第十章直流稳压电源

1、(9-1)第十章第十章 直流稳压电源直流稳压电源模拟电子线路模拟电子线路(9-2)第十章第十章 直流稳压电源直流稳压电源10.1 直流稳压电源的组成和功能直流稳压电源的组成和功能10.2 单相整流电路单相整流电路10.3 滤波电路滤波电路10.4 倍压整流电路的工作原理倍压整流电路的工作原理10.5 稳压电路稳压电路10.6 集成稳压电源集成稳压电源*(9-3) 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变为合适的交流变为合适的交流电压电压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整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳

2、压压 电电 路路 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变为平滑的直流电压电压u4。 稳稳压电路压电路: 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,保持保持输出电压输出电压uo的稳定。的稳定。10.1 直流稳压电源的组成和功能直流稳压电源的组成和功能(9-4)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，有单相半波、全波、常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。桥式和倍压

3、整流等。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。10.2 单相整流电路单相整流电路(9-5)10.2.1 单相半波整流电路的工作原理单相半波整流电路的工作原理u2 0 时，二极管时，二极管导通。导通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正忽略二极管正向压降：向压降： uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u20 时时D1,D3导通导通D2,D4截止截止电流通路电流通路:A D1RLD3Bu20 时时D2,D4导通导通D1,D3截止截止电流通路电流通路:B

4、 D2RLD4A输出是脉动的直流电压！输出是脉动的直流电压！u2tt桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2uD3,uD1tuou2D4D2D1D3RLuoAB(9-11)几种常见的硅整流桥外形：几种常见的硅整流桥外形：+ A C -+-+ - (9-12)10.2.4 整流电路的主要参数整流电路的主要参数 1. 整流输出电压平均值（整流输出电压平均值（Uo）全波整流时，负载电压全波整流时，负载电压 Uo的平均值为的平均值为:20290d21U.tuUoo负载上的负载上的(平均平均)电流电流:LLRU.I290一、整流输出电压的平均值与脉动系数

5、一、整流输出电压的平均值与脉动系数整流输出电压的平均值整流输出电压的平均值Uo和输出电压的脉动系数和输出电压的脉动系数S是是衡量整流电路性能的两个主要指标衡量整流电路性能的两个主要指标。(9-13)S定义：定义：整流输出电压的基波峰值整流输出电压的基波峰值Uo1m与平均值与平均值Uo之比。之比。2. 脉动系数脉动系数67032U22324221.UUUSomo用傅氏级数对全波整流的输出用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUuo(9-14)平均电流平均电流(ID)与反向峰值电压与反向峰值电压(URM)是选择整流管是选择整

6、流管的主要依据。的主要依据。LoDRU.II24502122UURM例如：例如： 在桥式整流电路中，每个二极管只有半周在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流流 ID是负载平均电流的一半。是负载平均电流的一半。二极管截止时两端承受的最大反向电压：二极管截止时两端承受的最大反向电压：二、平均电流与反向峰值电压二、平均电流与反向峰值电压(9-15)滤波电路的结构特点滤波电路的结构特点: 电容与负载电容与负载 RL 并联，或并联，或电感与负载电感与负载RL串联。串联。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直流

7、直流电压电压原理：原理：利用储能元件利用储能元件电容电容两端的电压两端的电压(或通过或通过电电感感中的电流中的电流)不能突变的特性不能突变的特性, 滤掉整流电滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成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。份，达到平滑输出电压波形的目的。10.3 滤波电路滤波电路(9-16)10.3.1 电容滤波电路电容滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。其电路如图所示。一、滤波原理一、滤波原理桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+(9-

8、17)1. RL未接入时未接入时(忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻)u2tuot设设t1时刻接时刻接通电源通电源t1整流电路为整流电路为电容充电电容充电充电结束充电结束没有电容没有电容时的输出时的输出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+(9-18)2. RL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时 (忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻)u2tuot电容通过电容通过RL放电，放电，在整流电路电压小在整流电路电压小于电容电压时，二于电容电压时，二极管截止，整流电极管截止，整流电路不为电容充电，路不为电容充电，uo会逐渐下降。会逐渐下降。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+(

