项目8 直流稳压电源的分析及应用

项目8直流稳压电源的分析及应用8.1任务1整流与滤波电路分析各种电子设备和装置中，都需要直流电源来供电，而电网能提供的电源却是交流的，这就需要有一个转换电路把交流电压变成比较稳定的直流电压，能实现这种功能的电路就叫直流稳压电源。直流稳压电源一般是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成的，电源变压器将较高的交流电网电压变换为较低的适用的交流电压；整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电；滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大部分交流成分滤掉，得到一个较平滑的直流电；稳压电路用来消除由于电网电压波动、负载改变对其产生的影响，从而使输出电压稳定。8.1.1单相半波整流电路1．电路组成与工作原理图8-1所示电路为单相半波整流电路。图中电路由电源变压器、整流二极管和负载电阻组成。2.参数计算1）输出电压的平均值UO输出电压的平均值UO

是指一个周期内脉动电压的平均值，其式为4）二极管承受的最大反向电压URM在半波整流电路中，当二极管反向截止时，电压u2负半周将全部加在二极管两端，且为反向电压。因此，这时二极管承受的反向峰值电压URM就是变压器二次侧电压的最大值，即3.二极管的选择选择二极管一般应根据整流电路中通过二极管的电流平均值ID和所承受的最高反向电压URM来选择，即必须满足条件8.1.2单相桥式整流电路1.电路组成及工作原理单相桥式整流电路由变压器和四个同型号的二极管组成，二极管接成电桥形式故称桥式整流，如图8-2所示。为计算方便，把二极管作为理想元件，即正向导通电阻为零，反向截止电阻为无穷大，图8-2（b）是桥式整流电路的简化画法。当变压器二次侧电压设u2=为正半周期（即上正下负）时，二极管VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，电流的通路为u2+→VD1→RL→VD3→u2﹣，这时负载电阻RL上得到一个正弦半波电压。2．参数计算（1）整流电压平均值UO

从上面分析得知，桥式整流中负载所获得的直流电压比半波电路提高了一倍，即UO=2×0.45U2=0.9U

（8-5）上式表示了桥式整流电路的直流分量是交流电压有效值的0.9倍。（2）负载电流平均值流过负载上的电流平均值为（3）二极管的正向平均电流在桥式整流电路中，二极管VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通，分别与负载串联，因此流过每个二极管的平均电流为IO的一半，即（4）二极管承受的最大反向电压URM二极管承受的最大反向电压URM

从图中可以看出，在u2的正半周时，VD1、VD3导通，这时u2直接加在VD1、VD3上，因此VD2、VD4所承受的最大反向电压URM为u2的峰值，即8.1.3滤波电路整流电路的输出电压是单向脉动的直流电压，其中含有较大的脉动成分。当负载需要脉动很小的比较平滑的直流电压时，就必须在整流电路之后再加滤波电路，以减少输出电压中的脉动成分。1.电容滤波电路电容滤波电路如图8-4所示，它在整流电路输出端与负载之间并联了一个大容量的电容。在工程实际应用中，当满足RLC≥（3～5）T/2时，可按下式估算带电容滤波器的桥式整流电路的输出直流电压UO=1.2U2电容滤波电路简单，滤波效果较好，缺点是外电路特性较差，负载电流不能过大，否则会影响滤波效果，所以电容滤波适用于负载变动不大、电流较小的场合。2.电感滤波电路电感滤波电路如图8-6所示，电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平缓的作用。在电路中，当负载电流io增加时，自感电动势将阻碍电流增加，同时把一部分能量存储于线圈的磁场中；当电流减小时，反电动势将阻止电流的减小，同时把存储的能量释放出来，从而使输出电压和电流的脉动成分减少，达到滤波的目的。3.复式滤波电路复式滤波电路是将电容滤波与电感滤波组合，可进一步减少脉动成分，提高滤波效果。常用的有LC滤波器、π型LC滤波器、π型RC滤波器等，如图8-7所示。操作训练1桥式整流滤波仿真实验1.训练目的①学会桥式整流电路输出电压值和输入交流电压值的仿真测试。

