第10章直流稳压电源

湖南科技大学信息与电气工程学院第十章直流稳压电源1本章内容：重点与难点：1、直流电源的组成2、整流电路的结构、原理及性能指标3、滤波电路的工作原理及性能指标4、串联稳压电路的工作原理5、开关稳压电路210.1直流电源的组成及各部分的作用在工业生产和日常生活中，许多电气设备和家用电器中，通常需要电压电流稳定的直流电源供电，而电网提供的通常为单相220伏或三相380伏的交流电源；将交流电源通过变压、整流、滤波、稳压后变为幅值稳定、电流稳定的直流电的设备称为直流稳压电源。输入电压为单相220V，输出电流在10A以下，调整管工作在线性工作区的稳压电源称为小功率线性直流稳压电源。3电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。整流电路滤波电路稳压电路整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo4单相三相二极管可控硅桥式倍压整流半波全波本课主要介绍：单相半波整流，单相全波整流，单相桥式整流把交流电压转变为直流脉动的电压。整流电路分类：整流电路的任务：10-1单相整流电路为分析方便，假设所用元件为理想元件。51.单相半波整流电路二极管导通，uo=u2u1u2aTbDRLuo二极管截止,uo=0+–io+–当u2>0时:当u2<0时:以单相半波整流电路为例说明整流电路的工作原理。设变压器附边输出电压有效值为U2。6单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouDt2340工作效率为50%。7输出电压平均值（Uo(AV)）,输出电流平均值（Io(AV))：u1u2aTbDRLuouDioIo(AV)=Uo(AV)/RL=0.45U2/RL

uo20t主要参数：8二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2aTbDRLuouDiouD20tUDRM二极管上的平均电流：ID=IOUDRM=22U承受的最高反向电压:应用时选择反向耐压≥1.1UDRM的整流二极管。9脉动系数S：输出电压的基波峰值UO1M与平均电压

UO(AV)之比。纹波系数Kγ：输出电压交流分量有效值与输出电压

平均值之比。102.单相全波整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+–+–原理：+–+–变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2当u2正半周时，D1导通，D2截止。当u2负半周时，D2导通，D1截止。11u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形u2uouD1t2340uD2+–+–0~：uD2=2u2+忽略二极管正向压降12输出电压平均值Uo(AV)；输出电流平均值Io(AV)u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo20t()ò=pwp01tduUoO(AV)=()òpwp

01tdsinwt22UIo(AV)=Uo/RL=0.9U2/RL

=p229.02UU=2主要参数：13二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2aTbD1RLuoD2u2io二极管上的平均电流：oDII21=uD20tDRM22UU=2二极管承受的最高反向电压：143.单相桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo15+–u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周时电流通路D1、D4导通，D2、D3截止16-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2负半周时电流通路D2、D3导通，D1、D4截止17u2>0时D1,D4导通D2,D3截止电流通路:a

D1RLD4bu2<0时D2,D3导通D1,D4截止电流通路:bD2RLD4a单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形u2D3D2D1D4RLuoab整流输出电压平均值：

Uo=0.9U2负载电流平均值:Io=Uo/RL=0.9U2/RL

二极管平均电流：ID=Io/2二极管最大反向电压：DRM22UU=u2uD2,uD3uD1,uD4uo18几种常见的硅整流桥外形：+AC-~+~-~+-~u2uo+

–

19整流电路的主要参数：负载电压Uo(AV)的平均值为:()ò=πoO(AV)tduπU2021w负载上的(平均)电流:LO(AV)RUIo=(1)整流输出电压的平均值uo20t20

S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值之比。S越小越好。(2).脉动系数Ｓ用傅氏级数对全波整流的输出uo

分解后可得:uo20t基波基波峰值输出电压平均值21平均电流(ID)与反向峰值电压(UDRM)是选择整流管的主要依据。oDII21=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流ID

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：(3)二极管平均电流与反向峰值电压（选购时：二极管额定电流

