电子技术与数字电路（第二版）04 直流稳压电源

第4章直流稳压电源本章主要内容(1)整流电路(2)滤波电路(3)直流稳压电源

将交流电压转换为稳定的直流电压的电子设备，称为直流稳压电源。图4.1所示为直流稳压电源的基本组成框图，主要由变压、整流、滤波和稳压4部分组成。图中各部分的功能如下：

①

电源变压器：将电网交流电源电压变换为符合整流电路所需要的电压。②

整流电路：将交流电压变换为单向脉动电压。③

滤波电路：减小整流电压的脉动程度，以适应负载的需要。④

稳压电路：在交流电源电压波动或负载变动时，使直接输出电压稳定。图4.1直流稳压电源的原理框图4.1整

流

电

路将交流电压转换成单向脉动电压的过程称为整流，完成这一转换的电路称为整流电路。最简单的整流电路是单相半波整流电路，而应用最为广泛的是单相桥式整流电路。4.1.1单相桥式整流电路工作原理采用全波整流电路，克服了半波整流电路只利用电源电压半个周期的缺点，其整流后的电压脉动较小。图4.2是常见的单相桥式整流电路及其输出波形。图中Tr为电源变压器，它的作用是将市电（220V，50Hz）交流电压变换为整流所需要的振幅值较低的电压，有时也用来起隔离市电电源和整流电路的作用。D1~D4是二极管，起整流作用，故称为整流二极管，4个整流二极管构成桥式电路。RL为直流用电负载的电阻。在分析电路的工作原理时，将二极管当做理想二极管来处理。图4.2单相桥式整流电路单相桥式整流电路的工作情况如下:设电源变压器副边交流电压为

u2=1.41U2sinωt（4-1）式中U2为副边交流电压的有效值。当u2为正半周时，其极性为上正下负，即a点电位高于b点电位，二极管D1和D3因承受正向电压而导通，D2和D4因承受反向电压而截止。此时电流的通路为a→D1→RL→D3→b，负载电阻RL上得到一个正半波电压。当u2为负半周时，其极性为上负下正，即a点电位低于b点电位，二极管D2和D4因承正向电压而导通，D1和D3因承受反向电压而截止。此时电流的通路为b→D2→RL→D4→a，负载电阻RL上得到一个负半波电压。这样，在u2变化的一个周期内，负载电阻RL上始终流过自上而下的电流，其电压和电流的波形为一全波脉动电压和电流，如图4.2（b）所示。4.1.2单相桥式整流电路参数计算单相桥式整流电路参数计算如下:（1）负载电压平均值单相桥式整流电压平均值为：

Uo=1/π∫1.41U2sinωtd(ωt)=[2×

(1.41)/π]U2=0.9U2（4-2）（2）负载电流平均值流过负载电阻RL的电流平均值为

Io=Uo/RL=0.9U2/RL（4-3）（3）二极管电流平均值由于桥式整流电路中每个二极管只在半个周期内导通，所以每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即

ID=1/2Io=0.45U2/RL（4-4）（4）

二极管反向电压最大值每个二极在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即

UDRM=1.41U2

（4-5）上述（3）、（4）两项参数说明，桥式整流电路所选用的二极管参数必须满足

IFM≥IDUDRM≥1.41U2（5）整流变压器副边电压有效值和电流有效值整流变压器副边电压有效值为U2=Uo/0.9=1.11Uo（4-6）整流变压器副边电流有效值为I2=U2/RL=1.11U2/RL=1.11Io（4-7）

根据以上参数，可以选择合适的整流二极管和整流变压器。例4.1已知负载电阻RL=30Ω，负载电压Uo=24V。现采用单相桥式整流电路，交流电源电压为220V。（1）

如何选用整流二极管？（2）

求整流变压器的变比及容量。解（1）

负载电流Io=Uo/RL=24V/30Ω=0.8A每个二极管通过的平均电流ID=1/2Io=0.4A变压器副边电压的有效值为U2=Uo/0.9=24V/0.9=26.67V考虑到变压器副边绕组及管子上的压降，变压器的副边电压大约要高出8%，即为26.67V×1.08=28.8V，所以二极管反向电压最大值为UDRM=2U2=2×28.8V=40.7V可选用4只型号为2CZ11A的整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为100V。（2）

