直流稳压电源 12

小功率直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，如图12-1所示。图12-1小功率直流稳压电源原理框图各部分电路的作用如下：变压器：将交流电网电压u1变为整流电路所需的交流电压u2，同时还起到与电网安全隔离的作用。整流电路：将交流电压u2变换为单向脉动的直流电压u3。滤波电路：减小脉动直流电压u3的脉动成分，将其变换为较平滑的直流电压u4。稳压电路：清除电网波动及负载变化的影响，保持直流输出电压的稳定。12.1整流电路12.1.1单相半波整流电路12.1.2单相桥式整流电路12.1整流电路12.1.1单相半波整流电路1工作原理单相半波整流电路如图12-2（a）所示，由电源变压器T、整流二极管VD及负载RL组成。电源变压器一次电压为u1，二次电压为u2，这两个电压均为正弦交流电压，并设。当u2为正半周时，二极管VD正向导通，此时有电流io流过负载，若忽略二极管的管压降，则负载RL两端的电压等于变压器副边线圈电压，即

uo=u2，输出电压uo的波形与u2相同；当u2为负半周时，二极管VD反向截止，负载RL上无电流流过，输出电压uo=0

，此时u2全部加在二极管两端。电路中电压波形如图12-2（b）所示，由图可见负载上得到单方向的脉动电压。由于该电路仅在半个周期内有输出，所以称为半波整流电路。12.1整流电路12.1.1单相半波整流电路直流电压Uo是指一个周期内电压uo的平均值，即（a）电路

（b）输出波形

图12-2单相半波整流电路2负载上的直流电压和直流电流12.1整流电路12.1.1单相半波整流电路流过负载的直流电流Io为3二极管的选择一般应根据流过二极管的平均电流和其所承受的最高反向电压来选择二极管的型号。在单相半波整流电路中，流过整流二极管的平均电流与流过负载的直流电流相等，即二极管截止时承受的最高反向电压

与变压器次级电压u2的最大值相等，即半波整流电路结构简单，使用元件少，但电源和变压器利用率低，输出电压低、脉动大，因此适用于整流电流较小，对电压稳定性要求不高的场合。12.1整流电路12.1.1单相半波整流电路例12-1有一单相半波整流电路，如图12-2（a）所示，已知负载电阻

RL=1KΩ，要求其工作电流为15mA，求变压器副边线圈电压的有效值U2，并选择合适的整流二极管。【解】由于故流过二极管的平均电流ID和二极管承受的最高反向电压UDM为根据以上求得的参数，查晶体管手册，可选用一只额定整流电流为100mA，最大反向工作电压为50V的2CZ52B型整流二极管。12.1整流电路12.1.2单相桥式整流电路单相桥式整流电路是工程中最常用的一种单相全波整流电路。它由四只二极管组成，如图12-3（a）所示，这四只二极管接成了桥式，四个顶点中，相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载RL，不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。如图12-3（b）所示是它的简化画法。（a）单相桥式整流电路

（b）单相桥式整流电路简画法

图12-3单相桥式整流电路12.1整流电路12.1.2单相桥式整流电路在电压u2的正半周，A点电位高于B点电位，二极管VD1，VD3正向导通，二极管VD2，VD4反向截止，电流的路径是：A→VD1→RL→VD3→B。在u2的负半周，B点电位高于A点电位，二极管VD2，VD4正向导通，二极管VD1，VD3反向截止，电流的路径是：B→VD2→RL→VD4→A。由于VD1，VD3和VD2，VD4两对二极管交替导通，因此负载RL上在u2的整个周期内都有电流流过，而且方向不变。电路中负载电阻RL两端的电压uo、流过RL的电流io及流过二极管的电流iD的波形如图12-4所示。1工作原理2负载上的直流电压和直流电流负载上的直流电压为负载上的直流电流为12.1整流电路12.1.2单相桥式整流电路图12-4单相桥式整流电路输出波形图12.1整流电路12.1.2单相桥式整流电路3二极管的选择在桥式整流电路中，两对二极管交替导通，每只仅在电压u2的半个周期内流过电流，所以每只二极管的平均电流为负载上直流电流的一半，即可根据流过二极管的平均电流和其所承受的最高反向电压来选择二极管的型号。单相桥式整流电路与单相半波整流电路相比，电源和变压器利用率高，输出电压高，电压脉动小。因此，这种整流电路在工程中应用广泛1）每只二极管的平均电流2）每只二极管反向截止时所承受的最高反向电压12.1整流电路12.1.2单相桥式整流电路例12-2有一单相桥式整流电路，如图12-3（a）图所示，若变压器副边线圈电压的有效值为U2=40V

