模拟电子技术直流电源

第10章直流电源10.1稳压电源的分类及组成10.2单相整流电路10.3滤波电路10.4稳压二极管稳压电路10.5串联型直流稳压电路10.6串联型集成稳压器10.7开关型直流稳压电源1.交流稳压电源的种类及特点常用的交流稳压电源主要有参数调整型、自耦调整型、大功率补偿型、开关型稳压电源等。10.1.1稳压电源的分类及特点在工程应用中，通常根据稳压电源中稳压器的稳定对象，把稳压电源分为直流稳压电源和交流稳压电源。10.1稳压电源的分类及组成

2.直流稳压电源的种类及特点直流稳压电源输出直流电压，可分为化学电源，线性稳压电源和开关型稳压电源等。

(1)化学电源我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，这类电源小巧，灵活，但供电能力有限，污染环境。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，发现了锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。

(2)线性稳压电源

优点：稳定性高、纹波小、可靠性高、易做成多路输出并连续可调的成品。缺点：体积大、较笨重、效率相对较低。线性稳压电源从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。

(3)开关型直流稳压电源

优点：体积小、重量轻、效率高、稳定可靠；

缺点：相对于线性直流稳压电源的纹波较大。开关型直流稳压电源主要有交流/直流变换(AC／DC)电源、直流/直流变换(DC／DC)电源、通信电源、电台电源、模块电源、特种电源等。整流电路：利用单向导电性的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成单方向的脉动电压。使输出电压不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，提高稳定性。电网电压电源变压器整流电路滤波器稳压电路负载电网电压：220V，50Hz

允许10％的波动。无源低通滤波器滤掉交流成分，减小电压脉动，使输出电压平滑。脉动电压：电压大小随时间作周期变化，但方向保持不变。半波整流、全波整流10.1.2直流稳压电源的组成10.2单相整流电路作用：交流电压

→单向脉动的直流电压常用的整流元件：二极管负载为纯阻性；整流二极管为理想二极管；变压器无损耗，内部压降为零。理想化处理：1.工作原理当u2为正半周时，当u2为负半周时，D截止，uO=0D导通，uO=u210.2.1单相半波整流电路2、主要参数计算①输出电压平均值UO②输出电流平均值IO③脉动系数S输出电压基波的最大值UO1m与其平均值UO之比。为求UO1m，可将波形用傅里叶级数表示。说明半波整流电路的脉动很大，其基波的峰值约为平均值的1.57倍。3、二极管的选择（1）二极管正向平均电流（2）二极管最大反向峰值电压选择二极管的最高反向工作电压UR

由于允许电网电压有10%的波动，为了安全起见，选择二极管时，变压器二次电压大约要高出10%，选择二极管的最大整流电流IF

优点：使用元件少。

缺点：输出波形脉动大；直流成分小；效率低。例10.2.1

单相半波整流电路如图所示，已知负载电阻RL=750Ω，变压器二次电压的有效值18V，试求(1)输出电压的平均值UO、二极管正向平均电流ID、二极管最大反向峰值电压URM；(2)选择二极管。输出电压的平均值UO解：

(1)UO、IO、ID输出电流的平均值IO二极管正向平均值ID二极管的最大反向峰值电压URM

二极管的最高反向工作电压UR

二极管的最大整流电流IF（2）选择二极管（最大整流电流16mA，最高反向工作电压50V）二极管选2AP41、工作原理10.2.2单相桥式整流电路

u2

正半周，Va>Vb，二极管

D1、D3

导通，D2、D4

截止。uD2uD4

－uouDttRLu2iouo1234ab+–+–

－u2uD2uD4RLu2iouo1234ab+–+–u2

正半周，Va>Vb，二极管1、3导通，2、4截止。

u2负半周，Va<Vb，二极管2、4导通，1、3截止。uouDttuD1uD3

－

－u22、主要参数计算①输出电压平均值

UO②输出电流平均值

IOuO的周期为π③

脉动系数S说明基波的峰值约为平均值的0.67倍，所以桥式整流电路的脉动比单相半波整流电路小很多。用傅立叶级数将输出电压uO展开为3、二极管的选择①二极管正向平均电流②二极管最大反向峰值电压二极管的导通时间是RL的一半，所以D上的平均电流只有RL上的一半。与半波整流相同选择二极管的最高反向工作电压UR

由于允许电网电压有10%的波动，为了安全起见，选择二极管时，变压器二次电压大约要高出10%。选择二极管的最大整流电流IF

桥式整流电路：优点：输出电压高，变压器利用率高，脉动小，对二极管参数要求与半波整流相同。缺点：使用二极管数量多，整流电路内阻大，损耗较大。半波整流电路：优点：使用二极管数量少。缺点：输出电压低，波形脉动大，效率低。例10.2.2

