第5单元 直流稳压电源

第5单元直流稳压电源项目一单向整流、滤波电路调试项目二稳压电源制作调试

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项目导入一、项目导入

很多常用电子仪器或设备都需要用直流电源供电，而电能大多是交流电形式，因此需要将交流电转换成稳定的直流电。直流稳压电源的作用是将交流电转换成功率较小的直流电，它一般由变压、整流、滤波、稳压等几部分组成。变压器用来将标准交流电压变为所需的交流电压值。整流电路用来将交流电压转换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是输入交流电源电压波动和负载变化时，维持输出直流电压的稳定。

二、相关知识直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4部分组成。如下图所示。（一）整流电路

整流电路是利用二极管的单向导电性，将工频交流电转换为单向脉动直流电的电路。单向整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流。目前广泛使用的是桥式整流电路。

1．单相半波整流电路图5-2（a）所示是单相半波整流电路，由电源变压器T、整流元件VD及负载电阻RL组成。

设变压器二次的交流电压为

（1）工作原理。

当u2为正半周时，其极性为上正下负，即a点的电位高于b点，二极管VD承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io=

iD。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器二次电压，即uo=u2，输出电压uo的波形与u2相同。

当u2为负半周时，a点的电位低于b点，二极管VD承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压uo=

0，变压器二次电压u2全部加在二极管VD上。

因此，在负载电阻RL上得到的是半波整流电压uo，其大小是变化的，而且极性一定，即所谓单向脉动电压。其波形如图5-2（b）所示。图5-2单向半波整流电路及其电压、电流波形（2）参数计算。

负载上的直流电压平均值是流过负载电阻的电流平均值为

变压器二次电压有效值为流过二极管的电流平均值为二极管截止时承受的最高反向电压就是变压器二次交流电压的最大值，即根据ID和UDRM就可以选择合适的整流元件。例5-1有一单相半波整流电路如图5-2（a）所示，已知负载电阻RL=750Ω，变压器二次电压U2=20V，试求Uo、Io，并选用选择合适的二极管。

解：负载电压平均值为

流过负载的电流平均值为：流过每个二极管的电流平均值为

二极管截止时承受的最高反向电压为：查半导体手册，二极管可选用2AP4，其最大整流电流为16mA，最高反向工作电压为50V。为了使用安全，二极管的反向工作峰值电压要选得比UDRM大一倍左右。

2．单相桥式整流电路

单相半波整流电路的缺点是输出电压低、脉动大、电路整流效率低，为了克服这些缺点，常采用单相桥式整流电路。

如图所示为单相桥式整流电路。它由4个二极管（VD1～VD4）接成桥式电路，VD1阳极与VD4阴极相连，VD2阳极与VD3阴极相连，分别接向在变压器副边的a、b两端；VD1与VD2阴极相连，VD3与VD4阳极相连，分别接在负载的正端与负端，输出直流电压。

（1）工作原理当u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管VD1、VD3承受正向电压而导通，VD2、VD4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→VD1→RL→VD3→b。当u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管VD2、VD4承受正向电压而导通，VD1、VD3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：b→VD2→RL→VD4→a。负载电阻RL在交流电压的一周期内都有电流流过，而方向不变，波形图如图5-4所示。

图5-4单相桥式整流电路的电压和电流波形（2）参数计算负载上的直流电压平均值为

流过负载电阻的电流平均值为：流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即

每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值

根据ID和UDRM就可以选择二极管的型号。整流变压器副边二次电压有效值为

整流变压器副边二次电流有效值为电源变压器的容量。考虑到二极管的正向压降和变压器的损耗，在实际电路中S与U2应增大10%～20%。例5-2试设计一台输出电压为24V，输出电流为lA的直流电源，且该电源采用单相桥式整流电路。试计算：（1）变压器副边二次绕组电压和电流的有效值，（2）选择二极管的型号。

解：（1）变压器副边二次绕组电压有效值为

整流变压器副边二次电流有效值为：（2）整流二极管承受的最高反向电压为流过每个整流二极管的平均电流为因此可选用四4只2CZ52B整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为50V。

（二）滤波电路

所谓滤波，就是滤掉脉动直流电的交流成分，保留其直流成分。滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。

1．电容滤波电路图5-5所示为单相桥式整流电容滤波电路。图5-5单相桥式整流电容滤波电路

设电容两端初始电压为零，接通电源后，当u2为正半周时，a点电位高于b点电位，VD1、VD3承受正向电压而导通，C被充电，同时电流经VD1、VD3向负载电阻供电。忽略二极管正向压降和变压器内阻，因此uo=

uC≈u2，在u2达到最大值时，uC也达到最大值，如图5-6中Oa段所示。然后u2下降，此时，uC>u2，VD1、VD3截止，电容C向负载电阻RL放电，电容电压uC按指数规律逐渐下降，如图5-6中ab段所示。

