电子电路技术第9章

1、第第9 9章章 直流电路直流电路9.1 整流滤波电路整流滤波电路9.2 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路9.3 串联型线性稳压电路串联型线性稳压电路9.4 集成稳压电路集成稳压电路9.5 开关型稳压电路开关型稳压电路n直流电源基本组成直流电源基本组成本章将逐一介绍整流滤波电路、稳压二极管稳压电路、串联型本章将逐一介绍整流滤波电路、稳压二极管稳压电路、串联型线性稳压电路和开关型稳压电路的工作原理及应用。线性稳压电路和开关型稳压电路的工作原理及应用。n在第在第5章中已介绍了常见的二极管整流电路，性能列于表章中已介绍了常见的二极管整流电路，性能列于表9-1-1。n单相半波整流电路的输出电压脉动较

2、大，变压器利用率低。单相半波整流电路的输出电压脉动较大，变压器利用率低。n全波整流电路要求变压器有中间抽头，体积增大，而且在输出相同全波整流电路要求变压器有中间抽头，体积增大，而且在输出相同平均电压的情况下，整流二极管承受的最大反向电压最高。平均电压的情况下，整流二极管承受的最大反向电压最高。n桥式整流电路优势明显，它的输出平均电压高、脉动小，整流管所桥式整流电路优势明显，它的输出平均电压高、脉动小，整流管所承受的最大反向电压低，因此，桥式整流电路得到了颇为广泛的应承受的最大反向电压低，因此，桥式整流电路得到了颇为广泛的应用。用。n桥式整流电路使用二极管的数量相对较多，但目前已有现成的整流桥式

3、整流电路使用二极管的数量相对较多，但目前已有现成的整流桥产品来代替桥产品来代替4个分立元件，对外只有个分立元件，对外只有4个引出端，其中两端为单相个引出端，其中两端为单相交流电压输入端（标交流电压输入端（标“ ”或或“”符号），另外两端是整流电压输出的符号），另外两端是整流电压输出的正、负极（分别标正、负极（分别标“ ”或或“+”、标、标“ ” 或或“-”） 整流输出的单向脉动电压虽然没有极性的变化，但是，整流输出的单向脉动电压虽然没有极性的变化，但是，电压数值起伏较大，含有较大的交流成分。全波整流波形的电压数值起伏较大，含有较大的交流成分。全波整流波形的傅里叶级数为傅里叶级数为22 222(

4、1cos2cos4V315Uutt ） 这种单向脉动直流电压除了直流成分，还含有大量的谐这种单向脉动直流电压除了直流成分，还含有大量的谐波成份，并不能向大多数电子设备提供可用的直流电压。滤波成份，并不能向大多数电子设备提供可用的直流电压。滤波电路就是尽量滤除掉交流谐波分量，保留直流成分，得到波电路就是尽量滤除掉交流谐波分量，保留直流成分，得到较平稳的直流电压。因而大多数整流电路都加有电源滤波电较平稳的直流电压。因而大多数整流电路都加有电源滤波电路。路。n电容滤波电路电容滤波电路iDuo u1u2RLCic+io电容滤波电路是依据电容两端电压不能突变的特性而工作的。电容滤波电路是依据电容两端电压

5、不能突变的特性而工作的。1. 半波整流电容滤波半波整流电容滤波u2t0整流输出整流输出t0D0CiiiddcCuiCtLR Cu0t0t1t2t3u0=uct4半波整流滤波电路负载电压平均值半波整流滤波电路负载电压平均值U0近似为：近似为：02UU二极管所承受的反向电压最大值为：二极管所承受的反向电压最大值为：RM22 2UU当当RL= (空载）时，输出电压的平均值为：空载）时，输出电压的平均值为：022UU随着负载的增加（随着负载的增加（RL减小），放电加快，减小），放电加快，U0也下降，带负载也下降，带负载能力较差。能力较差。u0t0t1t2t3u0=uct4iDuo u1u2RLCic+

