第九章直流稳压电源

直流稳压电源第九章第九章

直流电源9.1直流电源的组成及各部分作用9.2整流电路9.3滤波电路9.4稳压二极管稳压电路9.5串联型稳压电路9.6开关型稳压电路本章重点和考点：1.重点掌握整流、滤波和稳压的流程及参数的计算。2.掌握串联型稳压电路原理及集成稳压器的使用。9.1直流电源概述直流稳压电源的方框图电网电压电源变压器整流电路滤波电路稳压电路负载9.1.1直流电源的组成

直流稳压电源由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成。功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压。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uR。滤波电路:将脉动直流电压uR转变为较平滑的直流电压uF。稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出直流电压U0的稳定。二.功能9.1.2直流稳压电源种类和特点1.线性稳压电源

线性稳压电源调整元件串联在负载回路，工作在线性放大区。优点：电路简单，稳压性能好，纹波小，工作可靠等优点。缺点：转换效率低，且体积大，份量重，需要庞大的散热装置，2.开关型稳压电源

开关型稳压电源的调整器件工作在开关状态，优点：开关型稳压电源的特点是效率高，体积较小，重量轻．缺点：动态性能较差，电路也较复杂，成本较高。1.输入电压及其变化范围2.输出电压及其可调范围3.额定输出电流及过流保护电流1.稳压系数Sr9.1.2直流稳压电源主要性能指标一.特性指标二.质量指标

输出电压的相对变化量△U

O／UO与输入电压相对变化量△UI／UI之比它表明稳压电路对输入电压波动的抑制能力，SU越小越好。2.电压调整率SU或定义为：负载电流和温度不变，输入电压变化10%时输出电压的变化量。3.电流调整率SI当输入电压和温度不变，输出电流从0变化到最大时输出电压的相对变化量。4.输出电阻RO当输入电压和温度不变，输出电压变化量与负载电流变化量之比。5.温度系数ST6.纹波电压及纹波抑制比SR当输入电压和负载电流不变，温度变化所引起的输出电压相对变化量与温度变化量之比。纹波电压：叠加在直流输出电压上的交流电压，通常用有效值或峰值表示。其大小与负载电流有关，应在额定输出电流下测。纹波抑制比SR：输入纹波电压峰值与输出纹波电压峰值之比的分贝值。整流电路的作用:

将交流电压转变为脉动的直流电压。

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。分析时可把二极管当作理想元件处理：

二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：

利用二极管的单向导电性9.2整流电路uDO9.2.1单相半波整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；3.工作波形

u负半周，Va<Vb，二极管D截止。1.电路结构–++–aTrDuoubRLioutOuoO4.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM(5)变压器副边电流有效值I(6)脉动系数

整流电路输出电压的脉动系数S定义为输出电压基波的最大值UO1M与其平均值UO(AV)之比，即因此脉动系数为因此，单相半波整流电路的脉动成分很大。5.整流二极管的选择

平均电流ID与最高反向电压UDRM是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：IOM

ID，URWMUDRM

（为了使用安全，反向工作峰值电压URWM要选的比URM大一倍左右）6、半波整流电路的特点及应用应用：只用在要求不高，输出电流较小的场合。优点：结构简单，使用元件少。缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。【例】下图电路，已知R=20，若要求。求变压器二次电压U2、二极管电流平均值ID及承受的反向电压UDRM。试选用适当的二极管型号。–++–aTrDuoubRLio【解】

要求整流二极管最高反向耐压不小于UDRM，每个管子的平均工作电流为ID，为留有余量，查元器件手册，二极管选用2CZ56E（3A，300V）。9.2.2单相全波整流电路1.电路结构2.工作原理当u2>0,D1导通，D2截止；输出uo为全波整流波形。当u2>0,D2导通，D1截止。3.单相全波整流电路输出电压波形4.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值:(3)流过每管电流平均值:(5)每管承受的最高反向电压:(4)变压器副边电流有效值I9.2.3单相桥式整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D1、D3

导通，D2、D4

截止。3.工作波形uD2uD41.电路结构－uouDttRLuiouo1234ab+–+–－u9.2.3单相桥式整流电路2.工作原理3.工作波形uD2uD41.电路结构RLuiouo1234ab+–+–u

