1、1 电 子 技 术 直流稳压电源 2 第第4章章 直流稳压电源直流稳压电源?串联型稳压电路的组成和工作原理。?稳压电路的质量指标。?*集成稳压器的使用方法。?*开关型稳压电路的组成和工作原理。学习要点学习要点 3 u1 u2 u3 u4 u5t t t t t 变压 整流 滤波 稳压u1 u2 u3 u4 u50 0 0 0 0 直流稳压电源的组成：4 直流稳压电路 将不稳定的直流电压变换成稳定且可调的直流电压的电路称为直流稳压电路。直流稳压电路按调整器件的工作状态可分为线性稳压电路和开关稳压电路两大类。稳压管电路使用起来简单易行，但转换效率低，体积大,输出电压不可调整；串联型稳压电源输出电压
2、可调，帶负载能力比较大，是常用的一种稳压电源。开关稳压电路体积小，转换效率高，但控制电路较复杂。随着自关断电子器件（自动转换器件）和集成电路的迅速发展，开关电源已得到越来越广泛的应用。5 直流稳压电源 常用稳压电路 (小功率设备)稳压管 稳压电路 线性 稳压电路 开关型 稳压电路 并联型 串联型 6 4.1.1 稳压管（与负载并联型）稳压电路 +Ui+UoRLDZ+UZR+UR IoIZI工作原理：输入电压Ui波动时会引起输出电压Uo波动。如 Ui升高将引起 U0随之升高，导致稳压管的电流 IZ急剧增加，使得电阻R上的电流 I和电压UR迅速增大，从而使Uo基本上 保持不变。反之，当 Ui减小时
3、，UR相应减小，仍可保持Uo基本不变。当负载电流Io发生变化引起输出电压Uo发生变化时，同样会引起IZ的相应变化，使得Uo保持基本稳定。如当Io增大时，I和UR均会随之增大使得Uo下降，这将导致IZ急剧减小，使I仍维持原有数值保持UR不变，使得Uo得到稳定。7 4.1.2 串联型稳压电路 1.电路结构的一般形式 因调整元件与负载串联，故称为串联型稳压 电路。Uo RL UI R+调整元件 串联型晶体管稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整管四部分组成。返回 LLUiUoRRR?（改变R可以影响U0）8 串联型稳压电源实际上利用射极跟隨器的输出阻抗低串联型稳压电源实际上利用射极跟隨器的输出
4、阻抗低，帶负载能力强的特点，如图，把图方向调整一下，就成通用的图形（交流）。9 T+UI+_+_ Uo 比较放大 基 准 取 样 UR FUo+C2 RL 调整元件 调整元件T与负载串联，通过全部负载电流。比较放大器可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。调整元件可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。基准电压可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压Uo的一部分和基准电压相比较。10 +Ui Io R3 RL Ra R4 Rb R1 R2 RP UBE2 V1 V2 UBE1+Uo Uvs+UF 4.1.2 串联型稳压电路串联型稳压电路 11（1）取样环节。由R3、RP、R4
5、组成的分压电路构成，它将输出电压 Uo分出一部分作为取样电压 UF，送到比较放大环节。（2）基准电压。由稳压二极管 VS和电阻R2构成的稳压电路组成，它为电路提供一个稳定的基准电压Uvs，作为调整、比较的标准。（3）比较放大环节。由V2和R1构成的直流放大器组成，其作用是将取样电压 UF与基准电压 Uvs之差放大后去控制调整管V1。（4）调整环节。由工作在线性放大区的功率管 VTl组成，VTl的基极电流 IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流 IC1和集、射电压UCEl改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。1、电路的组成及各部分的作用、电路的组成及各部分的作用 12 2、
6、电路工作原理、电路工作原理 当输入电压Ui或输出电流Il变化引起输出电压 Uo增加时，取样电压UF(UB2)相应增大，使VT2管的基极电流IB2和集电极电流IC2随之增加，VT2管的集电极电位 UC2(UB1)下降，因此VTl管的基极电流IB1下降，使得IC1下降，UCE1增加，Uo(UI-UCE1)下降，使Uo保持基本稳定。UoUFIB2IC2UC2IB1UCE1Uo 同理，当 Ui或Io变化使Uo降低时，调整过程相反，UCE1将减小使Uo保持基本不变。从上述调整过程可以看出，该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。13 3、电路的输出电压、电路的输出电压 电位器RP可以调节输出电压的大小。
