第7章直流电源

电子学基础制作：王林炜一、直流电源的组成二、单相整流电路三、滤波电路四、稳压电路第七章直流电源第七章直流电源

电子设备中使用的直流电源，通常是由电网提供的交流电经过变压、整流、滤波和稳压以后得到的。对于直流电源的主要要求是：①输出电压的幅值稳定，即当电网电压或负载电流波动时能基本保持不变；②直流输出电压平滑，脉动成分小；③交流电变换成直流电时的转换效率高。本节主要介绍小功率直流电源的工作原理。第七章直流电源一、直流电源的组成

一般直流电源包括四个组成部分1、电源变压器

电网提供的交流电一般为220V(380V)，而各种电子设备对直流电压幅值的要求各不相同。因此，常常需要将电网电压经过电源变压器把变压后的副边电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需的直流电压幅值。副边电压有效值取决于后面电路的需要。第七章直流电源一、直流电源的组成一、直流电源的组成

一般直流电源包括四个组成部分2、整流电路整流电路的作用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整流为单向脉动电压。但这种单向脉动电压包含很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远。第七章直流电源一、直流电源的组成一、直流电源的组成

一般直流电源包括四个组成部分3、滤波器

为了减小单向脉动电压的脉动成分，须用滤波器尽可能将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。由于滤波器是无源电路，故接入负载后势必影响其滤波效果；另当电网电压或负载变化时，滤波器输出直流电压幅值将随之变化，对要求较高的负载还需考虑采取相应措施。第七章直流电源一、直流电源的组成一、直流电源的组成

一般直流电源包括四个组成部分第七章直流电源一、直流电源的组成4、稳压电路

稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。二、单相整流电路

分析整流电路，就是要弄清电路的工作原理(即整流原理)，求出主要参数，并确定整流二极管的极限参数。在分析整流电路时，为了突出重点，简化分析过程，一般均假定负载为纯电阻性；整流二极管为理想二极管，即加正向电压导通时正向电阻为零，外加反向电压截止时反向电流为零；变压器无损耗，内部压降为零等。1、整流电路的分析方法及主要参数1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数反映整流电路技术性能的主要参数有以下几项：①整流电路的输出电压平均值VO(AV)和输出电流平均值IO(AV)

②脉动系数SVO1m为输出电压的基波幅值③

二极管正向平均电流ID(AV)④二极管最大反向峰值电压VRM二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路2、单相半波整流电路

单相半波整流电路是最简单的一种整流电路，如图所示。设变压器的副边电压有效值为V2，则其瞬时值。

在v2正半周，二极管导通；电流经二极管流向负载RL，在RL上得到一个极性上正下负的电压。在v2

负半周内，二极管截止。二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路2、单相半波整流电路输出电压平均值输出电流平均值二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路2、单相半波整流电路脉动系数vo的付立叶级数展开式二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路2、单相半波整流电路二极管正向平均电流二极管承受的最大反向电压

一般情况下允许电网电压有±10%的波动，故在选择整流二极管时，二极管的最大整流平均电流

IF和最高反向工作电压VR均应留有10%的余地，以保证二极管安全工作。即选取二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路2、单相半波整流电路

半波整流的优点是：结构简单,使用元件少。缺点是：输出波形脉动大；直流(一个周期内电压的平均值)成分低；变压器有半个周期不导电，利用率低。二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路3、单相全波整流电路全波整流电路是在半波整流电路基础上加以改进而得，它利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在正、负半周轮流导电，且两个半周流过负载的电流保持同一方向。二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路3、单相全波整流电路由波形图可以看出，在一个信号周期内均有电流流过负载，且方向一致，即实现了全波整流。但二极管承受的反向电压高，此外全波整流电路必须采用中间具有抽头的变压器，而且副边每个线圈只有半个周期导电，变压器利用率仍不高。二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路4、单相桥式整流电路

针对全波整流电路的缺点，希望仍使用只有一个副边线圈的变压器，而达到全波整流的目的。为此提出了如图所示的单向桥式整流电路。电路中用了四个二极管，接成电桥形式，故此得名。二、单相整流电路1、整流电路的分析方法及主要参数第七章直流电源二、单相整流电路4、单相桥式整流电路

主要参数电路形式VO(AV)/V2SID(AV)/IO(AV)VRM/V2半波整流0.451.5711.41全波整流0.90.670.52.83桥式整流0.90.670.51.41表7-1单相整流电路的主要参数第七章直流电源二、整流电路补1.某电子装置要求电压值为15V的直流电压，已知负载RL为100Ω，试问：①若选用桥式整流电路，则变压器副边电压V2应为多大？整流二极管的正向平均电流ID(AV)和最大反向峰值电压VRM等于多少？输出电压的脉动系数S等于多少？②若改用半波整流电路，则V2、ID(AV)、VRM、S各等于多少?③若改用全波整流电路，则V2、ID(AV)

