1、几乎所有的电子电路工作时都需要直流几乎所有的电子电路工作时都需要直流电源提供能量电源提供能量.便携式低功率系统可以使用便携式低功率系统可以使用电池电池,但对于大功率电子设备但对于大功率电子设备,使用电池的费使用电池的费用太高用太高,所以都采用直流电源供电所以都采用直流电源供电.第五章第五章 直流稳压电源直流稳压电源 电源变压器电源变压器:将交流电网电压将交流电网电压u1变为合适的交流电压变为合适的交流电压u2。整流电路整流电路:将交流电压将交流电压u2变为脉动的直流电压变为脉动的直流电压u3。滤波电路滤波电路:将脉动直流电压将脉动直流电压u3转转变为平滑的直流电压变为平滑的直流电压u4。稳稳压
2、电路压电路:清除电网波动及负载变化的影响清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压保持输出电压uo的的 稳定。稳定。整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo5.1 5.1 直流稳压电源的基本组成直流稳压电源的基本组成+12L+uR-L1u2u220VD5.1 整流电路整流电路半波整流电路组成：半波整流电路组成：电源变压器、整流二极管、负载电源变压器、整流二极管、负载二极管导通，二极管导通，uL=u2二极管截止二极管截止,uL=0+iL+u2 0 时时:u20时时:u2uLuD t 2
3、 3 4 0可见，交流电变化一周，有半周二极管导通，而可见，交流电变化一周，有半周二极管导通，而另外半周截止，负载另外半周截止，负载RL上输出的电压波形为方向上输出的电压波形为方向不随时间变化，大小随时间变化的脉动直流电。不随时间变化，大小随时间变化的脉动直流电。因为输入电压变化一周而负载上仅有半周输出，因为输入电压变化一周而负载上仅有半周输出，故称为半波整流故称为半波整流主要参数：主要参数：IL=UL/RL=0.45 u2/RL uL 2 0 t（2）输出电流平均值）输出电流平均值Io：+12L+uR-L1u2u220VDIL LU（1）输出电压平均值）输出电压平均值UL：245.0u（3）
4、流过二极管的平均电流：）流过二极管的平均电流：uD 2 0 tURMIF =ILURM URm=22u（4）二极管承受的最高反向电压：）二极管承受的最高反向电压：+12L+uR-L1u2u220VDIL 整流二极管的选择：实际选择二极管时，整流二极管的选择：实际选择二极管时，IFMIF URM URm220 V1212R2+Luuu2L1DD2全波整流电路全波整流电路+变压器副边中变压器副边中心抽头，感应心抽头，感应出两个相等的出两个相等的电压电压u2当当u2正半周时，正半周时，D1导通，导通，D2截止。截止。当当u2负半周时，负半周时，D2导通，导通，D1截止。截止。电路组成：电源变压器次级
5、、电路组成：电源变压器次级、两只整流二极管、负载两只整流二极管、负载全波整流电压波形全波整流电压波形u2uLuD1 t 2 3 4 0uD2V22012122uuDD221+uLLRuL 2 0 tIL=UL/RL=0.8 u2/RL 主要参数：主要参数：（2）输出电流平均值）输出电流平均值IL：LU（1）输出电压平均值）输出电压平均值UL：29.0 u V22012122uuDD221+uLLRILuD 2 0 t（3）流过二极管的平均）流过二极管的平均电流：电流：ID =IL/2（4）二极管承受的最高反向电压：）二极管承受的最高反向电压：V22012122uuDD221+uLLR222uU
6、RM 桥式全波整流电路桥式全波整流电路（1）组成：由四个二极管组成桥路）组成：由四个二极管组成桥路+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4u2正半周时正半周时:D1、D3导通导通，D2、D4截止截止+（2）工作原理：）工作原理：u2ttuL+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4-+u2负半周时：负半周时：D2、D4 导通导通，D1、D3截止截止u2ttuL输出电压平均值：输出电压平均值：UL=0.8u2输出电流平均值输出电流平均值:IL=UL/RL=0.8 u2/RL 流过二极管的平均电流：流过二极管的平均电流：ID=IL/2u2ttuL（3）主要参数：）主要参数
