直流稳压电源课程学习

直流稳压电源直流电源的组成整流电路的结构、原理及性能指标滤波电路的工作原理及性能指标串联稳压电路的工作原理三端固定式稳压器三端可调式稳压器第1页/共80页第一页，共81页。直流电源的组成整流电路滤波电路稳压电路整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo第2页/共80页第二页，共81页。稳压电源各部分功能电源变压器:

将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:

将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:

将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4稳压电路:

清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。第3页/共80页第三页，共81页。整流电路分类整流前电源相数分单相、三相按电路结构分类半波整流、全波整流、桥式整流、倍压整流按整流器件分类二极管、可控硅第4页/共80页第四页，共81页。a.单相半波整流电路二极管导通，uo=u2u1u2aTbDRLuo二极管截止,uo=0+–io+–当u2>0时:当u2<0时:

以单相半波整流电路为例说明整流电路的工作原理。设变压器附边输出电压有效值为U2。第5页/共80页第五页，共81页。单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouDt2340工作效率为50%。第6页/共80页第六页，共81页。输出电压平均值（Uo(AV)）,输出电流平均值（Io(AV))：u1u2aTbDRLuouDioIo(AV)=Uo(AV)/RL=0.45U2/RL

uo20t主要参数：第7页/共80页第七页，共81页。二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2aTbDRLuouDiouD20tUDRM二极管上的平均电流：ID=IOUDRM=22U承受的最高反向电压:应用时选择反向耐压≥1.1UDRM的整流二极管。第8页/共80页第八页，共81页。脉动系数S：输出电压的基波峰值UO1M与平均电压

UO(AV)之比。纹波系数Kγ：输出电压交流分量有效值与输出电压

平均值之比。第9页/共80页第九页，共81页。b.单相全波整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+–+–原理：+–+–变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2当u2正半周时，D1导通，D2截止。当u2负半周时，D2导通，D1截止。第10页/共80页第十页，共81页。u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo20t()ò=pwp01tduUoO(AV)=()òpwp

01tdsinwt22UIo(AV)=Uo/RL=0.9U2/RL

=p229.02UU=2第11页/共80页第十一页，共81页。u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形u2uouD1t2340uD2+–+–0~：uD2=2u2+忽略二极管正向压降第12页/共80页第十二页，共81页。二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2aTbD1RLuoD2u2io二极管上的平均电流：oDII21=uD20tDRM22UU=2第13页/共80页第十三页，共81页。c.单相桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo第14页/共80页第十四页，共81页。-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2负半周时电流通路D2、D3

导通，D1

、D4截止第15页/共80页第十五页，共81页。u2>0时D1,D4导通D2,D3截止电流通路:a

D1RLD4bu2<0时D2,D3导通D1,D4截止电流通路:bD2RLD3au2D3D2D1D4RLuoab整流输出电压平均值：

Uo=0.9U2负载电流平均值:Io=Uo/RL=0.9U2/RL

二极管平均电流：ID=Io/2二极管最大反向电压：DRM22UU=u2uD2,uD3uD1,uD4uo第16页/共80页第十六页，共81页。几种常见的硅整流桥外形：+AC-~+~-~+-~u2uo+

–

第17页/共80页第十七页，共81页。整流电路的主要参数：负载电压Uo(AV)的平均值为:()ò=πoO(AV)tduπU2021w负载上的(平均)电流:LO(AV)RUIo=(1)整流输出电压的平均值uo20t第18页/共80页第十八页，共81页。

S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值之比。S越小越好。(2).脉动系数Ｓ用傅氏级数对全波整流的输出uo

分解后可得:uo20t基波基波峰值输出电压平均值第19页/共80页第十九页，共81页。第20页/共80页第二十页，共81页。滤波电路交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压

经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。

滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利用其对电压、电流的储能特性达到滤波的目的。第21页/共80页第二十一页，共81页。滤波的种类电容滤波电感滤波RC滤波LC滤波第22页/共80页第二十二页，共81页。一、电容滤波电路

电容滤波电路是使用最多也是最简单的滤波电路。其结构为在整流电路的输出端并联一较大容量的电解电容，利用电容对电压的充放电作用使输出电压趋于平滑。该形式电路多用于小功率电源电路中。1．电容滤波原理以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。a桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC第23页/共80页第二十三页，共81页。当RL未接入时(电容初始电压为0)：u2tuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucuo=uc=U2τc=RintC（Rint为充电回路等效电阻）第24页/共80页第二十四页，共81页。当RL接入时（假设RL是u2在从0上升时接入的）：u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形第25页/共80页第二十五页，共81页。uotu2上升,u2大于电容上的电压uc,u2对电容充电，uo=ucu2u2下降，u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数

=RLC第26页/共80页第二十六页，共81页。u2tuot只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。二极管中的电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC第27页/共80页第二十七页，共81页。u2t电容充电时，电容电压滞后于u2。RLC越小，输出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC较大）时第28页/共80页第二十八页，共81页。注意事项一般取近似估算:Uo(AV)≈1.2U2(b)流过二极管瞬时电流很大RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大;

