第八章 直流稳压电源

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第八章直流稳压电源

8.2整流电路

8.3滤波电路

8.4稳压电路8.1直流稳压电源的组成

8.5三端集成稳压器及其应用

8.6开关型稳压电路8.1直流稳压电源的组成

大小不合适的交流大小合适的交流~交流电源脉动直流不稳定的直流稳定直流直流负载滤波电路电源变压器整流电路稳压电路电源变压器将市电变换为整流所需的交流电压整流电路将交流电变换为方向不变的直流电滤波电路将脉动直流电变换为平滑的直流电压稳压电路将不稳定的直流电压变换为稳定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u1u2u3u4uo单相三相二极管可控硅桥式倍压整流半波全波整流：把交流电压转变为直流脉动的电压。整流电路分类：8.2整流电路单相整流电路1.单相半波整流电路二极管导通，忽略二极管正向压降，

uo=u2u1u2aTbDRLuo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=0+–io+–u2>0时:u2<0时:单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouDt2340输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io)：()ò=pwp2021tduUoo=()òpwp

021tdsinwt22U=p2245.02UU=u1u2aTbDRLuouDioIo=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：u1u2aTbDRLuouDiouD20tUDRM二极管上的平均电流：ID=IOUDRM=22U承受的最高反向电压:2.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。u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形u2uouD1t2340uD2+–+–0~：uD2=2u2+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)：u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo20t()ò=pwp

01tduUoo=()òpwp

01tdsinwt22UIo=Uo/RL=0.9U2/RL

=p229.02UU=2二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：3.单相桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2负半周时电流通路D2、D3

导通，D1

、D4截止+–u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周时电流通路D1

、D4导通，D2、D3截止u2>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,uD4uo集成硅整流桥：u2uo+

–

~+~-

+–不控整流电路abT+-u2+-u1RL+-uOiO8.2整流电路D1D3D2D41.工作原理+-uOabT+-u2+-u1u2正半周，uO=u2D1和D3导通，电流通路：a→D1→RL→D3→bRLiOD1D3D2D41.工作原理u2负半周，uO=-u2D2和D4导通，电流通路：b→D2

→RL

→D4

→a＋

uo－abRLT＋u1－-u2+IoD1D3D2D4＋

uo－D4

D3D1

D2RL＋u2－u2ωtOuoioωtOuD1,D3iD1,D3ωtOuD2,D4iD2,D4ωtO2.整流电路的计算(1)负载直流电压UO(2)负载直流电流(3)二极管平均电流二极管反向电压最大值UO=2U2sintd(t)1∫0=U2

22=0.9U2

IO=UO

RLID=IO

12URm=2

U2

3.整流元件的选择IF≥IDUR≥URm+-~~4.整流桥块~~+-单相桥式整流电路中的两个二极管用可控的晶闸管替换——半控。1.电路结构可控整流电路abT+-u2+-u1+

-uGT1D1+-uGT2D2RL+-uOiO2.工作原理正半周，T2、D1承受反向电压截止，

T1、D2承受正向电压，控制极电压uG在t=α时施加，故在≤t≤时，

T1和D2导通电流通路：a→T1→RL→D2→babT+-u2+-u1+

-uGT1D1+-uGT2D2RL+-uOiO负半周，T1、D2承受反向电压截止，

T2、D1承受正向电压。控制极电压uG在t=α+

时施加，故在+

≤t≤2时，

T2和D1导通。电流通路：b→T2→RL→D1→aabT+-u2+-u1+

-uGT1D1+-uGT2D2RL+-uOiO2.工作原理3.工作波形

+

+

2

ab+-u2+-uGT1D1+-uGT2D2RL+-uOiO负载RL上得到不完整的全波脉动电压。u2t

Ot

uGuOt

OO4.主要参数

＋

uO

2

t

UO(1)负载直流电压(2)负载直流电流UO=2U2sintd(t)1∫=U2

221+cos2=0.9U2

1+cos2IO=UORL4.整流电路的主要参数

负载电压Uo的平均值为:()ò=πootduπU2021w负载上的(平均)电流:LoRUIo=(1)整流输出电压的平均值uo20t

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=例如：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

2ID)（选购时：最大反向电压2URM)

[例11.2.1]

一单相桥式半控整流电路，要求直流输出电压UO在40~90V的范围内可调，求输入交流电压和控制角的变化范围。[解]=0º时，UO=UOmax=90V，U2=UO/0.9故

