直流稳压电源(2).doc

117第5章 直流稳压电源第5章 直流稳压电源5.1 学习要求（1）掌握单相整流电路的分析计算与电路元件的选择。（2）了解滤波电路的作用，理解电容滤波电路的工作原理。（3）熟悉稳压电路的组成与稳压原理。（4）了解集成稳压电源的应用和使用方法。5.2 学习指导本章重点：（1）单相整流电路的分析计算与电路元件的选择。（2）电容滤波电路电容器的选择。（3）串联型稳压电路的组成与工作原理。本章难点：（1）整流电路二极管的选择。（2）电容滤波电路电容器的选择。（3）串联型稳压电路的工作原理。本章考点：（1）简单直流稳压电源电压、电流波形分析。（2）整流电压平均值与交流电压有效值之间的关系。（3）电容滤波电路电容器的选择。（4）串联型稳压电路稳压过程的分析和输出电压的计算。5.2.1 整流电路整流电路的作用是将交流电（正弦或非正弦）变换为单方向脉动的直流电，完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的核心元件。常用整流电路如表5.1所示，应重点掌握单相桥式整流电路。整流电路研究的主要问题是输出电压的波形以及输出电压的平均值Uo（即输出电压的直流分量大小），均列于表5.1中。表中还列出了各种整流电路的二极管中流过的电流平均值ID和二极管承受的最高反向电压UDRM，它们是选择二极管的主要技术参数。变压器副边电流的有效值I2是选择整流变压器的主要指标之一。分析整流电路工作原理的依据是看哪个二极管承受正向电压，三相桥式整流电路是看哪个二极管阳极电位最高或阴极电位最低，决定其是否导通。分析时二极管的正向压降及反向电流均可忽略不计，即可将二极管视作理想的单向导电元件。表5.1 各种整流电路性能比较表类型整流电路整流电压波形整流电压平均值Uo二极管电流平均值ID二极管承受的最高反向电压UDRM变压器副边电流的有效值I2单相半波0.45U2Io1.57Io单相全波0.9U20.79 Io单相桥式0.9U21.11 Io三相半波1.17U20.59 Io三相桥式2.34U20.82 Io5.2.2 滤波电路滤波电路的作用是减小整流输出电压的脉动程度，滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。最简单的滤波电路是电容滤波电路，滤波电容C与负载电阻RL并联，其特点是：（1）输出电压的脉动大为减小，并且电压较高。半波整流：全波整流：（2）输出电压在负载变化时波动较大，只适用于负载较轻且变化不大的场合，一般要求时间常数满足：（3）二极管导通时间缩短，电流峰值大，容易损坏二极管。（4）单相半波整流时二极管承受的最高反向电压增大一倍，为：除了电容滤波电路以外，还有电感滤波电路以及由电容和电感或电阻组成的LC、CLC型、CRC型等复合滤波电路。电感滤波电路的输出电压较低，一般，峰值电流很小，输出特性较平坦，负载改变时，对输出电压的影响也较小，适用于负载电压较低、电流较大以及负载变化较大的场合，缺点是制作复杂、体积大、笨重，且存在电磁干扰。LC和CLC型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。负载较轻时常采用CRC型滤波电路。5.2.3 直流稳压电路直流稳压电路的作用是将不稳定的直流电压变换成稳定且可调的直流电压的电路，完成这一任务的是稳压管的稳压作用或在电路中引入电压负反馈。1并联型线性稳压电路并联型线性稳压电路是将稳压管与负载电阻并联，稳压管工作在反向击穿区，可在一定的条件下使输出电压基本不变，从而起到稳定电压的作用，如图5.1所示。图5.1 并联型直流稳压电路稳压过程：选择稳压管选择：限流电阻选择：2串联型线性稳压电路串联型直流稳压电路的基本原理图如图5.2所示。整个电路由4部分组成：（1）取样环节。由R1、RP、R2组成的分压电路构成。