《电工与电子技术》 课件 第11章 直流稳压电源

第11章直流稳压电源11.1单相整流电路11.2滤波电路11.3稳压电路直流稳压电源本章学习直流电源的组成，直流、滤波、稳压电路的功能、工作原理和输出波形、电压和电流平均值等参数的计算，元器件的选择等。稳压电路的种类，串联型稳压电路的组成和原理，以及集成稳压器的应用。RL+Uo-+CRVS第11章|

直流稳压电源概述

直流稳压电源的作用就是将电压较高的交流电转换成电子设备需要的低压直流电，其应用极为广泛，包括电子仪器、各种家用电器等，图11-1所示为部分常用的直流电源。图11-1

直流电源的应用a）实验室用直流电源b）开关直流电源c）笔记本电脑电源d）手机充电器a）b）c）d）

直流稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其基本结构和各部分输出的电压波形如图

11-2所示。220V交流降压脉动波直流稳定直流变压器整流电路滤波电路稳压电路图11-2

直流电源的组成第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路11.1单相整流电路11.1.1单相半波整流电路

交流电—大小和方向随时间做周期性变化

直流电—大小和方向不随时间变化。

脉动波—大小随时间变化，方向不变。

利用二极管的单向导电性，将交流电转化脉动波，称为整流。图11-3a为单相半波整流电路，设VD为理想二极管，输入为220V交流电，经过变压器（Tr）降压后为ui，其表达式为：输入电压正半周（

uI>0，上正、下负），VD导通，相当于短路，如图11-3b

所示，产生电流iO，在负载上得到电压

uO输入电压负半周（uI

<0，上负、下正），VD截止，相当于开路，如图11-3c所示，uO

为0V。1.单相半波整流电路VDTrRL+uO-+uI-220V+uD-a）TrRL+uO-+uI-iOVD短路输入正半周b）图11-3

半波整流电路a）实际电路b）输入电压正半周c）输入电压负半周VD开路输入负半周TrRL+uO--uI+c）第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路

2.

波形分析与参数计算

图

11-4a

所示为变压器二次电压，即整流电路输入电压ui波形，幅值为

uI

正半周（0~π），二极管导通（相当于短路），输出电压uO、输出电流iO、二极管端电压uD为分别为

ui

负半周（

π~2π），二极管截止（相当于开路），输出电压uO、输出电流iO、二极管端电压uD为分别为

整流电路的输出电压为单向脉动波，见图

11-4b所示。脉动波又称为“脉动直流电”，即从交流电转换为平滑直流电的中间过渡波形。脉动电压的幅值与输入电压相同，平均值为输出电流的平均值即二极管通过的平均电流（图11-4c）：二极管截止时（图11-4d）所承受的最高反向电压为：图11-4

单相半波整流波形a）输入电压b）输出电压c）输出电流d）二极管反向电压uItπ2π0a）uOtπ2π0b）iOtπ2π0c）uDtπ2π0d）第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路

【例11-1】单相半波整流电路如图11-5所示，已知负载电阻RL=30

，直流电压表V

读数为45V，求：直流电流表A和交流电压表V1的读数。

【例11-2】单相半波整流电路如图11-5所示，如果负载电阻和输出电压与【例11-1】相同，如何选择整流二极管VD？

解：直流电压表V

的读数即输出电压平均值，直流电流表A

的读数即输出电流平均值，交流电压表V1的读数为变压器二次电压有效值，三者关系为：

解：二极管所通过的平均电流即二极管指标之一的“最大整流电流”，根据最大整流电流和最高反向电压选择合适的二极管。VDTrRL+uI-220V+uD-AVV1图11-5

例11-1、例11-2电路第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路11.1.2单相全波整流电路

半波整流电路的缺点：只利用了输入交流电压的一半，不仅电源效率低，输出脉动波的平均值低（仅0.45U），而且输出电压脉动较大。实际应用中多采用全波整流电路，全波直流电路包括单相双半波整流电路和桥式全波整流电路。1.单相双半波整流电路

