第二讲直流稳压电源

第二讲直流稳压电源直流稳压电源的组成框图

直流稳压电源的组成整流电路(rectifier)：是将交流电变换成单方向的直流电。整流电路种类：（1）按整流元件的类型：二极管整流和可控硅整流；（2）按交流电源的相数：单相和多相整流；（3）按流过负载的电流波形：半波和全波整流；（4）按输出电压相对于电源变压器次级电压的倍数：一倍压、二倍压及多倍压整流等。一整流电路单相半波整流电路1.工作原理

单相半波整流（halfwaverectifier）电路是最简单的整流电路，电路组成如图2所示。设二极管VD为理想二极管，RL为纯电阻负载。

交流电网电压经电源变压器降压后，变为整流电路需要的交流电压U2为其有效值。在u2正半周，a端电位高于b端电位，故VD导通。电流流经的路径为a端→VD→RL→b端，若忽略变压器次级内阻，则RL端电压即电路的输出电压为：在u2负半周，b端电位高于a端电位，故VD截止，且：

u2及uo波形如图8-3所示。由图可见，正弦交流电压u2经半波整流后变为单一方向的直流电压uo。图2单相半波整流电路

图3半波整流电路波形图

2.主要参数（1）输出电压平均值Uo。将图8-3所示的输出电压uo用傅里叶级数展开得

其中的直流分量即为输出电压平均值Uo，即(8-1)(8-2)Uo越高，表明整流电路性能越好。

（2）输出电流平均值Io

(8-3)（3）输出电压脉动系数S。除直流分量外，uo还有不同频率的谐波分量。如第二项为基波，第三项为二次谐波，它们反映了uo的起伏或者说脉动程度。其中基波峰值与输出电压平均值之比定义为输出电压的脉动系数S（ripplefactor），则半波整流电路的脉动系数为:(8-4)

S越小，表明输出电压的脉动越小，整流电路性能越好。单相半波整流电路结构简单，只需一只整流二极管，但输出电压脉动大，平均值低。将其改进之后可得到单相全波整流电路。单相全波整流电路

图4单相全波整流电路图5全波整流电路波形图将uo用傅里叶级数展开得

(8-5)故全波整流电路的输出电压平均值为

(8-6)输出电流平均值为

(8-7)输出电压脉动系数为

(8-8)单相桥式整流电路（bridgerectifiercircuit）1.工作原理与单相全波整流电路相比，变压器次级无中心抽头，但二极管数目增加，由四个二极管VD1～VD4构成整流桥。VD1～VD4均为理想二极管，仍设 。

u2正半周，a端电位高于b端电位，故VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电流流经路径为a端→VD1→RL→VD3→b端（如图中实心箭头所指）；

u2负半周，b端电位高于a端电位，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流路径为b端→VD2→RL→VD4→a端（流经负载RL时，方向如图中空心箭头所指）。即两对交替导通的二极管引导正、负半周电流在整个周期内以同一方向流过负载，u2及uo波形如图8-7所示。图6单相桥式整流电路

图7桥式整流电路波形图

2.二极管的选择

桥式整流电路对整流二极管的参数要求主要有两项：（1）最大整流电流IF。图8-6中流过每个二极管的电流平均值

(8-9)再考虑到电网电压可能有±10%的波动，故应保证

(8-10)

（2）最大反向工作电压UR。图8-6中每个二极管截止时承受的最大反向电压为考虑到电网电压可能有±10%的波动，故应保证

为方便对照，现将单相半波整流、全波整流和桥式整流的主要参数示于表8.1。由表可知，桥式整流电路的性能最佳。目前市场上有不同性能指标的整流桥堆产品，实际使用时只需将电源变压器与整流桥堆相连即可，非常方便。

表1三种整流电路主要参数对比二滤波电路

整流电路的输出虽为单一方向的直流电，但因其含有较大的谐波成分，故波形起伏明显，脉动系数大，不能适应大多数电子设备的需要。一般整流电路之后，还需接入滤波电路（filters）以滤除谐波成分，使脉动的直流电变为比较平滑的直流电。1.电容滤波

