第8章直流稳压电源

1、直流稳压电源组成与功能组成与功能小功率整流滤波电路小功率整流滤波电路全波整流电路全波整流电路桥式整流电路桥式整流电路电源滤波电路电源滤波电路倍压整流电路倍压整流电路串联型反馈式稳压电路串联型反馈式稳压电路二极管稳压电路二极管稳压电路主要性能参数主要性能参数组成及稳压原理组成及稳压原理二极管稳压电路设计时参数的选择二极管稳压电路设计时参数的选择工作原理及电路分析工作原理及电路分析串联型反馈式稳压电路设计串联型反馈式稳压电路设计半波整流电路半波整流电路其他形式的滤波电路其他形式的滤波电路开关稳压电路开关稳压电路集成稳压电路集成稳压电路三端集成稳压器的组成框图及功能概述三端集成稳压器的组成框图及功能

2、概述三端集成稳压电路分类三端集成稳压电路分类三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用串联型开关稳压电路串联型开关稳压电路开关稳压电路分类开关稳压电路分类并联型开关稳压电路并联型开关稳压电路8.1 直流稳压电源的组成及各部分的作用直流稳压电源的组成及各部分的作用 直流稳压电源是电子设备的重要组成部分，其作用是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压。直流电源的组成框图如下图所示。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变为合适的变为合适的 交流电压交流电压u2。整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo整流电路整流电路:

3、 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转变为平滑的转变为平滑的 直流电压直流电压u4。稳压电路稳压电路: 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的稳定。的稳定。8.1 直流稳压电源的组成及各部分的作用直流稳压电源的组成及各部分的作用整流电路的任务：整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的把交流电压转变为直流脉动的电压。电压。 常见的小功率整流电路，单相半波、全波、常见的小功率整流电路，单相半波、全波、桥式和倍压整流等。桥式和倍压整流等。为分析简单起见，把二极管当

4、作理想元件处理。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理。8.2 小功率整流滤波电路小功率整流滤波电路u2 0 时，二极管导通时，二极管导通iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正向压降：忽略二极管正向压降： uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u20时，二极管截止时，二极管截止,输出电流为输出电流为0。uo=08.2.1 半波整流电路半波整流电路1. 电路工作原理电路工作原理2. 电压电流波形图电压电流波形图由上分析，不难得到由上分析，不难得到右图所示半波整流电右图所示半波整流电路有关电压、电流波路有关电压、电流波形如右图所示。输出形如右图所示。输出电压电压uO为单向脉动电为单向脉动电

5、压。压。3. 主要参数主要参数 （1）整流输出电压的平均值）整流输出电压的平均值UOtUusin222若若则则)d()sin2(21200ttUU2245. 02UU （2）整流输出电流的平均值）整流输出电流的平均值IOLLORURUI2045. 0（3）整流二极管正向电流的平均值）整流二极管正向电流的平均值IDLLODRURUII2045. 0（4）整流二极管最高反向电压）整流二极管最高反向电压URM22UURMu1u2aTbDRLuou20 时时D1,D3导通导通D2,D4截止截止电流通路电流通路:A D1RLD3Bu20时，电容快速时，电容快速充电至充电至u2的最大值，的最大值，随后因无

6、放电通路随后因无放电通路而维持这个最大值而维持这个最大值充电结束充电结束没有电容时没有电容时的输出波形的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+空载时空载时, ,滤波输出电压平均值为滤波输出电压平均值为202UU 2 2）带电阻负载）带电阻负载RL时时的情形的情形u2tuotau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+当当u20且上升时，且上升时，D1、D3导通，电容充电，充电时导通，电容充电，充电时间常数比较小，因此输出间常数比较小，因此输出能跟随能跟随u2快速上升至快速上升至u2的的最大值。最大值。当当u20且开始下降时，且开始下降时，D1D4截止，电容放电，截止，电容放电