它将输出电压Uo分出一部分作为取样电压Uf，送到比较放大环节。（2）基准电压。由稳压二极管VDZ和电阻R3构成的稳压电路组成。它为电路提供一个稳定的基准电压UZ，作为调整、比较的标准。（3）比较放大环节。由V2和R4构成的直流放大电路组成。其作用是将取样电压Uf与基准电压UZ之差放大后去控制调整管V1。（4）调整环节。由工作在线性放大区的功率管Vl组成。Vl的基极电流IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流IC1和集、射电压UCEl改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。图5.2 串联型稳压电路稳压过程：输出电压：用电位器RP即可调节输出电压Uo的大小，但Uo必定大于或等于UZ。3线性集成稳压器三端稳压器有W78和W79两种系列，如图5.3所示，其中电容C1用以抵消较长线路的电感效应，防止产生自激振荡，电容C2用以减小电路的高频噪声，C1一般取0.11F，C2取1F。W78系列输出正电压，W79系列输出负电压，输出电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多种，输出电流可达1A、2A等多种，最高输入电压为35V，输入电压与输出电压之差最小为23V，输出电压变化率为0.10.2。（a）输出固定正电压的电路 （b）输出固定负电压的电路图5.3 三端稳压器基本接线图4开关稳压电路开关型稳压电路具有效率高、体积小、重量轻、对电网电压的要求不高等优点，其缺点是调整管的控制电路比较复杂，并且输出电压中纹波和噪声成分较大。5.3 习题解答5.1 如果要求某一单相桥式整流电路的输出直流电压Uo为36V，直流电流Io为1.5A，试选用合适的二极管。分析 二极管中流过的电流平均值ID和二极管承受的最高反向电压UDRM是选用二极管的主要技术参数。解 流过整流二极管的平均电流为：（A）变压器副边电压有效值为：（V）整流二极管承受的最高反向电压为：（V）因此，可选用4只型号为2CZ11A的整流二极管，其最大整流电流为1 A，最高反向工作电压为100V。5.2 设一半波整流电路和一桥式整流电路的输出电压平均值和所带负载大小完全相同，均不加滤波，试问两个整流电路中整流二极管的电流平均值和最高反向电压是否相同？分析 整流二极管的电流平均值直接与输出电流平均值有关，而最高反向电压直接与整流变压器副边电压有关。解 （1）半波整流电路流过整流二极管的平均电流为，桥式整流电路流过整流二极管的平均电流为，由于两个整流电路的输出电压平均值和所带负载大小完全相同，故它们的输出电流平均值大小也相同，所以，两个整流电路中整流二极管的电流平均值不同。（2）两个整流电路中整流二极管的最高反向电压相同，均为整流变压器副边电压有效值的倍，即。5.3 欲得到输出直流电压V，直流电流mA的电源，问应采用哪种整流电路？画出电路图，并计算电源变压器的容量（计算U2和I2），选定相应的整流二极管（计算二极管的平均电流ID和承受的最高反向电压URM）。分析 在各种单相整流电路中，半波整流电路的输出电压相对较低，且脉动大；两管全波整流电路则需要变压器的副边绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受的最高反向电压相对较大，所以这两种电路应用较少。桥式整流电路的优点是输出电压高，电压脉动较小，整流二极管所承受的最高反向电压较低，同时因整流变压器在正负半周内都有电流供给负载，整流变压器得到了充分的利用，效率较高，因此单相桥式整流电路在半导体整流电路的应用最为广泛。解 应采用桥式整流电路，如图5.4所示。图5.4 单相桥式整流电路变压器副边电流有效值为：（mA）变压器副边电压有效值为：（V）变压器的容量为：（VA）流过整流二极管的平均电流为：（mA）整流二极管承受的最高反向电压为：（V）5.4 在如图5.5所示的电路中，已知k，直流电压表V2的读数为110V，二极管的正向压降忽略不计，求：（1）直流电流表A的读数。