第11章1线性电源-《电路与模拟电子技术原理》课件

电路与模拟电子技术

原理第十一章直流稳压电源14:22:171电路与模拟电子技术

原理第十一章08:24:411第11章直流稳压电源11.1整流-滤波电源11.2线性稳压电源11.3开关稳压电源11.4电容变压电路11.5无变压器直流变压电路的设计思路分析14:22:172第11章直流稳压电源11.1整流-滤波电源08:2411.1整流-滤波电源11.1.1整流：交流电变单向电11.1.2滤波：脉动电变直流电11.1.3整流-滤波电源的组成14:22:17311.1整流-滤波电源11.1.1整流：交流电变单向直流稳压电源的功能直流稳压电源的作用是把交流电网电压变为稳定的直流电压。需要怎样的电路，才能把交流电变为直流电？14:22:174直流稳压电源的功能直流稳压电源的作用是把交流电网电压变为稳定11.1.1整流：交流电变单向电把交流电变为直流电的思路很简单：让图11-1中的负载RL与具有单向导电特性的器件相串联，则RL上就只能得到一个方向的电流，这样的电路称为整流电路。凡是具有单向导电性的器件，均可用作整流器件，例如二极管14:22:17511.1.1整流：交流电变单向电把交流电变为直流电的思路1．二极管半波整流输入正弦电压ui时，输出端只能得到输入电压的正半周。

输出端只得到输入波形的一半14:22:1761．二极管半波整流输入正弦电压ui时，输出端只能得到输入电压2．二极管全波整流（桥式）四个二极管被接成桥式电路，它可以把电源的正负半周都输出到负载上面，这就把电源利用率提高了一倍14:22:1772．二极管全波整流（桥式）四个二极管被接成桥式电路，它可以把桥式整流电路桥式整流电路中的负载电流轮流使用两对二极管中的一对。在输入交流电的一个周期中，负载电阻都能够获得电流，而每对二极管的导通时间却仅为半个周期，所以桥式整流电路中流过负载的电流为流过二极管电流的2倍。14:22:178桥式整流电路桥式整流电路中的负载电流轮流使用两对二极管中的一桥式整流电路的其他画法14:22:179桥式整流电路的其他画法08:24:4293．脉动直流电方向虽然不变，幅度却仍然做周期性的变化不论是半波整流还是全波整流电路，所输出的都是单向脉动电。14:22:17103．脉动直流电方向虽然不变，幅度却仍然做周期性的变化08:211.1.2滤波：脉动电变直流电要减小整流输出的波动，可以从两个角度考虑，一是抑制电压的波动，自然也就抑制了电流的波动；二是抑制电流的波动，自然也就抑制了电压的波动。电容元件与负载电阻并联，就可以抑制负载电压的波动。电感元件与负载电阻串联，就可以抑制负载电流的波动。14:22:171111.1.2滤波：脉动电变直流电要减小整流输出的波动，可5．自激振荡：正弦波振荡器的实质整流输出单向电中的脉动成分也叫纹波（Ripple），实际上就是在直流成分中所夹杂的交流成分。纹波越大，说明整流输出中的交流成分越多。要想让整流输出平滑起来，就必须过滤掉整流输出中的交流成分，所以上述实现整流输出波形平滑的电路也称为滤波电路。14:22:17125．自激振荡：正弦波振荡器的实质整流输出单向电中的脉动成分也10.1.2正弦波振荡器的组成在整流电路输出端并联电容器，即构成电容滤波电路；在整流电路输出端串联电感器，即构成电感滤波电路14:22:171310.1.2正弦波振荡器的组成在整流电路输出端并联电容器1．滤波原理以电容滤波为例放电时间常数RLC的值越大，电容C放电越慢，负载RL上所得到的输出电压越平滑，电容滤波的效果越好。14:22:17141．滤波原理以电容滤波为例08:24:42142．复合滤波电路同时利用电容器抑制电压波动，和电感器抑制电流波动14:22:17152．复合滤波电路同时利用电容器抑制电压波动，和电感器抑制电流RC滤波电路由于电感体积较大，常用电阻代替电容滤波电路用得最为广泛。14:22:1716RC滤波电路由于电感体积较大，常用电阻代替08:24:43111.1.3整流-滤波电源的组成整流输出的单向脉动电，经过滤波电路过滤之后，已经变得很平滑了，只要滤波电路的放电时间常数足够大，输出电压中的纹波电压就可以做到足够小，输出波形已经足够平滑，基本可以认为是直流电了。14:22:171711.1.3整流-滤波电源的组成整流输出的单向脉动电，经全波整流、电容滤波电路的输出全波整流、电容滤波电路正常工作时，滤波电路的输出电压在0.9Ui～1.4Ui之间。