7、，充电时间常数很大，因此充电时间常数很大，因此输出缓慢下降。输出缓慢下降。当输出电压下降到使当输出电压下降到使D2、D4导通时，电容再次快速导通时，电容再次快速充电，至充电，至u2的最大值后，的最大值后， D1D4再次截止，电容放再次截止，电容放电使输出再次缓慢下降，电使输出再次缓慢下降，如此周而复始的进行。如此周而复始的进行。2=RLC越大，越大， uo下降越慢，滤下降越慢，滤波效果越好。波效果越好。RLC是不是越大越好呢？是不是越大越好呢？au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+ RLC 越大越大O 越高，越高，IO 越大越大整流二极管导通时整流二极管导通时间越短间越短 iD 的峰值

8、电流越大。的峰值电流越大。OCDIii 较大的冲击电流将严重影响二极管的寿命。较大的冲击电流将严重影响二极管的寿命。通常选通常选2T)53(CRL T T是电源电压的周期是电源电压的周期3. 主要参数主要参数 （1）整流滤波输出电压的平均值）整流滤波输出电压的平均值UO 滤波电路输出电压波形很难用确定的数学解析滤波电路输出电压波形很难用确定的数学解析式表示，近似估算时，其输出波形近似用锯齿波代式表示，近似估算时，其输出波形近似用锯齿波代替，这样，滤波电路输出电压近似满足：替，这样，滤波电路输出电压近似满足：)41 (220CRTUUL当负载开路，即当负载开路，即RL=时时 ：202UU 当当R

9、LC=（35）T/2时时 ：2202 . 1)27. 118. 1 (UUU（2）整流滤波输出电流的平均值）整流滤波输出电流的平均值IOLLORURUI202 . 1（3）整流二极管正向电流的平均值）整流二极管正向电流的平均值IDLLODRURUII206 . 0221（4）整流二极管最高反向电压）整流二极管最高反向电压URM22UURM（5） 脉动系数脉动系数 近似估算时，同样将滤波输出波形近似用锯近似估算时，同样将滤波输出波形近似用锯齿波代替，以此为基础可以证明齿波代替，以此为基础可以证明1滤波电路输出滤波电路输出电压脉动系数电压脉动系数S可近似表为：可近似表为： 2=RLC比周期比周期T

10、大得越多，大得越多，S越小，滤波效果越小，滤波效果越好。小功率整流滤波电路、越好。小功率整流滤波电路、RL为几十欧姆几为几十欧姆几百欧姆左右，加大百欧姆左右，加大RLC，靠加大，靠加大C来满足。实际取来满足。实际取C为几百微法一、二千微法左右。为进一步减为几百微法一、二千微法左右。为进一步减小纹波电压，在滤波电路输出端加稳压电路。小纹波电压，在滤波电路输出端加稳压电路。1414TCRTCRTSLL4. 二极管选择原则二极管选择原则考虑到整流滤波电路中二极管的导通时间很短，考虑到整流滤波电路中二极管的导通时间很短，二极管瞬时电流很大。二极管瞬时电流很大。为了确保二极管的安全使为了确保二极管的安全

11、使用，通常选用，通常选二极管最大反向工作电压二极管最大反向工作电压 UR1.1URM=1.11.414U2LODFRUII2132)32(）（结论：结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。流较小且负载变动不大的场合。改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：L-C 型滤波电路：型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。在电感滤波后面再接一电容。RC 型滤波电路：型滤波电路：在电容滤波后再接一级在电容滤波后再接一级RC滤滤波电路。波电路。 性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。性能及应用场合

12、分别与电容滤波和电感滤波相似。LC 型滤波电路：型滤波电路：在电容滤波后面再接在电容滤波后面再接L-C 型型滤波电路。滤波电路。8.2.6 其他形式的滤波电路其他形式的滤波电路电路结构电路结构: : 在桥式整流电路与负载间串入一电感在桥式整流电路与负载间串入一电感L。电感滤波电路电感滤波电路u2u1RLLuo1. 1. 电感滤波电路电感滤波电路滤波原理滤波原理对直流分量对直流分量: 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。上。对谐波分量对谐波分量: 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，在输出端得到比较平滑的直流电压。因此，