整流管导电时间越短iD的峰值电流越大(a)输出电压平均值Uo与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大(c)二极管承受的最高反向电压：(d)滤波电容应选用耐压>1.1

的电解电容。第29页/共80页第二十九页，共81页。电路结构:

在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。u2u1RLLuo二、电感滤波电路第30页/共80页第三十页，共81页。电感滤波原理对谐波分量:

f

越高，XL越大,电压大部分降在XL上。

因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo(AV)≈0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压:u2u1RLLuo对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上第31页/共80页第三十一页，共81页。三、其他形式的滤波电路改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：L-C型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC–型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。LC–

型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C型滤波电路。第32页/共80页第三十二页，共81页。１.RC–

型滤波器改善滤波特性的方法：采取多级滤波uoRu2u1C1C2uo1´RLRC–

型滤波器第33页/共80页第三十三页，共81页。２、L-C

型滤波电路u2u1LuoCRLuo1设uo1的直流分量为U´O，交流分量的基波的幅值为U´O1m，：第34页/共80页第三十四页，共81页。３、LC–

型滤波电路u2u1LuoC2RLuo1C1显然，LC–型滤波电路输出电压的脉动系数比只有LC滤波时更小，波形更加平滑；由于在输入端接入了电容，因而较只有LC滤波时，提高了输出电压。请自行分析LC–

型滤波电路的输出电压和脉动系数等基本参数。第35页/共80页第三十五页，共81页。倍压整流电路

利用滤波电容的充放电作用，将多个电容和二极管组合可获得倍数于变压器附边电压的输出电压。u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容C1的电压：u2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压：输出端的电压：即二倍压电压。第36页/共80页第三十六页，共81页。+–2、多倍压整流电路+–u2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：u2的第一个负半周：u2、C2、D2、C1构成回路，C2充电到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6第37页/共80页第三十七页，共81页。+–+–+–+–+–+–C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周：u2、C1、C3、D3、C2构成回路，C1补充电荷，C3充电到：u2的第二个负半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1构成回路，C2补充电荷，C4充电到：把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。第38页/共80页第三十八页，共81页。稳压电路

稳压电路的作用:使直流电路在电网波动、负载变化、温度变化等因素影响下保证输出电压稳定。交流电压脉动直流电压整流滤波有波纹的直流电压稳压直流电压第39页/共80页第三十九页，共81页。稳压电源类型以下主要讨论线性稳压电路。稳压二极管稳压电路开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。第40页/共80页第四十页，共81页。(1)稳压系数S（越小越好）

稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。(2)输出电阻Ro（越小越好）

输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。第41页/共80页第四十一页，共81页。uiIZminIZmax稳压管稳压电路具有电路简单、元件数量少等优点，应用较为广泛。适用于负载电流小、负载电压不变的场合。稳压管稳压电路第42页/共80页第四十二页，共81页。从稳压管的特性可知，在电路中若能使稳压管始终工作在稳压区内，即：使稳压管的电流IZ满足条件：

IZmin≤

IZ≤

IZmax,则输出电压UO基本上保持不变，约为UZ。uiIZminIZmaxUZ

所以稳压二极管的稳压作用是利用稳压管中电流的调节实现稳压目的。电路中R必不可少，其作用是限流和电压、电流补偿。第43页/共80页第四十三页，共81页。

通过对电路分析容易得到关系式：1、稳压管稳压电路的工作原理当电网电压变化时：以上过程是利用关系中，使，从而实现UO的稳定。第44页/共80页第四十四页，共81页。当负载发生变化时：以上过程是利用关系中，使，使IR基本不变而实现UO的稳定。第45页/共80页第四十五页，共81页。2、稳压管稳压电路的性能指标

稳压管稳压电路的性能指标主要有稳压系数Sr、输出电阻RO、电压调整率、电流调整率、最大纹波电压、温度系数等。主要了解前两个。Sr定义为：在负载固定时稳压电路输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。Sr反映电网波动对输出电压的影响，其值越小说明稳压性能越好。第46页/共80页第四十六页，共81页。RO定义为：在输入电压固定时，稳压电路输出电压变化量与输出电流变化量之比。RO反映负载波动对稳压电路的影响，其值越小说明稳压电路带负载能力越强。

在只考虑变化量条件下，稳压管稳压电路可等效为如图形式，rz为稳压管的动态电阻。+-UIUO+-IZIODZRLR限流电阻IR+-UIUO+-RLRrz第47页/共80页第四十七页，共81页。脉动系数Sr：∴Sr=(ΔUO/ΔUI)(UI/UO)

+-UIUO+-RLRrz输出电阻RO：RO=R//rz≈rz(R>>rz)(R>>rz)另外，用电网电压波动±10%时UO的变化量ΔUO作为衡量指标，称为电压调整率。用IO从0变到额定值时，UO的变化量作为衡量指标，称为电流调整率。第48页/共80页第四十八页，共81页。稳压管稳压电路的参数选择

