第10章直流稳压电源

第10章直流稳压电源10.1单相整流电路*10.2晶闸管可控整流电路10.3滤波电路10.4直流稳压电路正确理解直流稳压电源的组成和各部分的作用。掌握单相桥式整流电路的组成、工作原理及输出电压及电流平均值的估算。了解可控整流电路的组成及工作原理及参数估算；了解单结晶体管触发电路的组成及工作原理。掌握滤波电路的工作原理；稳压电路的作用。理解串联式直流稳压电源的组成和原理，了解三端集成稳压器的工作特点及典型应用电路。学习要求电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高,一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源。一般直流电源组成框图如图10-1所示。

整流电路是将工频交流电转换为脉动直流电。滤波电路将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。稳压电路采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。

图10-1整流滤波框图10.1单相整流电路单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图10-2a所示。在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图10-2a可知：当正半周时，二极管VD1、VD3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管VD2、VD4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图10-2b。10.1.1单相桥式整流电路工作原理a）桥式整流电路b）波形图图10-2单相桥式整流电路根据图10-2b可知，输出电压是单相脉动电压，常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为(10-1)流过负载的平均电流为(10-2)流过二极管的平均电流为(10-3)二极管所承受的最大反向电压(10-4)10.1.2参数计算(10-6)

(10-5)

流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。10.1.3单相桥式整流电路的负载特性曲线单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线如图10-3所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。图10-3桥式整流电路的负载特性曲线整流电路既有交流量，又有直流量，通常对输入（交流）用有效值或最大值；输出（交直流）用平均值；整流管正向电流用平均值；整流管反向电压用最大值。晶闸管的原理已在第7章作了介绍。由晶闸管组成的半波可控整流电路图10-4所示，其中负载电阻为RL，工作情况如图10-5所示。*10.2晶闸管可控整流电路

