1、n9.1 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成n9.2 单相整流电路单相整流电路n9.3 滤波电路滤波电路n9.4 稳压电路稳压电路第第9章章 直流稳压电源直流稳压电源 9.1 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成1.稳压电源的组成稳压电源的组成 直流稳压电源是电子设备的重要组成部分，其功能是 把交流电力网供给得交流电压转换成电子设备所需要的稳定的直流电压，它主要由四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路,其框图如图9.1所示。图 9.1 直流稳压电源组成方框图其各部分作用介绍如下：（1）电源变压器。将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。（2）整流电路。将
2、变压器次级交流电压u2变成单向的直流电压u3，它包含直流成份和许多谐波分量。（3）滤波电路。滤除脉动电压u3中的谐波分量，输出比较平滑的直流电压u4。该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化。（4）稳压电路。它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。2.稳压电源的主要技术指标稳压电源的主要技术指标（1）特性指标。特性指标表明稳压电源工作特征的参数，例如，输入、输出电压及输出电流，电压可调范围等。（2）质量指标。质量指标指衡量稳压电源稳定性能状况的参数，如稳压系数、输出电阻、纹波电压及温度系数等。具体含义简述如下：稳
3、压系数：指通过负载的电流和环境温度保持不变时，稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比，即00T,IIIOOLU/UU/U（9-1）式中，UI为稳压电源输入直流电压，UO为稳压电源输出直流电压，数值越小，输出电压的稳定性越好。输出电阻ro：指当输入电压和环境温度保持不变时，输出电压的变化量与输出电流变化量之比。即00T,UOOoIIUr（9-2）ro的值越小，带负载能力越强，对其它电路影响越小。纹波电压S：指稳压电路输出端中含有的交流分量，通常用有效值或峰值表示。S值越小越好，否则影响正常工作，如在电视接收机中表现交流“嗡嗡”声和光栅在垂直方向呈现扭曲。温度系数ST：指在UI和I
4、O都不变的情况下，环境温度T变化所引起的输出电压的变化，即00OII,UOTTUS（9-3）式中，UO为漂移电压。ST越小，漂移越小，该稳压电路受温度影响越小。另外，还有其它的质量指标，如负载调整率、噪声电压等。9.2 单相整流电路单相整流电路 把交流电转换成直流电的电路称为整流电路。单相整流电路分为半波整流、全波整流、桥式整流及倍压整流电路等。1.1.电路的组成及工作原理电路的组成及工作原理9.2.1 单相半波整流电路单相半波整流电路 图9.2（a）所示为单相半波整流电路。它由变压器T和整流二极管D组成。如果变压器的初级输人正弦电压 ，则在次级可得同频的交流电压 ，设 。tsinUu2222
5、u1u 当 为正半周时，A端电位高于B端电位，二极管D因正向偏置而导通，电流由A端 D B端，自上而下流过 ，在 上得到上正下负的电压 ，若忽略二极管正向压降，负载上的电压 ，波形如图9.2（b）所示。当 是负半周时，A端电位低于B端电位，二极管D因反向偏置而截止，电路中无电流流过，负载电压 为零。2uLRLRLRou2uuo2uou（a）电路图（b）波形图图 9.2 单相半波整流电路 可见，在交流电压 的整个周期内，负载上将得到一个单方向的脉动直流电压（大小变化，方向不变），由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波，故称为半波整流。2.2.负载上的直流电压负载上的直流电压