空载（负载开路，即RL＝∞）时最大重载（RLC＝0）时最小14:22:1718全波整流、电容滤波电路的输出全波整流、电容滤波电路正常工作时全波整流、电容滤波电路的参数滤波电路的放电时间常数不能太小，通常取其中T为电网周期，并用下式来估算输出电压的平均值14:22:1719全波整流、电容滤波电路的参数滤波电路的放电时间常数不能太小，添加降压变压器如果把整流电路直接接到220V、50Hz的单相交流电上，在滤波电路的输出端将获得264V的直流电压，这个电压显然太高了，必须把它降下来。14:22:1720添加降压变压器如果把整流电路直接接到220V、50Hz的单相整流-滤波电源的组成框图根据Uo计算U2，再根据U1和U2的比值确定变压器的匝数比。

14:22:1721整流-滤波电源的组成框图根据Uo计算U2，再根据U1和U2的整流-滤波电源不稳定整流-滤波电源结构简单，它所输出的直流电压已经可以作为诸如直流电机等设备的电源了。但是，它依然不稳定，所谓稳定，指的是当使用环境发生变化时，设备的性能不变。14:22:1722整流-滤波电源不稳定整流-滤波电源结构简单，它所输出的直流电整流-滤波电源不稳定（续）直流稳压电源的使用环境，主要指的是作为输入的电网电压，和作为输出的负载。整流-滤波电源对电网电压的波动完全没有抵抗能力，其输出电压随着电网电压的波动而波动；同样，当负载变化时，滤波电路的放电时间常数随之改变，这必然导致滤波电路的输出电压随负载大小的改变而改变。14:22:1723整流-滤波电源不稳定（续）直流稳压电源的使用环境，主要指的是整流-滤波电源不稳定（续）整流-滤波电源无法获得稳定的直流电压，其输出电压随电网电压和负载的变化而改变。对于很多半导体器件来说，这样的电源无法保证其正常使用，所以必须寻找能够稳定输出电压的方案，使其不受电网电压和负载改变的影响。14:22:1724整流-滤波电源不稳定（续）整流-滤波电源无法获得稳定的直流电第11章直流稳压电源11.1整流-滤波电源11.2线性稳压电源11.3开关稳压电源11.4电容变压电路11.5无变压器直流变压电路的设计思路分析14:22:1725第11章直流稳压电源11.1整流-滤波电源08:2411.2线性稳压电源已知哪些能获得稳定电压的方案？稳压二极管电压负反馈14:22:172611.2线性稳压电源已知哪些能获得稳定电压的方案？08:11.2线性稳压电源11.2.1并联稳压管稳压电路11.2.2负反馈并联稳压电路11.2.3串联调整管稳压电路11.2.4线性稳压电源的组成14:22:172711.2线性稳压电源11.2.1并联稳压管稳压电路011.2.1并联稳压管稳压电路稳压管在是通过改变自身电流来维持两端电压不变的，从这个意义上说，稳压管Dz相当于一个可变电阻，电压不变电流改变相当于改变了其自身的阻值。

14:22:172811.2.1并联稳压管稳压电路稳压管在是通过改变自身电流11.2.2负反馈并联稳压电路并联稳压管稳压电路只能获得与稳压管击穿电压Uz相等的输出电压，这限制了它的应用。单纯依靠稳压管显然不能满足实际需要，为了获得更多等级的直流电压，应考虑能否利用负反馈放大电路来实现直流稳压的要求。

14:22:172911.2.2负反馈并联稳压电路并联稳压管稳压电路只能获得思考的起点：负反馈首先画出负反馈框图如图11-12(a)所示，我们需要使用这种思路去实现一个能够输出稳定直流电压的电路14:22:1730思考的起点：负反馈首先画出负反馈框图如图11-12(a)所示解决方案：确定输出要稳定直流输出电压Uo，所以应该引入直流电压负反馈；