在桥式整流电路的基础上，输出端并联一个电容C就构成了电容滤波电路（capacitancefilter），如图8-8(a)所示。图8-8单相桥式整流电容滤波电路及工作波形(a)电路；(b)理想情况下uo波形；(c)二极管电流波形

可见，电容滤波是通过电容的储能作用（充放电过程）:(1)在u2升高时，把部分能量储存起来（充电），(2)在u2降低时，又把储存的能量释放出来（放电），从而在负载RL上得到一个比较平滑的、近似锯齿形的输出电压uo，使其脉动程度大为降低，并且平均值提高。设整流电路内阻（即变压器次级内阻与二极管导通电阻之和）为R′，则电容C的充电时间常数:放电时间常数：

通常RL>>R′，滤波效果取决于τf。C和RL越大，τf就越大，电路的放电过程更缓慢，因而输出电压更平滑，平均值更高。一般情况下，可按下式计算Uo和S，即：(8-13)例如：已知正弦波频率f=50Hz(即T=0.02s)，若设C=2500μF，RL=1kΩ，则：

可见输出电压的脉动程度大为降低。(8-14)使用电容滤波电路时还应注意以下几点：(1)电容滤波适用于负载电流Io较小且变化不大的场合。因为：当Io=0（即负载RL开路）时，电容充电至后不再放电，故有 ；随着Io的增大（或负载RL的减小），C的放电时间常数τf减小，放电加速，Uo将明显减小。(2)所需电容容量较大，至少应满足RLC≥(3～5)T/2的条件。由于一般采用电解电容，因此使用时要特别注意正负极性不能接反，否则电容会被击穿。(3)流过每个二极管的冲击电流很大。由于增加了电容支路，流过每个二极管的电流比未并联电容之前增大，但每个二极管的导通时间反而减小，因此在二极管导通的短暂时间内，将有很大的冲击电流流过。选择二极管时必须注意，应选择最大整流电流IF较大的管子。2.电感滤波当负载电流较大时，电容滤波已不适合，可选用电感滤波(inductancefilter)，如图8-10。图8-10单相桥式整流电感滤波电路

电感与电容一样具有储能作用。

u2升高流过电感L的电流增大L中产生自感电动势能阻止电流的增大，部分电能转化成磁场能储存起来；

u2降低流过L的电流减小L中自感电动势阻止电流的减小，释放出存储的能量以补偿电流的减小。经电感滤波后，输出电流和电压的波形也可以变得平滑，脉动减小。显然，L越大，滤波效果越好。由于L上的直流压降很小，可忽略，故电感滤波电路的输出电压平均值与桥式整流电路相同，即：Uo≈0.9U2实际电路中：

电容滤波的应用最为广泛，它适用于负载电流较小且变化不大的场合；电感滤波和LC滤波的输出特性较好，带负载能力强，适用于大电流或负载变化大的场合，缺点：电感滤波器体积大，十分笨重，故通常只用于工频大功率整流或高频电源中。三串联型稳压电源

整流滤波电路将交流电变换成了比较平滑的直流电，但输出电压Uo仍会受到下列因素的影响：(1)电网电压通常允许有±10%的波动，这将造成Uo按相同的比例变化；(2)输出电流（即负载电流）Io通常是作为其它电子电路的供电电流，可能会经常变动，Uo将随Io的变化（或负载阻值RL的变化）而变化。