10.2.1单相半波可控整流电路图10-4晶闸管组成的半波整流电路由图10-5可见，在输入交流电压u的正半周时，晶闸管VT承受正向电压。在负半周时，晶闸管承受反向电压而关断，负载上的电压、电流均为零。在第二个正半周内，再在相应的ωt2时刻加入触发脉冲，晶闸管再次导通，使负载RL上得到如图10-5c所示的电压波形。图10-5d所示的波形为晶闸管所承受的正向和反向电压。最高正向和反向电压均为输入交流电压的幅值。图10-5电压电流波形图在晶闸管承受正向电压的时间内，改变控制极触发脉冲的加入时间（称为移相），负载上得到的电压波形随之改变。可见，移相可以控制负载电压的大小。晶闸管在加正向电压下不导通的区域称控制角α（又称移相角），如图10-5c所示。而导通区域称为导通角θ，可以看出导通角愈大，输出电压愈高，可控整流电路输出电压和输出电流的平均值分别为由此式可知，输出电压Uo的大小随α的大小而变化。当α=0时，Uo=0.45U，输出最大，晶闸管处于全导通状态；当α=π时,Uo=0,晶闸管处于截止状态。以上分析说明，只要适当改变控制角α，也就是控制触发信号的加入时间，就可灵活地改变电路的输出电压Uo。10.2.2单相半控桥式整流电路单相半波可控整流电路，虽然具有电路简单，使用元件少等优点，但输出电压脉动性大，电流小。单相半控桥式整流电路如图10-6所示，桥中有两个桥臂用晶闸管，另两个桥臂用二极管。图10-6单相半控桥式整流电路设u2=U2sinωt，当u2为正半轴时，瞬时极性为上“正”下“负”，VT1和VT4承受正向电压。若在t1时刻给VT1加触发脉冲，则VT1导通，负载上有电压Uo，电流通路为a→VT1→RL→VD2→b。当u2为负半轴时，晶闸管VT2和二极管VD1承受正向电压。在t2时刻给VT2加触发脉冲，VT2导通，电流通路为b→VT2→RL→VD1→a。显而易见，桥式整流的输出电压平均值要比单相半波整流大一倍，即(10-9)(10-10)10.2.3可控整流的触发电路产生和控制触发信号的电路称为触发电路，其工作性能的好坏对可控整流的效果有很大影响。触发电路种类很多，在此仅介绍常用的单结晶体管触发电路。单结晶体管原理及结构已在第7章作了介绍。利用单结晶体管的负阻效应并配以RC充放电回路，可以组成一个非正弦波的振荡电路，这个电路可产生可控整流电路中晶闸管所需要的触发脉冲电压。单结晶体管触发脉冲电路如图10-7a所示。1．单结晶体管触发电路图10-7单结晶体管触发脉冲电路a）触发脉冲电路b）触发脉冲波形在图10-7a所示电路中，接通电源以前UC=0，接通电源后，电源通过电阻R向C充电，当UC上升到峰点电压UP时，即UC=UP，单结晶体管导通，电容器C即通过VU管向R1放电。由于RB1的负阻特性，RB1的阻值在VU管导通后迅速下降，又因R1的阻值很小，故放电很快，使UC迅速下降，当UC放电到谷点电压时，即UC＜UV时，单结晶体管恢复截止。电源又通过电阻R向C充电，使UC再次等于UP，上述过程又重复进行。这样在电阻R1上就得到了一个又一个由电容器放电产生的脉冲电压Ug，因C放电很快，故Ug为尖脉冲电压，如图10-7b所示。在图10-7a所示电路中，R1上产生的脉冲电压Ug不一定能触发晶闸管，因为触发脉冲与被触发的晶闸管可控整流电路还存在一个同步问题，为了解决这一问题，通常采用单结晶体管同步触发电路，如图10-8所示。图10-8a所示电路为同步电压触发电路，T为同步变压器，它的初级与主电路接在同一电源上，与之同频率的次级电压经桥式整流、稳压，得到一个幅值为Ubo的梯形电压，如图10-8b所示，此电压作为单结晶体管的工作电压。2．单结晶体管同步触发电路图10-8a)单结晶体管同步触发电路当Ubo梯形电压由0上升时，电容器C开始充电。电容器C充电到单结晶体管峰点电压Up时，单结晶体管进入负阻区，电容器C放电，在R1上产生触发脉冲。电容器C放电到单结晶体管的谷点电压UV，当下一个Ubo梯形电压到来时，重复上述过程。主电路交流电源的半个周期内，可能产生多个触发脉冲，但起作用的只有第一个触发脉冲，去触发加有正向电压的那个晶闸管导通。电路中各点电压的波形如图10-8b所示。输出电流电压的大小，可以通过调节充电回路的电阻Rp来实现。改变Rp，即改变控制角α的大小，从而改变第一个实现脉冲输出时间，达到触发脉冲移相的目的。一般Rp愈小，α愈小，导通角θ愈大，输出平均值电压愈高。图10-8b)单结晶体管同步触发电路电压波形例10-1有一纯电阻负载，需要可调的直流电源，要求电压UO=0~180V，电流IO=0~6A。现采用单相半控桥式整流电路，试求交流电压的有效值，并选择整流元件。解：设晶闸管导通角q为180°(控制角a=0°)时，UO=180V，IO=6A，交流电压有效值

考虑到电网电压波动、管压降以及导通角常常到不了180°等因素，交流电压要比上述计算值适当加大10%左右，可取220V，因此可不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。晶闸管可选用KP5-7型，二极管可选用2CZ5/300型。10.3滤波电路10.3.1滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。10.3.2电容滤波电路

现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路是在负载电阻上并联了一个滤波电容C，如图10-9所示。图10-9电容滤波电路1．滤波原理若u2处于正半周，二极管VD1、VD3导通，变压器次端电压u2给电容器C充电。此时C相当于并联在u2上，所以输出波形同u2

