=100欧，电阻RL=1K 2、仿真电路：,3、观察并回答问题： 按下表要求改变输入电压并记录仿真结果：,稳压电路,按下表要求改变负载电阻并记录仿真结果：,当输入电源电压和负载变化时，稳压二极管稳压电路 （可以/不可以）实现稳压作用。 当稳压电路实现稳压作用时，对输入电源电压和负载变化的范围 （有/没有）限制。,稳压电路,四、R的取值范围： （UImax-UZ)/IZmaxR(UImin-UZ)/(IZmin + UZ /RLmin) 注：一般情况下，在稳压管安全工作条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。,稳压电路,直流稳压电源的性能指标：,1、最大输出电流IOmax： 2、输出电压UO和电压调节范围： 3、保护特性： 4、效率： 5、过冲幅度：,稳压电源性能指标,二、质量指标,1、输入电压调整因数Su和稳压系 数Sr： 2、输出电阻Ro： 3、温度系数ST：,稳压电源性能指标,第一节,第三节,第二节,串联反馈式稳压电路,直流稳压电源的组成及工作原理,数控直流稳压电源设计,第一章 直流稳压电源设计,一、电路组成,串联反馈式稳压电路,串联线性稳压电路如图所示，它由四部分组成：调整电路、比较放大电路、基准电压和取样电路。根据比较放大电路的不同，它可分两种基本电路。一种是三极管组成比较放大器的稳压电路，另一种是由运放组成比较放大器的稳压电路。尽管电路不同，但工作原理是相同的。下面以运放为例分析其工作原理。,一、 电路组成,串联反馈式稳压电路,三极管作比较放大电路,集成运放作比较放大电路,串联反馈式稳压电路,二、工作原理,串联反馈式稳压电路,VO VF VB VO VCE IC,集成运放作比较放大电路：,VO VF VB VO VCE IC ,三、输出电压的计算,串联反馈式稳压电路,运放作比较放大电路：,单片集成稳压器,单片集成稳压器是把稳压电路的调整管、误差放大器、取样电路、启动电路、保护电路等集成在一个芯片上的专用集成电路。 单片集成稳压器品种繁多，我们只介绍应用最多、最简单的一种：固定输出的三端集成稳压器。 固定输出的三端稳压器有输出正压和输出负压两在系列，分别用CW78和CW79表示,单片集成稳压器,它又分为CW78、CW78M和CW78L三类。 CW78表示输出电流为1.5A； CW78M表示输出电流为0.5A； CW78L表示输出电流仅为0.1A。其中表示输出的电压值，实际有0.5、 0.6、0.8、12、15、20、24几种规格，分别表示输出电压为5V、 6V、 8V、 12V、 15V、 20V和24V。 其外型封装及接线图如图所示。,1,CW78系列(输出正压)：,1、 CW78系列(输出正压)：,单片集成稳压器,单片集成稳压器,CW79系列与CW78系列意义完全相同。所不同的是输出为负电压。 其外型封装及接线图如图所示。 要求：输入电压VI比输出电压VO高23V,2,CW79系列(输出负压)：,2、 CW79系列(输出负压)：,单片集成稳压器,第一节,第三节,第二节,数控直流稳压电源设计,直流稳压电源的组成及工作原理,串联负反馈稳压电路,串联反馈式稳压电路,第一章 直流稳压电源设计,任 务,基本任务：设计一基于单片机的数控直流稳压电源 基本要求： （1）输出电压：范围0-9V，步进0.1V，纹波不大于10mV； （2）输出电流：500mA； （3）输出电压值由液晶显示； （4）有预置电压，且由按键控制电压的步进“+”、“-”； （5）系统自己供电，因此需自做一稳压直流电源。 任务分析,初步设计方案,MCU,键盘,显示,D/A,稳压部分,具体设计方案,D/A转换电路,D/A内部结构,案例1：单极性输出,对比,案例2：双极性输出,数控稳压电源实物,The End,第一章 直流稳压电源设计,