《电工电子技术》 课件 项目七 直流稳压电路

项目七直流稳压电源2024年12月校训：志存高远

技能报国任务导入

直流稳压电源是各种电子电路常用的直流电源。直流稳压电源是一种把交流电变成直流电的装置。常用的直流稳压电源由变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路四部分组成。教学目标知识目标

（1）掌握直流稳压电源的组成。（2）掌握整流电路的组成及工作原理。（3）掌握滤波电路的类型、组成，理解滤波原理。（4）掌握并联型稳压电路的组成与工作原理，了解串联型稳压电路的组成与工作原理。（5）掌握三端集成稳压器的应用。（6）理解晶闸管单相整流电路的工作原理。能力目标（1）能够正确分析、设计简单的直流稳压电源电路。（2）运用所学知识，解决直流稳压电路相关的问题。素质目标（1）通过本项目学习培养学生分析、设计、解决问题的能力。（2）通过本项目学习培养学生团队协作精神。思政目标

组织学生进行直流稳压电源的制作和调试实验，通过亲手操作来加深对理论知识的理解。鼓励学生在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题。在完成基本实验后，鼓励学生尝试对直流稳压电源进行改进或创新。例如增加保护功能、提高转换效率等。通过创新实践，激发学生的创造力和探索精神。重难点

（1）整流、滤波、稳压电路的类型、组成及工作原理。（2）三端集成稳压器的应用。

任务

一

整流电路知识目标

（1）掌握整流的定义。（2）掌握整流电路的类型、组成及工作原理。（3）了解整流电路的参数。能力目标

（1）通过学习培养学生能够自主分析电路工作原理的能力。（2）通过学习能熟练掌握相关仪器仪表使用的能力。素质目标（1）通过学习整流电路电路相关知识培养学生分析、运用及解决实际电路的能力。（2）通过学习整流电路提升学生的动手实践能力。思政目标

在整流电路的制作和调试过程中，强调精益求精、注重细节的态度。要求学生严格按照电路图进行操作，确保焊接质量、元件布局合理等。培养学生耐心、专注和持之以恒的精神，面对实验中的困难和挑战不退缩，积极寻找解决方案并不断改进。重难点

（1）整流的定义。（2）整流电路的类型、组成及工作原理。（3）整流电路的参数计算及应用。一、单相半波整流电路1.电路的结构

如图所示，图中u1为电源变压器初级交流电压，u2为电源变压器次级交流电压，D为整流二极管，ID为整流输出的直流电流，UO为整流输出的直流电压，RL为整流电路的负载。

单相半波整流电路

2.电路的工作原理

在u2的正半周，二极管D因受正向电压而导通，有电流通过二极管D和负载RL并在负载两端产生上正、下负的脉动直流电压UO

。在u2的负半周，二极管D因受反向电压而截止，没有电流通过二极管，负载两端无输出电压。3.半波整流电路的基本参数1）输出电压平均值UOUO=0.45U22）输出电流平均值IOIO=0.45U2/RL3）正向平均电流IFIF=IO4）最大反向峰值电压URM4.半波整流电路的特点

通过上述分析可以看出，半波整流电路的结构简单，但是它输出电压的脉动性很大，效率也很低，只适用于电压要求较高、电流要求较小的一些简单的充电电路中。二、单相全波整流电路1.电路的结构

由图可以看出，全波整流电路是由两个半波整流电路组合而成。图中T为电源变压器（为保证两个半波整流电路对称，电源变压器次级有中心抽头），u1为电源变压器的初级交流电压，u2为电源变压器次级的两个交流电压，D1和D2是两只参数相同的整流二极管，IO为整流输出直流电流，UO为整流输出直流电压，RL为整流电路的负载。2.电路的工作原理

在u2的正半周，二极管D1因受正向电压而导通，D2因受反向电压而截止，电流IO通过二极管D1和负载，在负载两端产生上正、下负的脉动直流电压；

在u2的负半周，二极管D2因受正向电压而导通，D1因受反向电压而截止，电流IO通过二极管D2和负载，在负载两端产生上正、下负的脉动直流电压UO。可见，u2的正半周与负半周电压经二极管D1、D2整流后，