单相桥式整流电路如图所示，已知负载电阻RL=100Ω，负载电压UO=27V，试求(1)变压器二次电压的有效值U2、二极管正向平均电流ID、二极管最大反向峰值电压URM

；(2)若二极管VD1断开，则会出现什么现象？变压器二次电压的有效值U2解：(1)U2、ID、URM输出电流的平均值IO二极管正向平均值ID二极管的反向电压最大值URM

若二极管VD1开路，电路变为半波整流，如变压器二次电压的有效值不变，输出电压的平均值为13.5V，仅为原来的一半。（2）若二极管VD1断开，则会出现什么现象？

如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。

如果D2或D4因击穿烧坏而短路uo+_~u+_RLD4D2D1D3例：如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？

则正半周时，情况与D2或D4接反类似。单相整流电路的主要参数作用：脉动的直流电压→平滑的直流电压主要元件元件：电容、电感（能够存储一部分能量，再逐渐释放。）10.3滤波电路10.3.1电容滤波电路1.单相半波整流电容滤波电路(1)电路组成abcuOωt0ππ2da~cc~dD导通，uC

按正弦规律变化。D截止，uC

按指数规律变化(放电)。(2)工作原理uO=uC滤波效果取决于放电时间，RLC越大，uO越平滑。(3)参数估算

RLC

越大

电容器放电越慢

输出电压的平均值Uo

越大，波形越平滑。在实际工作中，一般取T为电网交流电压的周期②电容器耐压当RL∞(IO=0)时，，脉动系数S=0。①输出电压的脉动与放电时间常数RLC有关

（T=0.02S）当C＝0时，UO最小为0.45U2。当满足式RLC≥(3~5)T/2的关系，并且整流电路的内阻不太大时，输出电压的平均值UO与U2的关系约为当C一定，RL=∞(负载开路)时，UO最大为③输出电压平均值UO

UO与IO之间的关系曲线称为外特性，与无电容滤波时比较，输出电压UO随负载的变化而变，外特性较差，带负载能力较差。RL减小，

IO增加，脉动成分增加，UO减小。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。(4)二极管的导通角未加滤波电容前，二极管导通角：加滤波电容后，二极管只在电容充电时导通，导通角：RLC

越大滤波效果越好IO增大放电时间增长越小大冲击电流充电须选用大容量整流二极管二极管的最大反向峰值电压abcuOωt0ππ2da~cc~dD1、D3导通，uC

按正弦规律变化。D1、D3截止，uC

按指数规律变化(放电)。2.单相桥式整流电容滤波电路(2)当

RL=

时：当

时：（常用）

当

C=0

时：(1)RLC

越大

输出电压的平均值UO越大，波形越平滑。（T=0.02S）参数计算：(3)电容器耐压(4)二极管的最大反向峰值电压1.工作原理直流分量:

XL=0，L相当于短路，电压大部分降在RL上。谐波分量:

f

越高，XL越大，电压大部分降在L上。因此，在负载上得到比较平滑的直流电压。当流过L的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。10.3.2电感滤波电路2.输出直流电压整流电路输出电压直流分量UO'（即整流电路输出电压的平均值）：整流UO'=0.45U2，

桥式整流UO'=0.9U2。忽略线圈电阻，则此电感滤波电路输出电压的平均值为可以看出，在电感线圈不变的情况下，负载电阻RL越小(负载电流越大)，输出电压的交流分量越小，脉动越小。因此电感滤波电路适用于负载电流较大的场合。电感滤波电路输出电压的交流分量为

整流电路输出电压交流分量ua：LC-

型滤波电路10.3.3其它形式的滤波电路RC-

型滤波电路LC滤波电路1.LC滤波电路所以输出电压脉动成分比仅用电感滤波时更小。电路中输出电压的交流分量在在电感滤波的基础上，在RL上并联滤波电容C构成。

和之间分压得到。2.LC-

滤波电路由于输入端接了电容，输出的直流电压均值比LC滤波电路的高些，因此提高了输出直流电压。由于在电容C1两端所得到的已较平滑的输出电压，再经过电感L和电容C2进行滤波，使输出电压的脉动大大减小，波形更加平滑，所以，LCπ型滤波器的滤波性能比LC滤波更好，输出电压也高，在各种电子设备中得到了广泛应用。在电容滤波的基础上再加一级LC滤波，就可以构成LCπ型滤波电路。3.RC-

滤波电路经电容Cl

滤波后，较小的脉动电压又被R衰减，再经C2滤波，使滤波效果更好。同时也应注意到，整流管冲击电流比较大，电流流过电阻时，会有直流分量的压降，所以RCπ型滤波一般适用于输出电流小且负载较稳定的场合。当负载电流较小时，为了使滤波电路结构简单、经济，常常采用RCπ型滤波电路。各种滤波电路的性能比较序号