，负载电阻RL=3.6Ω

。试求：①负载上的直流电压Uo，直流电流Io，每只整流二极管的平均电流ID和其所承受的最高反向电压UDM。②若VD2损坏开路，Uo、Io为多少？③若VD2短路会出现什么情况？【解】

①由上述式子可得12.1整流电路12.1.2单相桥式整流电路②当VD2损坏时，在u2正半周VD1，VD3导通，在u2负半周，因VD2开路，无二极管导通，所以电路相当于半波整流电路，故直流电压Uo、直流电流Io仅为全波整流的一半，即③当VD2短路时，在u2正半周电流不再通过负载RL，而通过二极管VD1和VD2构成回路，由于二极管的导通压降只有0.7V，因此变压器副边线圈短路，易造成电流过大而烧毁变压器和二极管。12.2滤波电路12.2.1电容滤波电路12.2.2其他滤波电路12.2滤波电路12.2.1电容滤波电路利用整流电路虽然可以把交流电转变为单一方向的直流电压，但该直流电压含有较大的脉动成分，不能保证电子设备的正常工作。因此，在整流电路之后还需要利用由储能元件组成的滤波电路，来减小电压中的脉动成分，使输出的电压更加平滑。常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路。电容滤波电路是最常见、最简单的滤波电路，由滤波电容C与负载RL并联而成，它利用电容的充放电来改善输出电压的脉动程度。如图12-5所示为单相桥式整流电容滤波电路。12.2滤波电路12.2.1电容滤波电路图12-5单相桥式整流电容滤波电路12.2滤波电路12.2.1电容滤波电路在u2的正半周，且u2＞uC（电容两端电压）时，VD1、VD3正向导通，此时，u2给负载供电的同时对电容器C充电，当充到最大值，即uC=Um后，uC和u2都开始下降，u2按正弦规律下降，当u2＜uC时，VD1、VD3承受反向电压而截止，电容器对负载放电，uC按指数规律下降。在u2的负半周情况相似，只是在|u2|＞uC时，VD2、VD4正向导通。经滤波后uo的波形如图12-6所示，显然脉动减小。1工作原理12.2滤波电路12.2.1电容滤波电路图12-6波形图12.2滤波电路12.2.1电容滤波电路2负载上电压的计算一般常用如下公式估算电容滤波时的输出电压平均值（桥式、全波）（半波）3元件选择1）电容选择电容的放电时间常数（τ=RLC）越大，放电过程越慢，输出电压越高，脉动成分也越少，即滤波效果越好。一般要求（桥式、全波）（半波）式中T为交流电源电压的周期。12.2滤波电路12.2.1电容滤波电路2）整流二极管的选择每只二极管的平均电流为（桥式、全波）（半波）每只二极管所承受的最高反向电压（桥式、全波）（半波）电容滤波电路适用于要求输出电压高、负载电流较小，并且负载较稳定的电路中。12.2滤波电路12.2.1电容滤波电路例12-3有一整流电容滤波电路，如图12-5所示，已知交流电源频率f=50HZ，要求直流输出电压U0=30V，直流电流I0=150mA。求电源变压器副边电压u2的有效值，选择整流二极管及滤波电容。【解】①由式得电源变压器副边电压u2的有效值为②选择二极管。流过二极管的平均电流为12.2滤波电路12.2.1电容滤波电路二极管承受的最高反向电压为根据ID，UDM查晶体管手册，可选用2CP11二极管，其最大整流电流为100mA，最大反向工作电压为50V。③选择滤波电容器。由于所以选用C=250μF，耐压为50V的电解电容。12.2滤波电路12.2.2其他滤波电路1电感滤波电路电感滤波电路由电感L和负载电阻RL串联而成，如图12-7所示，它利用电感对交流阻抗大的特点减小电压脉动得到平滑的电压。图12-7单相桥式整流电感滤波电路12.2滤波电路12.2.2其他滤波电路其工作原理为：当流过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当流过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，同时释放出存储的能量，补偿电流的减小，从而得到平滑的电压。频率越高、电感越大，滤波效果越好。当忽略电感的电阻时，负载上的直流电压Uo≈0.9U2。经电感滤波后，不但负载电流及电压脉动减小，而且由于滤波电感电动势的作用，使二极管的导通角增大，减小了二极管的冲击电流，延长了整流二极管的寿命。电感滤波电路的缺点是体积大，易引起电磁干扰。电感滤波一般只适用于低电压、大电流场合。12.2滤波电路12.2.2其他滤波电路2复式滤波电路为了得到更好的滤波效果，可以将电感、电容、电阻按照一定的方式组成复式滤波电路。常见的复式滤波电路有Γ型和Π型两种，如图12-8所示。（a）Γ型LC滤波电路