在负载上合成为全波脉动直流电压UO。

3.全波整流电路的基本参数1）输出电压平均值UOUO=0.45×2U2=0.9U2

2）输出电流平均值IOIo=0.9U2/RL3）平均电流IF4）最大反向峰值电压URM

4.电路的特点通过上述分析可以看出,全波整流电路比半波整流电路的效率高，

输出电压的脉动性小。

但是它的电源变压器要有两个对称的次级绕组，二极管所承受的最大反向峰值电压是半波整流电路的两倍

。

三、单相桥式整流电路1.电路的结构

电路是由电源变压器和四只二极管组成。u1为电源变压器的初级交流电压，u2为电源变压器次级的交流电压，D1-D4是四只参数相同的整流二极管，IO为输出电流，UO为输出电压，RL为电路的负载。2.电路的工作原理

在u2的正半周，二极管D1和D2因受正向电压而导通,D3和D4因受反向电压而截止；电流IO通过二极管D1和D2，在负载RL两端产生上正、下负的脉动直流电压UO。在u2的负半周，二极管D3和D4因受正向电压而导通，D1和D2因受反电压而截止；电流IO通过二极管D3和D4，在负载RL两端产生上正、下负的脉动直流电压UO。可见，u2的正半周与负半周电压，经二极管D1和D2与D3和D4整流后，在负载上合成为全波脉动直流电压UO。3.桥式整流电路的基本参数1）输出电压平均值UOUO=0.45×2U2=0.9U22）输出电流平均值IOIo=0.9U2/RL3）平均电流IF

4）最大反向峰值电压URM

4.电路的特点

桥式整流电路的优点是输出电压高，脉动电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。电路的缺点是二极管用的较多。【例7.1】某电气设备采用桥式整流电路整流，工作电压为10V，电流为25mA，试求整流二极管参数和变压器初次级线圈匝数比。解：由所需的电压和电流，可计算出负载电阻为

RL=UO/IO=10v/0.025A=400

变压器次级线圈电压为

U2=Uo/0.9=10/0.9V=11.11V

二极管平均电流为

ID=I0/2=1/2×0.025A=0.0125A=12.5mA

二极管承受反向电压最大值为

URM=U2=×11.11V=15.7V

可选用反向耐压25V，正向电流0.1A以上的整流二极管。

变压器的初次级匝数比为n=N1/N2=U1/U2=220/10=22任务二滤波电路知识目标

（1）掌握滤波电路的作用。（2）掌握滤波电路的类型、组成及工作原理。（3）了解滤波电路的参数。能力目标

（1）通过学习培养学生能够自主分析电路的能力。（2）会根据需要选择合适的滤波电路的能力。素质目标

（1）通过学习滤波电路相关知识培养学生分析、解决实际电路的能力。（2）通过学习滤波电路提高学生的实际操作能力。

思政目标

在滤波电路的设计、制作和调试过程中，鼓励学生勇于尝试新方法、新技术，不断探索更优的滤波解决方案。通过参与创新竞赛等活动，培养学生的创新意识和实践能力，鼓励他们将所学知识应用于解决实际问题中。

重难点

（1）滤波电路的作用。（2）滤波电路的类型、组成。（3）滤波电路的工作原理及参数计算。一、电容滤波电路1.电路的工作原理

电容滤波是在整流电路输出端并联电容，利用其充、放电特性使电压趋于平滑的原理组成的电路。2.电容滤波电路特点（1）接入滤波电容后，二极管的导通时间变短了，工作电流较大，特别是在接通电源瞬间会产生很大的浪涌电流。（2）经电容滤波后，输出波形变得平滑，输出电压的平均值升高。（3）电容放电时间常数τ=RLC越大，输出电压U越高，滤波效果也越好；反之，则输出电压低且滤波效果差。（4）电容滤波电路适用于负载电流较小的场合。二、电感滤波电路1.电路的工作原理

电感滤波电路是在整流电路输出端串联电感，利用线圈产生自感电动势阻碍电流变化的特点，从而使负载电流和负载电压的平滑程度得到提高。2.电路特点

整流管的导电角较大（电感L的反电势使整流管导电角增大），峰值电流很小，输出特性比较平坦。其缺点是电感元件体积大，结构复杂，其自身的电阻也会引起直流电压损失和功率损耗，所以一般不采用。它适用于负载电流要求较大且负载变化大的场合。三、复式滤波

（a）LC滤波电路

（b）π型LC滤波电路

（C）π型RC滤波电路（a）LC滤波电路实质上经过了电感、电容两次滤波，所以其输出的直流电压和电流更为平滑。（b）π型LC滤波器。如图所示，经桥式整流电容C1滤波后，已经比较平滑的整流电压，其交流成分大部分都降落在电感L上，再经并联的滤波电容C2进一步滤波，可以使负载得到更加平滑的直流电。LC滤波器的外特性与电感滤波器相同，但滤波效果更好，适用于负载电流较大且电压脉动小的场合。（c）π型RC滤波器。如图所示，由于电容的交流阻抗很小，而脉动电压的交流成分大部分都降落在R上，这样输出电压uL的交流成分大为减小而起到滤波作用。这种滤波器主要适用于负载电流较小且电压脉动小的场合，如在电子仪器设备、电视机、收录机中泛采用。