、VRM、S各等于多少?第七章直流电源二、整流电路【习题】三、滤波电路

由表7-1可知，无论哪种整流电路，其输出电压均含有较大的脉动成分，不能满足大多数电子设备的需要。因此在整流后，还需利用滤波电路将脉动直流电压变为较平滑的直流电压。与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中的滤波电路均采用无源方式，分析方法也有所不同。电容和电感是最基本的滤波元件。下面介绍几种常用的滤波电路。第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路桥式整流、电容滤波电路三、滤波电路电容滤波后vo波形图整流后vo波形图ab段：当v2＞vC，D1、D2导通，电流一路流过RL，另一路对C充电。忽略整流电阻

,则vC(vo)与v2相等。1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路桥式整流、电容滤波电路三、滤波电路电容滤波后vo波形图bc段：当v2上升到峰值后开始下降，电容通过负载RL放电，其电压vC也开始下降，趋势与v2基本相同。cd段：由于电容按指数规律放电，当vC下降跟不上v2下降，使得vC＞v2时，D1、D2截止。此后，电容继续通过RL放电(τ=RLC)。1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路桥式整流、电容滤波电路三、滤波电路电容滤波后vo波形图当v2负半周变化到恰好大于vC时，D3、D4导通，再次对电容C充电，vC随v2上升到峰值后又开始下降，下降到vC＞v2时，D3、D4截止，C通过RL放电，放电到v2＞vC时，D1、D2再次导通，重复上述过程。1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路桥式整流、电容滤波电路三、滤波电路电容滤波后vo波形图根据以上分析，对于电容滤波可以得到以下几个结论：①

加了电容滤波后，输出电压的直流成分提高了，脉动成分降低了。1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路桥式整流、电容滤波电路三、滤波电路根据以上分析，对于电容滤波可以得到以下几个结论：RLC=∞RLC大RLC小RLC变化对vo的影响②

放电时间常数

越大,电容放电过程越慢，则输出电压平均值越高，同时脉动成分也越少，即滤波效果愈好。由图可见，当时，脉动系数，。1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路桥式整流、电容滤波电路三、滤波电路根据以上分析，对于电容滤波可以得到以下几个结论：应选择大容量的电容作为滤波电容,而且要求RL也要大，故电容滤波适用于负载电流较小的场合。为了得到比较好的滤波效果，在实际应用中常根据下式来选择滤波电容(在全波整流情况下)：T为电网交流电压的周期RLC=∞RLC大RLC小RLC变化对vo的影响1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路三、滤波电路根据以上分析，对于电容滤波可以得到以下几个结论：③

电容滤波电路的VO(AV)将随IO(AV)而变化。当RL=

∞，IO(AV)=

0时，。当IO(AV)增大(RL减小)时，由于电容放电加快而使VO(AV)下降。忽略整流电阻，桥式整流加电容滤波后，VO(AV)的值在至0.9V2之间,若考虑整流电阻则VO(AV)值更低。随IO(AV)的增加，电容滤波电路的VO(AV)下降很快，故电容滤波适用于负载电流变化不大的场合。桥式整流、电容滤波电路RLC=∞RLC大RLC小RLC变化对vo的影响1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路三、滤波电路根据以上分析，对于电容滤波可以得到以下几个结论：桥式整流、电容滤波电路④

加电容滤波后IO(AV)比原来提高了，而整流二极管的导电时间却缩短了,

导电角＜180°，而且放电时间常数越大导电角越小。因此整流管在短暂的导电时间内流过一个很大的冲击电流，对管子寿命不利。

电容滤波电路输出电压波形难于用解析式描述，近似估算时，可将图(a)所示波形近似为锯齿波，如图所示。1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路三、滤波电路(a)RL=∞时RLC=(3~5)T/2时锯齿波的峰-峰值1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路三、滤波电路锯齿波的幅值(a)当RLC=(3~5)T/2时，S约为20~10%1、电容滤波电路第七章直流电源三、滤波电路1、电容滤波电路三、滤波电路(a)桥式整流、电容滤波电路2、RC-Π型滤波电路RC-Π型滤波电路是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波组成第七章直流电源三、滤波电路2、RC-Π型滤波电路三、滤波电路经过电容滤波后,

