《电路与电子技术》课件第13章

第13章直流稳压电源13.1整流电路13.2滤波电路13.3稳压电路习题13

在电子设备和自动控制电路中，都需要有稳定的直流电源供电才能正常工作。直流稳压电源是一种能把交流输入电压变为稳定直流电压输出的电源。

图13.1是一般直流稳压电源的原理框图，它由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。

图13.1直流稳压电源原理框图各部分的功能如下。

变压器：通常采用降压变压器，作用是将输入的交流电压ui变换成符合整流电路需要的电压。

整流电路：利用单向导电的整流器件，将变压器输出的交流电压变换为单向脉动直流电压。

滤波电路：滤除整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分，输出比较平滑的直流电压。

稳压电路：作用是当交流电源电压或负载波动时，利用该电路的自我调节功能，使输出的直流电压保持稳定。

图13.2单相半波整流电路

根据所用电源的相数，整流电路可分为单相和多相整流电路；根据负载上输出的电量波形，可分为半波和全波整流电路。

1.单相半波整流电路

单相半波整流电路如图13.2所示，其中D为整流二极管，u1为电源变压器的原边电压，u2为电源变压器的副边电压，iL、uL分别为负载RL的电流和电压，uD为二极管上的电压。

设u2=U2sinωt，其波形如图13.3(a)所示。13.1整流电路

图13.3半波整流波形图当u2为正半周时，二极管VD导通；当u2为负半周时，二极管VD截止。若忽略变压器绕组电阻和二极管VD的正向电阻，则uL和uVD的波形如图13.3(b)、(c)所示，从中可看出负载RL的电压为半个正弦波，其平均值为

(13.1)

负载RL中的平均电流为

(13.2)

二极管VD中的平均电流为

(14.3)

二极管VD所承受的最大反向电压为

半波整流电路的优点是电路简单，缺点是输出电压脉动大。

(14.4)

图13.4单相桥式全波整流电路

2.单相桥式全波整流电路

图13.4所示为单相桥式全波整流电路。

当u2为正半周时，D1、D3导通；当u2为负半周时，D2、D4导通，即在一个周期内，负载RL上都有脉动直流电压uL，故称为全波整流电路。u2、uL和uVD的波形分别如图13.5(a)、(b)、(c)所示。

图13.5全波整流波形图从图13.5中可知负载RL上的平均电压为

(13.5)

负载RL中平均电流为

(13.6)

每个二极管VD中的平均电流为

(13.7)

每个二极管VD所承受的最大反向电压为

(13.8)

例13.1如图13.4所示的桥式整流电路，RL=100Ω，UL(AV)=18V，试求变压器的副边电压为多少?应选用何种型号的二极管？

解变压器副边电压的有效值为

二极管中的平均电流为

二极管所承受的最大反向电压为

通过查手册知2CZ52B的最大整流电流为0.1A，最大反向电压为50V，可满足本题的要求。

3.倍压整流电路

倍压整流电路由二极管和电容组成，利用二极管的整流和导引作用，将较低的直流电压分别存储在多个电容上，然后按电容充电的极性串联起来而得到较高的直流输出电压。该电路多用于输出高电压、小电流的情况。

图13.6二倍压整流电路图13.6所示为二倍压整流电路。当uo1为正半周时，VD1导通，uo1经VD1向C1充电；理想情况下，C1充电至Uo1。当uo1为负半周时，VD2导通，uo1经VD2向C2充电，亦能充电至2Uo1。C1与C2的电压之和为Uo1，为负载电阻RL提供了二倍uo1的峰值电压。同理，若增加二极管和电容的数目，则可组成多倍压整流电路。

实际上，由于存在着电容对RL放电，倍压整流电路的电容是无法充电至最大值Uo1的，且电容上的电压还存在着脉动成分，因此倍压整流电路仅适用于负载电流较小的场合。

无论采用哪种形式的整流电路，其输出电压的脉动系数S都比较大。因此，在整流电路的输出端通常加上一级滤波电路，其作用是尽量降低输出电压中的脉动成分，保留其中的直流成分，使输出电压尽可能接近理想的直流电压。滤波电路的形式很多，有电容滤波电路、电感滤波电路、π型RC滤波电路、LC滤波电路和π型LC滤波电路等。