7、忽略 IB2，则 取样分圧比 通常UvsUBE2，U0Uvs/当RP调到最下端：当RP调到最上端：一般U0Uvs。4200234PBBEPRRUUUUUvsRRR?下340max4340min4()()PbePbePRRRUUvs URRRRUUvs URR?14+UiIoR1RLR2R3RPV+UoUZ+UF +4、采用集成运算放大器的串联型稳压电路、采用集成运算放大器的串联型稳压电路 其电路组成部分、工作原理及输出电压的计算与前述电路完全相同，唯一不同之处是放大环节采用集成运算放大器而不是晶体管。U01 15 集成运放在这里起比较放大作用，反馈信号 UF由U01输出，经UBE1、R1、在R
8、2及RP抽头上产生一个电压加到U-端；由VZ提供一个稳定的输入电压 UVS加到U+端，与反馈信号相比较，形成一个同相比例放大电路。U0=U01-UBE，UBE比较小，可忽略，即 U01稳定，U0稳定。或者说 001101bebUiUUUUIIcUceU?11101222(1)(1)(1)RRRUUiUUvsRRR?16 例4-1 已知 Uvs=6V，R1=R2=RP=300，则 R1+R2+RP=900 R1+RP最大为600，R1最小为300。由此可知输出电压Uo在918V范围内连续可调。10m ax410m in2(1)36183(1)692RRpUUvsVRRUUvsVRRp?17 4.
9、2 稳压电路的质量指标 稳压电路的指标分 特性指标（大小、功能），如输入、输出电压及电流等；质量指标（优劣、可靠度）如稳压电源的稳压系数等。1、稳压系数Sr 电压调整特性：在负载不变条件下，稳压电源的输出电压相对变化量与输入电压的相对变化量之比。Sr=RL=常量 反映了电网电压的波动对稳压电源输出电压的影响。一般Sr为10-210-4。如电网电压变化 10%，则UI/UI也变化10%，此时引起输出电压的相对变化量 UO/UO叫电压调整率。/UoUoUiUi18 2、负载调整特性SI 稳压电源在输入电压 UI不变，输出电压的相对变化量UO/UO与负载电流的变化量 IO之比 UI=常数 反映了负载
10、变化对输出电压稳定性的影响。反映了负载变化对输出电压稳定性的影响。3、输出电阻RO 输入电压UI不变，输出电压的变化量不变，输出电压的变化量 UO与负载电流与负载电流的变化量IO之比。UI=常量 4、最大纹波电压 稳压电源输出直流电压上的波动电压，一般是稳压电源输出直流电压上的波动电压，一般是 100HZ（全波整流）或50HZ（半波整流）交流份量。常用有效（半波整流）交流份量。常用有效值或峰值表示。/Uo UoSiIo?UoRoIo?19 4.3 集成稳压电源 集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。集成稳压器的种类
11、很多，作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是3端式串联型集成稳压器。3端式是指稳压器仅有输入端、输出端和公共端3个接线端子。如W78和W79系列稳压器。W78系列输出正电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V 等多种，若要获得负输出电压选W79系列即可。例如W7805输出+5 V电压，W7905则输出5 V电压。这类端稳压器在加装散热器的情况下，输出电流可达1.5 2.2A，最高输入电压为 35V，最小输入、输出电压差为 23V，输出电压变化率为 0.10.2。20 1.分类 正稳压W78XX负稳压W79XX固定式1.2537V连续可调可调式三端集成稳压器型号后
12、XX两位数字 代表输出电压值 W78系列(输出正电压)、W79系列(输出负电压)。输出电压额定值有:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。21 2.外形及引脚功能 W7800系列稳压器外形 1 输入端 3 公共端 2 输出端 W7900系列稳压器外形 1 公共端 3 输入端 2 输出端 塑料封装 型号组成及其意义型号组成及其意义 X XL78(79)WC用 数 字 表 示 输 出 电 压 值最 大 输 出 电 流：L 为 0.1 A,M 为0.5 A,无 字 母 表 示 1.5 A(带 散 热 片)78:输 出 固 定 正 电 压79:输 出 固 定 负 电 压国 标稳 压 器2
