第6章直流電源

■直流電源的組成

■單相整流電路

■單相可控整流電路■濾波電路■串聯型晶體管穩壓電路■集成穩壓器

■開關電源內容提要第一節

直流電源的組成

電源變壓器

整流電路

濾波電路

穩壓電路

直流電源的組成框圖直流電源組成的四部分的作用電源變壓器：將電網提供的220V交流電壓變換到所需要的交流電壓范圍，并對直流電源與電網起隔離作用。整流電路：將變壓器變換后的交流電壓變為單向的脈動直流電壓。濾波電路：濾除直流電壓中的紋波成分。穩壓電路：當電網電壓波動及負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩定。第二節單相整流電路將正負交替變化的交流電壓變成單方向的脈動電壓的過程，稱為整流。負載上得到的電壓平均值為UL=Uo=0.45U2負載中通過的電流平均值為在選用二極管時應使，IF>IL。工程上，通常選UR≥2，IF≥(1.5~2)IL的二極管。單相半波整流電路特點：結構簡單，但變壓器利用率低、脈動大。

單相半波整流電路和波形單相半波整流電路單相半波整流輸出波形輸入波形整流二極管負載單相橋式全波整流電路及波形整流橋負載輸入波形輸出波形單相橋式全波整流電路負載上直流電壓UL=0.9U2，負載中的電流。二極管的選擇原則為；。橋式整流電路特點：在負載得到相同的直流電壓情況下，電源利用率提高，輸出電壓波動小。目前器件生產廠商常將整流二極管集成在一起構成橋堆。第三節單相可控整流電路可控硅(SCR)：又名晶閘管或半導體閘流管，是一種大功率半導體開關器件，也是可控整流元件。按其特性分為單向晶閘管、雙向晶閘管、可關斷晶閘管和光控晶閘管等；按電流容量分為大功率(>1000A)、中功率(100~1000A)和小功率(<100A)晶閘管；從外形分平板式、螺栓式和塑封式。單向晶閘管有三個電極，即陽極A，陰極K，門極（控制極）G。晶閘管導通必須同時具備兩個條件：一是陽極和陰極之間加正向電壓；二是控制極加上一定幅度的正觸發脈沖。單向晶閘管的伏安特性曲線曲線可分為四個工作區：反向擊穿區反向阻斷區正向阻斷區正向導通區通常絕大多數晶閘管應用電路均工作于正向阻斷和正向導通兩個區域。晶閘管的主要參數

正向阻斷峰值電壓UDRM：在額定結溫，控制極斷開和晶閘管正向阻斷情況下允許重復加到晶閘管陽極與陰極之間的正向峰值電壓。反向阻斷峰值電壓URRM：在控制極斷開的情況下，允許重復加到晶閘管陽極與陰極間的反向峰值電壓。額定正向平均電流IF：在規定的散熱條件下，晶閘管的陽極與陰極之間允許連續通過工頻(50Hz)正弦半波電流的平均值。維持電流IH：在規定的環境溫度和門極斷開的情況下，維持晶閘管繼續導通所需要的最小陽極電流。當晶閘管的陽極電流小于此值時，晶閘管將自行關斷。單相半波可控整流電路及波形由圖可見，在晶閘管承受正向電壓期間，改變控制極觸發脈沖uG加入的時刻（稱為觸發脈沖的移相），可以實現對輸出電壓的調節。圖中，α為控制角，指從晶閘管開始承受正向電壓（輸入電壓正半周過零的時刻）到觸發脈沖加入時刻之間所對應的角度，α的有效變化范圍稱為移相范圍。而導通角θ是指晶閘管在一個周期內導通時所對應的角度。顯然α+θ=180°。單相半波可控整流電路輸出電壓的平均值為：當控制角α=0°時，成為半波整流電路。晶閘管承受的最大正、反向電壓為。考慮到安全系數2~3倍，工程上一般選額定電壓為（2~3）以上的晶閘管。單相半波可控整流電路的特點：優點是電路簡單，元件用得少，調整安裝方便，缺點是輸出電壓低，脈動大。適用于小容量的可控直流電源。單相橋式可控整流電路及波形左圖為一單相橋式可控整流電路原理圖及工作波形圖。由圖可見，單相橋式可控整流電路的直流輸出電壓平均值為單相半波的兩倍。兩只晶閘管和兩只二極管承受的最大正、反向電壓都為單相橋式可控整流電路選擇晶閘管的額定電壓UT為：晶閘管的額定正向平均電流近似為第四節濾波電路