图5-6单相桥式整流电容滤波电路电压和电流波形

当u2为负半周时，uC下降，|u2|上升，当|u2|>uC时，VD2、VD4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。

为了获得较平滑的输出电压，通常选取

～

～

~

式中，为电容通过负载放电的时间常数；T为交流电压的周期。

加入滤波电容以后，输出直流电压的波形平滑得多了，而且输出直流电压的平均值也提高了。，其值接近于变压器副边二次电压的幅值，一般按1.2U2计算.即

由图5-6可见，二极管导通时间缩短，通过二极管的电流是周期性的脉冲电流iD。由于电容C的充电，流过二极管的瞬时电流可能很大，二极管要经受得住一定的电流冲击。为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。单相半波整流、电容滤波电路中，二极管承受的反向电压为，当负载开路时，承受的反向电压为最高，为

单相桥式整流电容滤波电路中，二极管承受的反向电压与没有电容滤波时一样，为

电容滤波的优点是电路简单，输出电压Uo较高，

其缺点是负载变动时对输出电压影响较大，负载电流增大时脉动变大，二极管导通时间变短，在导通期间流过较大的冲击电流。因此电容滤波适用于负载电流小、负载变动小的场合。

例5-3设计一单相桥式整流电容滤波电路，要求输出电压，已知负载电阻，交流电源频率为50Hz，试选择整流二极管和滤波电容器。解：流过整流二极管的平均电流为变压器二次电压有效值为整流二极管承受的最高反向电压因此可选择2CZ11B作整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为200V.

取

则

2．电感滤波电路

电感滤波电路如图5-7所示，即在整流电路与负载电阻之间串联一个电感器L。由于在电流变化时电感线圈中将产生自感电动势来阻碍电流的变化，当流过电感L的电流增大时，电感产生的自感电动势阻碍电流的增加；当电流减小时，自感电动势则阻碍电流的减小。这样，经电感滤波后，输出电流和电压的波形也可以变得平滑，脉动减小。显然，L越大，滤波效果越好。忽略电感线圈的电阻，电感滤波电路的输出电压平均值与桥式整流电路相同，即

当负载改变时，对输出电压的影响较小。因此，电感滤波适用于负载电流较大、负载变动较大的场合。由于电感量大时体积也大，在小型电子设备中很少采用电感滤波方式。

图5-7电感滤波电路3．复合滤波电路

单一的电容滤波或电感滤波的效果可能不够理想，在对滤波的效果要求很高的情况下，应采用复合滤波。常用的复合滤波有LC滤波、型LC滤波、型RC滤波等几种。

图5-8（a）所示是LC滤波电路，它由电感滤波和电容滤波组成。脉动直流电首先经过电感滤波，滤掉大部分交流分量，即使有小部分交流分量通过电感，再经过电容滤波，也可得到很平滑的直流电，负载上的交流分量很小。图5-8（b）所示是型LC滤波电路，可看成是电容滤波和LC滤波电路的组合，因此滤波效果更好，在负载上的电压更平滑。由于型LC滤波电路输入端接有电容，在通电瞬间因电容器充电会产生较大的冲击电流，所以一般取C1＜C2，以减小浪涌电流。

在负载电流较小的情况下，常用电阻代替电感，构成型RC滤波电路。电阻对直流和交流呈现相同的阻抗，但若与电容配合适当，则可起到滤波作用。项目二稳压电源制作调试

二、相关知识所谓稳压电路，就是当电网电压波动或负载发生变化时，能使输出电压稳定的电路。目前在中小功率设备中应用较广泛的稳压电路有两种：一种是用硅稳压管并联组成的并联型稳压电路；另一种是用三极管或集成电路组成的串联型稳压电路。（一）并联型稳压电路

用硅稳压二极管并联组成的并联型稳压电路的电路图如图

电阻的作用；电阻R一方面用来限制电流，使稳压管电流IZ不超过允许值，另一方面还利用它两端电压的升降使输出电压Uo趋于稳定。

稳压管的作用；稳压管反向并联在负载两端，工作在反向击穿区，由于稳压管反向特性陡直，即使流过稳压管的电流有较大的变化，其两端的电压也基本保持不变。引起输出电压不稳的主要原因有交流电源电压的波动和负载电流的变化。Ui=IR+Uo。I=IZ+Io。

若负载不变，当交流电源电压增时的稳压过程：电源电压↑→

↑→→Ui↑→Uo↑→UZ↑→IZ↑↑→I

=

IZ+Io↑↑→UR↑↑→Uo↓→稳定。

若电源电压不变，整流滤波后的输出电压Ui不变，负载减小时的稳压过程：↓→Io↑→I=IZ+Io↑→UR↑→Uo↓→IZ↓↓→I

=

IZ+Io↓↓→UR↓→Uo↑→稳定可见，这种稳压电路中稳压管起着自动调节的作用。（二）串联型稳压电路

串联型稳压电路如图5-15所示，整个电路由4部分组成。

图5-15串联型稳压电路

（1）取样环节。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）基准电压环节。基准电压环节由稳压二极管VZ和电阻R3构成的稳压电路组成，稳定的基准电压UZ作为调整、比较的标准。设VT2发射结电压UBE2可忽略，则

