直流稳压电源的优化设计方法

(1)直流稳压电源概述

交流电便于生产,成本低,广泛应用于工业、农业、国防、技科、日常生活等领域,但很多用电设备还是需要直流电作为能源。将交流变直流常用的电路是直流稳压电源电路。其框图如图7.4.2所示。

图7.4.2　直流稳压电源电路组成框图

1)变压器

电网提供的交流电为220 V、50 Hz(或380 V、50 Hz),变压器为用电设备提供具有不同幅值的交流电压。

2)整流

利用具有单向导电性能的整流器件(二极管),将交流变为脉动直流。

3)滤波

利用电容、电感等储能元件,将脉动直流中的交流分量尽量滤除,使输出成为更加平滑的直流电。

4)稳压

稳压的作用就是要在电网电压、负载或温度变化时保持输出电压恒定。

(2)直流稳压电源的工作原理

直流稳压电源电路如图7.4.3所示。它是由变压器、桥式整流、电容滤波及稳压二极管稳压电路4个部分组成。

图7.4.3　直流稳压电源电路

1)整流电路

整流电路的作用是将交流电变换为单向脉动的直流电。整流分为单相整流和三相整流,单相整流又分为单相半波整流和单相全波整流。下面以单相桥式(全波)整流电路为例,介绍整流电路的工作原理、参数计算和元件选择等。

单相桥式整流电路由4只二极管接成电桥形式的电路,如图7.4.4所示。

图7.4.4　单相桥式整流电路

图7.4.5　单相桥式整流电路电压、电流波形

当u2为正半周时,a端电位高于b端电位,二极管VD1和VD3正向导通,VD2和VD4反向截止,电流i1经a端→VD1→RL的上端→RL的下端→VD3→b端,负载RL得到上正下负的输出电压。

当u2为负半周时,b端电位高于a端,二极管VD2和VD4导通,VD1和VD3截止,电流i2流经的路径是b端→VD2→RL的上端→RL的下端→VD4→a端,自上而下流经负载RL,得到上正下负的输出电压。

这样,在u2的整个周期内,负载电阻RL上的电流、电压方向不变。由此,经整流电路将交流电变为了脉动直流电,如图7.4.5所示。单相桥式整流电路的参数计算如下:

输出直流电压UO(AV)、Io直流电流(脉动直流的整流平均值),则

4只二极管两两交替导通,其导通电流ID是负载电流的1/2,即

截止二极管承受的最大反向工作电压URM为

选用整流二极管时应满足以下两个条件:

①选用二极管的最大整流电流应大于电路中流过二极管的平均电流ID,即ICM>ID。

②选用二极管的最大反向工作电压URM应大于电路中二极管截止时承受的最大电压值,即变压器副边电压的峰值,

2)滤波电路

经整流电路输出的直流电脉动程度非常高,这是因为其中除直流分量外,还包含较多的交流分量。为了降低直流电的脉动程度就需要滤除其中的交流成分,这就是滤波。图7.4.3中的电容起滤波作用。

图7.4.6　单相桥式整流加电容滤波电路的输出波形(www.xing528.com)

0-t1时间段,交流电压u2从零逐渐上升,二极管VD1和VD3正向导通,电流经VD1后分为两路:一路流经负载RL、VD3,回到u2的负极,得到输出电压uo,在t1时刻uo上升到峰值;另一路对电容C充电,电容两端电压uu随u2的上升而上升,在t1时刻也达到峰值U2。t1-t2时间段,电压u2按正弦规律减小,uc按指数规律减小,当uc的变化小于u2的变化时,VD1和VD3截止,电容C向负载放电,直到t2时刻点。在t2时刻,二极管阳极电位u2又将逐渐大于二极管阴极电位uu,VD2和VD4正向导通,电容C再次充电,重复上述过程,uo波形如图7.4.6所示。此时,波形更加平滑。

交流电经整流加电容滤波后,其输出电压UO与U2(有效值)量值关系如下:

单相半波整流加电容滤波为

单相桥式整流加电容滤波为

在这种电容滤波电路中,电容器C的容量越大或负载电阻RL越大,电容C放电越慢,输出的直流电压就越平滑。为了获得更平滑的输出电压,通常规定:

单相半波整流加电容滤波

单相桥式整流加电容滤波

式中,T是交流电压u2的周期。在滤波电路中,在选择电容时还应考虑它的耐压值,电容的耐压值一般取(1.5～2)U2。

【例7.4.1】　电路如图7.4.3所示。若要求输出直流电压UI=12 V、负载电流IO=100 mA,试选择合适的滤波电容和整流二极管,以保证电路安全工作。

解　(1)整流二极管选择

由式(7.4.3)可求得正向平均电流

由式(7.4.6)可得变压器副边电压

由式(7.4.4)可得最大反向工作电压

查手册,IN4001/A的参数符合电路要求。

(2)滤波电容的选择

由式(7.4.8)可求得

电容在电路中的耐压值为

因此,可确定选用标称电容500μF/30 V的电解电容。

(3)稳压二极管稳压电路

正弦交流电经整流和滤波后,可得到较平滑的直流电,但在交流电网电压波动或负载发生变化时,输出电压仍会发生波动。稳压二极管电路可实现输出电压的稳定。

当使用稳压管组成稳压电路时,首先稳压管工作在反向击穿状态;其次稳压二极管的工作电流必须保证在IZmin≤IZ≤IZmax,故稳压二极管稳压电路必须接入一个限流电阻R,其作用是调节工作电流IZ的大小。最后负载电阻应并联在稳压二极管两端,如图7.4.3所示虚线框部分即为稳压电路。

在稳压电路中有两个基本关系式

输出电压波动的原因来自电网电压的波动和负载的变化。当负载RL不变、电网电压UI增大(或当电网电压UI保持不变、负载RL增大)时,电路对输出电压UO的稳定过程可简单表述为

当负载RL不变、电网电压减小时(或当电网电压UI保持不变、负载减小时),各电量的变化与上述相反。

综上所述,在由稳压二极管所构成的稳压电路中,通过稳压二极管所起的调节作用,利用限流电阻R上电压的补偿,可实现输出电压稳定的目的。

【思考与练习】

7.4.1　什么是二极管的钳位作用?

7.4.2　稳压二极管稳压电路是如何实现稳压的?