（2）整流电流的最大值。（3）交流电压表V1的读数。图5.5 习题5.4的图分析 直流电压表V2的读数即为输出直流电压Uo，直流电流表A的读数即为输出直流电流Io，交流电压表V1的读数即为变压器副边电压有效值U2，而整流电流的最大值可由其与输出直流电流Io的关系求出。解 （1）直流电压表V2的读数即为输出直流电压Uo，直流电流表A的读数即为输出直流电流Io，所以：（mA）（2）因为整流电流的平均值（即输出直流电流Io）为：所以，整流电流的最大值为：（mA）（3）交流电压表V1的读数即为变压器副边电压有效值，为：（V）5.5 如图5.6所示电路为单相全波整流电路。已知V，。（1）求负载电阻RL上的电压平均值Uo与电流平均值Io，并在图中标出uo、io的实际方向。（2）如果VD2脱焊，Uo、Io各为多少？（3）如果VD2接反，会出现什么情况？（4）如果在输出端并接一滤波电解电容，试将它按正确极性画在电路图上，此时输出电压Uo约为多少？分析 当u2极性为上正下负时，二极管VD1因承受反向电压而截止，VD2因承受正向电压而导通，此时有电流由下而上流过负载，在负载两端产生的输出电压极性为上负下正；当u2极性为上负下正时，二极管VD2因承受反向电压而截止，VD1因承受正向电压而导通，此时也有电流由下而上流过负载，在负载两端产生的输出电压极性也是上负下正。解 （1）由于是单相全波整流，所以负载电阻RL上的电压平均值Uo与电流平均值Io各为：（V）（mA）uo、io的实际方向如图5.7所示。（2）如果VD2脱焊，则只有当u2极性为上负下正时，VD1因承受正向电压而导通，u2极性为上正下负时，二极管VD1因承受反向电压而截止，所以VD2脱焊时由VD1构成半波整流电路， Uo、Io各为：（V）（mA）（3）如果VD2接反，则当u2极性为上正下负时电路不通，VD1和VD2均因承受反向电压而截止，u2极性为上负下正时VD1和VD2均因承受正向电压而导通，由变压器两个副绕组以及VD1和VD2构成的回路中会有很大的电流通过，会烧坏变压器和VD1、VD2。（4）如果在输出端并接一滤波电解电容，其极性应为上负下正，如图5.7所示，此时输出电压Uo约为：（V） 图5.6 习题5.5的图 图5.7 习题5.5解答用图5.6 在如图5.8所示电路中，变压器副边电压最大值U2M大于电池电压UGB，试画出uo及io的波形。分析 本题电路是单相桥式整流电路，不过负载不是电阻，而是理想直流电压源和电阻串联的组合，分析依据仍然是看哪个二极管承受正向电压，决定其是否导通。解 当u2的极性为上正下负且时，二极管VD1、VD3因承受正向电压而导通，VD2、VD4因承受反向电压而截止，忽略二极管的正向压降，则输出电压uo等于变压器副边电压u2，即，输出电流。当u2的极性为上正下负且，以及u2的极性为上负下正时，4个二极管均因承受反向电压而截止，忽略二极管的反向电流，则输出电流，输出电压。根据以上分析，可画出u2、uo及io的波形，如图5.9所示。 图5.8 习题5.6的图 图5.9 习题5.6解答用图5.7 在如图5.10所示桥式整流电容滤波电路中，V，F，试问：（1）正常时Uo为多大？（2）如果测得Uo为：V；V；V；V。电路分别处于何种状态？（3）如果电路中有一个二极管出现下列情况：开路；短路；接反。电路分别处于何种状态？是否会给电路带来什么危害？图5.10 习题5.7的图分析 单相桥式整流电容滤波电路正常工作时，负载电阻RL开路时，滤波电容C开路时。单相半波整流电容滤波电路正常工作时，负载电阻RL开路时，滤波电容C开路时。解 （1）正常时Uo的值为：（V）（2），这时电路中的滤波电容开路；，这时电路中的负载电阻RL开路；，这时电路中有13个二极管和滤波电容同时开路，成为半波整流电路；，这时电路处于正常工作状态。