1.1ID)（选购时：最大反向电压1.1URM)22自行分析输出双极性电压单相桥式整流电路和三相桥式整流电路工作原理。232410.3滤波电路交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利用其对电压、电流的储能特性达到滤波的目的。25一、电容滤波电路电容滤波电路是使用最多也是最简单的滤波电路。其结构为在整流电路的输出端并联一较大容量的电解电容，利用电容对电压的充放电作用使输出电压趋于平滑。该形式电路多用于小功率电源电路中。1．电容滤波原理以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。a桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC26当RL未接入时(电容初始电压为0)：u2tuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucuo=uc=U2τc=RintC（Rint为充电回路等效电阻）27当RL接入时（假设RL是u2在从0上升时接入的）：u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形28uotu2上升,u2大于电容上的电压uc,u2对电容充电，uo=ucu2u2下降，u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数

=RLC29u2tuot只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。二极管中的电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC30u2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。RLC越小，输出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC较大）时312．电容滤波的主要参数因为滤波的过程中含有正弦波、指数曲线及谐波成分，一般很难用精确的数学表达式进行计算，所以一般使用中多采用近似估算来确定其参数。输出电压可以近似看成锯齿波，如图所示。设uc每次充电到峰值Uomax=U2后按RLC放电的初始斜率线性下降，经过τ=RLC放电结束交于横轴；并令在（T为正弦波周期）处为电容充放电转换时的电压值Uomin。则：32由相似三角形关系可得：则：即：Io(AV)=Uo(AV)/RL33脉动系数S：采用近似波形计算。以（Uomax－Uomin）为基波峰-峰值，则实际uo的波动没有近似波形误差大，故实际S比计算值要小。34一般取近似估算:Uo(AV)≈1.2U2(b)流过二极管瞬时电流很大RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大;

整流管导电时间越短iD的峰值电流越大(a)输出电压平均值Uo与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大(c)二极管承受的最高反向电压：(d)滤波电容应选用耐压>1.1的电解电容。35由UO(AV)的表达式可看出，C越大，UO(AV)也越大，IO(AV)也会增大，而整流管的通电时间却越短，整流管的导通电流加大，如果C太大则初始充电时间要长，整流管中通过的冲击电流时间加长，长时间会影响整流管使用寿命。所以一般选择整流管时ID(AV)＞（2~3）IO(AV)

。改变RLC会对UO(AV)和S有影响，将UO(AV)和IO(AV)的关系曲线称为输出特性，将S和IO(AV)的关系曲线称为滤波特性，如果RLC越小，UO(AV)越低，则S越大，而加大C可使滤波效果和负载能力增强，但C不能无限增大。所以电容滤波形式电路一般适用于输出电流较小且负载变化不大的场合。36电路结构: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。u2u1RLLuo二、电感滤波电路37电感滤波原理对谐波分量:

f越高，XL越大,电压大部分降在XL上。

因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo(AV)≈0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压:u2u1RLLuo对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上38三、其他形式的滤波电路改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：L-C型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC–型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。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：在电容滤波后面再接L-C型滤波电路。39１.RC–型滤波器改善滤波特性的方法：采取多级滤波uoRu2u1C1C2uo1´RLRC–

型滤波器40uoRu2u1C1C2uo1´RLuo的交流分量的基波的幅值：41通常选择滤波元件的参数使得：uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：42２、L-C

型滤波电路u2u1LuoCRLuo1设uo1的直流分量为U´O，交流分量的基波的幅值为U´O1m，：43通常选择滤波元件的参数使得：uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：44３、LC–

型滤波电路u2u1LuoC2RLuo1C1显然，LC–型滤波电路输出电压的脉动系数比只有LC滤波时更小，波形更加平滑；由于在输入端接入了电容，因而较只有LC滤波时，提高了输出电压。请自行分析LC–

型滤波电路的输出电压和脉动系数等基本参数。45四．倍压整流电路利用滤波电容的充放电作用，将多个电容和二极管组合可获得倍数于变压器附边电压的输出电压。1、二倍压整流电路u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容C1的电压：u2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压：输出端的电压：即二倍压电压。46+–2、多倍压整流电路+–u2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：u2的第一个负半周：u2、C2、D2、C1构成回路，C2充电到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C647+–+–+–+–+–+–C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周：u2、C1、C3、D3、C2构成回路，C1补充电荷，C3充电到：u2的第二个负半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1构成回路，C2补充电荷，C4充电到：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。4810.4稳压二极管稳压电路稳压电路的作用:使直流电路在电网波动、负载变化、温度变化等因素影响下保证输出电压稳定。交流电压脉动直流电压整流滤波有波纹的直流电压稳压直流电压49一.稳压电源类型以下主要讨论线性稳压电路。稳压二极管稳压电路开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。50二.稳压电路的主要性能指标(1)稳压系数S（越小越好）稳压系数S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量与输入电压的相对变化量之比。(2)输出电阻Ro（越小越好）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电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。51uiIZminIZmax稳压管稳压电路具有电路简单、元件数量少等优点，应用较为广泛。适用于负载电流小、负载电压不变的场合。三.稳压管稳压电路52从稳压管的特性可知，在电路中若能使稳压管始终工作在稳压区内，即：使稳压管的电流IZ满足条件：IZmin≤

