1、第五章第五章直流稳压电源直流稳压电源前 言 在工农业生产和科学实验中，主要采用电网提供的交流电。交流电具有易于产生、传送、使用方便、价格便宜等优点。但在某些场合，如直流电动机、蓄电池的充电、电解和电镀等，都需要采用直流电源。电子设备及自动控制装置中的电子电路都需要用电压非常稳定的直流电源。为了获得直流电，除了采用直流发电机直接产生直流电源外，广泛采用的是变流的方法，即采用具有单向导电性的半导体器件将交流电变换为直流电。本章将分别介绍构成小功率稳压电源的变压、整流、滤波和稳压四个部分，并介绍集成的稳压器。5.1.1直流稳压电源的组成和功能5.1直流稳压电源概述 最简单的小功率直流稳压电源如图5.
2、1.1所示，它由50 Hz的交流电经过变压、整流、滤波和稳压后得到了直流电源。其各部分功能如下。（1）电源变压器：将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。（2）整流电路：将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。（3）滤波电路：将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。（4）稳压电路：清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压uO的稳定。5.1.2直流稳压电源的类型5.1直流稳压电源概述 按输出电源的类型分为直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分为串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分为线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分为简单稳压电源和反馈型稳压电源等。5.2
3、整流电路 将交流电能转化成直流电能的过程称为整流，完成这一转换的电路称为整流电路。最简单的整流电路是单相半波整流电路，而应用最广泛的是单相桥式整流电路。现以单相桥式全波整流电路为例，讨论整流电路的基本工作原理及特性。5.2.1整流电路概述5.2整流电路 图5.2.1是常用的单相桥式整流电路。当u2为正半周时，a点电位最高，b点电位最低，二极管VD1和 VD3导通，VD2和VD4截止，电流的通路是aVD1RLVD3b。5.2.2单相桥式电路5.2整流电路 当u2为负半周时，a点电位最低，b点电位最高，二极管VD2和VD4导通，VD1和 VD3截止，电流的通路是bVD2RLVD4a。这样，在u2变
4、化的一个周期内，负载RL上始终流过自上而下的电流，其电压和电流的波形为一全波脉动直流电压和电流，见图5.2.1（b）。设u2=U2sin t，则该电路的数量关系如下。负载直流电压指负载直流电压的平均值，也就是整流电路输出的直流电压。负载直流电流为 二极管平均电流为5.2.2单相桥式电路5.2整流电路 二极管最大反向电压为 式（5.2.1）和式（5.2.2）是计算负载直流电压和电流的依据。式（5.2.3）和式（5.2.4）是选择二极管的依据，所选用的二极管参数必须满足以下条件。例5.2.1有一额定电压24 V，电阻RL=60 的直流负载，采用单相桥式整流电路供电，交流电源电压为220 V。（1）
5、如何选用二极管？（2）求整流变压器的变比及容量。【解】（1）负载电流为5.2.2单相桥式电路5.2整流电路 每个二极管通过的平均电流为 变压器副边电压的有效值为 每个二极管承受的反向电压为 因此可选用4个型号为2CP33A的晶体二极管（最大整流电流为0.5 A，最高反向工作电压为50 V）。5.2.2单相桥式电路5.2整流电路 （2）变压器的变比为 变压器副边电流的有效值为 变压器的容量为5.2.2单相桥式电路5.2整流电路 例5.2.2试分析图5.2.2所示桥式整流电路中的二极管VD2 或VD4 断开时负载电压的波形。如果VD2 或VD4 接反，后果如何？如果VD2 或VD4因击穿或烧坏而短
6、路，后果又如何？【解】当VD2或VD4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，VD1和VD3导通，负载中有电流流过，负载电压uO=u；负半周时，VD1和VD3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uO=0。如果VD2或VD4接反，则正半周时，二极管VD1、VD4或VD2、VD3导通，电流经VD1、VD4或VD2、VD3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及VD1、VD4或VD2、VD3将被烧坏。如果VD2或VD4因被击穿烧坏而短路，则正半周时，情况与VD2或VD4接反类似，电源及VD1或VD3也将因电流过大而被烧坏。现在封装成一个整体的多种规格的整流桥块已批量生产，给使用者带来了方便。其外形
7、如图5.2.3所示。使用时只要将交流电压接到标有“”的引脚上，从标有“+”和“-”的管脚引出的就是整流后的直流电压。上述整流电路输出的是脉动电压，只能用于电镀、电解和蓄电池5.2整流电路充电等对波形要求不高的工艺和设备中，但是像大多数电子设备中的直流电源，需要脉动程度小的平滑直流电压，这时就需要在整流电路后面加入滤波电路。下一节将介绍加有滤波电路的整流电路。5.3滤波电路 滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路等。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元
8、件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LC型滤波和RC型滤波等)。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也称为电子滤波器。5.3.1滤波电路概述5.3滤波电路 在整流电路输出端与负载并联一个电容器就构成了滤波电容电路，如图5.3.1所示。5.3.2电容滤波电路5.3滤波电路 如果在单相桥式整流电路中不接电容滤波电路，输出电压的波形如图5.3.2（a）所示。加接电容滤波电路之后，输出电压的波形就变成图5.3.2（b）所示的实
9、线形状。流过负载RL上的电流波形和流过二极管的电流波形如图5.3.2（c）所示。5.3.2电容滤波电路5.3滤波电路 随着负载的增加(指RL减小，IO增大)，放电时间常数RLC减小，放电加快，UO也就下降快，整流电路的输出电压平均值UO与输出电流IO（负载电流）的变化曲线称为整流电路的外特性曲线，如图5.3.3所示。由图可见，与无电容滤波时比较，输出电压平均值随负载电阻的变化而有较大的变化，即外特性较差，或者说电容滤波电路带负载能力较差。5.3滤波电路 通常，加适当电容量滤波电容后，整流电路输出电压的平均值如下。全波整流电容滤波UO=1.2U2 （5.3.1）半波整流电容滤波UO=U2 （5.