13、3 3.3.性能特点（78007800、79007900系列）?输出电流超过1.5A（加散热器）?不需要外接元件?内部有过热保护?内部有过流保护?调整管设有安全工作区保护?输出电压容差为4%24 2、典型应用电路、典型应用电路 W 78C1C2+Ui+Uo123W 79 C1C2Ui+Uo+321（1）固定输出电路。上图为固定电压输出电路，输出电压为三端稳压电源输出电压。C1的作用是消除自激振荡，C2起滤波作用。W79端口不一样，输出为负电压。25（2）提高输出电压的电路。）提高输出电压的电路。W78C1C2+Ui+Uo123+UZDZ+UR输出电压Uo=U+UZ 26（3）可变输出电压电路）
14、可变输出电压电路 可变输出一般由取样电路、电压跟随器（集成运放）或串加一个可变电阻组成。U01是三端集成稳压器的固定输出电压 U02是跟随电压，U02=U+，U0=U01+U02 U02随可变电阻RP的滑动而改变，U0隨同改变。当RP的滑动到最上端时 当RP的滑动到最下端时 可变输出电压范围 选U01=12V，R1=R2=RP=200，电压输出范围为1836V。12011120111212010111maxmin0RRP RUoURRRP RUoURRPRRP RRRP RUUURRPR?27（4）能同时输出正、负电压的电路。W 7815 1 2 3 W 7915 3 2 1 24V 24V
15、+15V 15V 220V 1000F 1000F 0.33F 0.33F 1F 1F RL 28 W78 C1 C2+Ui +Uo 1 2 3 R IR IC IB I1 I I01 Io（5）扩大输出电流的电路 图中 I3为稳压器公共端电流，其值很小，可以忽略不计，所以21II?，则可得：RUIIIIIIIIIBE2R12B2C2o)1()(?式中 为三极管的电流放大系数。设10?，3.0BE?UV，5.0?R，12?IA，则可计算出5o?IA，可见 Io比 I2扩大了。电阻 R的作用是使功率管在输出电流较大时才能导通。当负载较重，IO大于1.5A以上时，可采用接功率管的办法。I01为稳压
16、器输出电流，IR为电阻R上的电流。29 4.4 开关稳压电源开关稳压电源 串联型稳压电路的调整管工作在线性放大狀态要消耗較大的功率，效率一般在只有 30%左右。开关稳压电源则可利用开和关的时间比较调整滤波后得到直流电压。调整管在截止时电流ICEO近于零，饱和时管压降 UCES近于零，开关速度較快时，经过放大区的过渡时间很短，故调整管的功耗就小，电源的效率可达 6080%以上。虽电路结构复杂，成本較大，但由于近年的技术发展，集成电路的工艺和成本大大改善，所以得到广泛使用。开关稳压电源是利用从取样电路取出的信号加到运算放大器，使輸出的正、负脉冲信号的脉冲宽度不同，从而去控制调整管的輸出，当开关控制
17、电路輸出高电平时，调整管导通，輸出VE近似等于VI，当开关控制电路輸出低电平时，调整管截止。调整管輸出信号经 LC滤波后輸出稳定直流。这种通过改变控制脉冲信号宽度实现稳压的方式又叫脉宽调整式开关稳压电源 30 开关稳压电源结构框图开关稳压电源结构框图 31 开关调整管开关调整管：它采用大功率管，在开关脉冲的作用下，使调整管工作在饱和或截止状态，输出断续的脉冲电压，如图所示。32 由图可知：负载上得到的电压为：UO=（UIon+0Toff）/(Ton+Toff)=（Ton/T）UI 上式中Ton/T称占空比。改变占空比的大小亦可改变输出电压Uo的大小。滤波器：把矩形脉冲变成连续的平滑直流电压Uo
18、。开关时间控制器：控制开关导通时间长短，从而改变输出电压高低。33 4.4.1 电路及基本工作原理电路及基本工作原理 开关型串联稳压电源 34 一一.电路組成电路組成 三极管VT为开关调整管，L、C、VD组成滤波电路R1、R2组成取样电路，由运算放大器 N、UR、R1、R2组成滯回电压比较器（即开关控制电路）。二.工作过程 1、在tON调整管导通期间 设开关控制电路輸出为高电平，调整管饱和导通，调整管饱和压降 UCES近似于零，则Ue=Ui，二极管VD反向截止，电感电压 UL=UE-UO=UI-UO，电感上的电流IL线性增长，L储存能量。在t=0t1期间，il从ilmin增加，电容C的放电电流
19、大于il向电容C的充电电流，ilIo，UO仍在下降阶段，经 R1、R2分压后的u-（UO）下降，当tt1后，ilIO，电容C上充电电流大于放电电流，则 uc和UO（即u-）开始上升。通过R1和R2分压，取样电压为：35 u-=UO=UO 212RRR?VT饱和导通，uE=UI，因此u-达到上限参考电压+UT1 u-UT1 3434IRURURRR?使运算放大器輸出翻转；uA为低电平，调整管VT截止。iL达到最大值。2、在调整管截止toff期间：调整管VT由导通变为截止，电感L上的uL的极性左负右正，经C、VD和RL、UR、R3、R4形成两个放电电路，VD导通，使uE=-UVD=-0.7v。在L