14:22:1731解决方案：确定输出要稳定直流输出电压Uo，所以应该引入直流电解决方案：确定输入要稳定负反馈网络的输出电压Uo，就必须保证负反馈网络的输入信号XREF也是稳定的，由于稳压管的反向击穿电压Uz很稳定，所以可以把稳压管的稳定电压Uz作为负反馈网络的输入信号，即令XREF＝Uz，14:22:1732解决方案：确定输入要稳定负反馈网络的输出电压Uo，就必须保证解决方案：确定输入（续）由此可以得到如图11-10(b)所示的输入电路，所以XREF应该是参考电压UREF。14:22:1733解决方案：确定输入（续）由此可以得到如图11-10(b)所示解决方案：确定整体反馈类型整个负反馈网络的输出是电压信号，输入也是电压信号，所以应该采用电压串联负反馈。我们需要构建一个以稳压管的Uz作为输入的电压串联负反馈放大电路。

14:22:1734解决方案：确定整体反馈类型整个负反馈网络的输出是电压信号，输负反馈并联稳压电路14:22:1735负反馈并联稳压电路08:24:4635计算负反馈并联稳压电路的输出利用深度负反馈条件下的“虚短虚断法”或“反馈系数法”均可计算输出电压Uo的值。

（请自行推导，作为负反馈的应用）（教材已给出完整过程）14:22:1736计算负反馈并联稳压电路的输出利用深度负反馈条件下的“虚短虚负反馈并联稳压电路的缺点图11-13(a)所示的集成运算放大器并联稳压电路中，负载电流来自运算放大器的输出端，而运放的输出电流能力是有限的；图11-13(b)的晶体管并联稳压电路中，向负载输出电流必须经过集电极电阻R4，电流太大时，R4的压降将降低负载上的输出电压。所以，负反馈并联稳压电路虽然实现了基准电压的放大，但是其带负载能力不足。14:22:1737负反馈并联稳压电路的缺点图11-13(a)所示的集成运算放大11.2.3串联调整管稳压电路为增强并联稳压电路的带负载能力，可以把基准电压放大之后的电压kUz，送到电压跟随器的输入端，利用晶体管的电流放大能力向负载提供更大的电流。

14:22:173811.2.3串联调整管稳压电路为增强并联稳压电路的带负载串联调整管稳压电路（续）14:22:1739串联调整管稳压电路（续）08:24:4639串联调整管稳压电路（续）14:22:1740串联调整管稳压电路（续）08:24:4640串联调整管稳压电路（续）作为电压跟随器，晶体管T2在保留并联稳压电路电压放大能力的同时，还大大增加了输出电流的能力，所以电路的带负载能力也得到了增强。这说明，串联调整管稳压电路既能输出稳定电压、又能输出足够的电流。

14:22:1741串联调整管稳压电路（续）作为电压跟随器，晶体管T2在保留并联串联集成稳压器把串联调整管稳压电路集成到一起，就构成了串联集成稳压器。在小功率直流电源中使用的三端集成稳压器，其输入端口和输出端口公用了一个端子，所以对外只有输入端、输出端、公共端三个接线端子。W78XX系列输出正电压W79XX系列输出负电压，14:22:1742串联集成稳压器把串联调整管稳压电路集成到一起，就构成了串联集11.2.4线性稳压电源的组成在整流-滤波电源的基础上，增加串联调整管稳压环节，就得到了一个完整的直流稳压电源，由于其中调整管工作于线性放大状态，所以称为线性稳压电源该电路能够把交流电变为直流电，所以也叫做交流-直流变换器（AC-DCconverter）14:22:174311.2.4线性稳压电源的组成在整流-滤波电源的基础上，线性稳压电压的组成和各点波形14:22:1744线性稳压电压的组成和各点波形08:24:4744线性稳压电源的缺点：笨重为增前原、副边绕组的耦合性能，工频变压器的绕组匝数很多，铁芯也很大，所以串联稳压源中所使用的变压器都比较重。14:22:1745线性稳压电源的缺点：笨重为增前原、副边绕组的耦合性能，工频变线性稳压电源的调整能力有限同时，串联稳压电路所用的调整管T3，相当于在负载电阻上串联了一个可变电阻。14:22:1746线性稳压电源的调整能力有限同时，串联稳压电路所用的调整管T3线性稳压电源的调整能力有限（续）线性稳压电源的调整能力依赖于调整管等效电阻RT3的改变，如果输入电压的波动太大，将超过调整管的调整能力。