IZ≤

IZmax,则输出电压UO基本上保持不变，约为UZ。uiIZminIZmaxUZ所以稳压二极管的稳压作用是利用稳压管中电流的调节实现稳压目的。电路中R必不可少，其作用是限流和电压、电流补偿。53通过对电路分析容易得到关系式：1、稳压管稳压电路的工作原理当电网电压变化时：以上过程是利用关系中，使，从而实现UO的稳定。54当负载发生变化时：以上过程是利用关系中，使，使IR基本不变而实现UO的稳定。552、稳压管稳压电路的性能指标稳压管稳压电路的性能指标主要有稳压系数Sr、输出电阻RO、电压调整率、电流调整率、最大纹波电压、温度系数等。主要了解前两个。Sr定义为：在负载固定时稳压电路输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。Sr反映电网波动对输出电压的影响，其值越小说明稳压性能越好。56RO定义为：在输入电压固定时，稳压电路输出电压变化量与输出电流变化量之比。RO反映负载波动对稳压电路的影响，其值越小说明稳压电路带负载能力越强。在只考虑变化量条件下，稳压管稳压电路可等效为如图形式，rz为稳压管的动态电阻。+-UIUO+-IZIODZRLR限流电阻IR+-UIUO+-RLRrz57脉动系数Sr：∴Sr=(ΔUO/ΔUI)(UI/UO)

+-UIUO+-RLRrz输出电阻RO：RO=R//rz≈rz(R>>rz)(R>>rz)另外，用电网电压波动±10%时UO的变化量ΔUO作为衡量指标，称为电压调整率。用IO从0变到额定值时，UO的变化量作为衡量指标，称为电流调整率。583、稳压管稳压电路的参数选择首先应确定输出电压UO，输出电流范围Iomin、Iomax（或RLmax、RLmin），输入电压UI波动范围（一般为±10%）等，据此选择整流、滤波、稳压元件参数。（1）UI的选择根据经验，一般选择UI=（2~3）UO确定Ii：该电流的选择原则为Ii>

Iomax。59（2）稳压管的选择UZ=UOIZM－IZ>Iomax－IominIZM

≥

Iomax

+IZ（3）限流电阻的选择由得限流电阻的功率：（空载时）60输出电流小，输出电压不可调节；结构简单、方便，使用元件少；适用于IO较小，UO不变的场合，如作电压基准。稳压管稳压电路的特点：6110-5串联型稳压电路为克服稳压管稳压电路输出电流较小,输出电压不可调的缺点。引入串联型稳压电路。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础,利用晶体管的电流放大作用增大负载电流,并在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定,通过改变网络参数使输出电压可调.62+-UIUO+-IODZRLR+-UIUO+-ILDZRLRI’LIL=(1+β)I’L

调整管T在稳压管后增加一级共集放大电路。稳压原理：UIUEUBEIBUOIE（UBE=UB-UE）当电网电压波动时：当负载变化时：RLUEUBEIBUOIE（UBE=UB-UE）T通过对电流的调整实现UO的稳定，故称T为调整管。一.串联式直流稳压电路的基本形式63负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（1+）倍。TUORL+–+–UZUIiRiZiL实际上是射极输出器，Uo=UZ-UBE