6、ion桥式全波整流电容滤波桥式全波整流电容滤波负载电阻两端没有并联电负载电阻两端没有并联电容容C时。输出电压波形为时。输出电压波形为u0 t0u0 t0整流电路的脉动整流电路的脉动输出电流输出电流负载电阻两端并联电容负载电阻两端并联电容C后。且后。且RLC较大时，若较大时，若忽略整流电路的内阻，忽略整流电路的内阻，输出电压波形变为输出电压波形变为电容通过电容通过RL放电，在整流电放电，在整流电路电压小于电容电压时，二路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电极管截止，整流电路不为电容充电，容充电，u0会逐渐下降。会逐渐下降。只有整流电路输出电压大于只有整流电路输出电压大于u0的时间区间，

7、才有充电电流。因的时间区间，才有充电电流。因此整流电路的输出电流是脉冲波。此整流电路的输出电流是脉冲波。如果考虑整流电路内阻，电容充电时，电容电压滞后于如果考虑整流电路内阻，电容充电时，电容电压滞后于u2整流电路的脉动整流电路的脉动输出电流输出电流u0 t0RLC越小，电容放电越快，输出电压越低。越小，电容放电越快，输出电压越低。一般取一般取L(35)2dTR C( (T T 为电源电压的周期为电源电压的周期) )近似估算近似估算:半波整流半波整流U0=1.0U2 ；全波整流；全波整流U0=1.2U2(2) (2) 流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大RLC越大越大U0 0越高越高,

8、,负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大整流管导电时整流管导电时间越短间越短ID D的峰值电流越大的峰值电流越大选择整流二极管时，取选择整流二极管时，取00OML1(2 3)(2 3)22IUIRn 电容滤波电路的特点：电容滤波电路的特点：(1) 输出电压输出电压U0与时间常数与时间常数RLC有关有关RLC愈大愈大电容器放电愈慢电容器放电愈慢U0(平均值平均值)愈大，愈大，单相桥式整流电路带电容滤波后，二极管所受的最高反向单相桥式整流电路带电容滤波后，二极管所受的最高反向电压同无电容滤波时一样电压同无电容滤波时一样, 仍然为仍然为DRM22UU(3) 输出的直流电压平均值受负载的影响较大。输

9、出的直流电压平均值受负载的影响较大。输出特性输出特性( (外特性外特性):):U0电容滤波电容滤波纯电阻负载纯电阻负载1.4U20.9U20IL在空载（在空载（RL= )和忽略二极管正向压降时，和忽略二极管正向压降时， U0=1.4U2，随负，随负载增加，载增加，U0下降，外特性如图。下降，外特性如图。电容滤波电路适用于输出电压较高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负载电流较小且负载变动不大的场合。不大的场合。整流输出电压虽然经过滤波电路滤波，可以得到波动较小的直整流输出电压虽然经过滤波电路滤波，可以得到波动较小的直流输出电压，但是，如果输入交流电源电压发生波动，或负载

10、电流输出电压，但是，如果输入交流电源电压发生波动，或负载电流发生变动（这种情况经常出现），输出的直流电压就可能产生流发生变动（这种情况经常出现），输出的直流电压就可能产生变化。稳压电路的功能，就是在输入交流电源电压波动、负载变变化。稳压电路的功能，就是在输入交流电源电压波动、负载变化时，使输出直流电压保持恒定。化时，使输出直流电压保持恒定。稳压电路稳定输出直流电压的基本思想是：在输出直流电压时，稳压电路稳定输出直流电压的基本思想是：在输出直流电压时，在电路中设置一个吸收波动成分的元件（调整元件），当电源电在电路中设置一个吸收波动成分的元件（调整元件），当电源电压或负载波动时，调整元件将根据输出

11、直流电压的变动情况，确压或负载波动时，调整元件将根据输出直流电压的变动情况，确定调整方向和大小，以保证输出的直流电压不发生变化。定调整方向和大小，以保证输出的直流电压不发生变化。n稳压电源质量指标稳压电源质量指标输出电压输出电压输出电压变化量输出电压变化量OVIoO TUKURIST电压调整率电压调整率OOOV00I/100% ITUUSU 稳压系数稳压系数OOO00II/ /ITUUSUU 输出电阻输出电阻IOo00OUTURI 温度系数温度系数IO00 TUTUST OIO(, , )Uf UITn稳压管稳压电路稳压管稳压电路电路中设置了一个吸收电压波动成分的元件电路中设置了一个吸收电压波