14:22:1747线性稳压电源的调整能力有限（续）线性稳压电源的调整能力依赖于线性稳压电源的损耗大由于RT3实际上是调整管T3集电极与发射极之间的电阻Rce，对于一个工作在线性放大区的晶体管而言，无论如何Rce也不会太小，所以RT3的阻值也不可能太小。当负载电流流过与之串联的调整管T3时，将在其等效电阻RT3上损失一部分能量，所以长时间工作的串联稳压电源往往会发热，这增加电源电路自身的损耗。

14:22:1748线性稳压电源的损耗大由于RT3实际上是调整管T3集电极与发射线性稳压电源优缺点总结线性稳压电源有着结构简单、元件少、纹波小的优点，也存在笨重、损耗大、稳压能力小的缺点。对输入的交流电源来说，线性稳压电源的典型转换效率为50%左右，典型的输入电压允许波动范围是±10%。14:22:1749线性稳压电源优缺点总结线性稳压电源有着结构简单、元件少、纹波电路与模拟电子技术

原理第十一章直流稳压电源14:22:1750电路与模拟电子技术

原理第十一章08:24:411第11章直流稳压电源11.1整流-滤波电源11.2线性稳压电源11.3开关稳压电源11.4电容变压电路11.5无变压器直流变压电路的设计思路分析14:22:1751第11章直流稳压电源11.1整流-滤波电源08:2411.1整流-滤波电源11.1.1整流：交流电变单向电11.1.2滤波：脉动电变直流电11.1.3整流-滤波电源的组成14:22:175211.1整流-滤波电源11.1.1整流：交流电变单向直流稳压电源的功能直流稳压电源的作用是把交流电网电压变为稳定的直流电压。需要怎样的电路，才能把交流电变为直流电？14:22:1753直流稳压电源的功能直流稳压电源的作用是把交流电网电压变为稳定11.1.1整流：交流电变单向电把交流电变为直流电的思路很简单：让图11-1中的负载RL与具有单向导电特性的器件相串联，则RL上就只能得到一个方向的电流，这样的电路称为整流电路。凡是具有单向导电性的器件，均可用作整流器件，例如二极管14:22:175411.1.1整流：交流电变单向电把交流电变为直流电的思路1．二极管半波整流输入正弦电压ui时，输出端只能得到输入电压的正半周。