电容C1两端的电压包含一个直流分量和一个交流分量。假设其直流分量为，交流分量基波的最大值为。通过R和C2再一次滤波后，假设负载上的输出电压直流分量和基波最大值分别为VO(AV)和VO1m，则有2、RC-Π型滤波电路第七章直流电源三、滤波电路2、RC-Π型滤波电路三、滤波电路ω是整流输出脉动电压的角频率,在电网电压为50Hz和桥式整流情况下，ω=628rad/s。通常选择元件的参数使RC-Π型滤波电路采用简单的电阻、电容元件可以进一步降低电压的脉动系数，但这种滤波电路的缺点是在R上有直流压降，要获得同样直流输出必须提高变压器副边电压；而整流管的冲击电流仍然比较大；同时，由于在R上产生压降，输出电压平均值VO(AV)随IO(AV)增大下降更快。只适用于小电流场合。当负载电流比较大时可以考虑采用电感滤波。2、RC-Π型滤波电路第七章直流电源三、滤波电路2、RC-Π型滤波电路三、滤波电路第七章直流电源三、滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路三、滤波电路

在图示电感滤波电路中，电感L与负载RL串联，由于电感的直流电阻很小，交流阻抗很大，因此直流分量经过电感后基本没有损失，而交流分量在jωL和RL上分压后，大部分降落在电感上，因而降低了输出电压中的脉动成分。L越大，RL越小，滤波效果愈好，故电感滤波适用于负载电流比较大的场合。①电感滤波电路第七章直流电源三、滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路可以看出L越大，满足RL<<ωL，滤波效果越好。3、电感滤波电路和LC滤波电路三、滤波电路①电感滤波电路

电感滤波电路中的电感有延长整流管导电角的趋势，因此电流的波形比较平滑，避免了过大的冲击电流。第七章直流电源三、滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路三、滤波电路①电感滤波电路LC滤波电路是在电感滤波的基础上在负载RL上并联一个电容，可进一步改善滤波效果，如图所示。在LC滤波电路中若L太小或RL太大，则将呈现电容滤波的特性。为了保证整流管的导电角仍为180°,

电路参数需满足近似条件RL<3ωL。在LC滤波电路中，由于RL上并联了一个电容，交流分量在和之间分压，所以输出电压的脉动成分比仅用电感滤波时更小。3、电感滤波电路和LC滤波电路三、滤波电路②LC滤波电路第七章直流电源三、滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路已知桥式整流输出端A点的电压平均值和脉动系数为忽略电感上的直流压降，则LC滤波电路的输出电压为3、电感滤波电路和LC滤波电路三、滤波电路②LC滤波电路第七章直流电源三、滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路输出端基波电压的最大值VO1m

与A点电压的基波最大值之间存在以下分压关系3、电感滤波电路和LC滤波电路三、滤波电路②LC滤波电路第七章直流电源三、滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路若满足输出电压的脉动系数S为若ω2LC>>13、电感滤波电路和LC滤波电路三、滤波电路②LC滤波电路第七章直流电源三、滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路LC滤波电路在负载电流较大或较小时均有良好的滤波作用，即它对负载的适应性比较强。电感滤波和LC滤波电路克服了整流管冲击电流大的缺点，而且当输出电流变化时，因电感的内阻小，所以输出特性比较硬。但与电容滤波相比，输出电压VO(AV)比较小，另一个缺点是采用了电感，使体积和重量都大为增加。3、电感滤波电路和LC滤波电路三、滤波电路②LC滤波电路第七章直流电源三、滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路

在LC滤波电路的输入端再并上一个电容，就组成了LC-Π型滤波电路，LC-Π型滤波电路的输出特性基本和电容滤波相似。3、电感滤波电路和LC滤波电路三、滤波电路③LC-Π型滤波电路第七章直流电源三、滤波电路3、电感滤波电路和LC滤波电路

性能类型适用整流管电流输出特性电容滤波≈1.2小电流大软RC-Π型滤波电路≈1.2小电流大更软LC-Π型滤波电路≈1.2小电流大软电感滤波0.9大电流小硬LC滤波0.9适应性强小硬表7-2各种滤波电路的性能比较第七章直流电源三、滤波电路【习题】

补2、要求直流电源的输出电压为12V，输出电流为100mA。①若希望脉动系数小于10%，采用电容滤波试估算滤波电容和变压器副边电压值；②若希望脉动系数小于1%，应如何解决。四版教材P3707.47.5五版教材P2286.16.2第七章直流电源三、滤波电路

前面讨论了如何通过整流电路把交流电变成单方向的脉动电压，以及如何利用滤波电路以减小脉动成分，而整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还有相当距离，主要存在两方面问题：①当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，因此输出直流电压将随之变化；②当电网电压波动时，整流滤波电路的输出直流电压直接与变压器副边电压V2相关，因此也要相应变化。为了解决这两方面问题，须在整流滤波电路后面再加上稳压电路。四、稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路1、稳压电路的主要指标1、稳压电路的主要指标常用以下两个指标来衡量稳压电路的质量①输出电阻

Ro

经过整流滤波后输入到稳压电路的直流电压VI不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比，即②稳压系数Sr当负载不变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，即第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路2、稳压管稳压电路2、稳压管稳压电路⑴电路组成和工作原理