正半周，Va>Vb，二极管1、3导通，2、4截止。u

负半周，Va<Vb，二极管2、4导通，1、3截止。uouDttuD1uD3－－u4.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值:(3)流过每管电流平均值:(4)每管承受的最高反向电压:(5)变压器副边电流有效值:(6)脉动系数

整流电路输出电压的脉动系数S定义为输出电压基波的最大值UO1M与其平均值UO(AV)之比，即因此脉动系数为即桥式整流电路输出电压的脉动系数为67%。

单相整流电路的主要参数主要参数电路形式UO（AV）/U2SID（AV）/IO（AV）URM/U2半波整流0.45157%100%1.41全波整流0.9067%50%2.83桥式整流0.9067%50%1.41(1)输出直流电压高；

(2)脉动较小；

(3)二极管承受的最大反向电压较低；(4)电源变压器得到充分利用。目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。5.桥式整流电路的优点：思考：单相桥式全波整流

与

单相全波整流异同单相桥式全波整流单相全波整流变压器二极管反向电压输出电压波形整流元件数量二极管平均电流输出电压平均值无中心抽头4全波有中心抽头2全波？？？实际中单相桥式整流应用较多。4.简化画法+uoRLio~+u25.整流桥把四只二极管封装在一起称为整流桥~~单相桥式整流电路中的整流电桥可由四个整流二极管组成，也可直接用集成的整流桥块代替。整流桥块二极管桥选择整流元件的主要指标：1.平均整流电流

2.反向耐压

整流桥实物照片~~把四只二极管封装在一起称为整流桥单向桥式整流电路单向桥式整流电路的习惯画法单向桥式整流电路的组成解：变压器副边电压有效值【例1】：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻RL=50，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。每只二极管承受的最高反向电压考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器副边电压一般应高出5%~10%，即取

U=1.1111122V

I=1.11Io=21.11=2.2A

变压器副边电流有效值变压器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA变压器副边电压U

122V可选用二极管2CZ55E，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。流过每只二极管电流平均值整流电流的平均值例2：试分析图示桥式整流电路中的二极管D2

或D4

断开时负载电压的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo

如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。

如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。uo+_~u+_RLD2D4D1D39.2.4倍压整流电路1.二倍压整流电路iD1iD2负载上的电压在理想情况下是变压器副边电压的二倍+_倍压整流电路：即用低电压的交流电源和低耐压的整流二极管获得高于输入电压许多倍的输出电压。2.多倍压整流电路+-+--+u2+-+-+-+-+-应用：适用于要求输出电压较高、负载电流较小的场合。特点：直流输出电压较高，但输出特性很差。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滤波电路滤波：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。9.3.1电容滤波电路滤波电路1.滤波电路滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。2.滤波电路输出电压波形RL未接入时(忽略整流电路内阻)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au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuc3.滤波原理（电容器的充、放电）RL接入（且RLC较大）时

(忽略整流电路内阻)u2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形充电放电au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，uo=ucu2时间常数=(RL//Rint)Cu2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=RLC放电时间常数远远大于充电时间常数，滤波效果取决于放电，其值愈大，滤波效果愈好。4.电容滤波电路的特点(T—电源电压的周期)(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC

越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U(

桥式、全波）

Uo

=1.0U（半波）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压(2)流过二极管的瞬时电流很大选管时一般取：

IOM=2ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二极管导通时间越短iD

的峰值电流越大。uotOiDtO输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,Uo

和S也随之改变。如:RL愈小(IL

越大),Uo下降多,S增大。结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。(3)输出特性(外特性)uo电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IL

[例

1]有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压UO=30V，选择整流二极管及滤波电容器。[解]

(1)选择整流二极管流过二极管的电流取UO=1.2U，所以变压器二次侧电压的有效值为uRLuo++––~+C二极管所承受的最高反向电压因此可选用2CZ52B型二极管，其最大整流电流为100mA，反向工作峰值电压为50V。(2)选择滤波电容器选用C=250F，耐压为50V的极性电容器。二、电容耐压值考虑电网电压波动，电容的耐压值应大于三、脉动系数S

约为10%~20%u2tuot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。二极管中的电流充电电流au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC四、整流二极管的导通角二极管的导通角<