9、9-19)u2tuot只有整流电路输出只有整流电路输出电压大于电压大于uo时，才时，才有充电电流有充电电流iD 。因。因此整流电路的输出此整流电路的输出电流是脉冲波。电流是脉冲波。整流电路的整流电路的输出电流输出电流iDau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+iD可见，采用电容滤可见，采用电容滤波时，整流管的导波时，整流管的导通角较小。通角较小。(9-20)u2tuot电容充电时，电容电容充电时，电容电压滞后于电压滞后于u2。整流电路的整流电路的输出电流输出电流RLC越小，输出电越小，输出电压越低。压越低。3. RL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时 (考虑整流电路内阻考虑整流电路内

10、阻)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+(9-21)一般取一般取2)53(TCRLd(T:电源电压的周期电源电压的周期)近似估算近似估算:Uo=1.2U2。(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 Uo越高越高 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故一般选管时，取故一般选管时，取LoLDFRUII21)32(2)32(二、电容滤波电路的特点二、电容滤波电路的特点(1) 输出电压输出电压 Uo与放电时间常数与放电时间常数 RLC 有关。有关。RLC 愈大愈大 电容器放电愈慢电

11、容器放电愈慢 Uo(平均值平均值)愈大愈大(9-22)输出波形随负载电阻输出波形随负载电阻 RL 或或 C 的变化而改变的变化而改变, Uo 和和S 也随之改变。也随之改变。如如: RL 愈小愈小( IL 越大越大), Uo下降多下降多, S 增大。增大。结论：结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流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。较小且负载变动不大的场合。(3) 输出特性输出特性(外特性外特性)uo电容电容滤波滤波纯电阻负载纯电阻负载1.4U20.9U20IL(9-23)10.3.2 电感滤波电感滤波电路结构电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感

12、在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。就构成了电感滤波电路。电感滤波电路电感滤波电路u2u1RLLuo(9-24)一、滤波原理一、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，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。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(9-25)二、电感滤波的特点二、电感滤波的特点

13、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。u2u1RLLuo(9-26)*10.3.3 其他形式的滤波电路其他形式的滤波电路改善滤波特性的方法：改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：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

14、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。(9-27)uoRu2u1C1C2uo1 RL一、一、 RC 型滤波电路型滤波电路设设uo1的直流分量为的直流分量为U O，交流分量的基波的幅，交流分量的基波的幅值为值为U O1m，则：，则：uo的直流分量：的直流分量：oLLoURRRU(9-28)uoRu2u1C1C2uo1 RLuo的交流分量的基波的幅值：的交流分量的基波的幅值：moCLCLmoUXRRXRU1221)j/()j/(moLLLmoUCRRCRRR

15、U122221)1()/(1(9-29)通常选择滤波元件的参数使得：通常选择滤波元件的参数使得：)/(12LRRCmoLLLmoURRCRRRU121)/(1moLLLmoUCRRCRRRU122221)1()/(1uo的脉动系数的脉动系数S与与uo1的脉动系数的脉动系数S 的关系：的关系：SRRCUURRCUUSLomoLomo)/(1)/(12121(9-30)二、二、 L-C 型滤波电路型滤波电路u2u1LuoCRLuo1设设uo1的直流分量为的直流分量为U O，交流分量的基波的幅，交流分量的基波的幅值为值为U O1m，：，：29 . 0 UUUoo67. 0SmoCLLCLmoUXRX

16、XRU11)j/(j)j/(9-31)moCLLCLmoUXRXXRU11)j/(j)j/(通常选择滤波元件的参数使得：通常选择滤波元件的参数使得：LRC1momoCLCmoULCUXXXU121111jjjuo的脉动系数的脉动系数S与与uo1的脉动系数的脉动系数S 的关系：的关系：SLCUULCUUSomoomo21211111(9-32)三、三、LC 型滤波电路型滤波电路u2u1LuoC2RLuo1C1显然，显然， LC 型滤波电路输出电压的脉动系型滤波电路输出电压的脉动系数比只有数比只有LC滤波时更小，滤波时更小，波形更加平滑波形更加平滑；由；由于在输入端接入了电容，因而较只有于在输入端