由稳压二极管Dz和限流电阻R组成的稳压电路是一种最简单的稳压电路。

任何稳压电路应从两个方面来考察其稳压性能，一是当电网电压波动时其输出电压是否稳定；二是当负载变化时其输出电压是否稳定。下面就从以上两个方面来讨论稳压管稳压电路的稳压原理。第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路2、稳压管稳压电路⑴电路组成和工作原理从图示稳压管稳压电路可得到两个基本关系式①

假设负载电阻RL保持不变,

电网电压有VI波动时。②

假设电网电压VI保持不变,负载电阻RL有波动时。2、稳压管稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路2、稳压管稳压电路⑵输出电阻和稳压系数的估算①输出电阻Ro一般情况下能满足rZ<<R，故Ro≈rZ，由此可知稳压管的动态内阻rZ

越小，则稳压电路的输出电阻Ro越小，当负载变化时稳压电路的稳压性能愈好。2、稳压管稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路2、稳压管稳压电路⑵输出电阻和稳压系数的估算②稳压系数SrrZ越小，R越大，则Sr越小，即电网电压波动时，稳压电路的稳压性能越好。2、稳压管稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路2、稳压管稳压电路⑶限流电阻的选择

由稳压管稳压电路的工作原理可知限流电阻是一个很重要的组成元件，其阻值必须选择适当，才能保证稳压电路在电网电压波动或负载变化时，能很好地实现稳压作用。

在图示的稳压管稳压电路中，如限流电阻R的阻值太大，则流过R的电流IR过小，当Io增大时，稳压管电流IZ可能降到临界值IZmin以下，失去稳压作用。如R的阻值太小,

则IR过大,

当RL很大或开路时,IR都流向稳压管，可能超过IZmax而使稳压管造成损坏。2、稳压管稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路2、稳压管稳压电路⑶限流电阻的选择

设稳压管允许的工作电流范围为IZmax~IZmin；电网电压最高时的整流滤波输出电压为VImax，最低时为VImin；负载电流的最大值为Iomax，最小值为Iomin；则要使稳压管能正常工作，必须满足：①当电网电压最高和负载电流最小时，IZ值最大，此时②当电网电压最低和负载电流最大时，IZ值最小，此时2、稳压管稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路2、稳压管稳压电路

当输出电压不需调节，负载电流比较小的情况下，稳压管稳压电路的稳压效果较好，在小型电子设备中经常采用这种电路。但稳压管稳压电路还存在两个缺点：①输出电压由稳压管的型号决定，不可调；②当电网电压和负载电流的变化范围较大时,电路将不能适应。为克服以上缺点，可采用串联型直流稳压电路。2、稳压管稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路3、串联型直流稳压电路⑴电路组成和工作原理

串联型直流稳压电路就是在输入直流电压(即整流滤波后的输出电压)VI和负载之间串入一个三极管，当VI或RL波动引起Vo变化时,Vo的变化将反映到三极管的VBE,从而引起VCE的变化来调整Vo，以保持Vo基本稳定。电路包括四个组成部分。①采样电阻

由电阻R1、R2和R3组成，当输出电压Vo发生变化时，采用电阻取其变化量的一部分送到放大电路。3、串联型直流稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路3、串联型直流稳压电路⑴电路组成和工作原理②放大电路

放大电路的作用是将输出电压的变化量进行放大然后送到调整管的基极。如果放大电路的放大倍数比较大，则只要输出电压产生一点微小的变化，即能引起调整管基极电压发生较大变化，使稳压效果得到提高，故放大倍数越大，则输出电压的稳定性越高。③基准电压

基准电压由稳压管DZ提供,

接在运放的同相输入端,采样电压与基准电压进行比较后，将二者的差值放大。电阻R的作用是保证稳压管有一个合适的工作电流。④调整管3、串联型直流稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路3、串联型直流稳压电路⑴电路组成和工作原理

假设由于VI或RL增大而导致输出电压Vo增大，则通过采样后反馈到运放反相输入端的电压VF也按比例增大，而同相输入端电压即基准电压VZ保持不变，故运放的差模输入电压VId=VZ－VF将减小，于是运放的输出电压减小，则调整管的基极输入电压VBE随之减小，使调整管集电极电压VCE增大，从而使输出电压Vo保持基本不变。3、串联型直流稳压电路第七章直流电源四、稳压电路四、稳压电路3、串联型直流稳压电路⑵输出电压的调节范围当R2滑至最上端时，，Vo达到最小值当R2滑至最下端时，，Vo达到最大值3、串联型直流稳压电路第七章直流电源四、稳压电路①集电极最大允许电流ICM

四、稳压电路3、串联型直流稳压电路⑶调整管的选择IR为流过采样电路的电流，Io