13、在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：约为：u2u1RLLuo电感滤波的特点电感滤波的特点整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小较小)的场的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。干扰。(1) (1) 倒倒L L型滤波电路型滤波电路2. 复式滤波电路复式滤波电路滤波电路滤波电路u2u1LuoCRLuo1滤波原理滤波原理Uo=0.9U2u2u1

14、LuoC2RLuo1C1(2) (2) LC 型滤波电路型滤波电路 滤波效果比滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。Uo=1.2U2uoRu2u1C1C2uo1 RL(3) (3) RC 型滤波电路型滤波电路 比比 形形 LC 滤波器的体积小、成本低。滤波器的体积小、成本低。8.3 二极管稳压电路二极管稳压电路 整流滤波电路存在两个方面问题：整流滤波电路存在两个方面问题： 其一，输出直流电压受电网电压其一，输出直流电压受电网电压波动影响不稳定。波动影响不稳定。 其二，当负载电阻变化时，输出其二，当负载电阻变化时，输出直流电压发生变化。直流电压发生

15、变化。 基于上述两方面的原因，实际中，基于上述两方面的原因，实际中，在整流滤波电路后面接入稳压电路。在整流滤波电路后面接入稳压电路。UO = UZ IR = IO + IZUIUZRL (IO ) IR 设设UI一定，负载一定，负载RL变化变化UO 基本不变基本不变 IR (IRR) 基本不变基本不变 UO (UZ ) IZ 1. 电路电路+UIRL+CIOUO+uIRRDZIz限流调压限流调压稳压电路稳压电路8.3.1 二极管稳压电路的组成及稳压原理二极管稳压电路的组成及稳压原理UI UZ UO 基本不变基本不变 IRR IZ IR 8.3.2 稳压电路主要性能参数稳压电路主要性能参数 稳压

16、性能可用稳压性能可用稳压系数稳压系数Sr和输出电阻和输出电阻RO两个主要性能参数描述。两个主要性能参数描述。 1 稳压系数稳压系数Sr 稳压系数稳压系数Sr定义为：负载电阻定义为：负载电阻RL一定时，一定时，输出电压相对变化量与其输入电压相对变输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量的比值，即化量的比值，即不变不变LLRIIoRIIOoUUUUUUUUS|/ro设设rZ为稳压管动态电阻，其值相比为稳压管动态电阻，其值相比R和和RL而言很小而言很小zzLzLzIoRRRRUUrr/r/r则则oorrr/rUURUURUUUUSIZIZZIIOo 可见，选择可见，选择rZ小的稳压管、适当增大小的稳

17、压管、适当增大R，有，有利于稳压电路输出电压的稳定；但是，加大利于稳压电路输出电压的稳定；但是，加大R，UR变大，则变大，则UI要加大，这又使稳压系数要加大，这又使稳压系数Sr增大；增大；电路设计时，应综合考虑、合理选择电路设计时，应综合考虑、合理选择R和和UI值，值，稳压系数稳压系数Sr才可能做到比较小。才可能做到比较小。2输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻RO定义：定义：UI一定时，输出电压变化量与一定时，输出电压变化量与输出电流变化量的比值，即输出电流变化量的比值，即zzOOORIURrr/ 由此可见，选择动态电阻由此可见，选择动态电阻rZ小的稳压二极管，不小的稳压二极管，不仅可以减小稳压

18、系数，而且可以减小输出电阻；可仅可以减小稳压系数，而且可以减小输出电阻；可见，稳压二极管动态电阻见，稳压二极管动态电阻rZ越小，稳压电路输出电越小，稳压电路输出电压越稳定。压越稳定。8.3.3 稳压电路参数的选择稳压电路参数的选择 设计一个二极管稳压电路，就是根据设计一个二极管稳压电路，就是根据设计要求，适当选择电路元件参数，使电设计要求，适当选择电路元件参数，使电路满足实际需要。路满足实际需要。 设计之前，应首先根据电路实际需要，设计之前，应首先根据电路实际需要，提出具体的设计要求：提出具体的设计要求： 输出电压输出电压UO； 负载电流负载电流IO的取值范围：的取值范围：IOminIOmax