6、直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值，即 22022045022222121U.UttUtuUoOdsind（9-4）3.3.整流二极管参数整流二极管参数 由图9.2（a）可知，流过整流二极管的平均电流 与流过负载的电流 相等，即 当二极管截止时，它承受的反向峰值电压 是变压器次级电压的最大值，即 根据式（9-5）、式（9-6）就可以选择整流二极管的类型，但考虑到电网电压的波动和其他因素，在具体选择二极管时要留有一定的余量。LODRU.II2450（9-5）22UUDRM（9-6）9.2.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 1.1.电路的组成及工作原理电路的组成及工作原理 桥式整流电路由变
7、压器T和四个二极管组成，如图9.3（a）所示。由图可见，四个二极管接成桥式，在四个顶点中，相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载 ，不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。图9.3（b）是桥式整流电路的简化画法。LR（a）习惯画法（b）简化画法图 9.3 单相桥式整流电路 当 为正半周时，A端电位高于B端电位，整流二极管D1、D3导通，D2、D4截止，电流从A端 D1 D3 B端，自上而下流过 ，在 上得到上正下负的电压。当 为负半周时，A端电位低于B端电位，整流二极管D2、D4。导通，D1、D3截止，电流从B端 D22uLRLRLR2uLRD4A端，自上而下流过 ，在 上得到上正下负LRLR
8、的电压。这样在 的整个周期内，都有单向脉动的电压输出，输出波形如图9.4所示。2u2.2.负载上的直流电压和直流电流负载上的直流电压和直流电流 由上述分析可知，桥式整流负载电压和电流是半波整流的两倍。290 U.UoLoRU.I290（9-7）（9-8）图 9.4 桥式整流电路波形图3.3.整流二极管参数整流二极管参数 在桥式整流电路中，因为二极管D1、D3和D2、D4。在电源电压变化的一个周内是轮流导通的，所以流过每个二极管的电流都等于负载电流的一半，即 整流二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压就是 的最大值，即LoDRU.II2450212U22UUDRM（9-10）（9-9）桥式整流
9、电路的优点是输出电压高、纹波电压小、管子承受的最大反向电压较低，同时电源变压器的利用率较高。但是电路中需用四个整流二极管。桥式整流电路目前已做成模块（叫整流桥），其输出电流、耐反压等指标有系列标称值可选用。例9.1.1 一单相桥式整流电路，接到220V正弦工频交流电源上，负载电阻 ，负载电压 V。根据电路要求选择整流二极管。50LR100oU 例9.1.1 一单相桥式整流电路，接到220V正弦工频交流电源上，负载电阻 ，负载电压 V。根据电路要求选择整流二极管。50LR100oU解解 整流电流的平均值为流过每个二极管的平均电流为 变压器二次侧电压有效值为250100LooRUI1222oDII
10、11190100902.UUoAA V 考虑到变压器二次侧绕组及二极管上的压降，变压器二次侧电压一般应高出（5%10%）即每只二极管截止时承受的最高反向电压为2U122111112.Uv172212222UUDRMv 为使整流电路工作安全，在选择二极管时，二极管的最大整流电流 应大于二极管中流过的电流平均值 ，二极管的反向工作电压峰值 应比二极管在电路中承受的最高反向电压 大一倍左右。可选用2CZ12D二极管，其最大整流电流为3A，反向工作峰值电压为300V。OMIOIRMUDRMU9.3 滤波电路滤波电路 整流电路的输出电压，虽然极性不变，但是其幅度仍有大幅度波动，其中含有很大的交流分量。滤
11、波器的功能是利用电抗元件（电容与电感）的频率特性，把整流输出电压中的交流分量滤除掉。不同的电子设备，对电源的要求也不一样，因此，不同电子设备的电源，所采用的滤波电路也不相同。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波。为了更清楚地说明滤波电路的工作原理，在以下论述中，把各个元件都视作理想器件。9.3.1 电容滤波电路电容滤波电路 电容滤波电路如图9.5所示，图中电容C叫滤波电容。为使该电路具有较好的滤波效果，滤波电容的容量要足够大，即 应足够小（式中 是整流电路输出电压的脉动频率，它是 频率的两倍）。理想情况下，若能使 ，则滤波电容即对交流分量视为短路，使输出电压的交流分量等于零。对于直流分