7、：二极管承受的最大反向电压：二极管承受的最大反向电压：URM=22u+41232+43DuuDDL21LDR-例：某电阻性负载，它需要一个直流电压为110V，直流电流为3A的供电电源，现采用桥式整流电路，试求变压器次级电压的有效值U2，并根据计算结果选择整流二极管型号。解：由公式可知，变压器次级电压的有效值为流过每一只整流二极管的平均电流为：每一只整流二极管承受的最高反向电压为：VVUU1229.01109.002AAIILD5.132121VVUURM5.172122222例：一个纯电阻负载单相桥式整流电路接好以后，通电进行实验，一接通电源，二极管马上冒烟了，试分析产生这种现象的原因。分析：
8、二极管冒烟说明流过二极端管电流太大。从电源变压器次级与二极管负载构成的回路看，出现大电流的主要原因有两方面：1、首先看负载有没有短路。如果负载短路，变压器次级电压U2经过二极管构成通路，二极管因过流烧坏。2、如果负载确实没有短路，那就要看四臂桥路中整流管是否接反。集成硅整流桥：集成硅整流桥：u2uL+-+5.2 滤波电路滤波电路滤波原理滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件滤波电路利用储能元件电容电容两端的电压两端的电压(或或通过通过电感电感中的电流中的电流)
9、不能突变的特性不能突变的特性,将将电容电容与负载与负载RL并联并联(或将或将电感电感与负载与负载RL串联串联)，滤，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。电容滤波电容滤波5.2 滤波电路滤波电路+412321R220V+Lu-uL2uD4D3DD1C（1）空载（）空载（RL=）时：）时：u2tuLtuc=uL+41232u2DCL31DD-220VD+14uuucu2 uC时：时：二极管导通，二极管导通，C充电充电u2 uC时：时：二极管截止，二极管截止，C放电。放电。由于由于R
10、L=，无放电回，无放电回路，所以路，所以uC保持。保持。22uuuCL （2）接入接入RL（且（且RLC较大）时较大）时u2tiDtu2 uC时：时：二极管导通，二极管导通，C充电充电u2 uC时：时：二极管截止，二极管截止，C放电。放电。二极管中二极管中的电流的电流uc=uL+412321R220V+Lu-uL2uD4D3DD1Cuc近似估算近似估算:UL=1.2U2(b)流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大整流管导电时间越短整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大的峰值电流越大电容滤波电路的特点：电容滤波电路的特点：(a)UL与与RLC的的 关系：关系：RLC 愈大愈大 C放电愈慢放
11、电愈慢 UL(平均值平均值)愈大愈大RLC 较大较大一般取：一般取：(T:电源电压的周期电源电压的周期)2)53(TCRL u2tiDtuc=uL纯电阻负载时，纯电阻负载时，I2=1.52IL例：单相桥式整流电容滤波电路如图所示，已知输出电压U0=15V，RL=100 ，电源频率f=50HZ.试计算：1、变压器次级电压的有效值U2；2、滤波电容C的耐压值和电容量。解：（1）桥式整流电容滤波电路的输出电压为U0=1.2U2 则U2=12.5V（2）当负载空载时，电容器承受最大电压，所以电容器的耐压值为FRTCfT，CR，TCRVVUULLLcm4002,122537.175.12222因此取电容
12、器的电容量应满足可选取470 /25V的电解电容。F（1）滤波原理）滤波原理:对直流分量对直流分量(f=0):XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上。对谐波分量上。对谐波分量:f 越高越高,XL越大越大,电压大部分降在电压大部分降在XL上。上。因此因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。U0=0.9U2 当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLu0有电感滤波的整流电路有电感滤波的整流电路（2）电感滤波的特点）电感滤波的特点:整流管导电角较大整流管导电角较大,峰值电流很小峰