稳压电路的作用就是消除上述两项变动因素对输出电压的影响，获得稳定性好的直流电压。1稳压电路的性能参数

稳压电路的稳压性能主要可通过稳压系数Sr（coefficientofvoltagestabilization）和输出电阻Ro两项参数来衡量。

稳压系数Sr定义为在固定负载条件下，输出电压变化量ΔUo与输入电压变化量ΔUi之比,即(8-16)工程上还有一个类似的概念，称为电压调整率Su，是指当输入电压变化±10%时的输出电压变化量ΔUo。稳压系数和电压调整率均表征了稳压电路抗电网电压波动能力的大小，Sr或Su越小，电路的稳压性能越好。输出电阻定义：为在固定输入电压条件下，负载变化产生的输出电压变化量ΔUo与负载输出电流变化量ΔIo之比,即(8-17)工程上也有一个类似的概念，称为电流调整率Si，是指当Io在0～Iomax范围内变化时的输出电压变化量ΔUo。输出电阻和电流调整率均表征了稳压电路抗负载变化能力的大小，Ro或Si越小，电路的稳压性能越好。【例8-2】稳压管稳压电路如图8-12(a)所示。已知Ui=25V，波动范围±10%。稳压管稳定电压UZ=10V，稳压管电流IDZ的允许变化范围为10～60mA。负载电阻RL的变化范围为1～5kΩ。（1）试确定限流电阻R的取值范围；（2）若R为400Ω，稳压管动态电阻rZ为10Ω，估算电路的稳压系数Sr和输出电阻Ro。图8-12例8-2电路图(a)电路；(b)微变等效电路

解：稳压管稳压电路（zenervoltageregulator）是一种最简单的直流稳压电路。当Ui>UZ时，稳压管工作于反向击穿区，只要稳压管电流在允许的范围内，其端电压就能基本保持不变，稳压管的这种电流调节作用是其作为稳压电路的工作基础。（1）限流电阻R的取值范围。由图8-12(a)可知，当Ui=Uimax、Io=Iomin时，IDZ最大，此时应保证：即当Ui=Uimin、Io=Iomax时，IDZ最小，此时应保证即

因此，限流电阻R的取值范围为282～625Ω。

（2）电路的稳压系数和输出电阻图8-12(a)的微变等效电路如图(b)所示。则有2串联型稳压电路的工作原理

稳压管稳压电路演变串联型稳压电路演变集成稳压电源图13中：

Ui是整流滤波后的不稳定输入电压，Uo为稳定输出电压。电阻R1、R2、R3构成取样电路，采集输出电压的变化量；限流电阻R和稳压管VDZ构成基准电压电路，为比较放大电路A提供一个稳定性较高的直流基准电压UREF；三极管V称为调整管，其管压降UCE为Ui与Uo之差。由于取样电路电流IR1远远小于负载电流Io，调整管V与负载RL近似串联，故称串联型稳压电路。图13串联型稳压电路原理图

由于某种原因（如电网电压波动或负载电流变化等）使输出电压Uo增大时，取样电压

加在A同相端的UREF与加在反相端的u-相比较，两者的差值被放大后送至调整管V的基极，使基极电位UB降低；由于电路为射极输出形式，故Uo也随UB的降低而降低，即Uo得到了稳定。此时Ui-Uo增大的部分全部由调整管V承担，这是通过基极电位UB降低，基极电流IB和集电极电流IC随之减小,导致UCE增大而自动实现的。整个过程可概括为：也增大

Uo↑→u-↑→UB↓→Uo↓当Uo减小时，同理有Uo↓→u-↓→UB↑→Uo↑由上述分析可知，串联型稳压电路的稳压过程实质上是通过负反馈实现的，且为电压串联负反馈。调整管V在稳压过程中起到了关键作用，其管压降UCE可随IC的变化而自动调整，这正是调整管名称的由来。由图13可得，