性能类型UO适用场合整流管的冲击电流外特性1电容滤波

1.2U2小电流大软2RC-

型滤波

1.2U2小电流大更软3LC-

型滤波

1.2U2小电流大软4电感滤波0.9U2大电流小硬5LC滤波0.9U2适应性较强小硬例：在图示电路中，已知变压器副边电压有效值U2为10V，（T为电网电压周期）。求输出电压平均值UO(AV)

的数值在下列情况下，分别是多少？（1）正常情况；（2）电容虚焊时；（3）负载电阻开路时；（4）一只整流管和滤波电容同时开路时；（5）一只整流管开路时。12V9V14V4.5V10V10.4.1电路组成及工作原理1.电路组成输入电压UI是整流滤波后的电压，经限流电阻R和稳压管VDZ组成稳压电路接到负载电阻上，因其稳压管VDZ与负载电阻RL并联，此电路也叫并联型稳压电路。这种电路主要用于对稳压要求不高的场合。10.4稳压管稳压电路UZ2.工作原理(1)RL不变，

UI升高UIUOIZURUO=UI-

URUO基本不变(2)UI

不变，RL

减小RLILURUOIZIR=IL+IZUO基本不变UZ1.稳压系数Sr10.4.2稳压电路的主要指标

Sr反映电网电压波动对稳压电路的影响。其值越小，说明稳压电路的稳压性能越好。rz为稳压管的动态电阻估算Sr的等效电路：当rZ

<<RL，rZ

<<R时，稳压电路还有许多其他指标：电压调整率、电流调整率、纹波抑制比、输出电压的温度系数等。

2.输出电阻Ro反映稳压电路受负载变化的影响。其值越小，说明稳压电路的稳压性能越好。10.4.3稳压电路中限流电阻R的选择

IZ减少到IZmin以下，失去稳压作用；

IZ增大到IZmax以上，造成损坏。Oui

(1)当电网电压最小，负载电流最大时，流过稳压管的电流IZ最小，此时IZ不应小于IZmin，即得

(2)当电网电压最大，负载电流最小时，流过稳压管的电流IZ最大，此时IZ不应大于IZmax，即得

电路如图所示，设稳压管的稳压值UZ＝6V，IZmax＝40mA，IZmin＝5mA，UImax＝15V，UImin＝12V，ILmax＝20mA，ILmin＝10mA，试求（1）限流电阻R（2）当IZ由IZmax变IZmin时，UZ的变化量为0.3V，求输出电阻RO和稳压系数Sr例10.4.1解：因此限流电阻R可取200Ω。（1）限流电阻R

（2）当IZ由IZmax变IZmin时，UZ的变化量为0.3V，求输出电阻RO和稳压系数Sr解：稳压管的动态电阻

输出电阻估算稳压系数时，取稳压系数10.5.1串联型直流稳压电路的组成1.调整电路2.采样电路4.比较放大电路3.基准电压电路10.5串联型直流稳压电路10.5.2串联型直流稳压电路的稳压原理集成运放两输入端电位UO

UF

UB

UO

IC

UCE

UI

或IL

→设集成运放放大倍数为A，则输出端电位稳压原理：10.5.3串联型直流稳压电路的参数计算1.输出电压UO及其可调节范围因虚短，则即：当R2滑至最上端时，当R2

的滑至最下端时，2.调整管的选择(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极和发射极之间的最大允许电压U(BR)CEO(3)集电极最大允许耗散功率PCM练习：在如图所示串联型稳压电源中，已知电容C1取值满足RC1＝(3～5)T/2，三极管的︱UBE︱均为0.7V，R2的滑动端在中点。UA＝

V，UM

＝

V。103610.6.1基准电压源基准电压UREF1.稳压管基准电压源VDZ具有正温度系数。即温度升高时，稳压值UZ增大。UREF=UZ该基准电压源适用于要求较低的稳压电路。

UZ一般在6～7.5V之间。10.6串联型集成稳压器2.有温度补偿的基准电压源基准电压为：UREF＝UZ+UBE2稳压管VDZ的稳定电压是UZ，具有正温度系数，而VT2的发射结正向偏置时具有负温度系数，即在基极电流基本不变的情况下，温度升高时，UBE2减小。当温度变化时，UZ与UBE2变化相反，互相抵消，使UREF变化很小，所以该电路有温度补偿的作用。电路中VT1接成射极输出器，VTl、VDZ和VT2构成电压负反馈，进一步提高UREF的稳定性，且使输出电阻较小。3.带隙基准电压源采用稳压管基准电压源提供的基准电压值都比较高，噪声也较大，为了获得只有温度补偿的低基准电压的基准电压源，可采用带隙基准电压源。1.限流型保护电路调整管保护电路正常工作时IL不超过额定值，R4的压降很小，VT2截止。当IL超过某一值后，R4的压降增大，VT2导通，限制VT1中的基极电流，保护调整管。10.6.2保护电路+UR-+UR1