变压器的变比K=220V/40.7V=5.4变压器副边电流有效值为I=1.11Io=0.8A×1.11=0.9A变压器的容量为S=UI=28.8V×0.9A=25.9VA已有封装成一整体的整流桥模块产品，具有多种规格，给使用者带来很大方便。单相整流桥模块外形如图4.3所示。图4.3单相整流桥外形使用时，只要将交流电压接到标有“~”的管脚上，从标有“+”和“-”的管脚引出的就是整流后的脉动电压。4.2滤

波

电

路在大多数电子设备中，都要求脉动程度小的平滑直流电压，所以在整流电路中需加接滤波电路，以改善输出电压的脉动程度。下面介绍三种常见的滤波电路，即电容滤波电路、电感滤波电路和复合滤波电路。4.2.1电容滤波电路将整流电路的输出端与负载并联一个电容C，就组成一个简单的电容滤波电路，如图4.4所示。电容滤波电路是根据电容器两端电压在电路状态改变时不能跃变的原理实现滤波的。图4.4电容滤波电路如果在单相半波整流电路中不接电容滤波电路，其输出电压波形如图4.5（a）所示，可见输出电压存在明显的电压脉动；加接电容滤波电路之后，输出电压波形如图4.5（b）所示，可见电压脉动明显减小，逐渐趋于平滑。图4.5电容滤波器的作用下面简单分析电容滤波的基本工作原理。在图4.4中可以看到，在二极管D导通时，电源u2在向负载RL供电的同时又对电容C充电。如果忽略二极管正向压降，则电容电压uc紧随输入电压u2按正弦规律上升至u2的最大值，如图4.5（b）中的Oa段波形所示。此后，u2和uC都开始下降，u2按正弦规律下降，当u2＜uC时，二极管D因承受反向电压而截止，电容C对负载电阻按指数规律放电，负载中仍有电流，而uC按放电曲线ab段下降。在u2的下一个正半周内，当u2＞uC时，二极管再行导通，电容器再被充电，重复上述过程。电容器两端电压uC即为输出电压uo，其波形如图4.5（b）所示。在空载（RL=∞）和忽略二极管正向压降的情况下，输出电压平均值Uo=1.4U2，U2是图4.4（a）中变压器副边电压的有效值。但是随着负载电阻RL的减小（Io增大），放电时间常数RLC减小，放电加快，Uo下降也就快。整流电路的输出电压Uo随输出电流Io变化的关系称为整流电路的外特性或输出特性。电阻负载和电容滤波的外特性曲线如图4.6所示。由图4.6可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，即外特性较差，或者说电容滤波电路带负载能力较差，只适用于负载轻且变化不大的场合。通常，加滤波电容后，整流电压取：半波：Uo=U2全波：Uo=1.2U2图4.6电阻负载和电容滤波的外特性曲线采用电容滤波时，输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数RLC有关。RLC大一些，脉动就小一些。在采用电容滤波的整流电路中选用二极管和电容器时应注意：

①

加入滤波电容后，二极管导通时间缩短很多，且在短时间内承受较大的冲击电流（iC+io），容易损坏二极管，所以在选管时应留有较宽的裕量。②

在单相半波整流电容滤波电路中，二极管所承受的最大反向电压为UDRM≈2×1.41U2，即电源电压最大值（1.41U2）的两倍。这是由于电源电压u2=-U2m时，电容器上还有一个略小于U2m的电压存在所造成的。③

在单相桥式整流电容滤波电路中，二极管所承受的最大反向电压与没有电容滤波时一样，即为UDRM=1.41U2。④

电容器的容量C可按下式估算：

RLC≥(3~5)T/2（4-8）式中，T为交流电压的周期。工频交流T=0.02秒。滤波电容C一般应选择体积小、容量大的电解电容，使用时要注意电解电容有正、负极性，正极必须接高电位端。电容滤波电路一般用于要求输出电压较高，负载电流较小且变化也较小的场合。例4.2

