模拟电子技术章七

第7章直流电源

7.1直流电源的组成7.2单相整流电路7.3滤波电路7.4稳压电路 本章首先介绍单相半波、单相全波和单相桥式整流电路的工作原理，其次介绍电容和其他形式的滤波电路的性能，最后介绍集成稳压电路和开关稳压电路的工作原理。7.1直流电源的组成 几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源，通常都是由交流电网供电，因此需要把交流电变成稳定的直流电。直流稳压电源就是把交流电经过整流变成脉动的直流电，然后通过滤波稳压转换成稳定的直流电的仪器。它由整流电路、滤波电路和稳压电路3部分组成。①整流电路 整流电路的目的是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。这种单方向的脉动电压有很大的脉动成分。②滤波电路 滤波电路的功能是将整流后的单向脉动电压中的脉动成分尽可能地滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。它由电容、电感等储能元件组成。③稳压电路 稳压电路的功能是采取一些措施，当市电电压或负载电流变化时，使输出的直流电压保持稳定。7.2单相整流电路 整流电路的作用是利用二极管的单向导电性，将交流电转换成单向脉动电压。整流电路中基本上都包含了电源变压器，一方面是“变压”（大多情况下是进行“降压”，即将220V降为较低的交流电压）；另一方面是“隔离”，把电子设备与电网隔开。在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。7.2.1单相半波整流电路 带有纯阻负载的单相半波整流电路如图7.1（a）所示，这是一种最简单的整流电路。它由变压器T、整流二极管VD及负载RL3部分组成。二极管VD具有正向导通、反向截止的开关作用，所以将交流电变成了脉动的直流电，称为整流二极管；负载RL将电能转换成其他能量。图7.1单相半波整流电路1.工作原理及输入输出波形 电路中各处的波形如图7.1（b）所示。由图可知，利用二极管的单向导通这一特性，使变压器副边的交流电压转换成为负载两端的单向脉动电压，从而达到整流的目的。由于这种电路只在交流电压的半个周期内才有电流流过负载，因此称为单相半波整流电路。2.参数计算(1)负载上输出的平均电压U0