-2.截流型保护电路IO

UR

UBE2

T2导通

IB1

IO

UO

UR1

UBE2

IO

10.6.3三端固定式输出集成稳压器及其应用XX两位数字为输出电压值输出固定电压输出正电压78XX输出负电压79XX1.W7800/W7900系列的外形及引脚2.接线图0.33F0.1F输入与输出之间的电压不得低于2V，一般取3～5V。使用时只需在其输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容即可。COW78XXCIUI+_+_UO123

3.W7800的应用(1)基本应用电路二极管VD起输入短路保护作用，若输入端短路时，使CO通过二极管放电，以便保护集成稳压器内部调整管。(2)正、负输出的稳压电路(3)提高输出电压忽略(4)扩大输出电流的稳压电路三端集成稳压器的最大输出电流IOmax

Io

IBIR(5)输出电压可调的稳压电路集成运放的输出电压UA稳压电路的输出电压UO其输出电压的范围为RL+CUO+–+–u2例：电路如图所示,设变压器副绕组电压的有效值为15V，求：输出电压Uo为多大？UO=0.9U2=13.5VUO=1.2U2=18VUO=15VW7815C1C210.6.4三端可调输出集成稳压器及其应用1.三端可调输出稳压器的特点及管脚三端可调式集成稳压器有输出为正电压的CW117、CW317等系列和输出为负电压的CWl37、CW337等系列。ADJ改变ADJ端的电位，可以达到调节输出电压的目的。2．应用电路(1)一般应用电路

LM317输出端和调整端ADJ之间的基准电压是1.25V，输出电压的可调范围为1.25V～37V。调整端电流很小，忽略。(2)加保护电路

VD1：输入短路保护作用。若输入端短路时，使CO通过二极管放电，以便保护集成稳压器内部的调整管。

VD2：提供一个放电回路，保护稳压器。为减小RP上的波纹电压，可并联一个10uF的电容C。(3)扩大输出电流的电路扩大输出电流可用两种方法实现，一是外接大功率管，二是并联集成稳压器。①外接PNP大功率三极管②并联扩大输出电流的稳压电路输入电压UI=25V，输出电流为1.5A电路输出电流为IO=IO1+IO2=3A输出电压为前面介绍的稳压电路，包括分立元件组成的串联型直流稳压电路及集成稳压器均属于线性稳压电路，这是由于其中的调整管总是工作在线性放大区。线性稳压电路的优点是结构简单，调整方便，输出电压脉动较小。但是这种稳压电路的主要缺点是效率低，一般只有20％—40％。由于调整管消耗的功率较大，有时需要在调整管上安装散热器，致使电源的体积和重量增大，比较笨重。而开关型稳压电路则克服了上述缺点，因而它的应用日益广泛。10.7开关型直流稳压电源效率高(70%—95%)、体积小、重量轻、对电网电压的要求不高；控制电路比较复杂、输出电压中纹波和噪声成分较大。1.开关型稳压电路的特点10.7.1开关型稳压电路的特点和分类

2.开关型稳压电路的分类

(1)按开关管与负载的连接方式分：串联型和并联型；

(2)按开关器件的激励方式分：自激式和他激式；

(3)按稳压的控制方式分：脉冲宽度调制型(PWM)、脉冲频率调制型(PFM)和混合调制(即脉宽－频率调制)型。

(4)按开关管的连接和工作方式分：单端式、推挽式、半桥式和全桥式；

(5)按开关管的类型分：晶体管、VMOS管和晶闸管。10.7.2串联开关型稳压电路的组成和工作原理

1.组成

(1)采样电路(2)调整电路(3)比较放大电路(4)基准电源电路(5)控制电路(6)滤波电路2.工作原理当ut

<uA

时，uB=+UOPP，调整管VT饱和导通，L存储能量，C充电；当ut>uA

时，uB=-UOPP，调整管VT截止，L释放能量，其感应电动势使D导通。uE

=UI-UCES，uE

=-UD，VD截止。VD导通。当ut

<uA

时，uB=+UOPP，当ut>uA

时，uB=-UOPP，调整管处于开关状态，发射极电位是高低交替的脉冲波形，经LC滤波电路后，负载上得到较平滑的输出电压。uE

=UI-UCES，uE

=-UD，——脉冲波形的占空比。3.输出电压的估算对