=90/0.9=100V

UO=40V时，cos=-1

2UO

0.9U2

=-12×400.9×100=-0.111=arccos(-0.111)=96.4º故的变化范围为0º~96.4º。8.3滤波电路＋＋＋＋＋＋

电容滤波

电感滤波

复式滤波滤波电路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RLLRLC1.电容滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。(1)电容滤波原理a桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL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au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucRL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻)u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形uotu2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)一般取)105(TCRτL-³=(T:电源电压的周期)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一、电容滤波电路uoωtO√2U2C＋＋

uo－VD4VD3VD1VD2RLIo＋u2－＋u1－C

或RL电容放电

1.电容滤波的原理(1)当二极管导通时电容被充电储能。(2)当二极管截止时电容放电。RL→∞

电容的耐压：UCN≥√2U2

结论①滤波使uo的波形更平滑，提高了uo的平均值。②uo的平滑程度取决于放电时间常数

=RLC

。③二极管的导通时间缩短了。2.电容滤波电路的计算(1)输出电压的平均值取:Uo=U2（半波）

Uo=1.2U2（全波）(2)滤波电容的选择取:C≥(3~5)T2RL=1.5~2.52RLf

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)整流二极管的选择电容滤波1.414U20.9U2uoIoO3.输出特性（外特性）IF

≥2ID（电容充电产生冲击电流）

UR≥URm

例、一桥式整流、电容滤波电路，已知电源频率f=50Hz，负载电阻RL=100，输出直流电压UO=30V。试求：(1)选择整流二极管；(2)选择滤波电容器；(3)负载电阻断路时的输出电压UO；(4)电容断路时的输出电压UO。解：(1)选择整流二极管IO=UORL=30100=0.3AID==0.15A12IO=×120.3U2=UO1.2301.2=25V=IF≥2ID=2×0.15=0.3AUR≥URm=34.5VURm=2

U2

=2

×25

=35.4V查附录，选用2CZ53B的二极管4个（IF=300mA，UR=50V）。(2)选择滤波电容器C≥1.5~2.5RLf1.5~2.5100×50

==(300~500)μFFUCN≥=2

×25

=35.4V2

U2

(3)负载电阻断路时UO=2

U2

=2

×25

=35.4V(4)电容断路时UO=0.9U2=0.9×25=22.5V2.电感滤波电路电路结构:

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=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLuo对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上3.RC–

型滤波器改善滤波特性的方法：采取多级滤波uoRu2u1C1C2uo1´RLRC–

型滤波器将RC–

型滤波器中的电阻换为电感，变为LC–

型滤波器二、电感滤波电路1.电感滤波的原理

对直流分量:

XL=0，大部分整流电压降在RL上。对谐波分量:

f

越高，XL越大，电压大部分降在XL

上。输出电压平均值约为：

Uo=0.9U2

（忽略电感线圈的电阻压降）＋

uo－VD4VD3VD1VD2RLIo＋u2－＋u1－L2.电感滤波的特点①由于电感的低通特性，使uo的波形更平滑。②二极管的导通时间较长。③电感线圈的电感值较大，其等效电阻也较大，使uo的平均值下降；而且笨重、体积大。④电感线圈易对周围环境产生电磁干扰。⑤一般只适用于低电压、大电流的场合。＋

uo－RLIoC2

＋C1

＋三、复式滤波电路C2

＋C1

＋1.LC－形滤波电路2.RC－形滤波电路L＋

uo－RLIoRL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8.4稳压管稳压电路稳压电源类型: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，这里不做介绍。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。稳压管稳压电路8.4稳压电路T+-u2+-u1C＋Ui－RL＋UO－IIORDZIZ稳压过程：UO

→

IZ

→

I

→

IR

UO

稳压管稳压电路1.稳压原理——利用稳压管的反向击穿特性。

由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。稳压原理：(1)当输入电压变化时UiUZUoUoURIIZ由图知：(2)当负载电流变化时稳压过程：

ILUoURUoIZIR2、限流电阻的计算（1）当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值。即

（2）当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即

所以：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)稳压管稳压电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多。最常见的是线性稳压电路。8.5三端集成稳压电路器及其应用集成稳压器集成稳压器具有输出电流大，输出电压高，体积小，可靠性高等优点，在电子电路中应用广泛。

分类：外部结构：三端、多端。输出电压可调、输出电压固定输出正电压、输出负电压集成稳压器分类稳压电源以小功率三端集成稳压器应用最普遍。常用型号:78×、79×、317×、337×78××：正电压输出79××：负电压输出CW317××：正电压输出CW337××：负电压输出输出电压固定输出电压可调