20、C滤波作用下，用下，UO平滑输出。由于放电时间常数较大，iL从最大值线性下降，iL下降到零而u-升为最大，iL继续下降而u-也（UO）下降。当t=t4时，u-下降到下限UT2，36 即：u-UT1 3443434VDRRURU RU RRRRR?使运算放大器翻转，使运算放大器翻转，UA又为高电平，如此往复。调整又为高电平，如此往复。调整管始终处于开关工作狀况。管始终处于开关工作狀况。可见，由于UI或RL变化，使UO变化，取样后的 u-也变化影响ton和和toff的长短。从而使的长短。从而使UO稳定。稳定。UoUFUATonUE 脉宽脉宽 Uo 37 38 3、输出电压计算 适当选取UR、R3、
21、R4，使比较电压的回差电压 UH=UT1-UT2小，当UH为毫伏时，UO很稳。UO可从平均值求：化简后 开关型稳压电源的开关频率，一般取暖 10HZ100kHZ为宜。121()2TTUoUU?3434212IRU RURUoRR?341RRRUoU?39 本章讲解主要到这里结束。40 利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路，按输出波形又可分为半波整流电路和全波整流电路。目前广泛使用的是桥式整流电路。5.1 整流电路整流电路 41 tu20234t0234uo+u2+u1D(a)电路 (b)
22、波形+uoRL5.1.1 单相半波整流电路单相半波整流电路 42 tu20234t0234uo+u2+u1D(a)电路 (b)波形+uoRL当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io=id。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u2，输出电压uo的波形与u2相同。43 当u2为负半周时，二极管 D承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压 uo=0，变压器副边电压 u2全部加在二极管D上。tu20234t0234uo+u2+u1D(a)电路 (b)波形+uoRL44 单相半波整流电压的平均值为：?02
23、22o45.02)(sin221UUttdUU流过负载电阻 RL的电流平均值为：L2Loo45.0RURUI?流经二极管的电流平均值与负载电流平均值相等，即：L2oD45.0RUII?二极管截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：22MRM2UUU?45 例例 有一单相半波整流电路，如图 5-2（a）所示。已知负载电阻?750LR，变压器副边电压V 202?U，试求 Uo、Io，并选用二极管。解解V)(92045.045.02o?UU(mA)12(A)012.07509Loo?RUI(mA)12oD?II(V)2.2820222DRM?UU查半 导体手册，二 极管可选 用 2AP4，其最大
24、 整流电流 为16mA，最高反向工作电压为 50 V。为了使用安全，二极管的反向工作峰值电压要选得比 UDRM大一倍左右。46 5.1.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路+u1+u2D4D3D1D2RL+uo(a)原理电路ab+u1+u2RL+uo(b)简化画法47 u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：aD1RLD3b。abVD3+u1+u2VD1RL+uo48 ab+u1+u2VD4VD2RL+uou2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时
25、电流的路径为：bD2RLD4a。49 tu20234tiD10234tiD20234tuo023450 单相全波整流电压的平均值为：?0222o9.022)(sin21UUttdUU流过负载电阻 RL的电流平均值为：L2Loo9.0RURUI?流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：L2oD45.021RUII?每个二极管在截止时承受的最高反向电压为 u2的最大值，即：22MRM2UUU?51 整流变压器副边电压有效值为：oo211.10.9UUU?整流变压器副边电流有效值为：o22211.111.1IRURUILL?由以上计算，可以选择整流二极管和整流变压器。52 例：试设计一台输出