13、值电流很小,输出特性比输出特性比较平坦较平坦,适用于低电压大电流适用于低电压大电流(RL较小较小)的场合。缺的场合。缺点是电感铁芯笨重点是电感铁芯笨重,体积大体积大,易引起电磁干扰。易引起电磁干扰。u2u1RLLu0 为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合起来使用。起来使用。1.LC滤波电路滤波电路+uo+-LCu-i+u+u-iC-oRC122.RC型滤波电路型滤波电路其他滤波电路其他滤波电路5.2 稳压电路稳压电路稳压电路的作用稳压电路的作用:交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波有波纹的有波纹的直流电压直流电压稳压稳压直流直
14、流电压电压稳压管稳压电路稳压管稳压电路1.1.稳压原理稳压原理利用稳压管的反向击穿特性。利用稳压管的反向击穿特性。由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。的电压变化。+UDziLRz-oU-+RUIZILIiuUZIUIzminIzmax稳压原理：稳压原理：ZL+=IIIRiZO=UUUU+UDziLRz-oU-+RUIZILI(1)(1)当输入电压变化时当输入电压变化时UiUZUoUoURIIZIRU i由图知：由图知：(2)(2)当负载电流变化时当负载电流变化时稳压过程：稳压过程：ILUoURUoIZIR+UDziLRz-oU
15、-+RUIZILI2、限流电阻的计算、限流电阻的计算（1 1）当）当输入电压最小，负载电流最大输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二时，流过稳压二极管的电流最小。此时极管的电流最小。此时I IZ Z不应小于不应小于I IZminZmin，由此可计算出，由此可计算出稳压电阻的最大值稳压电阻的最大值。即。即LmaxZminZIminmax=IIUUR +UDziLRz-oU-+RUIZILI （2 2）当）当输入电压最大，负载电流最小输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极时，流过稳压二极管的电流最大。此时管的电流最大。此时I IZ Z不应超过不应超过I IZmaxZmax，由此可计算出，由此
16、可计算出稳压电稳压电阻的最小值阻的最小值。即。即LminZmaxZImaxmin=IIUUR +UDziLRz-oU-+RUIZILImaxminRRR 所以：所以：5.35.3晶体管串联型稳压电路晶体管串联型稳压电路稳压管稳压电路的缺点：稳压管稳压电路的缺点：（1 1）带负载能力差）带负载能力差（2 2）输出电压不可调）输出电压不可调改进：改进：（1 1）提 高 带 负 载 能）提 高 带 负 载 能力力在输出端加一射在输出端加一射极输出器极输出器UO=UZ-0.7V+TU+-+UzDz-LiRURo改进：改进：（2 2）使输出电压可调）使输出电压可调在射极输出器前加一带有负反馈在射极输出器
17、前加一带有负反馈的放大器。的放大器。调节反馈系数即可调节放大倍数调节反馈系数即可调节放大倍数UO=AUFUZ-0.7V为了进一步稳定输出电压，将反馈元件接到输出端为了进一步稳定输出电压，将反馈元件接到输出端。+DzT+-A+U-ioU-+UfUzR1R2LRRUo+UI RLT1+UCE 并联型并联型稳压电路稳压电路 调整管与负载并联调整管与负载并联串联型串联型稳压电路稳压电路 调整管与负载串联调整管与负载串联串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路的工作原理+UI 取取样样电电路路调整管调整管比较放比较放大电路大电路基准电压基准电压UZUF 一、结构和稳压原理一、结构和稳压原理 稳压的实质：稳
18、压的实质：UCE 的自动调节使输出电压恒定的自动调节使输出电压恒定二、输出电压的调节范围二、输出电压的调节范围+Uo+UI R 2RLR 1R1UFUZR2RPZp212OFURRRRUU Z2p21OURRRRU Zp2p21minOURRRRRU Z2p21maxOURRRRU 串联式稳压电路的串联式稳压电路的优点优点：结构简单，稳压性能好，：结构简单，稳压性能好，技术成熟，应用广泛。技术成熟，应用广泛。缺点：缺点：它的调整管工作在线性放大状态，功耗大，它的调整管工作在线性放大状态，功耗大，输出效率低，只有输出效率低，只有2040；输出电压总是小；输出电压总是小于输入电压，两者极性也只能是