19、（或（或RL的取值范围：的取值范围：RLminRLmax）；）； 需考虑输入电压需考虑输入电压UI的波动（一般为的波动（一般为10%）。）。电路设计原则：电路设计原则： （1） 根据根据U0确定输入电压确定输入电压UI 输入电压输入电压UI取值对稳压系数取值对稳压系数Sr有直接影响，有直接影响，UI太低，太低，满足不了负载电流满足不了负载电流IO要求和稳压管正常要求和稳压管正常取值范围（取值范围（IzminIzIzmax）需要；）需要；UI太高，太高，不利不利减小稳压系数减小稳压系数Sr，还会加大限流电阻的功耗，降，还会加大限流电阻的功耗，降低稳压电路的效率。低稳压电路的效率。 综合考虑，实际

20、中，一般选择综合考虑，实际中，一般选择 UI =（23）UO 负载电流负载电流IO大，上式系数可取下限；负载电流大，上式系数可取下限；负载电流IO小，上式系数可取上限。小，上式系数可取上限。（2） 稳压二极管的选择稳压二极管的选择 从击穿电压从击穿电压UZ和击穿电流两方面考虑。和击穿电流两方面考虑。应满足应满足 UZ=UO 另外，由稳压原理可知，当负载电流另外，由稳压原理可知，当负载电流IO发生变化时，流过稳压二极管的电流发生变化时，流过稳压二极管的电流IZ将将产生一个与产生一个与IO相反方向的变化，即：相反方向的变化，即：IZ-IO，这就要求稳压管正常工作电流变化，这就要求稳压管正常工作电流

21、变化范围应大于负载电流变化范围，即范围应大于负载电流变化范围，即 IZmax-IZminIOmax-IOmin 考虑稳压管安全运行最不利情形，空载（未考虑稳压管安全运行最不利情形，空载（未接接RL），流过限流电阻电流全部流经稳压管、稳），流过限流电阻电流全部流经稳压管、稳压管电流达到最大，此时，要求流经稳压管最大压管电流达到最大，此时，要求流经稳压管最大电流不能超过所允许通过最大电流，即电流不能超过所允许通过最大电流，即 IZmaxIR=(UI -UZ)/R 再加上再加上 IZmax-IZminIOmax-IOmin UZ=UO这三个公式是电路设计时选择稳压二极管依据这三个公式是电路设计时选择

22、稳压二极管依据 （3） 限流电阻限流电阻R的选择的选择 考虑到电网电压波动使考虑到电网电压波动使UI波动（波动（10%）和）和负载变化，流过稳压管电流变化，电路设计选限负载变化，流过稳压管电流变化，电路设计选限流电阻流电阻R要考虑上述两因素影响，从最不利情形要考虑上述两因素影响，从最不利情形考虑：考虑： minmaxminIZOZIIRUUmaxminaIZOZxmIIRUU求解这两个不等式可得求解这两个不等式可得R的取值范围的取值范围 二极管稳压电路的优点是电路简单、只二极管稳压电路的优点是电路简单、只需两个元件；其缺点是：输出电压由稳压二需两个元件；其缺点是：输出电压由稳压二极管击穿电压所

23、决定而不可调节；受稳压二极管击穿电压所决定而不可调节；受稳压二极管极管IZmax、IZmin限制、输出电流较小；因此，限制、输出电流较小；因此，只适用于负载电流较小、负载电压固定不变只适用于负载电流较小、负载电压固定不变的场合。的场合。 二极管稳压电路输出电流小，输出电压不可二极管稳压电路输出电流小，输出电压不可调，大多数场合满足不了实际需要。调，大多数场合满足不了实际需要。 串联型反馈式稳压电路以二极管稳压电路作串联型反馈式稳压电路以二极管稳压电路作为基准电压电路，利用晶体电流放大特性增大电为基准电压电路，利用晶体电流放大特性增大电路输出电流；并引入深度电压负反馈、使输出电路输出电流；并引入