在单相桥式整流电容滤波电路中，已知负载电阻RL=100Ω，交流电源频率f=50Hz，要求输出电压Uo=120V，试选择整流二极管及滤波电容器。解（a）

选择整流二极管。流过二极管的电流为ID=1/2Io=1/2(Uo/RL)=1/2×120/100=0.6(A)变压器副边电压的有效值为U2=Uo/1.2=120/1.2=100(V)二极管所承受的最高反向电压为UDRM=1.41U2=1.41×100=141(V)因此可选用整流二极管2CZ11B，其最大整流电流为1A，最高反向电压为200V。（b）

选择滤波电容器。RLC=5×T/2=5×1/50/2=0.05(S)C=0.05/RL=0.05/100=500×10-6(F)=500μF4.2.2电感滤波电路电感滤波电路如图4.7所示，它是在整流电路与负载电阻RL之间串联一个电感器L。交流电压u2经桥式整流后变成脉动直流电压，其中既含有直流分量，又含有各次谐波的交流分量。电感L的感抗XL=ωL。对于直流分量，XL=0，电感相当于短路，所以直流分量基本上都降在负载电阻RL上；对于交流分量，谐波频率越高，感抗越大，所以交流分量大部分降在电感L上。这样，在电路的输出端即可得到较平滑的直流电压波形。图4.7单相桥式整流电感滤波电路采用电感滤波，电感越大，滤波效果越好，但由于电感线圈本身电阻的存在，使得在减小电压脉动的同时，也使输出电压平均值Uo有所下降，因此电感滤波的输出电压没有电容滤波高。电感滤波一般只适用于负载电压较低、电流较大以及负载变化较大的场合。另外，它的工艺制作复杂，体积大，且容易产生电磁干扰。4.2.3复合滤波电路为了得到更好的滤波效果，还可以将电容滤波和电感滤波混合使用，即组成复合滤波电路。图4.8（a）所示的π型滤波电路（也称CLC滤波电路）就是其中的一种。由于电感线圈体积大、制作复杂，所以当负载较轻时，经常采用电阻代替笨重的电感，电路如图4.8（b）所示，称为CRC滤波电路。因为C2的容抗较小，所以脉动电压的交流分量较多地降落在电阻R上，而较少地降落在负载上，从而使输出电压脉动减小。但由于电阻对交、直流信号均有压降和功率损耗，所以这种电路只适用于负载电流较小的场合。图4.8复合滤波电路

4.3直流稳压电路经变压、整流和滤波后得到的直流电压往往受交流电源波动和负载变化的影响，稳压性能较差，一般不能直接用于电子电路中，还需要在整流滤波后增加稳压电路，以获得性能良好的直流电压。常用的稳压电路有稳压管稳压电路、串联型稳压电路以及开关型稳压电路三种。这里重点介绍前两种稳压电路。4.3.1稳压管稳压电路稳压管稳压电路是一种比较简单的稳压电路。如图4.9所示，这种稳压电路是由稳压管与适当数值的限流电阻R配合而成的。图4.9稳压管稳压电路

图中UI为整流滤波电路的输出电压，也就是稳压电路的输入电压。Uo为稳压电路的输出电压，也就是负载电阻RL两端的电压，它等于稳压管DZ的稳定电压UZ，因稳压管与负载并联，所以又称为并联型稳压电路。由图4.9可得Uo=UI-RIR=UI-R(IZ+Io)（4-9）当电源电压波动或者负载电流发生变化而引起Uo变化时，该电路的稳压过程为：

只要Uo略有增加，IZ便会显著增加，IR随之增加，RIR同时增加，从而使Uo自动降低，近似保持不变。如果Uo降低，则稳压过程与上述相反。这种稳压电路中的稳压管DZ起着自动调节的作用，电阻R一方面保证稳压管的工作电流不超过最大工作电流IZmax，另一方面还起到电压补偿作用。选择稳压管时，相关参数一般取：

UZ=Uo（4-10）IZmax=(1.5~3)Iomax（4-11）UI=(2~3)Uo（4-12）式中，Iomax为负载电流Io的最大值。选取限流电阻R时，应满足两种极端情况：