。但带负载的能力比稳压管强。64∴ILmax=(1+β)(Izmax-Iz)UO=UZ-UBE调整管T工作在放大区，即线性区，故称为线性稳压电路，又因为调整管与负载相串联，所以称为串联型稳压电源。+-UIUO+-ILDZRLR+-UIUO+-ILDZRLRI’L在稳压管稳压条件下，而65TUORL+–+–UZUIiRiZiL串联式直流稳压电路的基本形式两个主要缺点：(1)稳压效果不好。Uo=UZ–UBE(2)输出电压不可调。改进的方法：在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。66UO+－UI+-ILDZRLRR3+-R1R'2R''2R2TA利用同相比例电路稳定输出电压，并用电位器调节比例系数，射随器的作用是放大输出电流。UO由同比放大器决定：稳压原理：UOUNUBUOUOUNUBUO输出电压的调节范围：二.具有放大环节的串联型稳压电路67一般可以将串联式稳压电路分成由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–68T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–调整元件T：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。比较放大器：可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。基准电压：可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。69T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–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，故称之为串联反馈式稳压电路。70三、一种实际的串联式稳压电源1）稳压原理UoUB2UBE2(=UB2-UZ）UC2Uo当UI增加或输出电流减小使Uo升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2712）输出电压的确定和调节范围R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2723）影响稳压特性的主要因素2.流过稳压管的电压随UI波动，使UZ不稳定，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：UIVC2UoR3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB23.温度变化时，T2组成的放大电路产生零点漂移时，输出电压的稳定度变差。734）改进措施1.选用差动放大器或运放构成的放大器代替T2管构成的放大器，可以解决零点漂移的问题。调整管为核心元件，与选用一般大功率管的原则相同，应考虑其极限参数ICM、U(BR)CEO、

PCM~220VRL+-Uo-+ATRDZR1RwR274采用辅助电源(比较放大部分的电源)。用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益。4.调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围。串联反馈式稳压电路UITR1R2UFRLUoAV+-RWRUZ75四、稳压电源中的基准电压电路串联型稳压电路中UO由DZ上的基准电压经电压放大器放大后得到。故基准电压的稳定决定了输出电压的稳定。采用稳压二极管作为基准电压的电路结构简单，但其输出电阻较大，噪声影响和温度影响也较大。所以要获得好的稳压性能，就必需要有稳定的基准电压。1、具有温度补偿作用的基准电压电路电路中增加了T2，采用正温度系数的稳压二极管，使基准电压为：（UZ<4V的稳压管为负温度系数；UZ>7V的稳压管为正温度系数；4V≤UZ≤7V的稳压管正负温度系数均有）76由于T2具有负温度系数，当温度变化时选择元件参数使得两者变化大小相等变化趋势相反，从而维持UREF基本不变。同时该电路引入电压并联负反馈能更加稳定UREF的值，并使RO减小，提高电路带负载能力。在集成电路中很容易制成三极管，因此利用该思想在UREF上下各连接多个作为二极管使用的温度系数相反的三极管就可以实现零温度系数的基准电压电路。772、能隙基准电压电路电路如图所示，基准电压为：由于UBE3具有负温度系数（随T升高UBE3降低），因此用一个正温度系数的电压I2RC2来补偿（随T升高UBE3增大），可写为：合理选择和的值，即可利用正温度系数电压补偿负温度系数电压，使得UREF的温度系数为0，此时：78EQ为Si元素的禁带宽度电压；q为电子电荷。该电路又称为禁带宽度基准电压电路（或能带间隙基准电压电路）。该电路输出电压较低但温度稳定性好，故常用于低电压电源电路中。常用的有：LM285（1.2V）、LM236（1.2V）、MC1403（2.5V）、LM336（2.5V）、LM385（2.5V）等。这类基准电压电路还可方便地转换成1.2V~10V的基准电压电路，使之广泛应用于集成稳压器；数据转换（A/D、D/A）及集成传感器中。79为避免在使用中因非正常原因造成输出短路或过载，致使调整管流过很大的电流，使之损坏。故需有快速保护措施。常见保护电路有：过流保护；调整管安全保护；过热保护等。T1RT'1IL1）限流型：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，使发射极电流不至于过大。当IL不超过额定值时，T’1截止；当IL超过额定值时，T'1导通，其集电极从T1的基极分流。R为一小电阻，用于检测负载电流。五、稳压电源中的保护电路1．过流保护80输出电流在额定值内时：三极管T2截止，这时，电压负反馈保证电路正常工作。输出电流超出额定值时：UB电压上升，三极管T2导通，使UO

迅速下降，由于R1、R2>>RO，故UB的下降速度慢于UO，使UO迅速下降到0，实现了截流作用。812．调整管安全区保护电路823．调整管过热保护电路83六、串联反馈式稳压电路缺点损耗(P=UCEIL)大电源的效率(=Po/Pi=UoIL/UiIi)较低为了提高效率，可采用开关型稳压电源。调整管工作在线性