（3）当有一个二极管开路时，电路成为半波整流电容滤波电路。当有一个二极管短路或有一个二极管接反时，则会出现短路现象，会烧坏整流变压器和某些二极管。5.8 电容滤波和电感滤波电路的特性有什么区别？各适用于什么场合？解 电容滤波电路成本低，输出电压平均值较高，但输出电压在负载变化时波动较大，二极管导通时间短，电流峰值大，容易损坏二极管，适用于负载电流较小且负载变化不大的场合。电感滤波电路输出电压较低，峰值电流很小，输出特性较平坦，负载改变时，对输出电压的影响也较小，但制作复杂、体积大、笨重，制作成本高，存在电磁干扰，适用于负载电压较低、电流较大以及负载变化较大的场合。5.9 单相桥式整流、电容滤波电路，已知交流电源频率Hz，要求输出直流电压为V，输出直流电流为mA，试选择二极管及滤波电容。分析 选择二极管需计算二极管的平均电流ID和承受的最高反向电压URM，选择滤波电容需计算电容C的值及其耐压值。解 流过整流二极管的平均电流为：（mA）变压器副边电压有效值为：（V）整流二极管承受的最高反向电压为：（V）负载电阻RL为：（）取：（s）则电容C的值为：（F）其耐压应大于变压器副边电压u2的最大值V。5.10 根据稳压管稳压电路和串联型稳压电路的特点，试分析这两种电路各适用于什么场合？解 稳压管稳压电路结构简单，但受稳压管最大稳定电流的限制，负载电流不能太大，输出电压不可调且稳定性不够理想，适用于要求不高且输出功率较小的场合。串联型稳压电路采用电压负反馈来使输出电压得到稳定，输出电压稳定性高且连续可调，脉动较小，调整方便，适用于要求较高且输出功率较大的场合。5.11 如图5.11所示桥式整流电路，设V，试分别画出下列情况下输出电压uAB的波形。（1）S1、S2、S3打开，S4闭合。（2）S1、S2闭合，S3、S4打开。（3）S1、S4闭合，S2、S3打开。（4）S1、S2、S4闭合，S3打开。（5）S1、S2、S3、S4全部闭合。图5.11 习题5.11的图分析 在各种不同的情况下，电路的结构和完成的功能不同。需仔细分析不同情况下的电路结构，才能了解电路所完成的功能，从而画出输出电压uAB的波形。解 （1）S1、S2、S3打开而S4闭合时电路为半波整流电路，且只有在u2的极性为上负下正即时，才有电流由A至B流过负载电阻RL，输出电压uAB的波形如图5.12（a）所示。（2）S1、S2闭合而S3、S4打开时电路为桥式整流电容滤波电路，由于负载电阻RL开路，所以输出电压uAB的波形如图5.12（b）所示。（3）S1、S4闭合而S2、S3打开时电路为桥式整流电路，输出电压uAB的波形如图5.12（c）所示。（4）S1、S2、S4闭合，S3打开时电路为桥式整流电容滤波电路，输出电压uAB的波形如图5.12（d）所示。（5）S1、S2、S3、S4全部闭合时u2经桥式整流、电容滤波、稳压电路稳压后输出，输出电压uAB的波形如图5.12（e）所示。 （a） （b） （c） （d）（e）图5.12 习题5.11解答用图5.12 电路如图5.13所示，已知V，k，电位器k，问：（1）输出电压Uo的最大值、最小值各为多少？（2）要求输出电压可在6V到12V之间调节，问R1、R2、RP之间应满足什么条件？分析 串联型稳压电路的输出电压为，式中，时输出电压Uo最大，时输出电压Uo最小。解 （1）输出电压Uo的最大值和最小值分别为：（V）（V）（2）要求输出电压可在6V到12V之间调节，即有：联立以上两式求解，得：图5.13 习题5.12的图5.13 试设计一台直流稳压电源，其输入为220 V、50 Hz交流电源，输出直流电压为+12 V，最大输出电流为500mA，试采用桥式整流电路和三端集成稳压器构成，并加有电容滤波电路（设三端稳压器的压差为5V），要求：（1）画出电路图。（2）确定电源变压器的变比，整流二极管、滤波电容器的参数，三端稳压器的型号。