17、接入了电容，因而较只有LC滤波滤波时，时，提高了输出电压提高了输出电压。请自行分析请自行分析LC 型滤波电路的输出电压和脉动系型滤波电路的输出电压和脉动系数等基本参数。数等基本参数。(9-33)一、二倍压整流电路一、二倍压整流电路u2的正半周时：的正半周时：D1导通，导通，D2截止，理截止，理想情况下，电容想情况下，电容C1的电压充到：的电压充到：22Uu2的负半周时：的负半周时：D2导通，导通，D1截止，理截止，理想情况下，电容想情况下，电容C2的电压充到：的电压充到：22U负载上的电压：负载上的电压：222Uuo+u1u2+D1C2C1D2uoRL*10.4 倍压整流电路的工作原理倍压整流

18、电路的工作原理(9-34)+22U二、多倍压整流电路二、多倍压整流电路+222Uu2的第一个正半周：的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，构成回路，C1充充电到：电到：22Uu2的第一个负半周：的第一个负半周：u2、C2、D2 、C1构成回路，构成回路，C2充电到：充电到：222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6(9-35)+22U+222U+222U+222U+222U+222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周：的第二个正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2构成回构成回路，路， C1补充电荷，补充电荷，C3充电到：充电到

19、：222Uu2的第二个负半周：的第二个负半周： u2、C2、C4、D4、C3 、C1构构成回路，成回路， C2补充电荷，补充电荷， C4充电到：充电到：222U把电容接在相应电容组的两端，即可获把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。得所需的多倍压直流输出。(9-36)稳压管稳压管稳压电路稳压电路开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路( (小功率设备小功率设备) )以下主要讨以下主要讨论线性稳压论线性稳压电路。电路。电路最简单，电路最简单，但是带负载能但是带负载能力差，一般只力差，一般只提供基准电压，提供基准电压，不作为电源使不作为电源使

20、用。用。效率较高，效率较高，目前用的也目前用的也比较多，但比较多，但因学时有限，因学时有限，这里不做介这里不做介绍。绍。10.5 稳压电路稳压电路(9-37)10.5.1 串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路一、电路结构的一般形式一、电路结构的一般形式1. 串联式直流稳压电路的基本形式串联式直流稳压电路的基本形式负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（化量扩大（1+ ）倍。）倍。TUORL+UZUIiRiZiL实际上是射极输出实际上是射极输出器，器，Uo=UZ-UBE 。但带负载的能力比但带负载的能力比稳压管强。稳压管强。BZRiii, 0BE

21、Liii)1 (9-38)TUORL+UZUIiRiZiL串联式直流稳压电路的基本形式串联式直流稳压电路的基本形式两个主要缺点：两个主要缺点：(1) 稳压效果不好。稳压效果不好。 Uo=UZ UBE(2) 输出电压不可调。输出电压不可调。改进的方法：改进的方法：在稳压电路中引入带电压负在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。反馈的放大环节。(9-39)串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样串联式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。电路和调整元件四部分组成。T+_UIUO比较放大比较放大基基 准准取取 样样URFUO+_C2RL调整元件调整元件+2. 具有放大环节的串联

22、型稳压电路具有放大环节的串联型稳压电路(9-40)T+_UIUO比较放大比较放大基基 准准取取 样样URFUO+_C2RL调整元件调整元件+调整元件调整元件T：与负载串联，通过全部负载电流。可以与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。比较放大器：比较放大器：可以是可以是单管放大电路单管放大电路，差动放大电路差动放大电路，集成运算放大器集成运算放大器。基准电压：基准电压：可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压输出电压UO的一部分和基准电压相比较。的一部分和基准电压相比较。(9-41

23、)T+_UIUO比较放大比较放大基基 准准取取 样样URFUO+_C2RL调整元件调整元件+因调整管与负载接成射极输出器形式，因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为为深度串联电压负反馈，故称之为串串联反馈式稳压电路。联反馈式稳压电路。(9-42)一种实际的串联式稳压电源一种实际的串联式稳压电源二二 、稳压原理、稳压原理UoUB2UBE2( = UB2-UZ）UC2Uo当当 UI 增加或输出电流减小使增加或输出电流减小使 Uo升高时升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(9-43)三三 、输出电压的确定和调节范围、输出电压的确定和调节