任务三

稳压电路知识目标

（1）掌握直流稳压电路的组成和作用。（2）掌握直流稳压电路的类型。（3）掌握并联型稳压电路的组成、工作原理及电路特点。（4）理解串联型稳压电路的组成、工作原理及电路特点。能力目标

通过学习培养学生自主分析电路工作原理的能力。素质目标

（1）培养学生运用稳压电路相关知识解决实际问题的能力。（2）培养学生的动手实践的能力。

思政目标

鼓励学生对稳压电路中的现象和问题提出科学假设，并通过实验进行验证，培养他们的科学探究能力和批判性思维。强调稳压电路的稳定性和可靠性对于设备安全、人身安全以及环境保护的重要性，培养学生的社会责任感和职业道德观念。

重难点

（1）直流稳压电路的组成、作用及原理。（2）并联型稳压电路的组成、工作原理及电路特点。（3）串联型稳压电路的组成、工作原理及电路特点。一、并联型稳压电路

1.电路的结构如图所示为硅稳压二极管稳压电路，它是一种比较简单的稳压电路。由于稳压二极管DZ

与负载RL并联，所以称为并联型稳压电路。稳压二极管DZ长期工作在反向击穿区，利用其反向电流可大范围变化而反向电压基本不变的特性进行稳压。RL为限流电阻，由图可以得出：UO=UZ而输出电压UO就是稳压二极管两端的电压UZ

。2.电路的工作原理（1）负载电阻RL

不变，当电网电压升高时，将使输入电压Ui增加，输出电压UO也随之增加，UO即为稳压管两端的反向电压。由稳压管的特性曲线可知，当UO稍有增加时，稳压管的电流IZ就显著增加，因此电阻R上的压降增加，以抵消Ui的增加，从而使输出电压UO

基本保持不变。相反地，如果电网电压降低，输入电压Ui下降，UO也随着降低，因而IZ显著减小，电阻R上的压降相应减小，同样使UO

基本保持不变。稳压过程可表示为Ui

↑→UO

↑→IZ↑→IR

↑→UR

↑→UO

↓（2）输入电压Ui保持不变，当负载电流变化引起输出电压UO变化时，稳压电路也能起到稳压作用。例如，当负载电流IL增大时，电阻R上的压降增大，UO因而下降。只要UO略降低，稳压管电流IZ就显著减小，使通过电阻R的电流基本不变，因而输出电压UO也基本上稳定不变。当负载电流减小时，稳压过程与上述相反，同样使UO基本不变。稳压过程可表示为IL

↑→IR↑→UR

↑→UO

↓→IZ

↓→IR

↓→UR

↓→UO

↑3.电路特点

这种稳压电路的优点是元件少，电路简单；缺点是受稳压管最大稳定电流的限制，负载取用电流不能太大；输出电压不可调节，并且电压的稳定度也不够高。因此，它适用于负载电流较小，稳定度要求不高的场合。二、串联型稳压电路（一）简单串联型稳压电路1.电路的结构由图可以看出，简单串联式稳压电路由稳压二极管VZ、调整管VT及其偏置电阻R组成。它的输入电压UI是整流滤波器的输出电压，它的输出电压UO是稳定的直流电压，负载是RL

。R既是调整管的基极偏置电阻，又是稳压二极管的限流保护电阻。2.电路的工作原理

由图可以看出，有如下关系：

UI=UCE+UOUz=UBE+UO式中：UZ是稳压二极管的稳定电压；UCE是调整管的集电极-发射极电压。（1）输入电压UI变化而负载不变时，UO的稳定过程：当UI升高时，UO将有升高的趋势。根据上式可以看出，由于稳压二极管的稳定电压已经建立，即UZ保持不变，UO的升高将使UBE减小。根据三极管的工作原理可知，UBE的减小将使IB减小，IB的减小又将使IC减小，IC的减小将使UCE增大，而UCE的增大将使UO下降，从而保持输出电压基本不变。输出电压的稳定过程可用下式表示：

UI↑→UO↑→（UZ保持不变）UBE↓→IB↓→IC↓→UCE↑→UO↓同理，当UI下降时，输出电压也将基本保持不变。（2）负载RL变化而输入电压UI不变时，UO的稳定过程：当RL减小时，输出电压UO也将基本保持不变。其稳定过程也可以用下式表示：