(2)整流二极管正向平均电流ID(3)整流二极管所承受的最大反向电压UDRM

单相半波整整流电路具具有结构简简单，使用用元件少的的优点。但但是也存在在着一些缺缺点：如输输出波形脉脉动大、直直流的成分分较低、变变压器只有有半个周期期导电，利利用率低；；变压器电电流含有直直流成分，，容易饱和和。因此，，一般只在在输出电流流较低，要要求不太高高的电路中中运用。7.2.2单相全波整整流在半波整流流电路的基基础上加以以改进就得得到了全波波整流电路路，它由变变压器、两两个整流二二极管和负负载组成。。变压器具具有中心抽抽头，因此此，VD1、VD2在正半周和和负半周内内轮流导电电，并且两两者流过RL的电流保持持同一方向向，使得负负载RL在正半周和和负半周均均有输出电电压。1.工作原理和和输入输出出波形全波整流的的原理图见见图7.3。2.参数计算(1)负载上输出出的平均电电压UO(2)整流二极管管正向平均均电流ID(3)整流二极管管所承受的的最大反向向电压UDRM全波整流电电路也存在在着明显的的缺点：二二极管所承承受的反向向峰值电压压高，是半半波整流电电路的两倍倍；全波整整流电路必必须采用具具有中心抽抽头的变压压器，并且且每个线圈圈只有一半半时间参与与导电，因因此变压器器的利用率率也不高。。7.2.3单相桥式整流电电路单相桥式整流电电路如图7.5(a)所示。图中，4个整流二极管VD1～VD2接成电桥的形式式，其中一个对对角线接变压器器的次级，另一一个对角线接负负载电阻RL，但二者不能互互换。故有桥式式整流电路之称称。图7.5(b)是它的简化画法法。图7.5桥式整流电路的的其他画法1.工作原理2.参数计算(1)负载上输出的平平均电压U0(2)流过负载的平均均电流IO(3)整流二极管所承承受的最大反向向电压UDRM桥式整流电路的的优点是输出电电压高，电压纹纹波小，管子所所承受的最大反反向电压比较低低，同时由于电电源变压器在正正、负半周内都都有电流供给负负载，电源变压压器的利用率高高。因此，此电电路在整流电路路中有了较为广广泛的运用。缺点是二极管用用得较多。7.3滤波电路路从前面的分析可可知，无论何种种整流电路，它它们的输出电压压都含有较大的的脉动成分。为为了减少脉动，，就需要采取一一定的措施，即即滤波。滤波的的作用是一方面面尽量降低输出出电压中的脉动动成分，另一方方面又要尽量保保留其中的直流流成分，使输出出电压接近于理理想的直流电压压。滤波电路一般由由电抗元件组成成，如在负载电电阻两端并联电电容器C，或与负载串联联电感器L，以及由电容器器、电感器复合合而成的各种组组合式滤波电路路。常见的结构构如图7.7所示。图7.7滤波电路的基本本形式因为电抗元件在在电路中能储存存能量，并联的的电容器C在电源供给的电电压升高时，能能把部分能量储储存起来，当电电压降低时，能能量就释放出来来，因此负载得得到的电压比较较平滑，即电容容C具有平波的作用用；与负载串联联的电感L，当电源供给的的电流增加时，，它把能量储存存起来，当电流流减小时，就将将能量释放出来来，因此负载电电流也较平滑，，即电感L也有平波作用。。滤波电路的形式式多种多样，可可分为电容输入入式（电容C接在最前面，如如图7.7中的a、c）和电感输入式式（电感L接在最前面，如如图7.7中的b）。前一种滤波波电路常用于小小功率的电源中中，而后一种滤滤波电路多用于于较大功率电源源中。本节重点点分析小功率整整流电源中常用用的电容滤波电电路，然后简要要分析其他形式式的滤波电路。。7.3.1电容滤波电路为了便于说明电电容滤波的工作作原理，先来分分析一下图7.8(a)所示的桥式整流流、电容滤波电电路。1.电容的滤波作用用图7.8桥式整流、电容容滤波电路2.滤波电容后电路路的特点(1)提高了输出电压压的直流成分(2)降低了输出电压压的脉动成分(3)二极管导通角度度变小而导通时时的最大电流变变大(4)电容滤波电路的的外特性差7.3.2其他形式滤波电电路1.RC-ⅡⅡ型滤波电路在前一节桥式整整流滤波电路的的基础上，再加加上一级RC滤波电路就构成成了如图7.11所示的RC-Ⅱ型滤波电路。图7.11RCⅡ型滤波电路2.电感滤波电路、、LC滤波电路和LC-Ⅱ型滤波电路在桥式整流电路路和负载电阻RL之间串入一个电电感器L，如图7.12所示。图7.12电感滤波电路采用电感滤波以以后，有延长整整流管导电角的的趋势，因此电电流的波形比较较平滑，输出特特性好。其缺点点是由于铁芯的的存在，笨重，，体积大，容易易引起电磁干扰扰。一般只适用用于低电压、大大电流场合。此此外，为了进一一步减少负载电电压中的纹波，，电感后面可再再接一电容而构构成LC滤波电路，如图图7.13所示。此电路在在负载电流较大大或较小时均有有良好的滤波作作用，因此，它它对负载的适应应性比较强。图7.13LC滤波电路若在LC滤波电路的输入入端再加上一个个电容，就构成成了LC-Ⅱ滤波电路，如图图7.14所示。该电路的的特点是输出电电压的脉动成分分小，波形更加加平滑。缺点是是滤波电路的外外特性较差，整整流管的冲击电电流比较大。图7.14LC-Ⅱ型滤波电路7.4稳压电路路和理想的直流电电源相比，整流流滤波电路的输输出电压还有一一定的差距，问问题是，当负载载电流变化时，，导致输出直流流电压的变化；；以及当电压波波动时，整流电电路的输出电压压也随之相应地地变化。因此，，就引出了稳压压电路。所谓稳稳压电路，就是是在负载不变而而输入电压变化化时，输出电压压不变；并且当当输入电压不变变而负载改变时时，输出电压也也不变的电路。。7.4.1稳压电路及其主主要技术指标1.主要技术指标(1)内阻（也称输出出电阻）R0(2)稳压系数Sr(3)电压稳定度SV2.硅稳定管稳定电电路(1)电路组成和工作作原理稳压管稳压电路路如图7.16所示。图7.16硅稳压管稳压电电路(2)各参数的估算①内阻R0②稳压系数Sr③限流电阻的选择择3.串联型直流稳稳压电路(1)电路组成和工工作原理串联型直流稳稳压电路如图图7.21所示。(2)输出电压的调调整范围图7.21串联型直流稳稳压电路7.4.2集成稳压电路路为了适应现代代电子技术的的发展，稳压压电路也迅速速实现集成化化。集成稳压压器具有体积积小、重量轻轻、抗干扰能能力强、大规规模生产、使使用经济等特特点，越来越越为大量电子子设备所使用用。特别是具具有输入端、、输出端和公公共引出端的的三端式稳压压器，因为不不需要外接元元件，并且本本身有限流、、过压和过流流保护电路，，所以运用更更加安全可靠靠。三端集成成稳压器可分分输出电压固固定和输出电电压可调两种种形式。本节节以具有正电电压输出的78LXX系列为例介绍绍电路的组成成、工作原理理、主要参数数以及它们的的外形和应用用电路。1.三端集成稳压压器的组成和和工作原理现结合一个实实例对三端集集成稳压器的的各部分电路路作简要说明明。如图7.22所示为一具有有正电压输出出的78LXX系列三端集成成稳压器。(1)启动电路(2)基准电压电路路(3)取样比较放大大电路和调整整电路图7.2278L××型为输出电压压固定的三端端集成稳压器器原理图(4)保护电路①限流保护电路路②过热保护电路路2.三端集成稳压压器外形及主主要参数3.三端集成稳压压器的应用电电路7.4.3开关型稳压电电路前面介绍的串串联型直流稳稳压电路和集集成稳压器均均属于线性稳稳压电路，这这是因为调整整器工作在放放大区。当负负载电流较大大时，调整管管的集电极损损耗相当大，，电源效率较较底，一般为为20%～40％，通常还要要配备庞大的的散热装置。。采用开关式式电路，就克克服了上述缺缺点。开关型型稳压电路的的串联调整管管工作在开关关状态，即调调整管主要工工作在饱和导导通和截止两两种状态。根据开关稳压压电源的控制制方式不同，，可分为脉冲冲宽度调制型型（即开关工工作频率不变变，控制导通通脉冲的宽度度）、脉冲频频率调制型(即开关导通时时间不变，控控制开关的工工作频率)和混合调制型型（即脉冲宽宽度和开关工工作频率均变变化）。以上上3种类型的开关关稳压器中，，脉冲宽度调调制型用得较较多，典型产产品有CW3420/CW3520、CW295和X63等。如图7.26所示为一脉冲冲宽度调制式式开关型稳压压电路的原