24、深度电压负反馈、使输出电压更稳定（稳压系数压更稳定（稳压系数Sr可做到小于可做到小于1%）、输出电）、输出电阻更小（输出电阻阻更小（输出电阻RO可小于可小于0.1）；）； 通过改变反馈网络参数使输出电压可在一定通过改变反馈网络参数使输出电压可在一定范围内连续调节。范围内连续调节。8.4 串联型反馈式稳压电路串联型反馈式稳压电路UiTR2UZRLUO +R3+UB+DZ+Uf+R11R1R 串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。路和调整元件四部分组成。调整调整元件元件比较比较放大放大基准基准电压电压取样取样电路电路 当由于电源

25、电压或负载电阻的变化使输出电当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压压UO 升高时，有如下稳压过程：升高时，有如下稳压过程：UO Uf UB UO IC UCE 由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。压电路。UITR2UZRLUO +R3+UB+DZ+Uf+R1R11 1R1OURRRRUU212 1fZUU fBUUAUZuo(UITR2UZRLUO +R3+UB+DZ+Uf+R1R1R1 ZBOURRRUU) 1 (211 ZUZURR)1 (21运放引入深度负反馈，工作于线性区，满足虚短，则运放引入深度负反馈，工作于线性区，满足虚短，则8

26、.5 集成稳压电路集成稳压电路 将串联型稳压电路和保护电路集成在将串联型稳压电路和保护电路集成在一起就构成集成稳压电路（或集成稳压一起就构成集成稳压电路（或集成稳压器）。器）。 随着半导体集成工艺技术的发展，现随着半导体集成工艺技术的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电路，在已生产并广泛应用的单片集成稳压电路，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。一般简单集成稳压电路只有低廉等优点。一般简单集成稳压电路只有输入端，输出端和公共端三个引出端，故输入端，输出端和公共端三个引出端，故称之为三端集成稳压器。称之为三端集成稳压器。8.5.1 三端集成稳

27、压器分类三端集成稳压器分类 根据输出电压能否调节，分为可调式和固定式两类，可调式能通过引出脚外接电位器使输出电压在某一范围连续可调；固定式集成稳压器输出直流电压是固定不变的几个电压等级。 固定式类型中又分负输出电压79XX系列和正输出电压78XX系列。 这里XX两位数字代表输出电压值。本节介绍W78xx、 W79xx系列三端集成稳压器，外形如图，稳压器硅片封装在外壳内，内部有短路过流和过热保护。1输入端输入端3 公共端公共端2 输出端输出端1 公共端公共端3输入端输入端2 输出端输出端三端集成稳压器型号意义说明三端集成稳压器型号意义说明W7800系列系列 稳定正电压稳定正电压W7805 输出输

28、出+5V W7806 输出输出+6VW7808 输出输出+8V W7812 输出输出+12VW7815 输出输出+15V W7818 输出输出+18VW7824 输出输出+24VW7900系列系列 稳定负电压稳定负电压W7905 输出输出-5V W7906 输出输出-6VW7908 输出输出-8V W7912 输出输出-12VW7915 输出输出-15V W7918 输出输出-18VW7924 输出输出-24V8.5.2 三端集成稳压器的组成框图及其功能概述三端集成稳压器的组成框图及其功能概述组成框图如图组成框图如图8-27。各部分功能简述如下。各部分功能简述如下。1) 调整管调整管 当电网电压或负载电流波动时当电网电压或负载电流波动时,通过控制电路使通过控制电路使调整管自动调整自身的集射压降使输出电压基调整管自动调整自身的集射压降使输出电压基本保持稳定。本保持稳定。 2) 放大电路放大电路 将基准电压与从输出端得到采样电压进将基准电压与从输出端得到采样电压进行比较行比较,进行放大后送到调整管的基极，以进行放大后送到调整管的基极，以控制调整管集射压降朝着与输出电压相控制调整管集射压降朝着与输出电压相同方向变化同方向变化 3) 基准电源基准电源 基准电源为比较放大电路提供基准电压，以便基准电源为比较放大电路提供基准电