RL↓→UO↓→（UZ保持不变）UBE↑→IB↑→IC↑→UCE↓→UO↑同理，当RL增大时，输出电压也将基本保持不变。3.电路的特点（1）简单串联式稳压电路的输出电压受稳压二极管稳定电压的限制，输出电压UO

是固定不变的(UO=Uz-UBE)。（2）由于简单串联型稳压电路只有一只调整管，对输出电压的稳定能力有限，所以它的输出电压稳定性较差。

根据以上特点可知，简单串联型稳压电路只能用于电压固定、电流很小（50mA以下）的小功率负载，但它的基本工作原理却是稳压电路的基础。（二）具有放大环节的串联型稳压电路1.电路的结构（1）取样电路

它是由RP、R2组成的分压电路，此时UO与UF的关系为UF=UO（2）基准电压环节

是由稳压管DZ和限流电阻R1组成的稳压电路，它的作用是提供一个稳定的基准电压即稳压管的电压UZ。（3）比较放大电路

由集成运放组成，它将取样电压UF和基准电压UZ比较产生的差值电压放大后，加到调整管VT的基极，控制调整管VT的压降UCE。（4）调整环节

它由工作在线性区的调整晶体管VT组成，是稳压电路的核心部分。2.电路的工作原理由图可以看出，调整管VT与负载RL是串联关系，所以Ui=UCE+U0（1）当电网电压发生变化（例如Ui升高）时，输入电压Ui就会有相应的变化（升高），输电压的稳定过程可用下式表示：Ui

↑→UO↑→UF

↑→（UZ-UF

）↓→UB

↓→IB

↓→UCE

↑→UO

↓（自动稳定输出电压）

（2）当负载发生变化（例如RL

增大）时，输出电压的稳定过程可用下式表示：RL

↑→UO

↑→UF

↑→（UZ-UF）↓→UB

↓→IB

↓→UCE

↑→UO

↓（自动稳定输出电压）当Ui↓或RL↓时的调整过程与上述相反。正因为电路有深度电压串联负反馈，所以才能稳定输出电压。3.输出电压的调节具有放大环节的串联型稳压电路输出电压的高低在一定范围内是可以调节的，其调节原理可用下式表示：RP向下调节→UF

↓→UB

↑→IBE

↑→UCE↓→UO↑同理，当需要将输出电压调低时，只要将输出电压调节电位器RP的滑动端适当向上移动即可。4.输出电压的调节范围与输出电压的最佳值

输出电压的调节范围是：UO的上限是不能使调整管饱和，否则调整管将失去放大作用；UO的下限是输出电压必须高于稳定电压与取样管发射结电压之和。

用公式表示为Ui-4>UO>Uz+0.7

输出电压UO如果调节得不合适，稳压电路的稳压效果将下降。那么，输出电压UO的最佳值一般说来，应该满足以下关系UO≈2/3UiUO≈2Uz任务四

集成稳压器知识目标

（1）掌握三端集成稳压器的类型。（2）掌握不同类型三端集成稳压器的特点和性能。（3）了解三端集成稳压器的基本应用。能力目标

（1）通过学习培养学生自主分析电路工作原理的能力。（2）通过三端集成稳压器的类型学习，会根据实际需要选择合适的集成稳压器类型。素质目标

（1）能够解决集成稳压器在实际应用中的问题能力。（2）深入理解集成稳压器的原理和特性，提升专业素养。

思政目标

通过引入和分析一些集成电路领域中的反面案例，如美国对中兴、华为的制裁事件，以及我国在某些高端芯片领域对进口的过度依赖。让学生深刻认识到我国在集成电路技术上的不足和面临的挑战。增强学生的危机感和紧迫感，激发他们的爱国情感。

重难点

（1）三端集成稳压器的类型与特点。（2）三端集成稳压器的应用。一、三端集成稳压器的型号和参数

1.三端固定集成稳压器W7800、W7900系列稳压器2.三端可调输出集成稳压器

可调式三端集成稳压器的外形与W7800系列和W7900系列相似，引脚排列及功能不同。

可调式三端集成稳压器有两种类型：型号W117／W217／W317为正电压输出，三个引出端分别为调整端1、输出端2和输入端3；型号W137／W237／W337为负电压输出，三个引出端分别为调整端1、输入端2和输出端3。正电压输出的可调式三端集成稳压器，其调整端和输出端间内部电压恒等于1.25V；负电压输出的可调式三端集成稳压器，其调整端和输出端间的内部电压恒等于－1.25V。二、三端集成稳压器的应用1.基本应用电路