（b）Π型LC滤波电路

（c）Π型RC滤波电路

图12-8复式滤波电路12.2滤波电路12.2.2其他滤波电路这几种复式滤波电路的工作特点和适用场合见表12-1。表12-1常用复式滤波电路的比较常用复式滤波电路适用场合Γ型LC滤波电路

适用于电流较大、要求输出电压非常平稳的场合，用于高频时更为合适Π型LC滤波电路

它的滤波效果比Γ型LC滤波电路更好，但整流二极管的冲击电流较大，因此更适用于小电流负载场合Π型RC滤波电路

该电路中用电阻R代替了Π型LC滤波电路中的电感线圈，克服了电感线圈体积大而笨重，成本高的缺点。R越大、C2越大滤波效果越好。但R太大，将使直流压降增加，所以这种滤波电路主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动小的场合。12.3稳压电路12.3.1稳压管稳压电路12.3.2串联型稳压电路12.3稳压电路12.3.1稳压管稳压电路稳压管稳压电路是最简单的直流稳压电路，由稳压管DZ和限流电阻R组成，如图12-9（a）图所示。图12-9（b）图所示为稳压管的伏安特性曲线。（a）电路图

（b）稳压管的伏安特性曲线

图12-9稳压管稳压电路12.3稳压电路12.3.1稳压管稳压电路当负载电阻RL不变，输入电压Ui上升时，Uo随之增大，即UZ（UZ=

U0=Ui-

UR）增大，由稳压管的伏安特性曲线可知，稳压管的电流IZ显著增大，结果使流过电阻R的电流IR（IR

=IZ+

IL）增大，电阻R上的压降增大，以抵消Ui的增加，从而使负载电压Uo的数值保持近似不变。上述稳压过程可表示为1工作原理1）负载电阻RL不变，输入电压波动同理，如果输入电压Ui下降，电阻R上压降减小，其工作过程与上述相反，输出电压Uo仍保持基本不变。12.3稳压电路12.3.1稳压管稳压电路当输入电压Ui不变，负载电阻RL增大，即负载电流IL减小时，稳压过程为2）输入电压Ui不变，负载发生波动同理，如果负载电阻减小时，稳压过程相反。由以上分析可知，稳压管稳压电路是利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R上电压变化进行补偿，来达到稳压的目的。2元件的选择1）稳压管的选择一般按下式选取稳压管12.3稳压电路12.3.1稳压管稳压电路限流电阻的大小受其他参数如输入电压Ui、负载电流IL、稳压管电流IZmax，IZmin等因素的影响，一般按下式选取2）限流电阻的选择稳压管稳压电路结构简单，负载电流变动小时稳压效果好，但由于受稳压管自身参数的限制，不能任意调节输出电压，因此只适用于输出电压不需要调节，负载电流小，要求不高的场合。12.3稳压电路12.3.1稳压管稳压电路例12-4有一稳压管稳压电路，如图12-9（a）图所示，Ui=12V

