模电第九章 直流稳压电源

第九章直流稳压电源9.1直流电源的组成

电子电路工作时都需要直流电源提供能量，能供给直流电源的设备很多，如电池、直流发动机、交流适配器等。

本章讨论如何把市电交流电源变换为直流稳压电源。由如下四部分组成。

（1）变压器：将电网电压(220V、50Hz)变换为所需的交流电压；

（2）整流电路：将工频交流电转换为脉动直流电；

（3）滤波电路：将脉动直流电转换为幅度有波动的直流电；

（4）稳压电路：采用负反馈技术，对滤波后的直流电压进一步稳定

9.2整流电路利用二极管的单向导电性可实现整流。

在小功率直流电源中，输入交流市电为单相交流电，故相应的整流电路为单相整流电路，它包括单相半波、单相全波、单相桥式和倍压整流电路四种形式。整流电路的主要性能参数有以下四个：(1)输出直流电压平均值UO整流电路输出电压uO在一个周期内的平均值，称为输出直流电压平均值，即

(2)输出电压纹波系数Kr整流电路输出电压uO的交流分量总有效值与平均值UO之比，称为输出电压纹波系数，即

(3)整流二极管正向平均电流IDID指一个周期内通过整流二极管的平均电流。实际应用时，该值应小于二极管的极限参数：最大整流电流IF。(4)最大反向峰值电压URmURm指整流二极管截止时所承受的最大反向电压。实际应用时，该值应小于二极管的极限参数：最大反向工作电压URM。1.半波整流电路二极管导通，忽略二极管正向压降，

uo=u2为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管截止,

uo=0u2>0

时:u2<0时:9.2.1单相半波整流电路单相半波整流电压波形输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io)：Io=Uo/RL=0.45U2/RL

uo20t二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：uD20tUDRM二极管上的平均电流：ID=IO二极管所承受的最大反向电压: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。9.2.2单相全波整流电路单相全波整流电压波形忽略二极管正向压降输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io)：uo20tIo=Uo/RL=0.9U2/RL

二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：二极管上的平均电流：oDII21=uD20tDRM22UU=2二极管承受的最高反向电压：9.2.3单相桥式整流电路+–u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周时电流通路D1、D4导通，D2、D3截止-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2负半周时电流通路D2、D3导通，D1、D4截止4.整流电路的主要参数负载电压Uo的平均值为:负载上的(平均)电流:(1)整流输出电压的平均值uo20t流过二极管的平均电流为二极管所承受的最大反向电压（2）纹波系数Kr用傅氏级数对全波整流的输出uo

分解后可得:uo20t交流分量总称为纹波Uor

1、单相桥式整流电路的变压器次级中只有交流电流流，而单相半波和单相全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。小结2、与单相全波整流电路相比，单相桥式整流电路中每个二极管承受的最大反向电压低。综上所述，单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和单相全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。滤波电路的结构特点:电容与负载RL并联，或电感与负载RL串联。交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压RLLRLC9.3滤波电路经过滤波电路后，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，减小了电路的纹波系数，改善了直流电压的质量根据滤波元件类型及电路组成，滤波电路通常分为电容滤波电路、电感滤波电路和复合型滤波电路。9.3.1电容滤波电路在负载电阻RL上并联一个滤波电容C

故u21=u22，在不引起混淆的情况下，为分析方便，将两者统称u2uotu2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=RLCu2tuot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u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot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(考虑整流电路内阻)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL(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(2)电容滤波电路的特点(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例9-1某电子设备要求直流电压UO=30V，直流电流IO=200mA，若采用单相桥式整流、电容滤波电路供电，试确定二极管的最大整流电流IF及最大反向工作电压URM的要求，滤波电容的容量及耐压要求。解(1)选择整流二极管对桥式整流电路，根据式(9-2-12)，流过整流二极管的电流，故需IF>ID，可选择IF=(2～3)ID=200mA～300mA。在满足式(9-3-1)，的情况下，可依据式(9-3-3)，取，故变压器次级输出电压有效值为，根据式(9-2-13)，二极管承受的最大反向电压为，故需URM>URm，可选URM=50V。(2)选择滤波电容根据已知条件，直流负载电阻为根据条件取，可求得电容的耐压应大于电容两端可能出现的最高电压（负载开路时的电压），即，故可选C=470μF，耐压为50V的电解电容。图9—13全波整流电路及电压电流波形(c)计算机仿真波形(为看清输出波纹，故意将滤波电容值取得很小，实际上要加几百~几千μF)稳压电路的作用: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9.4稳压电路引起输出电压变化的原因是负载电流iO的变化和输入电压uI的变化。理想的稳压电路输出电阻RO=0,则uO与负载RL无关，为了降低RO，稳定uO，高质量的稳压电路必须采用深度电压负反馈以改善电路性能.稳压电源类型:以下主要讨论线性稳压电路。稳压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，这里做简要介绍。稳压电路的主要性能指标输出电压变化量稳压系数输出电阻温度系数9.4.2线性串联型直流稳压电路稳压二极管直流稳压电路的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型直流稳压电路工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。1.串联型稳压电源的构成