，是正弦波。当u2到达t=/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过t=/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过t=/2时二极管仍然导通。在超过t=/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，Ｃ充电，UC=Uo按正弦规律变化t1到t2时刻二极管关断，UC=Uo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图10-10。

图10-10电容滤波电路波形

图10-11电容滤波的效果需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC减少时，导通角增加。显然。当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图10-11滤波曲线中的2。反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小，RLC仍很大，电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。2．电容滤波电路参数的计算电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常近似估算，即在RLC=（35）的条件下，认为UO≈1.2U2。3．外特性整流滤波电路中，输出直流电压UO随负载电流IO的变化关系曲线如图10-12所示。

图10-12电容滤波外特性曲线10.4直流稳压电路10.4.1引起输出电压不稳定的原因引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图10-13。负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。即图10-13稳压电源框图10.4.2稳压电路的技术指标用稳压电路的技术指标来衡量稳压电路性能的高低，衡量稳压电路的技术指标主要有两个1．稳压系数SrSr定义为在负载一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，即

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2．输出电阻RoRo定义为稳压电路输入电压一定时，输出电压变化量与输出电流变化量之比，即(10-12)1．硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的电路图如图10-14所示。它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。图10-14硅稳压二极管稳压电路10.4.3硅稳压二极管稳压电路当输入电压变化时如何稳压，根据电路图可知输入电压UI的增加，必然引起UO的增加，即UZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使UR增加，从而使输出电压UO减小。这一稳压过程可概括如下：

UI↑→UO↑→UZ↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO↓2．稳压电阻的计算稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关。稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好。稳压电阻R的作用是将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。显然，R的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的UR变化，就可达到足够的稳压效果。但R的数值越大，就需要较大的输入电压UI值，损耗就要加大。稳压电阻的计算如下。（1）当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此计算出来稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即(10-13)

（2）当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出来稳压电阻的最小值。即

(10-14)

(10-15)稳压二极管在使用时，一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏。10.4.4线性串联型稳压电源稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大、效率低。1．线性串联型稳压电路的工作原理(1)线性串联型稳压电源的构成线性串联型稳压电源的工作原理可以用图10-15加以说明。显然，UO=UI-UR，当UI增加时，R受控制而增加，使UR增加，从而在一定程度上抵消了UI增加对输出电压的影响。若负载电流IL增加，R受控制而减小，使UR减小，从而在一定程度上抵消了因IL增加，使UI减小，对输出电压减小的影响。图10-15串联稳压电源示意图在实际电路中，可变电阻R是用一个晶体管来替代的，控制基极电位，从而就控制了晶体管的管压降UCE，UCE相当于UR。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图10-16所示。它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源几个部分组成。图10-16串联型稳压电路框图(2)线性串联型稳压电源的工作原理根据图10-40，分两种情况来加以讨论。1)输入电压变化，负载电流保持不变输入电压UI的增加，必然会使输出电压UO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号UF与基准源电压UREF比较，获得误差信号ΔU。误差信号经放大后，用UO1去控制调整管的管压降UCE增加，从而抵消输入电压增加的影响

UI↑→UO↑→UF↑→UO1↓→UCE↑→UO↓负载电流IL的增加，必然会使输入电压UI有所减小，输出电压UO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号UF与基准电压源UREF比较，获得的误差信号使UO1增加，从而使调整管的管压降UCE下降，从而抵消因IL增加使输入电压减小的影响。IL↑→UI↓→UO↓→UF↓→UO1↑→UCE↓→UO↑(3)输出电压调节范围的计算根据图10-16可知UF≈UREF