10、3.2）采用电容滤波时，输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数RLC有关系。RLC越大，脉动就越小。在加电容滤波的整流电路中选用二极管和电容器时应注意以下几点。由于电容滤波的结果，使二极管的导通角减小很多，流过的是冲击性电流（iD的平均值近似等于负载电流的平均值IO，因为导通时间短，所以iD的峰值必然较大），容易使管子损坏。二极管在半波整流电路中所承受的最大反向电压为UDRM2 U2，即电源电压最大值的2倍。这是由于电源电压u2=-U2m时，电容器上还有一个略小于U2m的电压存在所造成的。电容器的容量C可按下式估算。5.3滤波电路 例5.3.1某负载要求直流电压UO=30 V，直流电流IO=
11、0.5 A，采用带电容滤波的单侧桥式整流电路作为直流电源。试计算滤波电容器的电容量并确定其最大工作电压的值。【解】滤波电容量为 可选用1 000 F的电解电容。变压器二次侧输出电压为 取U2=25 V。电容器两端可能加上的最大直流工作电压就是变压器副边电压的最大值 U2=2535.4 V，实际可选用允许最大直流工作电压为50 V的电容器即可。5.3滤波电路 由于电感元件的阻抗特性与电容器相反，具有通直抗交的作用，因此，将电感元件与负载电阻RL串联起来，也能起到滤波作用。图5.3.4是一个桥式整流电感滤波电路，它在整流电路之后与负载串联一个电感器。5.3.3其他滤波电路电感滤波电路15.3滤波电
12、路 为了得到更好的滤波效果，还可以将滤波电容和滤波电感混合使用，构成复式滤波电路。在滤波电容C之前加一个电感L构成了LC滤波电路，如图5.3.5（a）所示。这样可使输出至负载RL上的电压的交流成分进一步降低。该电路适用于高频或负载电流较大并要求脉动很小的电子设备中。5.3.3其他滤波电路复式滤波电路25.3滤波电路 例5.3.2一个单相桥式整流电容滤波电路如图5.3.6所示。已知电源频率f=50 Hz，负载电阻RL=80，输出直流电压UO=36 V。要求：（1）选择整流二极管。（2）选择滤波电容器。（3）负载电阻断路时的输出电压UO。（4）电容断路时的输出电压UO。（5）当整流桥中的某一个二极
13、管断开时的输出电压UO。5.3滤波电路 【解】（1）选择整流二极管。负载直流电流为 二极管平均电流 二极管反向电压最大值 因此，可选用2CZ51D整流二极管（IFM=50 mA，UDRM=100 V），也可选用硅桥堆QL-I型（IFM=50 mA，UDRM=100 V）。5.3滤波电路 （2）选择滤波电容器。因此，可选用C=680 F，UCM=50 V的电解电容。（3）负载电阻断路时，UO=U2=3042.4 V。（4）电容断路时，UO=0.9U2=0.930=27 V。（5）当整流桥中的某一个二极管断开时的输出电压UO=1.0U2=1.030=30 V。5.4稳压电路最简单的直流稳压电源是采
14、用稳压管来稳定电压的，如图5.4.1所示。5.4.1稳压管稳压电路稳压电路的工作原理15.4稳压电路 （1）当负载RL不变而交流电网电压增加时，其稳压过程如下。输出电压UO基本稳定。当电网电压下降时，其稳压调节过程相反。（2）当电网电压不变而负载RL减小（IO增加）时，其稳压过程如下。输出电压UO基本稳定。5.4稳压电路 由上述分析可知，稳压管的稳压值UZ即为稳压电路的输出电压值UO，当负载开路时，输出电流可能全部流过稳压管，故选择稳压管的最大稳定电流通常为输出电流的23倍。另外，整流滤波后得到的直流电压UI应为输出电压的23倍。另外，在稳压调整过程中，限流电阻R是实现稳压的关键，限流电阻值的
15、选取须满足以下两个条件。（1）当输入直流电压为最小（为UImin）而负载电流最大（为IOmax）时，流过稳压管的电流最小，这个电流应大于稳压管稳压范围内的最小工作电流IZmax(一般取1 mA)，即（UImin-UO）/R-IOmaxIZmin。稳压元件的选择25.4稳压电路 （2）当输入直流电压为最高（为UImax）而负载电流最小（为IOmin）时，流过稳压管的电流最大，这个最大电流不应超过稳压管允许的最大稳定电流IZmax，即（UImax-UO）/R-IOminIZmax。稳压管稳压电路虽然结构简单，但受稳压管最大稳定电流的限制，负载取用电流较小，而且输出电压不能调节，电压稳定度也不高。所