19、相同的。于输入电压，两者极性也只能是相同的。晶体管开关型稳压电路晶体管开关型稳压电路 为了提高效率，让调整管工作在开关（饱为了提高效率，让调整管工作在开关（饱和、截止）状态和、截止）状态开关型稳压电路开关型稳压电路 开关稳压电路的特点和分类开关稳压电路的特点和分类 开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。当开关管饱和导通时，集电控制开关的占空比调整输出电压。当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗
20、小，效率可高达流为零，所以其功耗小，效率可高达70%95%。而功耗小，。而功耗小，散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由于功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性。于功耗小，机内温升低，从而提高了
21、整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为允许电网波动范围为220V+10%，而开关型稳压电源在电网电，而开关型稳压电源在电网电压从压从110V-260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。开关型稳压电源的分类方式很多开关型稳压电源的分类方式很多。按调整管与负载的连接方式可分为串联型和并联型。按调整管与负载的连接方式可分为串联型和并联型。按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（PWM）、）、脉冲频率调制型（脉冲频率
22、调制型（PFM）和混合调制（即脉宽）和混合调制（即脉宽-频率调频率调制）型。制）型。按调整管是否参与振荡可分为自激式和他激式。按调整管是否参与振荡可分为自激式和他激式。按使用开关管的类型可分为晶体管、按使用开关管的类型可分为晶体管、VMOS管和晶闸管和晶闸管型。管型。串联开关型稳压电路调整管与负载串联，输出电压总是小于串联开关型稳压电路调整管与负载串联，输出电压总是小于输入电压，故称为降压型稳压电路。输入电压，故称为降压型稳压电路。1.1.换能电路的基本原理换能电路的基本原理输入电压输入电压UI是未经稳压的直流电压；晶体管是未经稳压的直流电压；晶体管T T为调整管，即开为调整管，即开关管；电感
23、关管；电感uB为矩形波，控制开关管的工作状态；为矩形波，控制开关管的工作状态；L和电容和电容C组组成滤波电路，成滤波电路，D为续流二极管。为续流二极管。串联开关型稳压电路串联开关型稳压电路 当当uB为高电平时，为高电平时，T饱和导通，饱和导通，D因承受反偏电压而截止，因承受反偏电压而截止，电感电感L存储能量，电容存储能量，电容C充电；发射极电位充电；发射极电位uE=UI-UCESUI。当当uB为低电平时，为低电平时，T截止，此时虽然截止，此时虽然发射极电流为零，但是发射极电流为零，但是L释放能量，其释放能量，其感生电动势使感生电动势使D导通，与此同时导通，与此同时C放电，放电，负载电流方向不变
24、，负载电流方向不变，uE=-UD0。构成串联开关型稳压电源的结构框图如图所示。它包括调整构成串联开关型稳压电源的结构框图如图所示。它包括调整管及其开关驱动电路（电压比较器）、取样电路（电阻管及其开关驱动电路（电压比较器）、取样电路（电阻R1和和R2）、三角波发生电路、基准电压电路、比较放大电路、滤）、三角波发生电路、基准电压电路、比较放大电路、滤波电路（电感波电路（电感L、电容、电容C和续流二极管和续流二极管D）等几个部分。）等几个部分。经分析推导可得输入电经分析推导可得输入电压与输入电压的关系为：压与输入电压的关系为：IIonoqUUTTU 改变占空比改变占空比q q，即可，即可改变输出电压