双半波整流电路如图11-6a所示，可视为上下两个具有公共负载

RL

的单相半波整流电路叠加。Tr为二次侧绕组中心抽头的变压器，得到两个大小相等、极性相同的电压

uI1和

uI2，在输入电压的正、负半周内，分别作用于上、下两个半波整流电路。输入电压正半周，uI1和uI2为上正、下负，VD1导通、VD2截止，产生电流i1流过RL，得到输出电压uO1，见图11-6b所示。输入电压负半周，uI1和uI2为上负、下正，VD2导通、VD1截止，产生电流i2

流过RL，得到输出电压uO2，见图11-6c

所示。VD1导通i1VD2导通i2图11-6

单相双半波整流a）实际电路b）输入电压正半周c）输入电压负半周VD1RL+uI1-+uD1-VD2+uD2-+uI1-Tr220Va）RL+uI1-+uI2-Tr220Vb）RL-uI1+Tr220V-uI2+c）第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路单相双半波整流电路的波形与参数分析

图

11-7a

所示为变压器二次电压uI1和uI2的

波形。

输入电压正半周（0~π），VD1导通，电流iO1在负载上得到电压uO1，VD2端电压uD2为ui2和uO1的叠加，即：

输入电压负半周（π~2π），VD2截止，电流iO2在负载上得到电压uO2，VD1端电压uD1为uI1和uO2的叠加，即：

输出电压、电流及二极管反向电压波形见图

11-7b、c、d所示。

输出电流平均值:

全波整流输出电压平均值为半波整流输出电压平均值的2

倍，即:

因两个二极管轮流导通，各导通半个周期，所以二极管输出电流平均值为IO的一半，即：

这个电路的缺点是：需要中间抽头的变压器，而且二极管承受的最高反向电压过高，是半波整流的两倍，即：uI1、

uI2tπ2π0a）uOt0b）iOt0c）uDt0d）图11-7

单相双半波整流波形a）输入电压b）输出电压c）输出电流d）二极管反向电压第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路2.单相桥式整流电路

图11-8所示电路，四个二极管（VD1~VD4）组成电桥，所以称为桥式整流电路。输入电压正半周，uI

上正、下负，VD1和VD3导通、产生电流iO1流过RL，产生输出电压uO1，

VD2和VD4截止，承受反向电压。其参数为：输入电压负半周，uI

上负、下正，VD2和VD4

导通、VD1和VD3

截止。产生电流iO2流过RL，得到输出电压uO2，见图11-8c所示。

特点：输出电压平均值比较高，二极管承受的最高反向电压为同时避免采用中间抽头的变压器，所以得到广泛的应用。单相桥式整流电路输出电压、电流的波形和参数与单相双半波电路的输出电压、电流完全相同，即VD1RL+

uO

-Tr220V+uI-VD2VD3VD4图11-8

桥式全波直流电路VD1导通RLTr220V+uI-VD3导通+

uO1-输入正半周iO1-

uO1+Tr220V-uI+VD2导通VD4导通RL输入负半周iO2第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路

整流电桥的简化画法及集成化

图11-9a

所示的整流电桥，根据其四个二极管的方向，可以用图11-9b所示的简化画法代替。

【例11-3】单相桥式全波整流电路如图11-11所示，已知负载电阻RL=12

，负载电压UO=18V，交流电压为220V，如何选用二极管和变压器的变比？

解：输入电压正半周，VD1和VD3导通，产生电流i1；输入电压

负半周，VD2和VD4导通，产生电流i2，在负载上得到全波电压，其参数为：

查晶体管手册，可以选择2CZ55B，最大整流电流1A，最高反向工作电压50V

将4

个二极管集成在一个硅片上，只引出两个交流电压输入端和两个直流输出端，即集成化的整流电桥，如图11-10所示，中间为交流输入，两端为直流输出。图11-10

集成整流电桥RL+uO-Tr220V+uI-图11-11

例11-3电路VD4VD1VD2VD3图11-9

整流电桥的简化画法a）整流电桥b）简化画法a）

b）第11章|

直流稳压电源11.2滤波电路11.2.1电容滤波电路

整流电路的输出是单向脉动波，除直流分量外，还包括交流分量。对电子仪器和自动控制设备来说，这样的整流电压不宜用做直流电源，因此，必须在整流电路的输出端加上滤波电路，滤去其中的交流成分，成为平滑的、接近于理想的直流电压，常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复合滤波。图11-12为在半波整流路接电容滤波C（电容值较大的电解电容），图11-13为输入和输出电压波形。