13.2滤波电路

1.电容滤波电路

电容滤波电路如图13.7所示，加上电容C后，负载RL上的电压波形就与没有滤波电容时的电压波形大不一样了，如图13.8所示，此时的输出电压为

Uo≈Uo1 (13.9)

(半波)(全波)

图13.7电容滤波电路图13.8电容滤波波形电容滤波的原理就是利用电容的充放电特性。在0~t1期间，设电容C上的初始电荷为零，uo1的极性假定为上正下负，此时VD1和VD3导通，VD2和VD4截止。uo1通过VD1和VD3向C充电。在t1时刻，VD1和VD3的阳极电位等于阴极电位。在t1以后，VD1和VD3阳极电位低于阴极电位，所以VD1和VD3截止，C通过负载RL放电。到t2时刻，VD2和V=的阳极电位等于阴极电位，uo1通过VD2和VD4向C充电。到t3时刻，VD2和VD4因阳极电位低于阴极电位而截止，C通过负载放电。如此周而复始，使输出的脉动大大减小。电容C的充放电时间常数τ=RLC，τ越大，C放电的过程越慢，滤波效果也越好。在实际电路中，通常采用大容量的电解电容，其容量一般选为

(13.10)

图13.9电感滤波电路

2.电感滤波电路

由于电容器具有通高频、阻低频的特性，因而用电容滤波时电容是并联于负载上的。而电感具有通低频、阻高频的特性，用电感滤波时，必须将电感串联于负载电路中，利用电感阻止电流变化的特点实现滤波。电感滤波电路如图13.9所示。

为了取得更好的滤波效果，可采用LC滤波电路和π型LC滤波电路，如图13.10和图13.11所示。

图13.10

LC滤波电路

图13.11

π型LC滤波电路

经整流和滤波后的输出电压，虽然脉动的交流成分很小，但在交流输入电压或负载发生变化时，它仍有波动，只有通过稳压环节或稳压电路，才能使输出电压更加稳定。

稳压管稳压电路的优点是电路简单，稳压性能较好，内阻较小(一般为几欧姆到几十欧姆)，适合于负载电流较小的场合；其缺点是输出电压仅取决于稳压二极管的型号，不能随意调节，只能用于负载电流变化不大的电路中。13.3稳压电路13.3.1串联型稳压电源

1.电路组成

串联型稳压电源是目前较为通用的一种稳压电源。该电源的方框图和电路原理图如图13.12所示。

由图13.12可见，该电路是由调整管、基准电压、采样电路、比较放大环节四部分组成的。调整管V1是整个稳压电路的核心，其作用是利用输出电压的变化量来控制基极电流的变化，进而控制管压降UCE1的变化，从而把输出电压拉回到接近变化前的数值，起到电压调整的作用，故称为调整管。因为调整管与负载是以串联形式连接的，故称该电路为串联型稳压电路。电阻R2和VDZ组成了硅稳压管稳压电路，其作用是让VDZ上的稳定电压作为基准电压，当Ui、RL或温度改变时，基准电压保持恒定。电阻R3、RW和R5组成的分压器组成采样电路。由V2组成比较放大电路，把输出电压的变化量ΔUo的一部分加到V2管的基极，并与基准电压UZ进行比较放大后，控制调整管的基极电位。

图13.12串联稳压电路(a)方框图；(b)电路原理图

2.稳压原理

我们可从Ui和RL两方面的变化分析稳压的过程。

(1)当Ui波动时，电路将引起如下的调节过程：

对基本共射放大电路，当Ui↑→IBQ↑→Q点上移→UCE↓时，调整过程如下：

Ui↑→Uo↑→UB2↑→IB2↑→UCE2↓→UC2↓→UB1↓→IB1↓

→UCE1↑→Uo=(Ui－UCE1)↓

反之亦然，使Uo趋于稳定。

(2)当负载RL变化时，将引起如下的调节过程：

RL↓→Uo↓→UB2↓→IB2↓→UCE2↑→UC2↑→UB1↑

→IB1↑→UCE1↓→Uo=(Ui－UCE1)↑

同样使Uo趋于稳定。

总之，串联型稳压电路利用输出电压的变化来控制调整管UCE的变化，从而实现自动稳压。

3.输出电压的调节

稳压电源的输出电压可利用电位器RW来调节。当RW的滑动端置于最上端时，输出电压最低，即

(13.11)