12、动成分的元件R（调整元（调整元件），当市电或负载波动时，调整元件上的电压进行相应调件），当市电或负载波动时，调整元件上的电压进行相应调整，保证输出的直流电压不发生变化。整，保证输出的直流电压不发生变化。1）电源电压波动）电源电压波动i00iZ0i()()UUUUIRIIIRUUIR 2）负载变化）负载变化0Z0i()LIUIIRUUIR R整流滤波输出电压被分成两部分：一整流滤波输出电压被分成两部分：一部分是负载得到的直流输出电压部分是负载得到的直流输出电压U0，另，另一部分则是降在调整元件上的电压一部分则是降在调整元件上的电压UR，电路工作时，稳压管处于反向电路工作时，稳压管处于反向击穿状态

13、，电阻击穿状态，电阻R中流过的电流一部分流入中流过的电流一部分流入稳压二极管形成稳压管电流稳压二极管形成稳压管电流Iz，另一部分则提供给负载电阻，另一部分则提供给负载电阻RL，iOiZZLZLL,UUUUUIIIIIRRR 如果电阻如果电阻R取值太小，则稳压管中的电流将可能太大而损坏取值太小，则稳压管中的电流将可能太大而损坏器件，所以，该电阻又称为限流电阻。器件，所以，该电阻又称为限流电阻。 输出电压的数值直接由输出电压的数值直接由稳压管的参数确定稳压管的参数确定(Uz)。构造电路时要根据需要选择稳压管。构造电路时要根据需要选择稳压管。ZOZMOMiO1.5 32 3UUIIUU 要使稳压管正

14、常工作，则其电流必须在要使稳压管正常工作，则其电流必须在IZ IZM之间。如果之间。如果负载电流的变化范围为负载电流的变化范围为ILm ILM，电源电压波动使滤波输出电压电源电压波动使滤波输出电压 Ui的变化范围为的变化范围为Uimin Uimax限流电阻的取值范围为限流电阻的取值范围为imaxziminzZMLmZLMUUUURIIIIR 承受的最大可承受的最大可能电压能电压R 承受的最小可承受的最小可能电压能电压R 允许流过的最允许流过的最大电流大电流R 必须流过的最必须流过的最小电流小电流如果无法由此式确定限流电阻，则稳压管稳压电路将无法满如果无法由此式确定限流电阻，则稳压管稳压电路将无

15、法满足工作要求，必须更换稳压管或采用其它形式稳压电路。足工作要求，必须更换稳压管或采用其它形式稳压电路。例：电路如图，已知例：电路如图，已知Ui=30V，稳压管，稳压管DZ(2CW18)的稳定电压的稳定电压UZ=10V，最小稳定电流，最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流，最大稳定电流IZmax= 20mA，负载电阻负载电阻RL=2k 。求当。求当Ui变化变化 10%时，电阻时，电阻R的取值范围？的取值范围？输出电压输出电压 OZ10VUU负载电流负载电流 OOL10mA5mA2UIRimaxiimini1.133V0.927VUUUU整流滤波输出电压整流滤波输出电压 imaxOimin

16、OZMOZOUUUURIIII33 100.92k205 27 101.7k55n电压可调的稳压二极管稳压电路电压可调的稳压二极管稳压电路F0Z1RUUR F0Z1(1)RUUR运算放大器直接由整流滤波电路供电（未稳压）运算放大器直接由整流滤波电路供电（未稳压）稳压管稳压电路虽然简单，但存在以下问题稳压管稳压电路虽然简单，但存在以下问题n稳压值只能由稳压管的型号决定，不能调节；稳压值只能由稳压管的型号决定，不能调节；n输出电流受输出电流受IZM的限制，调节范围和数值都较小；的限制，调节范围和数值都较小；n输出电阻输出电阻RO比较大，输出电压的稳定性较差。比较大，输出电压的稳定性较差。稳压管稳压