rD为二极管导通电阻，阻值很小，所以充电很快；

当uI下降时，二极管截止，电容向负载放电，放电时间常数为当uI

上升时，二极管导通，电容充电，充电时间常数为直到下个周期输入上升再次充电，在C上得到近似直流的电压半波整流滤波电路输出电压平均值为VDTrRL+uO-+uI-220V+uD-+C电容滤波图11-12

半波整流电容滤波uit0a）图11-13

电容滤波波形a）输入电压波形b）输出电压波形uOtπ2π0b）充电放电放电充电第11章|

直流稳压电源11.2滤波电路通过半波和全波整流滤波电路的比较，得出以下结论：

全波整流滤波充电频率更高（半个周期一次），所以电压平均值更高。

放电时间常数越大，波形越平滑，越接近理想直流，一般要求：

RL+uO-Tr380V+uI-图11-14

桥式整流滤波电路+C2rD为两个二极管导通电阻，充电很快；

当ui下降时，电容向负载放电，放电很慢，其时间常数为因为是全波整流，所以半个周期后输入上升再次充电，在C上得到近似直流的电压。见图11-15所示。全波整流滤波电路输出电压平均值为：当ui上升时，两个二极管导通，电容充电，充电时间常数为图11-14为桥式全波整流电路接电容C滤波器。图11-16为不同时间常数下虚拟示波器显示的滤波电路输出波形，当RLC=2.5T

时电压已经比较理想。RLC=1.0TRLC=1.5TRLC=2.5T图11-16

不同时间常数下滤波电路输出波形uo=uCtT/20放电放电放电充电充电充电图11-15

桥式整流滤波电路输出波形T电容滤波第11章|

直流稳压电源11.2滤波电路11.2.2电感滤波电路

电感滤波电路如图11-17所示，即在整流电路与负载电阻之间串联滤波电感

L，由于在电流变化时电感线圈中将产生自感电动势来阻止电流的变化，使电流脉动趋于平缓，起到滤波作用。

电感滤波适用于负载电流较大的场合，缺点是制作复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。11.2.3复合滤波电路

为了满足较高的滤波要求，常釆用电容和电感共同组成的

π型复合滤波电路，其电路形式如图11-18a所示，这种滤波电路适用于负载电流较大、要求输出电压脉动较小的场合。

在负载较轻时，经常釆用电阻替代笨重的电感，构成如图11-178b所示的滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压，但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。电感滤波RL+uO-Tr220V+uI-b）RCRC

复合滤波+C+C图11-18桥式整流复合滤波电路a）LC复合滤波b）RC复合滤波RL+uO-Tr220V+uI-图11-16桥式整流电感滤波电路LRL+uO-Tr220V+uI-a）LCLC复合滤波+C+C第11章|

直流稳压电源11.3.1稳压管稳压电路

11.3稳压电路

交流电经整流、滤波以后得到直流电压，但由于电网电压的不稳定（允许波动10%）及负载的变化，使输出电压不稳定。当输出电压的稳定性不能满足负载要求时，就应该增加稳压电路，保证输出电压基本稳定。

图11-19所示为桥式整流电容滤波稳压管稳压电路，稳压部分工作原理见第8章：8.3.3

稳压管的基本应用【例11-4】图11-19所示电路，要求输出为10V，已知RL=10Ω，试选择稳压管、滤波电容、整流电桥及变压器变比。解：UO=UZ=10V，查手册，可选2CW58，其稳定电压UZ为（9.2~10.5）V滤波电容的选择有两个指标：耐压>2UC=50V，电容值为：要求稳压管稳压电路输入电压为输出电压的（2~3）倍，如果选择2.5倍，则电容电压UC为2.5x10=25VRL+UO-Tr220V/50Hz+uI-图11-19