输出端只得到输入波形的一半14:22:17551．二极管半波整流输入正弦电压ui时，输出端只能得到输入电压2．二极管全波整流（桥式）四个二极管被接成桥式电路，它可以把电源的正负半周都输出到负载上面，这就把电源利用率提高了一倍14:22:17562．二极管全波整流（桥式）四个二极管被接成桥式电路，它可以把桥式整流电路桥式整流电路中的负载电流轮流使用两对二极管中的一对。在输入交流电的一个周期中，负载电阻都能够获得电流，而每对二极管的导通时间却仅为半个周期，所以桥式整流电路中流过负载的电流为流过二极管电流的2倍。14:22:1757桥式整流电路桥式整流电路中的负载电流轮流使用两对二极管中的一桥式整流电路的其他画法14:22:1758桥式整流电路的其他画法08:24:4293．脉动直流电方向虽然不变，幅度却仍然做周期性的变化不论是半波整流还是全波整流电路，所输出的都是单向脉动电。14:22:17593．脉动直流电方向虽然不变，幅度却仍然做周期性的变化08:211.1.2滤波：脉动电变直流电要减小整流输出的波动，可以从两个角度考虑，一是抑制电压的波动，自然也就抑制了电流的波动；二是抑制电流的波动，自然也就抑制了电压的波动。电容元件与负载电阻并联，就可以抑制负载电压的波动。电感元件与负载电阻串联，就可以抑制负载电流的波动。14:22:176011.1.2滤波：脉动电变直流电要减小整流输出的波动，可5．自激振荡：正弦波振荡器的实质整流输出单向电中的脉动成分也叫纹波（Ripple），实际上就是在直流成分中所夹杂的交流成分。纹波越大，说明整流输出中的交流成分越多。要想让整流输出平滑起来，就必须过滤掉整流输出中的交流成分，所以上述实现整流输出波形平滑的电路也称为滤波电路。14:22:17615．自激振荡：正弦波振荡器的实质整流输出单向电中的脉动成分也10.1.2正弦波振荡器的组成在整流电路输出端并联电容器，即构成电容滤波电路；在整流电路输出端串联电感器，即构成电感滤波电路14:22:176210.1.2正弦波振荡器的组成在整流电路输出端并联电容器1．滤波原理以电容滤波为例放电时间常数RLC的值越大，电容C放电越慢，负载RL上所得到的输出电压越平滑，电容滤波的效果越好。14:22:17631．滤波原理以电容滤波为例08:24:42142．复合滤波电路同时利用电容器抑制电压波动，和电感器抑制电流波动14:22:17642．复合滤波电路同时利用电容器抑制电压波动，和电感器抑制电流RC滤波电路由于电感体积较大，常用电阻代替电容滤波电路用得最为广泛。14:22:1765RC滤波电路由于电感体积较大，常用电阻代替08:24:43111.1.3整流-滤波电源的组成整流输出的单向脉动电，经过滤波电路过滤之后，已经变得很平滑了，只要滤波电路的放电时间常数足够大，输出电压中的纹波电压就可以做到足够小，输出波形已经足够平滑，基本可以认为是直流电了。14:22:176611.1.3整流-滤波电源的组成整流输出的单向脉动电，经全波整流、电容滤波电路的输出全波整流、电容滤波电路正常工作时，滤波电路的输出电压在0.9Ui～1.4Ui之间。

空载（负载开路，即RL＝∞）时最大重载（RLC＝0）时最小14:22:1767全波整流、电容滤波电路的输出全波整流、电容滤波电路正常工作时全波整流、电容滤波电路的参数滤波电路的放电时间常数不能太小，通常取其中T为电网周期，并用下式来估算输出电压的平均值14:22:1768全波整流、电容滤波电路的参数滤波电路的放电时间常数不能太小，添加降压变压器如果把整流电路直接接到220V、50Hz的单相交流电上，在滤波电路的输出端将获得264V的直流电压，这个电压显然太高了，必须把它降下来。14:22:1769添加降压变压器如果把整流电路直接接到220V、50Hz的单相整流-滤波电源的组成框图根据Uo计算U2，再根据U1和U2的比值确定变压器的匝数比。

14:22:1770整流-滤波电源的组成框图根据Uo计算U2，再根据U1和U2的整流-滤波电源不稳定整流-滤波电源结构简单，它所输出的直流电压已经可以作为诸如直流电机等设备的电源了。但是，它依然不稳定，所谓稳定，指的是当使用环境发生变化时，设备的性能不变。14:22:1771整流-滤波电源不稳定整流-滤波电源结构简单，它所输出的直流电整流-滤波电源不稳定（续）直流稳压电源的使用环境，主要指的是作为输入的电网电压，和作为输出的负载。整流-滤波电源对电网电压的波动完全没有抵抗能力，其输出电压随着电网电压的波动而波动；同样，当负载变化时，滤波电路的放电时间常数随之改变，这必然导致滤波电路的输出电压随负载大小的改变而改变。14:22:1772整流-滤波电源不稳定（续）直流稳压电源的使用环境，主要指的是整流-滤波电源不稳定（续）整流-滤波电源无法获得稳定的直流电压，其输出电压随电网电压和负载的变化而改变。对于很多半导体器件来说，这样的电源无法保证其正常使用，所以必须寻找能够稳定输出电压的方案，使其不受电网电压和负载改变的影响。14:22:1773整流-滤波电源不稳定（续）整流-滤波电源无法获得稳定的直流电第11章直流稳压电源11.1整流-滤波电源11.2线性稳压电源11.3开关稳压电源11.4电容变压电路11.5无变压器直流变压电路的设计思路分析14:22:1774第11章直流稳压电源11.1整流-滤波电源08:2411.2线性稳压电源已知哪些能获得稳定电压的方案？稳压二极管电压负反馈14:22:177511.2线性稳压电源已知哪些能获得稳定电压的方案？08:11.2线性稳压电源11.2.1并联稳压管稳压电路11.2.2负反馈并联稳压电路11.2.3串联调整管稳压电路11.2.4线性稳压电源的组成14:22:177611.2线性稳压电源11.2.1并联稳压管稳压电路011.2.1并联稳压管稳压电路稳压管在是通过改变自身电流来维持两端电压不变的，从这个意义上说，稳压管Dz相当于一个可变电阻，电压不变电流改变相当于改变了其自身的阻值。