，电网电压允许波动范围为10%，稳压管稳定电压UZ=5V，最小稳定电流

IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=30mA

，负载电阻RL在250～350Ω范围内。试问：①计算限流电阻R的取值范围；②若限流电阻短路，将产生什么现象？【解】①负载电流的变化范围为则即R的取值范围为185～232Ω。②若限流电阻短路，则Ui全部加在稳压管上，使之因电流过大而烧坏。12.3稳压电路12.3.2串联型稳压电路串联型稳压电路如图12-10所示，它由取样环节、基准电压电路、比较放大环节和调整环节四部分组成。1电路构成及各部分作用图12-10串联型稳压电路12.3稳压电路12.3.2串联型稳压电路1）取样环节由电阻R1，RP，R2组成输出电压的取样电路，将输出电压的一部分（即Uf）送到比较环节2）基准电压电路由稳压二极管DZ和电阻R构成，用于为电路提供一个稳定的基准电压UZ，作为调整比较的标准。3）比较放大环节集成运放作为比较放大电路，将采样所得电压Uf与基准电压UZ比较放大后送到调整管T的基极。12.3稳压电路12.3.2串联型稳压电路4）调整环节由调整管T组成，T的基极电位UB动态反映了整个稳压电路的输出电压Uo的变动，控制基极电位就可控制Uo的值。2稳压过程当由于某种原因（如电网电压波动或负载电阻的变化等）使输出电压Uo升高（降低）时，采样电路将这一变化趋势（即取样电压Uf）送到集成运放的反相输入端，它与集成运放同相输入端的电位UZ（即基准电位）进行比较放大，集成运放的输出电压即调整管的基极电位降低（升高），因为调整环节采用射极输出形式，所以输出电压Uo必然降低（升高），从而使Uo得到稳定。12.3稳压电路12.3.2串联型稳压电路上述过程可表示为由此看出，串联稳压电路的稳压过程，实质上是通过电压负反馈使输出电压保持基本稳定的过程。或3输出电压的可调范围理想运放条件下，当电位器RP滑至最下端时，输出电压最大，为12.3稳压电路12.3.2串联型稳压电路在串联稳压电路中，调整管的安全工作是电路正常工作的保证。在选择调整管T时主要考虑其极限参数集电极最大允许电流ICM、集电极—发射极反向击穿电压U(BR)CEO和集电极最大允许耗散功率PCM，满足当电位器RP滑至最上端时，输出电压最小，为4调整管的选择在实际选用时不但要考虑一定的余量，还应按手册上规定采取散热措施。12.4三端集成稳压器12.4.1W7800，W7900系列三端固定式集成稳压器12.4.2三端可调式集成稳压器12.4三端集成稳压器12.4.1三端集成稳压器有三个引出端子，故称为三端集成稳压器。按其性能可分为三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器。前者的输出电压为固定值，不能调节；后者可通过外接电路对输出电压进行连续调整。本节将介绍W7800（固定输出正压）、W7900（固定输出负压）、W317（可调输出正压）和W337（可调输出负压）系列的三端集成稳压器。W7800和W7900系列三端固定式集成稳压器有输入、输出和公共地端三个引出端子，其外形、管脚意义和图形符号如图12-11所示。1三端固定式集成稳压器的外形、管脚意义和图形符号W7800，W7900系列三端固定式集成稳压器12.4三端集成稳压器12.4.1W7800，W7900系列三端固定式集成稳压器（a）外形

（b）图形符号

图12-11三端固定式集成稳压器外形、管脚意义和图形符号2W7800和W7900系列三端固定式集成稳压器的型号组成及其意义W7800（正电压输出）和W7900（负电压输出）系列三端固定式集成稳压器其输出电压有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V，最大输出电流有0.1A，0.5A，1A，1.5A等，它们的型号组成及其意义如图12-12所示。如表12-2所示为W7815稳压器的主要参数。12.4三端集成稳压器12.4.1W7800，W7900系列三端固定式集成稳压器图12-12W7800和W7900系列三端固定式集成稳压器的型号组成及其意义表12-2W7815稳压器的主要参数输出电压最大输入电压最小输入输出压差最大输出电流输出电阻电压变化率15V35V2～3V2.2A0.03～0.15Ω0.1%～0.2%12.4三端集成稳压器12.4.1W7800，W7900系列三端固定式集成稳压器3三端固定式集成稳压器的应用1）固定输出稳压电源此种电路组成如图12-13所示，三端稳压器的输入端接在整流滤波电路的后面，输出端直接接负载，公共端接地，即可输出稳定的直流电压。图中，C1为滤波电容，C2用于抵消输入端较长接线的电感效应，防止电路产生自激振荡，接线不长时也可不用，C3用于改善负载的瞬态响应，消除高频噪声。C2一般在0.1～1μF之间，如0.33μF，C3可用1μF。12.4三端集成稳压器12.4.1W7800，W7900系列三端固定式集成稳压器图12-13固定输出稳压电源12.4三端集成稳压器12.4.1W7800，W7900系列三端固定式集成稳压器2）具有正、负电压输出的稳压电源此种电路组成如图12-14所示，电源变压器带有中心抽头并接地，输出端得到大小相等、极性相反的电压。图12-14正、负电压同时输出的电路12.4三端集成稳压器12.4.2三端可调式集成稳压器W317（正电压输出）和W337（负电压输出）系列有输入、输出和电压调整端三个引出端子，其外形、管脚意义和图形符号如图12-15所示。三端可调式集成稳压器1三端可调式集成稳压器的外形、管脚意义和图形符号图12-15三端可调式集成稳压器外形、管脚意义和图形符号12.4三端集成稳压器12.4.2W317和W337系列三端可调式集成稳压器的型号组成及其意义如图12-16所示。三端可调式集成稳压器2W317和W337系列三端可调式集成稳压器的型号组成及其意义图12-16三端可调式集成稳压器外形、管脚意义和图形符号12.4三端集成稳压器12.4.2三端可调式集成稳压器的典型应用电路如图12-17所示。为了使电路正常工作，一般输入电流不小于5mA，输入电压范围在2～40V之间，输出电压在1.25～37V范围内可调，负载电流最大值为1.5A，由于调整端的输出电流非常小（50μA）且恒定，故可将其忽略，得输出电压表达式为三端可调式集成稳压器3三端可调