12、量，滤波电容相当于开路，不影响直流电压的输出，从而使该电路对负载提供平稳的直流电压。实际应用中，虽然做到Cf/o21of2u021Cf/o021Cf/o但是，只要C的容量足够大，使 ，即可获得具有实用价值的滤波效果。Cf/o21LR图 9.5 桥式整流电容滤波电路电路图 图 9.6 桥式整流电容滤波电路波形图 由图9.5电路可知，负载 未接人时的情况：设电容C两端初始电压为零，接人交流电源后，当 为正半周时，通过D1、D3向电容器C充电；为负半周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为LR2u2uCRint（9-11）式中 包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。由于 一般很小，电
13、容器很快就充电到交流电压 的最大值 （极性如图9.5所示）。因电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压 ）保持在 上，如图9.6中 时 部分所示。intRintR2u22UCu22U0 接人负载 的情况：设变压器副边电压 从0开始上升（即正半周开始）时接人负载 ，由于电容器在负载未接人前充了电，故刚接人负载 时 ，二极管受反向电压作用截止，电容器C经 放电，放电的时间常数为CRL（9-12）LR2uLRCuu 2LR因 一般较大，故电容C两端的电压 按指数规律慢慢下降。其输出电压 ，如图9.6所示。与此同时，交流电压 按正弦规律上升。当 时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时
14、 经二极管D1、D3向负载 提供电流，并向电容器C充电（接人负载时的充电时间常CuCouu 2uCuu 22uLR数 很小）。随着交流电压 升高到接近最大值 。然后，又按正弦规律下降。当 时，二极管受反向电压作用而截止，电容器C又经 放电。电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上便可得到如图9.5所示的一个近似锯齿状波动的电压 ，使负载电压的波动大为减小。CRCR/RintintLCu2u22U2uCuu 2LRCouu 电容滤波电路的主要特点如下：（1）电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。当有电容滤波时，变压器副边电流的有效值为 （2）负载平均电
15、压升高，纹波（交流成分）减小，且放电的时间常数越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取DioI.I02512（9-13）（9-14）253TCRL式中，T为电源交流电压的周期。（3）负载平均直流电压 随负载平均电流 增加而减小。若C值一定，当 （即空载）时，负载直流电压 。当C=0（即无电容）时，负载直流电压约为 在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式（9-13）的关系时，电容滤波电路的负载直流电压约为LR22412U.UUo290 U.Uo22111U.Uo（9-15）（9-16）9.3.2 电感滤波电路电感滤波电路 电
16、感滤波电路如图9.7所示。为了得到较好的滤波效果，应当满足如下条件：式中，是整流输出电压的脉动频率，是电感L呈现的感抗，是滤波电路的负载电阻。Lfo2 LRofLR图 9.7 电感滤波电路 因为理想电感对直流电不产生压降，所以整流输出电压中的直流分量，全部传输到负载 两端；整流输出电压中的交流分量，则由电感线圈的感抗 和负载 分压。由于 ，因此交流分量几乎全部降落在电感线圈两端，使负载 上的交流压降很小。从而在负载 两端得到比较平滑的输出电压 ，其直流输出电压 为LRLfo2LRLfo2LRLRLRouou290 U.Uo 为了减小输出电压的脉动系数，应当充分满足 的条件。受设备体积的限制，电