②测试滤波电容接与不接对输出电压波形的影响，了解滤波电容的作用。2.仿真测试1）桥式整电路测试（1）搭建图8-8所示的桥式整流仿真电路。（2）单击仿真开关，激活电路，双击示波器图标，弹出示波器XSC1面板，设置面板参数，观察屏幕上的波形，如图8-9所示。（3）双击万用表图标，弹出万用表面板，设置为电压表，面板显示数字为负载两端电压，如图8-10所示。2）桥式整流电容滤波电路测试（1）测试电路，在图8-8桥式整流电路上，添加滤波电容C1，形成桥式整流电容滤波电路，如图8-11所示。（2）单击仿真开关，激活电路，双击示波器图标，弹出示波器XSC1面板，设置面板参数，观察屏幕上的波形，如图8-12所示。（3）双击万用表图标，弹出万用表面板，设置为电压表，面板显示数字为负载两端电压，如图8-13所示。3.实验测试（1）桥式整电路测试参照仿真电路图8-8连接电路，注意连接电路时应切断电源，严禁将二极管的极性接反或短路，电路检查无误后方可再次通电测试。（2）桥式整流电容滤波电路测试参照仿真电路图8-11连接电路，注意连接电路时应切断电源，整流二极管和滤波电容的极性不得接反。电路检查无误后方可再次通电测试。8.2任务2稳压电路分析8.2.1稳压管稳压电路1.电路组成稳压管是利用二极管的反向击穿特性，并用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，发生低压击穿时，由于工艺上的特殊处理，只要反向电流小于它的最大允许值，管子仅发生电击穿而不会损坏。2稳压电路的工作原理对于直流电源而言，引起输出电压不稳定的主要原因是交流电源电压的波动及负载电流的变化。为此，需分别从以下两种情况分析稳压原理。（1）负载电流变化假设交流电源电压不变，负载电阻RL减小，则负载电阻RL上的端电压UO下降，由稳压二极管的伏安特性曲线8-15可知，当UO稍有下降时，稳压二极管的电流IZ就会显著减小，结果通过限流电阻R的电流IR减小，则R上的压降UR减少，从而使已经降低的UO回升，使UO基本保持不变。这一稳压过程可表示为：RL↓→UO↓→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑。（2）交流电源电压波动假设负载电阻RL不变，交流电源电压u增加时，则负载电阻RL上的端电压UO增加，由稳压二极管的伏安特性可知，当UO稍有增加时，稳压二极管的电流IZ就会显著增加，结果通过限流电阻R的电流IR增加，则R上的压降UR增加，从而使已经增加的UO降低，使UO基本保持不变。这一稳压过程可表示为：u↑→UO↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO↓。由此可见，硅稳压管电路利用稳压管的稳压特性可以使输出电压保持稳定。电阻R在稳压电路中起到了限流和调节的双重作用。3.限流电阻的选择由图8-14可看出，所需稳定的输出电压Uo实际上就是稳压管的稳定电压Uz，因此，要使输出电压Uo稳定不变，则必须确保在容许的输入电压和负载电阻变化范围内，稳压管的工作电流IZ满足：IZmin＜IZ＜IZmax可得到R的范围为8.2.2串联稳压电路1．电路组成串联型晶体管稳压电路如图8-16所示，它由取样环节、基准电压环节、比较放大环节及调整环节四部分组成。1）取样环节取样环节由R3、R4、Rp组成的分压电路构成。取样电路取出输出电压UO的一部分送至比较放大环节与基准电压Uz比较，调节电位器Rp滑动端的位置则可改变的大小。2）基准电压环节基准电压环节由稳压管Uz和限流电阻R2组成。它提供稳定的基准电压Uz，使VT2的发射极电位固定不变。3）比较放大环节晶体管VT2和电阻R1组成的直流放大电路构成比较放大环节。