VO=VI-VR，当VI↑→R↑→VR↑→在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流IL↑→R↓→VR↓→在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。

串联稳压电源示意图

串联稳压电源示意图

在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。

串联型稳压电路方框图串联型稳压电源的构成：调整管、放大环节、比较环节、基准电压源2.工作原理1．输入电压变化时实质：电压负反馈2．负载电流变化时uI↑→uO↑→uF↑→uO1↓→uBE↓→uCE↑→uO↓RL↓→uO↓→uF↓→uO1↑→uBE↑→uCE↓→uO↑3.输出电压调节范围的计算可见，调节R2可以改变输出电压。根据“虚短”Vf≈VREF1端:输入端2端:公共端3端:输出端W7800系列稳压器外形及典型接线图123+_W7805UI+_Uo132CI0.1~1FCo1µF+10V+5V注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！1端:公共端2端:输入端3端:输出端W7900系列稳压器外形及典型接线图123–+W7905UI–+Uo231CI0.1~1FCo1µF-10V-5V串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题：(1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较低(一般为40%~60%)，且需要庞大的散热装置。(2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重。9.4.3开关型直流稳压电路为解决串联线性稳压电路的缺点，研制了开关型稳压电路。开关型稳压电路的调整管工作在开关状态（截止、饱和），截止期间无电流，不消耗功率，饱和导通时，功耗为饱和压降乘电流，功耗很小，所以，其能量转换效率很高，可达90%以上。开关型稳压电路的分类方法较多。按启动调整管的方式可分为：自激式和他激式；按调整方式可分为：脉宽调制型、脉频调制型和脉宽与频率均能改变的混合调整型；按开关管与负载的连接方式可分为：串联式、并联式和脉冲变压器（工作在高频）耦合式。1.串联脉宽调制开关型直流稳压电路的工作原理它主要由调整管V1、滤波电路、比较器、三角波发生器、误差放大器和基准源等部分构成当uO1>uT时，比较器输出uO2为高电平，驱动管V2饱和导通，进而控制调整管V1饱和导通，输入电压uI向电感L充电而使L存储能量，在负载RL中产生电流iO，此时二极管VD因反偏而截止。若忽略V1的饱和压降UCE(sat)，则uC1=uI。当uO1<uT时，比较器输出uO2为低电平，驱动管V2截止，进而控制调整管V1截止。由于流过电感L的电流iL变小，而产生左负右正的自感电动势，使二极管VD导通，电感L中存储的能量向负载RL释放，使负载RL中继续有电流iO通过。此时，uC1=-UD(on)。当V1管截止时，二极管VD给电感L中的电流提供一个泄放通路，使负载RL中继续有电流通过，故常把VD称为续流二极管。本章小结

1．在电子系统中，一般都要有直流电源供电。获得直流电源的最常用的方法是由交流电网转换为直流电压。这要通过整流，滤波和稳压等环节来实现。对直流电源的要求是：输出电压尽量不受电网电压波动、输出负载变化和温度变化的影响，输出电压中脉动和噪声成分小，转换效率高。2．利用二极管的单向导电性可以构成整流电路，将交流电变为脉动直流电。在整流电路的输出端接上各种滤波电路，可以大大减小输出电压中的脉动成分。滤波电路有电容滤波和电感滤波两大类。使用较多的是电容滤波电路。3．为了保证直流电源的输出电压不发生波动，需要在整流滤波电路的后面再接上稳压电路。最常用的稳压电路是串联式稳压电路。串联式稳