调节R2显然可以改变输出电压。2)负载电流变化，输入电压保持不变2．稳压电路的保护环节串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。保护的方法有反馈保护型和温度保护型两种。反馈保护型又分截流型和限流型两种，它们的保护特性如图10-17和图10-18所示。温度保护型是利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器，当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。图10-17截流型特性图10-18限流型特性10.4.5三端集成稳压器1．概述将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个外引线：输入端、输出端和公共端。它的电路符号如图10-19所示，外形如图10-20所示。不同型号，不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。图10-19集成稳压器符号图10-20外形图2．线性三端集成稳压器的分类三端固定正输出集成稳压器，型号为CW78--，负输出集成稳压器，型号为CW79--。三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW1110--、CW2110--、CW3110--。三端可调负输出集成稳压器，国标型号为：CW137，CW237，CW337。以上CW1为军品级；CW2为工业品级；CW3为民品级。军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55℃～150℃；工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25℃～150℃；民品级多为塑料封装，工作温度范围0℃～125℃。3．应用电路三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图10-21所示,三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图10-22所示。图10-21三端固定输出稳压器应用电路

图10-22三端可调输出稳压器应用电路可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是1.25V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。

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阅读与应用

开关电源

为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型稳压电源，简称为开关电源。开关型稳压电源效率可达90%以上，造价低，体积小。现在开关电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大，用于小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。

1．开关电源的工作原理

开关电源的原理可用图10-23的电路加以说明。它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。

三角波发生器通过比较器产生一个方波uB，去控制调整管的通断。当调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管VD即可起到这个作用，有利于保护调整管。图10-23开关电源原理图根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，（输出波形中电位水平高于高电平最小值的部分，对方波而言，相当方波存在的部分）。对应调整管的导通时间为ton；反之为低电平，（输出波形中电位水平低于低电平最大值的部分，对方波而言，相当方波不存在的部分）。对应调整管的截止时间为toff。

为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FUO增加，比较放大器的输出UF减小，比较器方波输出toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。各点波形见图10-24。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。

忽略电感的直流电阻，输出电压UO即为uE的平均分量。于是有

式中，q称为占空比，方波高电平的时间占整个周期的百分比。

在输入电压一定时，输出电压与占空比成正比，可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比）来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制（PWM）。由以上分析可以得出如下结论：调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高；调整管在开关状态下工作，为得到直流输出，必须在输出端加滤波器；可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；在许多场合可以省去电源变压器；由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减小。

2．集成开关型稳压器

(1)开关电源概述

单片开关稳压器，一般有两大类型。一类是包括调整管在内的单片开关稳压器；另一类称为开关电源控制器，它不包括调单片开关稳压器；另一类称为开关电源控制器，它不包括调整管。开关电源控制器实际上就是一个脉冲宽度调制（PWM）控制器，经常也用于其它脉宽调制场合。典型的开关电源控制器和开关电源见表10-1。型号电源范围/V最大输出电流/A内部基准电压输出级形式TL4947～400.25推挽SG35248～350.15推挽SG35258～350.55推挽LM25753.5～3511.23表10-1典型的开关电源控制器和开关电源表中前三个是开关电源控制器，后一个是单片开关电源稳压器。

(2)开关电源控制器SG3524

利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。SG3524是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图10-25所示。它的内部包括误差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出晶体管等环节。

图10-25SG3524的内部框图

SG3524构成开关电源的典型电路如图10-26所示。3524从11和14脚输出在时间上互相错开的两路控制信号，其开关频率由6和7脚外接的R5和C2决定。1和2脚是内部运算放大器的输入端，R1和R2构成反馈回路。16脚是基准源，由R3和R4给误差运算放大器提供一个与反馈信号比较的给定电压。U3和U4是或非门的输出，只要或非门的输入端有高电平，它的输出即为低电平。U3和U4的输出由U2、CP、Q或决定。因Q和只能有一个是高电平，V2和V1不可能同时导通。V1和V2只能按推挽方式工作，轮流交替导通。

图10-26开关电源应用电路

SG3524电路控制过程的波形如图10-27所示。锯齿波由振荡器提供，U1是误差放大器的输出，它们一起加到比较器上。U2是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱动T‘触发器，CP、Q和U2的或非是U3，决定V1的通断。CP、和U2的或非是U4，决定V2的通断。图10-27