[例9.1.1]

单相桥式电容滤波整流，交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=40，要求直流输出电压UO=20V，选择整流二极管及滤波电容。[解]1.选二极管选二极管应满足：IF(23)

ID可选：2CZ55C(IF=1A，URM=100V)或1A、100V

整流桥电流平均值：承受最高反压：2.选滤波电容可选：

1000F，耐压50V的电解电容。9.3.2电感滤波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。1、电感滤波电路结构2、电感滤波原理对直流分量(f=0):XL=0,L相当于短路,电压大部分降在RL上。U0=0.9U2

当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：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。3、电感滤波的特点

整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比较平坦,适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。L愈大，滤波效果愈好；适用于负载电流较大的场合。9.3.3其它形式的滤波电路一、电感滤波电路L愈大，滤波效果愈好；适用于负载电流较大的场合。二、LC滤波电路输出直流电压为：脉动系数S：适用于各种场合。单相桥式电感滤波电路复式滤波电路(a)一、LC滤波器1.电路结构L

uRLuo++––~+C2.滤波原理

对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。3应用：

LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。9.3.3其它形式的滤波电路二、LC-π型滤波电路LC-π

型滤波电路特点滤波效果比LC滤波器更好，但整流二极管中的冲击电流较大。应用：常用于负载电流较大或电源频率较高的场合。缺点：是电感体积大、笨重、成本高，三、RC-π型滤波电路RC-型滤波电路特点R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R太大，将使直流压降增加。主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。9.3.4有源滤波电路特点：有源滤波电路可以大大地减小滤波电容容量及直流损耗，同时又能提高滤波效果。应用：它在小型电子设备中的应用很普遍。

有源滤波电路：由工作于线性放大区的三极管T和R、C2等元件组成。9.3.5各种滤波电路的比较各种滤波电路的性能比较序号性能类型UO（AV）/U2适用场合整流管的冲击电流和导通角外特性1电容滤波1.2小电流大/小软2RC-型滤波1.2小电流大/小更软3LC-型滤波1.2小电流大/小软4电感滤波0.9大电流小/大硬5LC滤波0.9适应性较强小/大硬

稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。

9.4稳压二极管稳压电路整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因：·负载变化；·电网电压波动。

稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。9.4.1硅稳压管的伏安特性O硅稳压管的伏安特性在反向击穿区，流过稳压管的电流发生很大变化，两端电压基本不变。稳压管的伏安特性在稳压管稳压电路中，只要使稳压管始终工作在稳压区，保证稳压管的电流：IZ≤IDZ≤IZM

输出电压UO就基本稳定。2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR设UI一定，负载RL变化UO

基本不变IR

(IRR)基本不变UO

(UZ

)IZ1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流调压稳压电路10.4.2稳压管稳压电路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZUIUZ设负载RL一定，UI变化UO