（3）比较放大环节。直流放大环节由VT2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VT1。

或

（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，VT1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UCE1改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。工作原理：当输入电压Ui或输出电流Io变化引起输出电压Uo增加时，取样电压Uf相应增大，使VT2的基极电流IB2和集电极电流IC2随之增加，VT2的集电极电位UC2下降，因此VTl管的基极电流IB1下降，IC1下降，UCE1增加，Uo下降，从而使Uo保持基本稳定。

同理，当Ui或Io变化使Uo降低时，调整过程相反，UCE1将减小使Uo基本保持不变。

（三）线性集成稳压器

集成稳压器是目前性能较为良好的集成稳压器件，它可以分为固定输出和可变输出两种。固定输出集成稳压器有78系列和79系列两大系列。78系列输出为正电压，输出正电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多种；79系列输出为负电压。三端稳压器在加装散热器的情况下，输出电流可达1.5～2.2A，最高输入电压为35V，最小输入、输出电压差为2～3V，输出电压变化率为0.1%～0.2%。

三端集成稳压器外形图

电路符号

集成稳压器的引脚与排列。

1．基本电路三端集成稳压器可以用最简单的形式接入电路中使用。图5-20（a）所示为W78××系列的应用电路，从变压器输出的交流电压经整流滤波后产生的直流电压从1、3两端输入，从2、3输出的是稳定的直流电压。当稳压器远离整流滤波电路时，接入电容C1以抵消较长电路的电感响应，防止产生自激振荡。电容C2的接入是为了减小电路的高频噪声。C1一般取0.331µF，C2取0.1µF。

图5-20三端集成稳压器基本接线图2．提高输出电压的电路

当负载所需电压高于现有三端稳压器的输出电压时，可采用升压电路来提高输出电压，其电路如图5-21所示。显然电路的输出电压Uo高于W78××的固定输出电压U××。

图5-21提高输出电压的电路

3．扩大输出电流的电路三端集成稳压器的输出电流有一定的限制，如1.5A、0.5A、0.1A等。当负载所需电流大于现有三端稳压器的输出电流时，可以通过外接功率管的方法来扩大输出电流，其电路如图5-22所示。

图5-22扩大输出电流的电路

4．输出正负电源的电路将W78××和W79××系列稳压器组成如图5-23所示电路，可以输出正负电压。图5-23可输出正负电压的电路（四）开关稳压电路

1．开关型稳压电路的特点和分类开关型稳压电路主要有以下几个方面的特点（1）效率高。（2）体积小、重量轻。（3）对电网电压的要求不高。（4）调整管的控制电路比较复杂。（5）输出电压中纹波和噪声成分较大。

开关型稳压电路的分类

（1）按控制的方式分，开关型稳压电路有脉冲宽度调制型（PWM）、脉冲频率调制型（PFM）和混合调制型3种；（2）按是否使用工频变压器分，有低压开关稳压电路和高压开关稳压电路两种；（3）按激励的方式分，有自激式和他激式；（4）按所用开关调整管的种类分，有双极型三极管、MOS场效应管和晶闸管开关电路等。类型很多，可以按不同的方法来分类。2．开关型稳压电路的组成和工作原理

如图5-24所示为一个串联式开关型稳压电路的框图，其包括开关调整管、滤波电路、脉冲调制电路、比较放大器、基准电压和采样电路等几个组成部分。图5-24串联式开关型稳压电路的组成框图

图5-25所示为一个最简单的开关型稳压电路示意图，电路的控制方式采用脉冲宽度调制式。图5-25脉冲宽度调制式开关型稳压电路示意图

工作原理如下：当ut＞uA时，比较器输出高电平，uB=+UOM。当ut＜uA时，比较器输出低电平，uB=－UOM。故调整管VT的基极电压uB成为高、低电平交替的脉冲波形。uB为高电平时，调整管饱和导通，此时发射极电流iE流过电感和负载电阻，一方面向负载提供输出电压，另一方面将能量储存在电感的磁场中。由于三极管VT饱和导通，因此其发射极电位uE为

式中，Ui为直流输入电压，UCES为三极管的饱和管压降。uE的极性为上正下负，故二极管VD被反向偏置，不能导通，此时二极管不起作用。

当uB为低电平时，调整管截止，但电感具有维持流过电流不变的特性，此时将储存的能量释放出来，在电感上产生的反电势使电流通过负载和二极管继续流通，因此，二极管VD称为续流二极管。此时调整管发射极的电位uE为uE=－UD

式中，UD为二极管的正向导通电压。

可见调整管处于开关工作