17、感L不可能做得很大，所以，为充分满足 的条件，的阻值必须足够小。可见，电感滤波电路适用于负载电阻较小的场合。低频电感的体积大、重量重、价格高，因此，只有在十分必要的情况下，才采用电感滤波电路。Lfo2LRLfo2LRLR9.3.3 复式滤波电路复式滤波电路 1.LC滤波电路 在上述的电容滤波电路和电感滤波电路中，只有一个电抗元件，故称为单节滤波电路，多用于对滤波效果要求不高的场合。若需要进一步减小脉动系数，应当采用复式滤波电路，所谓复式滤波电路就是由多个电抗元件构成的滤波电路，也叫多节滤波电路。LC滤波电路如图9.8所示。为获得较好的滤波效果，应当满足如下条件Lfo2Cfo21 图 9.8 L
18、C滤波电路 对于整流输出电压中的直流分量而言，电感L可视作短路，电容C可视作开路，所以直流分量全部传输到负载 两端。对于交流分量而言，则由 和 分压。由于 ，所以 两端（即 两端）的交流压降很小。这样便可以使负载获得波动程度很小的输出电压，其直流成分 为LRLfo2LoR/Cfj21Lfo2Cfo21LRLoR/Cfj21oU290 U.Uo为满足 的条件，要使电感L和电容C足够大。这种滤波电路，当其负载大幅度变化时，其输出电压的脉动系数变化很小，所以LC滤波电路有较强的适应性。而且，由于它由两节滤波电路组成，所以其脉动系数远小于单节滤波电路。Lfo2Cfo21 2.LC-型滤波电路 LC-型
19、滤波电路如图9.9所示。为获得满意的滤波效果，应当使各电抗参数满足如下条件：图 9.9 LC-型滤波电路 这种滤波电路是在电容滤波电路的输出端加上一个LC滤波电路构成的，它具有三节滤波电路，所以只要元件参数选择合理，就会获得很好的滤波效果。由于第一节滤波电容Cl 的储能效应，会使直流输出电压有一定程度的升高，实际工作中，通常用如下公式估算该电路的直流输出电压 221 U.UooU 3.RC-型滤波电路 RC-型滤波电路如图9.10所示。它由两节电容滤波电路构成，因此，其滤波效果要比单节电容滤波电路好，但是，要比LC-型滤波电路差。由于滤波电阻R会产生直流压降，并且会形成有功功率损耗。工作电流越
20、大，这种功率损耗越大，所以这种滤波电路只能用于工作电流较小的场合。图 9.10 RC-型滤波电路9.4 稳压电路稳压电路 在电网电压有效值、负载、环境温度都不变的情况下，经整流和滤波后的电源电压，其波动程度己经很小。但是，在实际电路中，电网电压有效值、负载、环境温度常常会发生大幅度的缓慢变化，由于其变化频率很低，所以滤波电容、电感对它们的滤波效果很差，这会使整流滤波电路的输出电压也发生大幅变化。因此，必须在整流滤波电路的后面接上某种类型的稳压电路。稳压电路的功能是在电网电压有效值、负载或环境温度发生变化时，能通过自动调节作用，使输出的直流电压稳定在一个设定的范围内。9.4.1 并联型稳压电路并
21、联型稳压电路 并联型稳压电路是由稳压二极管和负载并联组成的，故又称为稳压二极管稳压电路。其稳压电路如图9.11（a）所示（a）电路图（b）稳压二极管的伏安特性曲线图 9.11 并联型稳压电路 稳压二极管的稳压作用是利用PN结的击穿特性实现的。由图9.11（b）所示的稳压二极管的伏安特性曲线可以看出：在击穿区，流过稳压二极管的电流 在一个较大的范围内变化时，稳压二极管的端电压 只发生微小的变化；反之，只要 发生微小的变化，就会引起 产生大幅度变化。图9.11（a）所示的稳压电路，就是利用稳压二极管的这一特性设计的。图中R叫限流电阻，其作用是把流过稳压二极管的电流 限制在 的范围内，使稳压二极管工
22、作在击穿状态。ZIZUZUZIZImaxZminZII 由于稳压二极管与负载并联，所以稳压电路的输出电压 就等于稳压二极管的端电压 。当某一因素使输出电压增大时，稳压二极管的端电压也随之增大，由稳压二极管的击穿特性可知，此时流过稳压二极管的电流 会急剧增大。使得流过限流电阻R的电流 也急剧增大，从而使限流电阻R上的压降 也随之增大。因为 ，所以，增大就会有效地抑制 的增大趋势。反之，当某一因素使输出电压下降时，限流电阻R上的压降 也随之下降，从而使输出电压的下降趋势受到抑制。oUZUZILZRIIIRURIoUUURUoURU 通过上述分析可知，只要使稳压二极管工作在击穿区，就可以从稳压二极管