当RW滑动端移到最下端时，输出电压最高，即

(13.12)

故该稳压电路输出电压的范围为Uomin~Uomax，且可通过RW连续调节。13.3.2集成稳压电源

集成稳压电源把调整管、比较放大器、基准电源等做在一块硅片内，成为集成稳压器件。目前生产的集成稳压器件形式很多，具有体积小、重量轻、使用方便可靠等一系列优点，因而得到广泛应用。

集成稳压电源有多端可调式、三端集成稳压器等，现主要介绍三端集成稳压器。三端集成稳压器的三个端子分别是输入端、稳定输出端和公共接地端。三端集成稳压器的通用产品有W7800系列(正电压输出)和W7900系列(负电压输出)，具体型号后面的两位数字代表输出电压值，可为5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V等几个档次，这两个系列的产品其输出的最大电流可达1.5A。例如W7805表示输出电压为5V，输出电流为

1.5A；W7905表示输出电压为－5V，输出电流为0.5A。

三端固定W7800系列稳压器属于一种串联型稳压器，其应用电路有以下三种。

1.固定输出电压电路

图13.13(a)所示电路是W7800系列作为固定输出时的典型应用电路。为了保证稳压器正常工作，最小输入输出电压差至少为2~3V；输入端的电容Ci一般取0.1~1μF，作用是在输入线较长时抵消其电感效应，防止产生自激振荡；输出端的电容Co可以消除电路的高频噪声，改善负载瞬态的响应，一般取值为0.1μF。当需要负电源时，可采用图13.13(b)所示的应用电路。

图13.13固定输出电压电路(a)W7800系列的典型应用；(b)W7900系列的典型应用

2.提高输出电压的电路

目前，三端稳压器的最高输出电压是24V。当需要大于24V的输出电压时，可采用图13.14所示的电路提高输出电压。图中V××是三端稳压器的标称输出电压；IZ是组件的稳态电流，约为几毫安；外接电阻R1上的电压是V××；R2接在稳压器公共端“3”和电源公共端之间。按图示接法的输出电压为

(13.13)

当IZ较小时，有

(13.14)

图13.14提高输出电压的电路

3.具有正负电压输出的稳压电源

当需要正负电压同时输出时，可用一块W7800正压单片稳压器和一块W7900负压单片稳压器连接成图13.15所示的电路。这两块稳压器有一个公共接地端，并共用整流电路。

图13.15具有正负输出电压的稳压电源

【例13.2】试应用集成稳压器设计一个能固定输出±5V电压的直流稳压电源。

解

(1)因所要设计的直流稳压电源为固定式输出式，并且输出既有正电压也有负电压，故可选择三端固定式集成稳压器(如W7800系列与W7900系列)。通过查阅集成电路手册可知W7805集成稳压器可输出＋5V直流电压，W7905集成稳压器可输出－5V直流电压，可以选用。

(2)集成稳压器W7800系列(正电源)与W7900系列(负电源)的典型应用电路如图13.16所示。

图中输入端电容C3、C4主要用来改善输入电压的波纹，一般为零点几微法，可选为0.33μF。输出端电容C5、C6用来消除电路中可能存在的高频噪声，即改善负载的瞬态响应，可选为0.1μF。

图13.16例13.2电路图

(3)画出完整的直流稳压电路原理图，如图13.16所示。

W7805的输入电压为7～30V，W7905的输入电压为－7～－25V，可以均按输入电压大小为12V设计。交流输入电压U1经降压后为U2，经整流和滤波后(滤波电容C1=C2=2200μF)，分别供给12V大小的电压，该电压是变压器副边总电压平均值的一半，即U2/2×0.9=12V，则U2=12V/0.45≈26.6V。由此可选择变压器原副边绕组的匝数比为U1∶U2=220∶26.6≈8∶1。

1.单相桥式整流电路如题图13.1所示。已知变压器副边电压u2=25sinωt，f=50Hz，RLC≥(3~5)。

(1)估算输出电压uo；

(2)当负载开路时，对uo有什么影响？

(3)当滤波电路开路时，对u