26、电压为 24V，输出电流为 lA 的直流电源，电路形式可采用半波整流或全波整流，试确定两种电路形式的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。解：（1）当采用半波整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：3.5345.0240.45o2?UUV整流二极管承受的最高反向电压为：2.753.5341.122RM?UUV流过整流二极管的平均电流为：1oD?IIA因此可选用 2CZ12B 整流二极管，其最大整流电流为 3 A，最高反向工作电压为 200V。53（2）当采用桥式整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：7.269.0240.9o2?UUV整流二极管承受的最高反向电压为：6.377.
27、2641.122RM?UUV流过整流二极管的平均电流为：5.021oD?IIA因此可选用四只 2CZ11A 整流二极管，其最大整流电流为 1 A，最高反向工作电压为 100V。54 5.2 滤波电路滤波电路 整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。55 5.2.1 电容滤波电路电容滤波电路 tu20234t0234uo+u2+uo+u1D(a)电路 (b)波形CRL+56
28、假设电路接通时恰恰在 u2由负到正过零的时刻，这时二极管 D开始导通，电源 u2在向负载 RL供电的同时又对电容 C充电。如果忽略二极管正向压降，电容电压 uC紧随输入电压u2按正弦规律上升至 u2的最大值。然后 u2继续按正弦规律下降，且C2uu?，使二极管 D 截止，而电容 C 则对负载电阻RL按指数规律放电。uC降至 u2大于 uC时，二极管又导通，电容 C 再次充电。这样循环下去，u2周期性变化，电容 C周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小，如图 9-4（b）所示。电容 C 放电的快慢取决于时间常数（CRL?）的大小，时间常数越大，电容 C 放电越慢，输出电压 uo就越平坦，平
29、均值也越高。57 Uo1.4Uo0.9Uo0Io单相桥式整流、电容滤波电路的输出特性曲线如图所示。从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合。58 般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值。半波：2oUU?全波：2o2.1 UU?为了获得较平滑的输出电压，一般要求CR?1)1510(L?，即：2)53(LTCR?式中 T 为交流电压的周期。滤波电容 C 一般选择体积小，容量大的电解电容器。应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短
30、，且在短时间内承受较大的冲击电流（oCii?），为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。单相 半波 整流、电容滤 波电 路中，二 极管 承受 的反向电 压 为2CDRuuu?，当负载开路时，承受的反向电压为最高，为：2RM22UU?59 例：设计一单相桥式整流、电容滤波电路。要求输出电压48o?UV，已知负载电阻100L?R，交流电源频率为 50Hz，试选择整流二极管和滤波电容器。解：流过整流二极管的平均电流：240A24.010048212121LooD?RUIImA变压器副边电压有效值：402.1481.2o2?UUV整流二极管承受的最高反向电压：4.564041.122RM?UUV因此可
31、选择 2CZ11B 作整流二极管，其最大整流电流为 1 A，最高反向工作电压为 200V。取05.0202.0525L?TCR?s，则：500F1050010005.06L?RC?F60 5.2.2 电感滤波电路电感滤波电路+u1+u2RL+uoL电感滤波适用于负载电流较大的场合。它的缺点是制做复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。61 5.2.3 复合滤波电路复合滤波电路 LCCCLCCR(a)L C 滤波电路 (b)C LC 滤波电路 (c)C RC 滤波电路LC、CLC型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重的电感，构成CRC型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。