17、电路只能用在输出直流电压固定且负载电流不稳压管稳压电路只能用在输出直流电压固定且负载电流不大的场合。在电子系统中，应用较为广泛的是串联型稳压器大的场合。在电子系统中，应用较为广泛的是串联型稳压器和开关型稳压器。和开关型稳压器。n稳压二极管稳压电路虽然结构简单，但带负载能力差，一般只提供稳压二极管稳压电路虽然结构简单，但带负载能力差，一般只提供基准电压，不能为电源使用。基准电压，不能为电源使用。n为扩大集成运放输出电流的变化范围，将电路中运放的输出端接到为扩大集成运放输出电流的变化范围，将电路中运放的输出端接到大功率晶体管大功率晶体管T的基极，而从的基极，而从T的发射极输出电压，得到稳压电源电的

18、发射极输出电压，得到稳压电源电路，由于起调整作用的核心元件路，由于起调整作用的核心元件晶体管晶体管T与负载与负载RL串联且工作于串联且工作于线性放大区，故称为线性放大区，故称为“串联型线性稳压电源串联型线性稳压电源”。n串联型稳压电路串联型稳压电路串联型直流稳压器由调整管、取样电路、基准电压和比较放大串联型直流稳压器由调整管、取样电路、基准电压和比较放大器等几部分组成。器等几部分组成。n基准电压基准电压UZ由稳压二极管产生；由稳压二极管产生；n取样电路对输出直流电压进行取样，得到与输出电压成比取样电路对输出直流电压进行取样，得到与输出电压成比例的取样电压例的取样电压US，取样电路常由电阻分压电

19、路构成；，取样电路常由电阻分压电路构成；n比较放大电路对取样电压和基准电压进行比较，输出控制比较放大电路对取样电压和基准电压进行比较，输出控制信号控制调整管工作；信号控制调整管工作；n由比较放大电路控制调整管电压由比较放大电路控制调整管电压UT，使输出电压与基准电，使输出电压与基准电压保持恒定的比例关系，达到稳定输出电压的目的。压保持恒定的比例关系，达到稳定输出电压的目的。稳压过程稳压过程 U1 RL UO US US US UT UO=U1 UT典型串联型稳压器电路典型串联型稳压器电路 2SO12RUURRO1TUUUSZ0.7VUUTU SZ0.7VUUTU SZ0.7VUU12OZ2(0

20、.7V)RRUUR可调输出串联型直流稳压电路可调输出串联型直流稳压电路 2W2OSO12W12WRRRUUURRRRRRO1TUUUSZ0.7VUU1W1ZOZ2W2(1)(0.7V)(1)(0.7V)RRRUUURRR为了保证调整管（参考第为了保证调整管（参考第6章有关晶体管的内容）始终处章有关晶体管的内容）始终处于线性区，要求串联型稳压电路调整管上调整电压应不低于于线性区，要求串联型稳压电路调整管上调整电压应不低于23V（最不利状况下），输出电流完全流过调整管，因此，调（最不利状况下），输出电流完全流过调整管，因此，调整管上消耗功率较大，在选用调整管时应充分考虑功率容量，整管上消耗功率较大

21、，在选用调整管时应充分考虑功率容量，同时要做好调整管的散热处理。同时要做好调整管的散热处理。串联型稳压电路在小功率电子设备中得到广泛的应用，基串联型稳压电路在小功率电子设备中得到广泛的应用，基于这种稳压电路的结构，已经推出了将稳压电路集成在一起的于这种稳压电路的结构，已经推出了将稳压电路集成在一起的单片集成稳压电路。单片集成稳压电源具有体积小、可靠性高、单片集成稳压电路。单片集成稳压电源具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。使用灵活、价格低廉等优点。n集成稳压电路集成稳压电路W78xxINOUTGND正电压输出正电压输出正电压输入正电压输入W79xxINOUTGND负电压输出负电压输