2.提高输出电压的电路3.扩大输出电流的稳压电路4.同时输出正负电压的电路三、集成稳压器的选择及使用注意事项

在要求输出电压是固定的标准系列值且技术性能要求不高的情况下，可选择三端固定输出电压式集成稳压器。在要求稳压精度较高且输出电压能在一定范围内调节时，可选择三端可调输出电压式集成稳压器。

集成稳压器已在电源得到广泛使用，为了更好地发挥它的优势，使用时应注意以下几个问题：

第一，不要接错引脚线。

第二，输入电压Ui

不能过低或过高。

第三，功耗不要超过额定值。

第四，为确保安全使用，应加接防止瞬时过电压、输入端短路、负载短路的保护电路，大电流稳压器要注意缩短连接线和安装足够的散热设备。任务五

晶闸管单相可控整流电路

知识目标

（1）了解可控整流电路的组成及类型。（2）理解单相半波可控整流电路的组成、工作原理及电路特点。（3）理解单相半控桥式整流电路的组成、工作原理及电路特点。能力目标

（1）通过晶闸管单相可控整流电路原理的学习培养学生能够自主分析电路的能力。（2）通过晶闸管单相可控整流电路的学习培养学生应用电路的能力。素质目标

培养学生运用相关知识解决实际问题的能力。

思政目标

鼓励学生通过实验验证理论知识，培养严谨的科学态度和实事求是的精神。通过反复调试和优化电路参数，培养学生的耐心、专注和精益求精的工匠精神。

重难点

（1）可控整流电路的组成及类型。（2）单相半波可控整流电路的组成、工作原理及电路特点。（3）单相半控桥式整流电路的组成、工作原理及电路特点。一、晶闸管单相可控整流电路

（一）、单相半波可控整流电路

1.电路的组成将单相半波整流电路中的二极管换成晶闸管，即构成单相半波可控整流电路。其中晶闸管VT和电阻RL组成了主电路；控制极的触发脉冲由控制电路提供。2.工作原理u2为正半周（上端为正、下端为负）时，在0～α期间，晶闸管无法导通，处于正向阻状态，此时RL中没有电流，UL=0，电源电压全部降在晶闸管两端；在α时刻，门极加上触发脉冲Ug,晶闸管晶闸管被触发导通，UL=U2，在π时刻，交流电源u2过零，使流过晶闸管的电流降为零，晶闸管被关断(IL=0、IL=0)。

u2负半周（上端为负、下端为正）晶闸管承受反向电压，处于反向阻断状态(UL=0)，直至下一个周期，再重复上述过程，这样就把交流电转换成可变的直流电。3.电路的主要参数（1）负载RL上电压的平均值ULUL=0.45U2×(1+COSα)/2（2)负载上流过的电流平均值ILIL=UL/RL

通过晶闸管阳极的电流IAIA=IL（3）晶闸管承受的最大反向电压UAKMUAKM= U24.电路特点

单相半波可控整流电路只用一只晶闸管，线路简单，调整方便，但接电阻性负载时输出电压脉动幅度大，且变压器次级线圈中的直流电流将造成铁心的直流磁化，使变压器的效率降低，变压器容量不能被充分利用，因而只适用于对直流电压要求不高的小功率可控整流设备。二、单相半控桥式整流电路1.电路的组成单相桥式二极管整流电路的四只整流二极管换成四只晶闸管，就组成单相全控桥式整流电路。2.电路工作原理u2正半周（上端为正，下端为负），VT2反向阻断，VD2截止；VT1阳极电位最高可能导通，VD1负极电位最低具有导通条件；但在0～π期间，因未加触发脉冲，VT1处于正向阻断，与VD1无法构成电流回路，此时无电压输出(U0=0)；在α时刻，VT1被触发导通，电流I0经+→VT1→RL→VD1→-构成回路，此时输出电压U0=U2，负载上得到上正下负的电压。在ωt=π时刻，交流电源过零，使I0=0,VT1关断。

在u2的负半周（上端为正，下端为负），在π～π+α期间，VT1反向阻断，VD1截止，VT2正向阻断，无法与VD2构成电流回路，输出电压U0=0；在π+α时刻，触发VT2导通，VD2导通，电流U0经-→VT2→RL→VD2→+构成回路，输出电压U0=U2，负载上的电压仍是上正下负。在π～π+α期间，VT1和VT2均不导通，这样，一个周期内负载上得