分析 单相桥式整流电容滤波电路输出电压平均值，每个二极管承受的最高反向电压，通过每个二极管的电流平均值。解 （1）由于采用桥式整流、电容滤波和三端集成稳压器来构成该台直流稳压电源，所以电路图如图5.14所示，图中电容F，F。图5.14 习题5.13解答用图（2）由于输出直流电压为+12 V，所以三端集成稳压器选用W7812型。由于三端稳压器的压差为5V，所以桥式整流并经电容滤波的电压为：（V）变压器副边电压有效值为：（V）变压器的变比为：（V）流过整流二极管的平均电流为：（mA）整流二极管承受的最高反向电压为：（V）负载电阻RL为：（）取：（s）则电容C的值为：（F）取F，连接如图5.14中所示。其耐压应大于变压器副边电压u2的最大值V。5.14 如图5.15所示电路是由W78稳压器组成的稳压电路，为种高输入电压画法，试分析其工作原理。图5.15 习题5.14的图分析 三端集成稳压器的输入电压应等于输出电压Uo加上稳压器的压差，若输入电压超过这个值，就要在输入端想办法提高输入电压。解 如图5.15所示电路中由电阻R、稳压管VDZ和晶体管组成了最简单的串联型稳压电路，它是在并联型稳压电路的基础上加上射极输出器构成的。由电路的构成可知，较高的输入电压Ui经过该串联型稳压电路后，降压变为适合集成稳压器的工作的电压，所以如图5.15所示电路能提高输入电压。5.15 如图5.16所示电路是W78稳压器外接功率管扩大输出电流的稳压电路，具有外接过流保护环节，用于保护功率管V1，试分析其工作原理。图5.16 习题5.15的图分析 如图5.16所示电路中的功率管V1用于扩大输出电流，它的功率消耗非常可观，若不加以保护，势必会损坏功率管。保护原理是，一旦发生过流，过流保护环节立即工作，使输出电流下降到较低的数值。解 如图5.16所示电路中的过流保护环节由晶体管V2和检测电阻R2组成，并利用R2两端的电压来控制V1基极与发射极之间的电压UBE1，从而控制V1的基极电流IB1，达到控制V1的集电极电流IC1的目的。电路正常工作时，流过R2的电流较小，晶体管V2截止，保护电路不工作。当发生过流时，流过R2的电流较大，晶体管V2导通并迅速达到饱和，使UBE1减小，IB1减小，IC1减小，达到了保护V1的目的。5.16 试说明开关型稳压电路的特点、组成以及各部分的作用。在下列各种情况下，应分别采用线性稳压电路还是开关型稳压电路？（1）希望稳压电路的效率比较高。（2）希望输出电压的纹波和噪声尽量小。（3）希望稳压电路的重量轻、体积小。（4）希望稳压电路的结构尽量简单，使用的元件少，调试方便。解 开关型稳压电路的特点是调整管工作在开关状态，因而具有效率高、体积小、重量轻以及对电网电压要求不高等优点，被广泛用于计算机、电视机、通信及空间技术等领域，主要缺点是控制电路比较复杂，输出电压中纹波和噪声成分较大。串联式开关型稳压电路主要由开关调整管、滤波电路、脉冲调制电路、比较放大器、基准电源和采样电路等部分组成。基准电源产生一个基准电压，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较，并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化，此脉冲信号作为开关调整管的输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也随之发生变化，从而使滤波以后输出电压的平均值基本保持不变。综上所述，若希望稳压电路的重量轻、体积小、效率比较高时，应采用开关型稳压电路；若希望稳压电路的结构尽量简单、使用的元件少、调试方便、输出电压的纹波和噪声尽量小时，应采用线性稳压电路。5.4 习题与考研试题精选5-1 在如图5.17所示整流电路中，已知变压器副边电压有效值V。（1）标出输出电压Uo1、Uo2的极性。