22、出负电压输入负电压输入金属圆壳式金属圆壳式塑料截圆式塑料截圆式W7800、W7900系列三端集成稳压器引脚系列三端集成稳压器引脚金属封装金属封装塑料封装塑料封装INGNDOUTINGNDOUTW7800132123W78M00132123W78L00132123W7900132123W79M00132123W79L00132123封装封装引脚引脚系列系列三端集成稳压器典型接法三端集成稳压器典型接法无极性高频电容主要用于无极性高频电容主要用于消除寄生振荡，必须在稳消除寄生振荡，必须在稳压器引脚根部连接。极性压器引脚根部连接。极性电容起输出电压进一步滤电容起输出电压进一步滤波作用。注意极性不能接波

23、作用。注意极性不能接反。反。二极管用于保护稳压器，二极管用于保护稳压器，正常工作时，二极管反向正常工作时，二极管反向偏置，处于截止状态，在偏置，处于截止状态，在错误连接情况下，二极管错误连接情况下，二极管导通，保护稳压器。导通，保护稳压器。提高输出电压的电路提高输出电压的电路321+_+_COCiW78xxUiUOUZUxx固定输出电压固定输出电压:UO= UXX + UZ提高输出电流的电路提高输出电流的电路IO= I2 + IC 当当 IO较小时，较小时，UR较小，较小，T截止截止 ，IC=0。正、负电压同时输出的电路正、负电压同时输出的电路提高输出电压的电路提高输出电压的电路Uxx为为78

24、xx稳压器的固定输出电压，电路输出电压稳压器的固定输出电压，电路输出电压UO为为UO=Uxx+UZ 输出电压可调的稳压电源输出电压可调的稳压电源三端可调式集成稳压器，三端可调式集成稳压器，其三个接线端分别为输入其三个接线端分别为输入端端IN（UI）、输出端）、输出端OUT（ UO） 和 调 节 端） 和 调 节 端 A D J (adjust)。工作中工作中LM117的的IADJ=50mA，由于调整端电流，由于调整端电流IADJ输入电流输入电流IIN，可以忽略，输出端和调节端之间形成，可以忽略，输出端和调节端之间形成1.25V的基准电压的基准电压UREF，该基准电压加在电阻，该基准电压加在电阻

25、R1上，产生恒定电流，再流过输出上，产生恒定电流，再流过输出电阻电阻R2，得到的输出电压为，得到的输出电压为REF22OADJ2REFREFADJ2REF111()(1)(1)URRUIRUUIRURRR同时输出可调正、负电压的稳压电路同时输出可调正、负电压的稳压电路串联型稳压器的调整管必须工作在线性放大区，调整管功串联型稳压器的调整管必须工作在线性放大区，调整管功耗大，稳压电源的效率一般低于耗大，稳压电源的效率一般低于50。且需加装体积较大的散。且需加装体积较大的散热板。热板。开关型稳压器的调整管一般以开关型稳压器的调整管一般以10100kHz的频率反复翻转的频率反复翻转于饱和区和截止区的开

26、关工作状态，功耗很低，电源效率可以于饱和区和截止区的开关工作状态，功耗很低，电源效率可以提高到提高到8090。开关型稳压器能够得到低于或高于输入电。开关型稳压器能够得到低于或高于输入电压的输出电压，也能得到与输入电压相反极性的输出电压，还压的输出电压，也能得到与输入电压相反极性的输出电压，还可以将开关脉冲信号通过高频变压器的多个次级绕组输出，经可以将开关脉冲信号通过高频变压器的多个次级绕组输出，经整流滤波后得到不同极性、数值的多个直流输出电压。开关型整流滤波后得到不同极性、数值的多个直流输出电压。开关型稳压器体积小、重量轻，对电网电压的波动要求低。稳压器体积小、重量轻，对电网电压的波动要求低。由于开关型稳压器的调整管工作于开关状态，输出的脉动由于开关型稳压器的调整管工作于开关状态，输出的脉动较大，会产生尖峰干扰和谐波干扰。较大，会产生尖峰干扰和谐波干扰。开关型稳压器的基本结构开关型稳压器的基本结构 与串联线性稳压器相比，开关型稳压器增加了开关控制和与串联线性稳压器相比，开关型稳压器增加了开关控制和续流滤波电路，调整管采用开关型晶体管。续流滤波电路，调整管采用开关型晶体管。开关型稳压器的原理电路开关型稳压器的原理电路 其中：其中：T为工作在开关状态的调整元件。电感为工作