23、的两端得到较稳定的直流电压。为使稳压二极管起到良好的稳压作用，必须把稳压二极管的实际工作电流 限制在 的范围内，即最大工作电流 ；最小工作电流ZWImaxZminZIImaxZmaxZWIIminZminZWIILRZIIImaxZWIRImaxRILIminLI因为 ，所以最大工作电流 等于 的最大值 减去负载电流 的最小值 ，即maxLZZaxImminLmaxRmaxZWRURUUIII（9-17）要使得应让最小工作电流 为maxZmaxLZZaxImIRURUUmaxLZmaxZZaxImR/UIUURminZWIminLZZinImmaxLminRminZWRURUUIII（9-18
24、）要使得应让minZminLZZinImIRURUUminLZminZZinImR/UIUUR综上所述，为使稳压二极管的实际工作电流在 的范围内，限流电阻的阻值必须满足如下不等式maxZminZIIminLZminZZinImmaxLZmaxZZaxImR/UIUURR/UIUU（9-19）并联型稳压电路结构简单，在电源电压不需要调节并且负载电流比较小的电子设备中被广泛采用。若把电路的各个参数值代入上式后，R无解，则说明选定的稳压二极管不能胜任设计要求，应选用稳压电流范围 更大的稳压二极管，或降低设计要求，即减小 ，或减小 。maxZminZIIinImaxImIUUUminLmaxLLRRR
25、9.4.2 串联型稳压电路串联型稳压电路 串联型稳压电路由调整元件、比较放大器、基准电路和取样电路等环节组成，其结构框图如图9.12（a）所示。相对于输入电压而言，调整元件和负载是串联关系，故称为串联型稳压电路。9.12（a）方框图9.12（b）电路图 图9.12（b）是串联型稳压电路的电路图，图中 、和 组成取样电路，当输出电压变化时，取样电阻将其变化量的一部分送到比较放大管的基极，基极电压能反映输出电压的变化，称为取样电压，取样电阻不宜太大，也不宜太小，若太大，控制的灵敏度下降，若太小，带负载能力减弱。和稳压二极管 构成一个基准电路，给 发射极提供一个基准电压，为限流电阻，保证 有一个合适
26、的工作电流。是比较放大管，既是 的集电极负载电阻，又是 的基极偏置电阻，比较放大管的作用是将输出电压的变化量先放大，然后加到调整管的基极，控制调整管工作，提高了控制的灵敏度和输出电压3R4R5R2R2RZD2T2T1R2T1T的稳定性。是调整管，它与负载串联，故称此电路为串联型稳压电路，调整管 受比较放大管的控制，集射间相当于一个可变电阻，用来抵消输出电压的波动。1T1T 其工作原理分析如下：（1）当负载 不变，输入电压 减小时，输出电压 有下降趋势，通过取样电阻的分压使比较放大管的基极电位 下降，而比较放大管的发射极电压不变 ，因此 也下降，于是比较放大管导通能力减弱，升高，调整管导通能力增
27、强，调整管 集电极与射极之间的电阻 减小，管压降 下降，使输出电压 上升，保证了 基本不变。当输入电压 减小时，稳压过程与上述过程相反。LRIUOU2BUZEUU22BEU2CU1T1cer1CEUOUOUIU （2）当输入电压 不变，负载 增大时，引起输出电压 有增长趋势，通过取样电阻的分压使 升高，于是比较放大管导通能力增强，下降，调整管导通能力减弱，调整管 集电极与射极之间的电阻 增大，管压降 升高，使输出电压 下降，保证了 基本不变。当负载 减小时，稳压过程相反。IULROU2BEU2CU1T1cer1CEUOUOULR 由此看出，稳压的过程实质上是通过负反馈使输出电压维持稳定的过程。
28、式中，为稳压管的稳压值，为比较放大管 发射结电压，为图9.12（b）中电位器滑动触点下半部分的电阻值。图9.12（b）所示稳压电路中有一个电位器 。串接在 和 之间，可以通过调节 来改变输出电压 。设计这种电路时要满足 ，因此，可以忽略 ，则4R3R5R5R4ROU2I2BI2BI21II 543542RRRRRUUOB545432545432RRRRRUURRRRRUUBEZBO（9-20）ZU2BEU2T当 调到最下端时，输出电压 为最大值，即当 调到最上端时，输出电压 为最小值，即4R4ROUOU545432RRRRRUUUBEZminO55432RRRRUUUBEZmaxO（9-21）（9-22）解 由式（9-21）可得由式（9-22）可得例9.4.1 如图9.12（b）所示，已知 ，V，V，求输出电压调整范围。输出电压调整范围为8.9V15V。5603R 6804R10005R6ZU702.UBE9810006801000680560706.UminO1510001000680560706.UmaxO V V