電容濾波電路單相橋式整流電容濾波電路如上圖所示，負載兩端并聯的電容為濾波電容，利用電容的充放電作用，使負載電壓、電流趨于平滑，且電路的放電時間常數RLC越大，放電就越慢，負載上得到的UL就越平滑。電容濾波電路適合負載電流較小的場合。一般情況下，橋式整流可按下式來選擇C的大小：RLC≥(3~5)T/2式中，T為輸入交流電壓的周期。電容器耐壓應大于，通常取(2~3)。工程估算負載兩端電壓：UL=1.2U2。幾點說明：

電感濾波電路電路電感濾波電路如上圖所示，負載兩端電壓UL≈0.9U2，電感濾波適用于大功率整流設備和負載電流變化大的場合。一般來說，電感越大濾波效果越好，常取幾亨利到幾十亨。第五節串聯型晶體管穩壓電路采樣電路：由分壓電阻R1、R2組成；基準電壓電路：由穩壓管V3和限流電阻R3組成；比較放大電路：由晶體管V1和R4（或集成運放）構成；電壓調整電路：由工作于線性狀態的晶體管V2構成。穩壓過程可表示為：Ui↑→Uo↑→UBE1↑→IB1↑→IC1↑→UC1↓→UB2↓→IB2↓→IC2↓→UCE2↑→UO↓同理，當Uo降低時，通過電路的反饋作用也會使Uo保持基本不變。工作原理輸出電壓為改變R1或R2的大小，就可調節輸出電壓Uo第六節集成穩壓器

集成穩壓器是指將直流穩壓電路的調整管、穩壓管、比較放大器和多種保護電路集成到一塊芯片上的單片集成穩壓電源。它的特點是體積小、可靠性高、使用簡單安全。三端集成穩壓器：三個外部接線端子，即輸入端、輸出端和公共端。三端穩壓器可分為固定式和可調式兩類。固定三端穩壓器：主要有兩個系列LM78XX系列、LM79XX系列。固定三端穩壓器典型應用電路圖中Ci用以減小紋波以及抵消輸入端接線較長時的電感效應，防止自激振蕩，并抑制高頻干擾，一般取0.1~1μF。同時Ci和Co應緊靠集成穩壓器安裝。可調三端穩壓器基本應用電路基準電壓其典型值為1.25v調節電位器RP可改變R2的大小，從而調節輸出電壓Uo大小。電流典型值為IREF=50μA第七節開關電源

開關電源的特點：效率高，調整管的功耗很小，重量輕；電網電壓波動適應能力強。控制電路比較復雜，輸出電壓中紋波和噪聲成分較大。開關電源按控制的方式分類：脈沖寬度調制型(PWM)，脈沖頻率調制型(PFM)，混合調制型，按是否使用工頻變壓器來分類：低壓開關穩壓電路、高壓開關穩壓電路。按激勵的方式分類：自激式、他激式。電路框圖圖示為串聯式開關電源的組成框圖，圖中包括開關調整管、濾波電路、脈沖調制電路、比較放大器、基準電壓和采樣電路等組成部分。D為占空比——即調整管的導通時間ToN與開關周期T之比。在一定的直流輸入電壓Ui之下，通過改變占空比D就可改變輸出電壓，占空比D愈大，則開關電源的輸出電壓Uo愈高。幾點說明：對于脈沖調寬式開關電源來說，其輸出電壓為本章小結直流電源的組成：電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路等四部分組成。單相整流電路：單相半波整流電路、單相橋式全波整流電