基本不变IRRIZIR1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz3.参数的选择(1)UZ

=UO(2)IZM=(1.5~5)IOM(3)UI

=(2~3)UO稳压管稳压电路2、限流电阻R的选取在图中，流过稳压管的电流IZ为当输入电压为最大值UImax（即电网电压最高）和负载电阻最大值RLmax时，流过稳压管的电流IZ的值最大，它不应超过稳压管允许的最大值IZmax，即从而可得限流电阻R为稳压管稳压电路2、限流电阻R的选取 当输入电压为最小值UImin（即电网电压最低）和负载电阻最小值RLmin时，流过稳压管的电流IZ的值最小，它不应低于稳压管允许的最小值IZmin，即限流电阻R为由此可得限流电阻R的选取范围为5、应用：适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。4、稳压管稳压电路特点缺点：稳压效果不太好，输出电压不可调。优点：电路简单，元件少。[例]有一稳压管稳压电路，负载电阻RL由开路变到3k，交流电压经整流滤波后得出UI=30V。今要求输出直流电压UO=12V，试选择稳压管DZ。[解]根据输出电压UO=12V的要求，负载电流最大值可选择稳压管2CW60，其稳定电压UZ=(11.5~12.5)V，其稳定电流IZ=5mA，最大稳定电流IZM=19mA。9.4.3稳压管稳压电路的性能指标一、内阻Ro二、稳压系数Sr三、电压调整率四、电流调整率内阻和稳压系数的估算1.内阻Ro2.稳压系数Sr当rZ<<RL，rZ<<R时，稳压管稳压电路的交流等效电路9.4.4电路参数的选择在选择元件时，应首先知道负载所要求的输出电压UO，负载电流IL的最小值ILmin和最大值ILmax，输入电压UI的波动范围。1.稳压电路输入电压UI的选择UI＝（2~3）UO2.稳压管的选择UZ＝UOIZM－IZ>ILmax－ILminIZM>ILmax+IZ3.限流电阻R的选择（1）当电网电压最高和负载电流最小时，稳压管IZ的值最大，此时IZ不应超过允许的最大值，即或：（2）当电网电压最低和负载电流最大时，稳压管IZ的值最小，此时IZ不应低于其允许的最小值，即或：[例9.4.1]在9.4.1所示的电路中，已知UI＝15V，负载电流为10~20mA；稳压管的稳定电压UZ＝6V，最小稳定电流IZ＝5A，最大稳定电流IZM＝40A动态电阻rZ＝15Ω。（1）求解R的取值范围；解：（1）＝360Ω＝180Ω（2）＝15Ω（3）在允许范围内R的取值应当偏大些。（2）若R＝250Ω，则稳压系数和输出电阻各为多少？（3）为使稳压性能好一些，R的值是大还是小些，为什么？9.6

集成稳压电源单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。1.分类三端稳压器输出固定电压输出可调电压输出正电压：78XX输出负电压：79XX（1.25~37V连续可调）W117、W217、W317。W78XX三端稳压器——稳定正电压输出电压有七个等级：5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。如W7805，输出+5V；W7809，输出+9V输出电流有三个等级：1.5A、0.5A（M）和0.1A（L）。如W7805，输出+5V；最大输出电流为1.5A；W78M05，输出+5V；最大输出电流为0.5A；W78L05，输出+5V；最大输出电流为0.1A。W79XX系列——稳定负电压2.特点三端集成稳压器管脚排列78系列－输出正电压79系列－输出负电压7805＋5V7806＋6V7808＋8V7809＋9V7810＋10V7812＋12V7815＋15V7818＋18V7824＋24V……7905－5V7906－6V7908－8V7909－9V7910－10V7912－12V7915－15V7918－18V7924－24V……输入输出公共端输入输出公共端3.外形及电路符号W7800INOUTGNDW7900INOUTGND一、三端稳压器的外形及电路方框图三端稳压器的外形和方框图金属封装塑料封装不同封装形式、正负电源管脚号不同。图(c)(d)为金属封装式。9.6.1三端集成稳压器的组成调整管启动电路基准电压放大电路保护电路采样电路输入端输出端++--UOUI三端集成稳压器的组成9.6.2三端集成稳压器的主要参数参数名称符号单位参型号数值7805780678087812781578187824输入电压UIV10111419232733输出电压UOV56812151824电压调整率SU%/V0.00760.00860.010.0080.00660.010.011电流调整率SImV40434552525560最小压差UI-UOV2222222输出噪声UNμV10101010101010输出电阻Rom17171818191920峰值电流IOMA2.22.22.22.22.22.22.2输出温漂STmV/C1.01.01.21.51.82.4VD若输出电压较高，接一保护二极管VD，以保护集成稳压器内部的调整管。三端集成稳压器基本应用电路9.6.3三端集成稳压器的应用1.

输出为固定电压的电路2.同时输出正、负电压的电路23220V

24V+C

24V+CW7815Ci+15V123CiW79151COCO–15V1F1F0.33F0.33F1000F1000F3.扩大输出电流VD

的作用：补偿三极管的发射结电压，使电路输出电压等于三端集成稳压器的输出电压。扩大三端集成稳压器的输出电流负载电流的最大值4.提高输出电压5.输出电压可调的稳压电路9.6.4三端可调输出集成稳压器1.典型产品型号命名CW117/217/317系列(正电源)CW137/237/337系列(负电源)工作温度CW117(137)—

-55150CCW217(237)—

-25150CCW317(337)—

0

125C基准电压1.25V输出电流L型—输出电流100