14:22:177711.2.1并联稳压管稳压电路稳压管在是通过改变自身电流11.2.2负反馈并联稳压电路并联稳压管稳压电路只能获得与稳压管击穿电压Uz相等的输出电压，这限制了它的应用。单纯依靠稳压管显然不能满足实际需要，为了获得更多等级的直流电压，应考虑能否利用负反馈放大电路来实现直流稳压的要求。

14:22:177811.2.2负反馈并联稳压电路并联稳压管稳压电路只能获得思考的起点：负反馈首先画出负反馈框图如图11-12(a)所示，我们需要使用这种思路去实现一个能够输出稳定直流电压的电路14:22:1779思考的起点：负反馈首先画出负反馈框图如图11-12(a)所示解决方案：确定输出要稳定直流输出电压Uo，所以应该引入直流电压负反馈；

14:22:1780解决方案：确定输出要稳定直流输出电压Uo，所以应该引入直流电解决方案：确定输入要稳定负反馈网络的输出电压Uo，就必须保证负反馈网络的输入信号XREF也是稳定的，由于稳压管的反向击穿电压Uz很稳定，所以可以把稳压管的稳定电压Uz作为负反馈网络的输入信号，即令XREF＝Uz，14:22:1781解决方案：确定输入要稳定负反馈网络的输出电压Uo，就必须保证解决方案：确定输入（续）由此可以得到如图11-10(b)所示的输入电路，所以XREF应该是参考电压UREF。14:22:1782解决方案：确定输入（续）由此可以得到如图11-10(b)所示解决方案：确定整体反馈类型整个负反馈网络的输出是电压信号，输入也是电压信号，所以应该采用电压串联负反馈。我们需要构建一个以稳压管的Uz作为输入的电压串联负反馈放大电路。

14:22:1783解决方案：确定整体反馈类型整个负反馈网络的输出是电压信号，输负反馈并联稳压电路14:22:1784负反馈并联稳压电路08:24:4635计算负反馈并联稳压电路的输出利用深度负反馈条件下的“虚短虚断法”或“反馈系数法”均可计算输出电压Uo的值。

（请自行推导，作为负反馈的应用）（教材已给出完整过程）14:22:1785计算负反馈并联稳压电路的输出利用深度负反馈条件下的“虚短虚负反馈并联稳压电路的缺点图11-13(a)所示的集成运算放大器并联稳压电路中，负载电流来自运算放大器的输出端，而运放的输出电流能力是有限的；图11-13(b)的晶体管并联稳压电路中，向负载输出电流必须经过集电极电阻R4，电流太大时，R4的压降将降低负载上的输出电压。所以，负反馈并联稳压电路虽然实现了基准电压的放大，但是其带负载能力不足。14:22:1786负反馈并联稳压电路的缺点图11-13(a)所示的集成运算放大11.2.3串联调整管稳压电路为增强并联稳压电路的带负载能力，可以把基准电压放大之后的电压kUz，送到电压跟随器的输入端，利用晶体管的电流放大能力向负载提供更大的电流。

14:22:178711.2.3串联调整管稳压电路为增强并联稳压电路的带负载串联调整管稳压电路（续）14:22:1788串联调整管稳压电路（续）08:24:4639串联调整管稳压电路（续）14:22:1789串联调整管稳压电路（续）08:24:4640串联调整管稳压电路（续）作为电压跟随器，晶体管T2在保留并联稳压电路电压放大能力的同时，还大