16、以只适用于输出电压不需调节、负载电流小、要求不高的场合。例5.4.1有一个稳压管稳压电路，见图5.4.1。负载电阻RL由开路变到3 k，交流电压经滤波后得UI=45 V。现要求输出直流电压UO=15 V，试选择稳压管VDZ。【解】根据输出电压UO=15 V的要求，负载电流的最大值为 查半导体器件手册，可选择稳压管2CW20，其稳定电压UZ=（13.517）V，稳定电流IZ=5 mA，IZmax=15 mA。5.4稳压电路 串联式稳压电路由基准电压环节、比较放大电路、调整环节、取样环节四部分组成，如图5.4.2所示。5.4.2串联型直流稳压电路电路组成15.4稳压电路 由图5.4.2可知，输入电
17、压UI=UCE+UO，取样电压 ，基准电压U+=UZ。当输入电压UI减小时，取样电压UF减小，而基准电压UZ不变，其差值电压经比较放大电路放大后使UB和IC增大，调整管VT的UCE减小，使UO升高，从而使输出电压UO恒定不变。稳压过程可简单表示如下。同理，当输入电压UI增大时，调节过程相反。从稳压过程来看，该电路为一个闭环有差调节系统，反馈越深，调节作用越强，输出电压越稳定，电路的稳压系数和输出电阻RO也越小。稳压原理25.4稳压电路 由图5.4.2可得输出电压UO为 调节电位器RW即可改变UO的大小。当电位器RW动端置下端时，UO最大，为 当电位器RW动端置上端时，UO最小，为 当改变电位器
18、RW动端位置时，输出电压在UOminUOmax范围内可连续调节。输出电压的调节范围35.4稳压电路 国产三端固定式集成稳压器有CW7800系列和CW7900系列两种，外形如图5.4.3所示，它只有三个管脚。CW7800系列为正电压输出的集成稳压器，管脚1为输入端，管脚2为输出端，管脚3为公共端，接线图如图5.4.4所示。CW7900系列为负电压输出的集成稳压器，管脚1为公共端，管脚2为输出端，管脚3为输入端，接线图如图5.4.5所示。输入和输出端各接有电容CI和CO。CI用来抵消输入端接线较长时的电感效应,为了防止产生振荡，一般CW7800系列为0.33 F，CW7900系列为2.2 F。CO
19、的作用是为了在负载电流瞬时增减时，不致引起输出电压有较大波动，一般CW7800为0.1 F，CW7900 系列为1 F。输出电压有5 V、6 V、8 V、9 V、12 V、15 V、18 V、24 V等不同电压规格，型号的后两位数字表示输出电压值，如CW7805表示输出电压为5 V。5.4.3集成稳压器及其应用集成稳压器15.4稳压电路5.4稳压电路 使用时，除了输出电压值外，还要了解它们的输入电压和最大输出电流等数值，这些参数可查阅有关手册。5.5直流稳压电源仿真实例（1）首先建立仿真电路，如图5.5.1所示。5.5直流稳压电源仿真实例（2）经过变压后得到的输出电压u2仿真如图所示。5.5直
20、流稳压电源仿真实例由仿真得出输入电压为220 V，副边输出为17 V。（3）经过电容滤波后的波形如图所示。5.5直流稳压电源仿真实例 三端稳压管输入约15 V。（4）负载输出如图5.5.4所示。本 章 小 结Page 38 （1）利用二极管的单向导电性，实现了将交流电转换成脉动直流电（称为整流）。各种整流电路中的uL波形及基本数量关系如下表所示，表中U2是整流交流电压有效值。本 章 小 结 本 章 小 结Page 40 （2）滤波是利用储能元件进行的，如与负载并联的电容C或与负载串联的电感L滤去整流后单向脉动电压中的交流成分，使负载电压脉动减小。电容滤波只适合在小电流，且变动不大的电子设备中使用。通常，输出平均电压可按以下工程估算取值。对于L滤波，其带负载能力较强，整流管导电角度大，峰值电流不大，但线圈体积大，成本高。在要求较高的场合，都采用组合式滤波，如LC、RC、型或有源滤波器等。本 章 小 结Page 41 （3）为了保证输出电压不受电网、负载和温度的变化而产生波动，在整流滤波电路后再接入稳压电路，在要求不高的小功率电路中，多用硅稳压管稳压电路。但硅稳压管稳压电路存在不足，如输出电压不可调、输出电流受VDZ限制，稳定度不高等，因此多采用串联型反馈式稳压电路。目前在稳压电路中广泛采用三端集成稳压电源。