①

当整流滤波后的电压为最高值UImax，负载电流为最小值Iomin，此时流过稳压管的电流最大，但应小于稳压管的最大工作电流IZmax，即（UImax-Uo）/R-Iomin＜IZmax得R＞（UImax-Uo）/（IZmax+Iomin

）

（4-13）②

当整流滤波后的电压为最小值UImin，负载电流为最大值Iomax，此时流过稳压管的电流最小，但应大于稳压管的最小工作电流IZmin，即（UImin-Uo）/R-Iomax＞IZmin得R＜（UImin-Uo）/（IZmin+Iomax

）

（4-14）综合以上①和②，可得限流电阻阻值应满足的关系式为（UImax-Uo）/（IZmax+Iomin）＜R＜（UImin-Uo）/（IZmin+Iomax

)

（4-15）

限流电阻R的额定功率可迭为PR=(2~3)(UImax-Uo)2/R（4-16）

稳压管稳压电路使用元件少，结构简单，但输出电流受稳压管最大电流的限制，又不能任意调节输出电压，所以只适用于输出电压不需要调节、负载电流较小的应用场合。例4.3

如图4.9所示稳压管稳压电路，已知负载电阻由开路变到2kΩ，整流滤波后的电压UI=30V，输出电压Uo=10V，假定电网电压变化±5%，试选取稳压二极管和限流电阻R。解根据输出电压Uo=10V的要求，负载电流的最大值为Iomax=Uo/RL=10/2=5(mA)根据关系式IZmax=（1.5~3）Iomax，选取系数为2，得IZmax=2Iomax=2×5=10(mA)

UZ=Uo=10V查器件手册，选择稳压管2CW18，其稳定电压UZ=(10~12)V，最小工作电流IZmin=5mA，最大工作电流IZmax=20mA。由于电网电压变化±5%，所以UI也变化±5%，则UImax=30×105%=31.5VUImin=30×95%=28.5V由限流电阻阻值应满足的关系式［（4-15）式］，可得(31.5-10)/(20+0)kΩ＜R＜(28.5-10)/(5+5)kΩ1.08kΩ＜R＜1.85kΩ选取标称值R=1.2kΩ。限流电阻的额定功率可选为PR=2×(31.5-10)2

/1.2×103=0.77(W)所以，选取限流电阻R为1.2kΩ，1W。

4.3.2串联型稳压电路1.电路的组成串联型稳压电路的基本组成如图4.10所示。图4.10串联型稳压电路该电路由如下4部分组成：

（1）取样环节。由R1、R2、RP组成的分压电路构成。它将输出电压Uo分出一部分作为取样电压Uf，送到比较放大环节。（2）

基准电压。由稳压管DZ和R3构成的稳压电路组成。它为电路提供一个稳定的基准电压UZ，作为比较、调整的标准。（3）比较放大电路。由晶体管T1和电阻R4构成的直流放大电路组成。其作用是将取样电压Uf与基准UZ之差放大后去控制调整管T2。R4既是T1的负载电阻，又是调整管T2的基极偏流电阻。（4）调整环节。由工作在放大区的功率管T2组成，比较放大电路的输出信号控制T2的基极电流IB2，从而改变集电极电流IC2和集射电压UCE2，达到调整输出电压Uo的目的。2.稳压原理当输入电压UI或输出电流Io变化引起输出电压Uo增加时，取样电压Uf相应增大，使T1管的基极电流IB1和集电极电流IC1随之增加，集电极电压UCE1下降。因此T2的基极电流IB2减小，IC2减小，UCE2增大，输出电压Uo下降，最终使之保持稳定。上述稳压过程可表示如下：

当UI或Io变化使Uo降低时，调整过程相反。UCE2将减小，最终使Uo基本保持不变。从上述调整过程来看，图4.10所示的串联型稳压电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。3.输出电压的调节范围通过调整电位器RP，可对串联型稳压电路的输出电压在一定范围内进行调节。假定流过R2的电流比IB1大得多，即可略去IB1的分流作用，则T1管基极对地电位为UB1=[(R2+RP2)/(R1+RP+R2)]·Uo得Uo=[(R1+RP+R2)/(R2+RP2)]UB1

=[(R1+RP+R2)/(R2+RP2)](UZ+UBE1)