UB=Aud(UREF-u-)≈Uo

同时：

式中Aud为比较放大电路的电压增益， 为反馈系数。在深度负反馈条件下，AudF>>1，所以：(8-20)(8-19)四线性集成稳压器

集成稳压器与一般分立元件的稳压器比较，具有稳压性能好，可靠性高，组装和调试方便等优点，因此获得了广泛的应用。目前集成稳压器已发展到数百个品种，常用的有下列几种：(1)三端固定电压式集成稳压器：这类稳压器有输入、输出和公共端这三个端子。输出电压由制造厂家预先调整好，使用时不能调节。采用F-1，F-2型等标准晶体管外壳，或S-7型功率塑料外壳，常用的有W78XX系列和W79XX系列等。(2)三端电压可调式集成稳压器：这种稳压器有万能通用电源之称，外接少量元件就可以得到较大范围内的输出电压，使用十分方便，并能获得较高的稳压精度。常用的有LM11７/217/317和LM137/237/337等。(3)跟踪稳压器(正、负电源集成稳压器)：在要求正负电源对称的场合(如运算放大器等)，就需采用跟踪稳压器。跟踪稳压器能保证正、负输出电压始终是平衡的，中点始终为地电位，并具有自动跟踪能力。常用的有MC1568／MC1468等。(4)浮置稳压器：如果要求输出电压的最大值超过40V，可采用MC1466／MC1566型浮置稳压器。（1）三端固定电压式集成稳压器W78MXX系列和W78XX系列是三端固定正压集成稳压器。两个系列的区别是输出电流不同，W78MXX为0.5Ａ，Ｗ78XX为1.5Ａ。W79MXX系列和W79XX系列是三端固定负压集成稳压器，与W78MXX系列和W78XX系列相对应。XX表示输出电压的大小，例如XX为05，则表示输出电压为5V，如果XX为12，则表示输出电压为12V。三端固定电压式集成稳压器原理框图和芯片内部电路分别如图8―20(a)和(b)所示。可以看出，它是由基准电压源、比较放大器、调整电路和取样电路等组成的。典型应用各种三端固定电压集成稳压器无论采用何种电路，应用方法都是相同的，图所示分别是W78M05和W79M15集成稳压器的实际应用电路。输入端电容C1用来减小输入电压中的波纹。输出端电容C2为了消除高频噪音，C3用来改善瞬态负载响应特性。要求输出电压不同时，可选用不同型号的集成稳压器。此外，还应当按要求的输出电流选用适当的型号。例如输出电流小于100mA时，可选用W78LXX(或W79LXX)系列；输出电流小于500mA时，可选用W78MXX(或W79MXX)系列；输出电流小于1.5A时，可选用W78XX(或W79XX)系列。若需要更大的电流，则应采用扩流电路。扩展应用1)提高输出电压的方法三端固定电压集成稳压器的最高电压为24V。当需要提高输出电压时，可以采用8―22(a)所示的升压电路，电阻R1两端电压为稳压器的标称输出电压。整个稳压电源的输出电压Uo由下式决定:(8―21)式中，UXX为三端稳压器W78XX的标称输出电压；IQ为三端稳压器W78XX的静态工作电流。一般三端稳压器的IQ约为几个毫安。当R1、R2的阻值较小时，静态电流IQ在电阻R2两端的电压降IQR2可以忽略。这样式(8-28)就可近似为(8―22)从式(8―22)可以看出，输出电压仅与R2/R1的比值和UXX有关。这种接法的缺点是当输入电压变化时，稳压器的静态电流IQ也变化，IQ的变化将降低稳压器的稳压精度。2)扩展输出电流电路三端稳压器可以通过外接功率晶体管扩展输出电流，如图8―23所示。图8―23(a)中外接的PNP管与W78MXX中的NPN调整管组成复合管，使用时应根据所需的负载电流选用适当的外接晶体管。图8―23扩展输出电流电路由于R1中流过W78MXX的空载电流和部分负载电流，故其阻值不宜增大，一般约几欧姆。为了避免外接调整管因过流而损坏，应增加限流保护电路，如图8―23(b)所示。该稳压电源输出的最大电流由下式决定：(8―23)8.3.2三端可调式集成稳压器1.117／217／317系列117系列是输出电压为1.2～37V可调式三端线性集成稳压器，117系列的引脚图和原理图见图8―26。图8―26117系列的引脚图和原理图使用时，只要满足稳压器输入与输出的压差在3～40V之间，117系列的稳压器就能正常工作。典型应用电路如图8―27(a)所示。工作中LM117的输出和调节端之间形成1.25V的基准电压UREF，该基准电压加在设定电阻R1上，产生恒定电流，再流过输出设定电阻R2，得到的输出电压为(8―24)图8―27117系列稳压器应用电路117系列稳压器本身具有较高的稳压精度，但调整端通过电阻R2接地，这样输出电压的精度会受到R2