25、的大小。改变输出电压的大小。2.串联开关型稳压电路的组成串联开关型稳压电路的组成如图所示基准电压电路输出稳如图所示基准电压电路输出稳定的电压，取样电压定的电压，取样电压UN1与基准电与基准电压压UREF之差，经之差，经A1放大后，作为放大后，作为由由A2组成的电压比较器的阈值电组成的电压比较器的阈值电压压UP2，三角波发生电路的输出电，三角波发生电路的输出电压与之相比较，得到控制信号压与之相比较，得到控制信号UB，控制调整管的工作状态。，控制调整管的工作状态。在换能电路中，如果电感在换能电路中，如果电感L L数数值太小，在值太小，在T Tonon期间储能不足，那期间储能不足，那么在么在T To
26、ffoff还未结束时，能量已经放还未结束时，能量已经放尽，将导致输出电压为零，出现尽，将导致输出电压为零，出现台阶，这是不允许的。台阶，这是不允许的。3.工作原理工作原理并联式开关电路中并联式开关电路中T1为调整管为调整管,控制电压控制电压Ub，T1开关周期为开关周期为T，导通时间，导通时间ton=DT，截止时间，截止时间toff=(1-D)T,L为储能电感，为储能电感，D为限流二极管。为限流二极管。在导通期间，开关管在导通期间，开关管T1导通，导通，UI加到电感加到电感L两端，两端，D反向截反向截止。因止。因L很大，很大，L中的电流近乎线性增加，并储存磁能。导通中的电流近乎线性增加，并储存磁
27、能。导通期间期间iL的增量：的增量：DTLUiIL 1 并联开关型稳压电路并联开关型稳压电路即调整即调整Ub脉冲占空比，可改变脉冲占空比，可改变U0的大小的大小在电路平衡时，在电路平衡时，iL1=iL2 输出电压：输出电压：iOUDDU 1TDLUiOL)1(2 在截止期间，储能电感在截止期间，储能电感L感应出上负下正电动势，感应出上负下正电动势，使使D导通，导通，L中磁能通过二极管中磁能通过二极管D传到负载传到负载RL 上，与此上，与此同时电容同时电容C充电。充电。T1截止时，截止时，L的释放电流近似线性下的释放电流近似线性下降，电流减少量降，电流减少量iL2 为：为：CW7800 系列系列
28、(正电源正电源)CW7900 系列系列(负电源负电源)5 V/6 V/9 V/12 V/15 V/18 V/24 V78、79 系列的型号命名系列的型号命名输出电流输出电流78L /79L 输出电流输出电流 100 mA78M/9M 输出电流输出电流 500 mA78 /79 输出电流输出电流 1.5 A输出电压输出电压三端固定式集成稳压器三端固定式集成稳压器例如：例如：CW7805 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 1.5 ACW78M05 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 0.5 ACW78L05 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 0.1 A封装封装CW78051 2 3UIU
29、OGNDCW79051 2 3UIUOGND符号符号CW7800入入出出213CW790013入入2出出塑料封装塑料封装金属封装金属封装+UOW781522C311CUi+20V+15V注意：注意：输入电压输入电压Ui一般应比输出电压端一般应比输出电压端Uo高高3V以上。以上。三端固定式集成稳压器的使用三端固定式集成稳压器的使用 C1、C2的作用：的作用：防止自激振荡，减小高频噪声、改善负载的防止自激振荡，减小高频噪声、改善负载的瞬态响应。瞬态响应。2.输出正负电压输出正负电压+C21CW7812W79121CC2+-+-iUUO 1O 2U-+1321整流电路（利用二极管的单向导电性）整流电
30、路（利用二极管的单向导电性）半波整流：半波整流：UL=0.45U2 全波整流：全波整流：UL=0.9U2 桥式整流：桥式整流：UL=0.9U22滤波电路滤波电路 电容滤波（桥式整流）：电容滤波（桥式整流）：UL=1.2U2 电感滤波：电感滤波：UL=0.9U23稳压电路稳压电路 稳压管稳压电路：稳压管稳压电路：UO=UZ 串联式稳压电路：串联式稳压电路：（1）电路结构及工作原理（四个组成部分、稳压过程）电路结构及工作原理（四个组成部分、稳压过程）（2）输出电压调节范围）输出电压调节范围4开关式稳压器开关式稳压器5 集成稳压器集成稳压器 三端固定式集成稳压器（三端固定式集成稳压器（W7800、W7800）及其使用）及其使用 三端可调式集成稳压器三端可调式集成稳压器本章小结本章小结