晶体管VT2的基—射极电压UBE2是取样电压与基准电压Uz之差，这个电压差值经放大后去控制调整管VT1。R1既是调整管VTl的基极偏置电阻，又是VT2的集电极负载电阻。4）调整环节调整环节由工作在线性放大区的功率管VT1组成。它的基极电流Ib1受比较放大电路输出信号的控制，Ib1的变化将使其VT1管的压降UCE1作相应的变化，从而使输出电压UO接近变化前的数值。由于调整管VT1和负载RL是串联的，所以这种电路被称为串联型晶体管稳压电路。2．工作原理当输入电压U1或负载电阻RL增大引起输出电压UO增加时，取样电压相应增加，与固定不变的基准电压Uz比较后，使VT2的基—射极电压UBE2增大，基极电流IB2增大，集电极电流IC2上升，集—射极电压UCE2下降，于是调整管VT1的UBE1降低，则IB1、IC1随之下降，而管压降UCE1升高，下降，最终使UO保持基本不变。电路自动调整过程如下:3.输出电压的调节范围由图8-16所示电路可知，改变电位器RP滑动端的位置，输出电压UO可以在一定范围内变化。其输出电压的调节范围确定如下：当RP的滑动端移到最上端时，则取样电压为8.2.3集成稳压电路随着集成技术的发展，集成稳压电源的应用越来越广泛。集成稳压电源或称为集成稳压器）是把稳压电路中的大部分元件或全部元件制作在一片硅片上，变成单片式稳压器。它具有体积小、重量轻、可靠性高、温度特性好、使用灵活、价格低廉等优点。目前，大多数集成稳压电路都是采用串联型稳压电路，其框图如图8-17所示，除基本的稳压电路外，还包含有启动电路及各种保护电路。所谓三端是指电压输入、电压输出和公共接地三端。三端集成稳压器分为固定输出和可调输出两种不同的类型。固定式三端集成稳压器可分为W7800正稳压和W7900负稳压两个系列。W7800系列的型号有7802、7808、7812、7815、7818和7824，型号的最后两位数字表示输出电压值。其额定电流以78（79）后面的字母来区分。L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A。如CW7805表示稳定电压为5V、额定输出电流为1.5A。1．固定式三端稳压器1）输出国定电压时的电路（1）输出正电压；采用W78××集成稳压器组成输出正电压的电路，如图8-18所示。图中的电容器C2和C2用来减少输入和输出电压的脉动．并改善负载的瞬态响应。（2）输出负电压：采用W79××集成稳压器，按图8-19接线，即可得到负的输出电压。（3）输出正、负电压，在同时需要稳定的正、负直流输出电压的场合，可同时选用W78××和W79××集成稳压器，然后按图8-20接线。2．三端可调集成稳压器三端可调集成稳压器有正电压稳压器W317（117、217）系列和负电压稳压器W337（137、237）系列。外形如图8-22a所示。三端可调集成稳压器的输出电压1.25～37V，输出电流可达1.5A。使用这种稳压器非常方便，只要在输出端接两个电阻，就可得到所要求的输出电压值，它的应用电路如图8-22b所示，是可调输出稳压源标准电路。采用W317集成稳压器组成的输出电压连续可调的稳压电源如图8-23所示。它的三个端子除了输入端和输出端以外，第三个端子不是公共端（接地端），而是电压调整端，通过调整端外接电阻Rl和电位器Rp组成调压电路，只需调节电位器Rp就能使输出电压在1.2~37V范围内连续可调。操作训练2直流稳压电路性能测试1.训练目的1）研究稳压管在稳压电路中的作用。2）掌握稳压管电路的测试方法。2.仿真测试1）稳压管稳压电路（1）创建测试电路启动Multisim10仿真软件，创建图8-24所示电路，按图中所示选择元器件参数，