首先应确定输出电压UO，输出电流范围Iomin、Iomax（或RLmax、RLmin），输入电压UI波动范围（一般为±10%）等，据此选择整流、滤波、稳压元件参数。（1）UI的选择根据经验，一般选择UI=（2~3）UO确定Ii：该电流的选择原则为Ii>

Iomax。第49页/共80页第四十九页，共81页。（2）稳压管的选择UZ=UOIZM－IZ>Iomax－IominIZM

≥

Iomax

+IZ（3）限流电阻的选择由得限流电阻的功率：（空载时）第50页/共80页第五十页，共81页。输出电流小，输出电压不可调节；结构简单、方便，使用元件少；适用于IO较小，UO不变的场合，如作电压基准。稳压管稳压电路的特点：第51页/共80页第五十一页，共81页。串联型稳压电路为克服稳压管稳压电路输出电流较小,输出电压不可调的缺点。引入串联型稳压电路。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础,利用晶体管的电流放大作用增大负载电流,并在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定,通过改变网络参数使输出电压可调.第52页/共80页第五十二页，共81页。+-UIUO+-IODZRLR+-UIUO+-ILDZRLRI’LIL=(1+β)I’L

调整管T在稳压管后增加一级共集放大电路。稳压原理：UIUEUBEIBUOIE（UBE=UB-UE）当电网电压波动时：当负载变化时：RLUEUBEIBUOIE（UBE=UB-UE）T通过对电流的调整实现UO的稳定，故称T为调整管。一.串联式直流稳压电路的基本形式第53页/共80页第五十三页，共81页。TUORL+–+–UZUIiRiZiL串联式直流稳压电路的基本形式两个主要缺点：(1)稳压效果不好。Uo=UZ–UBE(2)输出电压不可调。改进的方法：在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。第54页/共80页第五十四页，共81页。UO+－UI+-ILDZRLRR3+-R1R'2R''2R2TA利用同相比例电路稳定输出电压，并用电位器调节比例系数，射随器的作用是放大输出电流。UO由同比放大器决定：稳压原理：UOUNUBUOUOUNUBUO输出电压的调节范围：第55页/共80页第五十五页，共81页。一般可以将串联式稳压电路分成由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–第56页/共80页第五十六页，共81页。T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–调整元件T：与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。比较放大器：可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。基准电压：可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。第57页/共80页第五十七页，共81页。T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–

因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。第58页/共80页第五十八页，共81页。1）稳压原理UoUB2UBE2(=UB2-UZ）UC2Uo当UI增加或输出电流减小使Uo升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2第59页/共80页第五十九页，共81页。2）输出电压的确定和调节范围R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2第60页/共80页第六十页，共81页。3）影响稳压特性的主要因素2.流过稳压管的电压随UI波动，使UZ不稳定，降低了稳压精度。1.电路对电网电压的波动抑制能力较差。例：UIVC2UoR3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB23.温度变化时，T2组成的放大电路产生零点漂移时，输出电压的稳定度变差。第61页/共80页第六十一页，共81页。4）改进措施1.选用差动放大器或运放构成的放大器代替T2管构成的放大器，可以解决零点漂移的问题。调整管为核心元件，与选用一般大功率管的原则相同，应考虑其极限参数ICM、U(BR)CEO、

PCM~220VRL+-Uo-+ATRDZR1RwR2第62页/共80页第六十二页，共81页。采用辅助电源(比较放大部分的电源)。用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益。4.调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围。串联反馈式稳压电路UITR1R2UFRLUoAV+-RWRUZ第63页/共80页第六十三页，共81页。随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。固定式集成稳压电源第64页/共80页第六十四页，共81页。第65页/共80页第六十五页，共81页。1端:输入端2端:公共端3端:输出端W7800系列稳压器外形1231端:公共端2端:输入端3端:输出端W7900系列稳压器外形123第66页/共80页第六十六页，共81页。注：型号后XX两位数字代表输出电压值输出电压额定电压值有:5、6、9、12、15、18、24V等。三端集成稳压器固定式可调式正稳压W78XX负稳压W79XX固定式集成稳压电源的分类第67页/共80页第六十七页，共81页。W7800集成稳压器内部电路组成框图

第68页/共80页第六十八页，共81页。由图可见，除增加了一级启动电路外，其余部分与上面所述串联稳压电路完全一样，其基准电压源的稳定性更高，保护电路更完善。启动电路是集成稳压器中的一个特殊环节，它的作用是在UI加入后，帮助稳压器快速建立输出电压UO。调整电路由复合管构成。取样电路由内部电阻分压器构成，分压比为固定的，所以输出电压是固定的。CW7800系列稳压器中设有比较完善的保护电路，主要用来保护调整管。它具有过流、过压和过热保护功能。第69页/共80页第六十九页，共81页。1、输出为固定电压的电路应用电路输出为固定正压时的接法如图所示。注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！+_W7800系列稳压器基本接线图CoW7800CIUI+_Uo1320.1~1F1µF第70页/共80页第七十页，共81页。输出正负电压的电路正负电压同时输出电路W78XXCIUI+_UO132+