24、范围 22221BEZWWOUURRRRRU R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2 2221minBEZWWOUURRRRRU 2221maxBEZWOUURRRRU (9-44)四四 、影响稳压特性的主要因素、影响稳压特性的主要因素 2. 流过稳压管的电压随流过稳压管的电压随 UI 波动，使波动，使UZ 不稳定，不稳定，降低了稳压精度。降低了稳压精度。1. 电路对电网电压的波动抑制能力较差。例：电路对电网电压的波动抑制能力较差。例：UIVC2 Uo R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB23. 温度变化时，温度变化时，T2组成的放大

25、电路产生零点组成的放大电路产生零点漂移，时输出电压的稳定度变差。漂移，时输出电压的稳定度变差。(9-45)五、改进措施五、改进措施在运放理想条件下在运放理想条件下:RRoUFURRU1)1 (21 1. 选用差动放大器或运放构成的放大器代替选用差动放大器或运放构成的放大器代替T2管构管构成的放大器，可以解决零点漂移的问题。成的放大器，可以解决零点漂移的问题。串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路UITR1R2UFRLUo AV+-RWRUZ(9-46)2. 采用辅助电源采用辅助电源(比较放大部分的电源比较放大部分的电源)。3. 用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益。用恒流源负载代替集电极电阻以提

26、高增益。4. 调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围。调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(9-47)*六六 、过流保护、过流保护 为避免使用中因某种原因输出短路或过载为避免使用中因某种原因输出短路或过载致使调整管流过很大的电流，使之烧坏故需有致使调整管流过很大的电流，使之烧坏故需有快速保护措施。常见保护电路有两类快速保护措施。常见保护电路有两类T1RT1IL1. 限流型：限流型：当调整管的电流超过额定值时，对调当调整管的电流超过额定值时，对调整管的基极电流进行分流，使发射极电流不至整管的基极电流进行分流，使发射极电流

27、不至于过大。于过大。当当IL不超过额定值不超过额定值时，时，T1截止；截止；当当IL超过额定值时，超过额定值时， T1导通，其集电极导通，其集电极从从T1的基极分流。的基极分流。R为一小电阻，用于检测负载电流。为一小电阻，用于检测负载电流。(9-48)2. 截流型截流型: 过流时使调整管截止或接近截止。过流时使调整管截止或接近截止。T1T2RLUO+_+UI+_R2R1R3R4输出电流在额定值以内时：输出电流在额定值以内时：三极管三极管T2截止，截止，这时，电压负反这时，电压负反馈保证电路正常馈保证电路正常工作。工作。UO U+ UO UB1 (9-49)输出电流超出额定值时：输出电流超出额定

28、值时：因输出电压降低，三极管因输出电压降低，三极管T2逐渐导通，逐渐导通，U+ ，稳，稳压管截止，电压负反馈被切断。这样压管截止，电压负反馈被切断。这样U+ UB1 UC1 (=UO) UB2 IC2 U+ T1T2RLUO+_+UI+_R2R1R3R4最终最终UO降降低到零。低到零。(9-50)七、串联反馈式稳压电路缺点七、串联反馈式稳压电路缺点损耗损耗 (P=UCE IL) 大大电源的效率电源的效率 ( =Po/Pi=UoIL/UiIi) 较低较低为了提高效率，可采用开关型稳压电源。为了提高效率，可采用开关型稳压电源。调整管工作在线性放大区，当负载电流较大时调整管工作在线性放大区，当负载电

29、流较大时:(9-51)10.5.2 稳压电路的主要性能指标稳压电路的主要性能指标一、稳压系数一、稳压系数 S稳压系数稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。量与输入电压的相对变化量之比。IIooUUUUS二、输出电阻二、输出电阻Ro输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电流变化量

30、之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。电路的内阻。(9-52)随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。成稳压器。本节主要介绍常用的本节主要介绍常用的W7800系列系列三端集成稳压三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。环节。10.6 集成稳压电源集成稳压电源(9-53)1端端: 输入端输入端2端端: 公共端公共