桥式电容整流滤波稳压管稳压电路+CRVS稳压管稳压电路+UZ-UC第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路11.3.2串联型稳压电路

串联型稳压电路

图11-20所示电路，利用串联在输入和输出之间的晶体管（VT2）作为电压调节器件，所以称为串联型稳压电路，其关系为：

电路分为五个部分：

（1）采样环节：由R1、RP、R2组成，采样电压UF为：

（2）基准环节：稳压管VS的稳定电压，即基准电压UZ

（3）比较放大：晶体管VT2

（4）调整环节：晶体管VT1当输入电压变化、通过输出电压和采样电压的变化，与基准电压比较，通过VT2，调节VT1的UCE1，补偿UI

的变化，保证了输出电压

的基本稳定。

设输入电压因波动而增加，有如下自动稳压过程：图11-20

串联型稳压电路VSR3R1R2RPR4VT1VT2RL第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路

【例11-5】图11-21为串联型稳压电路的采样部分，已知：求：

（1）输出电压的调节范围

（2）输入电压Ui=25V且波动10%，如果要求调整管VT1的

UCE1在5V~20V范围内，通过计算判断是否符合要求？R1R2RP图11-21

采样电路第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路11.3.3集成稳压电路

将串联型稳压电路集成化，即利用半导体集成工艺把全部元件集中制作在一小片硅片上，就构成集成稳压器。集成稳压器又分为固定输出和可调输出两种。

1.三端固定式集成稳压器

常用的三端固定式集成稳压器78XX和79XX系列，其符号和外形见图11-22所示，其中1为输入端、2

为输出端、3

为公共端。

W78XX系列：输出正电压，XX即输出电压值。

如W7805：输出为+

5V

W7812，输出为+12VW79XX系列：输出为负电压，XX即输出电压值。

如W7905，输出为-5V

W7912，输出为-

12VW78XX123123图11-22

三端固定式集成稳压器a）常见外形b）符号a）b）第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路（1）基本应用

图11-23为三端固定式集成稳压器的基本应用，如果要求输出稳定电压为15V，则选择W7815，两端可加小容量电容，其中电容

Ci用于消除输入端引线过长时的电感效应，防止自激振荡的产生，一般在（0.1~1）μF之间；电容

Co用来改善稳压器在负载电流瞬时变动时，引起的输出电压波动，可选择

1μF。

为保证调整晶体管工作在线性区，对输入和输出间电压差（即调整管的UCE1

）有最低和最高的要求，查手册：W7815最高输入电压为35V，输入与输出间最低电压差为2V，一般设为5V。所以，UIMAX=35V，UIMIN=15+2=17V（2）扩大输出的应用

如果要求输出电压超过三端集成稳压器的规定值时，可以通过外接稳压管电路提高输出电压。图11-24所示电路中，输出电压为W7805的输出（5V）与稳压管的稳压值UZ之和，实现输出超过5V的稳定电压。W7815123CiCo+UO-+UI-图11-23

三端固定式集成稳压器的基本应用图11-24

W78XX系列扩大输出电压的应用W7805123CiCo+UO-+UI-即：输入电压UI在17V~35V之间时，W7815

可以保证输出电压稳定在15V左右。第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路（3）输出电压可调的电路图11-25所示电路，运算放大器工作在电压跟随器的状态，所以图11-25W78XX系列实现输出电压可调的电路123Ci+Ui-R1R2RP∞++-W78XX【例11-6】设集成稳压器为W7812，R1=R2=4kΩ、

RP

=2kΩ，则：（4）输出正、负电压的电路图11-26所示电路，将W7812和W7912组合连接，同时得到±12V的输出电压。图11-26

W78XX和W79XX系列实现正、负电压输出的电路W7812W7912220V+ui1-+12V-+-12V-+ui2-++C1C2CoCo输入正半周，ui1上正下负，电流→C1

→W7812→地→返回。输出为+12V；ui2

上正下负，电流→地→C2

→W7912→返回，输出-1