线性集成稳压电路

开关集成稳压电路

——小功率——大功率1.三端固定式集成稳压器CW7800系列正电压稳压器。CW7900系列负电压稳压器。12

3INGND

OUT78××1

23

GND

OUTIN79××8.5三端集成稳压电路器及其应用

输出电压规格：5V,6V,8V,9V,12V,15V,

典型电路78××CiCo120.33F

0.1F

＋Ui－＋Uo－31：输入端2：输出端3：公共端18V,24V79××CiCo322.2F

1F

－Ui＋－Uo＋11：公共端2：输出端3：输入端Ci：抵消输入端接线较长时的电磁效应CW7800系列：CW7800系列：CW7900系列：CW7900系列：

0.33μF

2.2μF

0.1μF

1μF

Co：使负载电流瞬时增减时，输出电压不致有较大的波动同时输出正负两组电压的电路＋5V－5VCW7805Ci123CW790512Co

3＋

Ui－CiCoUO2.三端可调式集成稳压器

类型：CW117、CW217、CW317(正电压)CW137、CW237、CW337(负电压)

输出电流等级：0.1A,0.5A,1.5A军品级工业级民品级

典型电路：CW217CiCo321+

C+

-

Uo+

-

UiR1R2CW237CiCo231C-

+

Uo-

+

UiR1R2+

输出电压计算公式：UO=±1.25(1+)R2

R1

常用的集成三端稳压器的外形及类型类型：W7800系列——稳定正电压

W7805输出+5VW7809输出+9VW7812输出+12VW7815输出+15VW7900系列——稳定负电压

W7905输出-5VW7909输出-9VW7912输出-12VW7915输出-15V1端:输入端2端:公共端3端:输出端123三端集成稳压器的外形及封装TO92TO18132金属菱形封装T0—3塑料封装TO220T0—220塑料封装（国内s一7），最大允许功耗PDM=10W(不加散热器时1W)；T0—3金属壳封装（国内F一2），最大允许功耗PDM=20W(不加散热器时2W)。132一.三端固定集成稳压器1、分类分7800和7900两大系列；特点：稳压性能良好，外围元件简单，安装调试方便，价格低廉。按输出电压分：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等按输出电流大小分：0.1A、0.5A、1.5A、3A、5A、10A等CW7800系列稳压器规格型号输出电流(A)输出电压(V)78L000.15、6、9、12、15、18、2478M000.55、6、9、12、15、18、2478001.55、6、9、12、15、18、2478T0035、12、18、2478H0055、1278P00105W7900系列稳压器规格型号输出电流(A)输出电压(V)79L000.1-5、-6、-9、-12、-15、-18、-2479M000.5-5、-6、-9、-12、-15、-18、-2479001.5-5、-6、-9、-12、-15、-18、-242.CW7800的内部结构和电路符号内部结构+UI取样电路调整电路保护电路基准电压比较放大启动电路+UOW7800INOUTGNDW7900INOUTGND1321323.基本应用电路抵消输入长接线的电感效应，防止自激改善负载的瞬态响应，消除高频噪声防止输入端短路时C3反向放电损坏稳压器W7812Uo=12V123C2++UiC10.33F0.1FRL因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。

4.三端集成稳压器应用电路1）输出固定电压的电路2）提高输出电流的电路3）提高输出电压的电路4）输出电压可调的电路5）输出正负电压的电路1）输出固定电压的电路输入与输出之间的电压差不得低于3VW7805稳压器基本接线图C2CW7805C1UIUO1320.33F1µF－+－+LM7805W7905稳压器基本接线图C2CW7905C1UIUO2310.33F1µF+－+－LM7905电容C1——防止自激振荡。0.1F~0.33F电容C2——减小高频干扰，改善瞬态特性。1FVD2）提高输出电流的电路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。3）提高输出电压的电路4）使输出电压可调的电路射极跟随5)正、负对称固定输出的稳压电源

正负电压同时输出电路W78XXC1UI132C1W79XX13C2C22+_

+UO－UORL1RL20.33F0.33F1F1F三端固定稳压器注意事项1）防止输入输出接反，损坏器件；2）防止稳压器浮地故障；3）如果输出电压|V0|〉7V，应接保护二极管4）输入电压不能超过VImax7805~18，VImax=35V，7905~18，VImax=-35V5）输入电压必须大于VImin78系列，VImin≥7V，79系列，VImin≤-7V6）输出电流不能超过最大值IOmax7）加散热片二、三端可调集成稳压器三端固定输出集成稳压器主要用于固定输出标准电压值的稳压电源中。虽然通过外接电路元件，也可构成多种形式的可调稳压电源，但稳压性能指标有所降低。集成三端可调稳压器性能指标优良。1、分类集成三端可调稳压器分为：CW117、CW217、CW317(正电压输出)CW137、CW237、CW337(负电压输出)每个系列又有100mA、0.5A、1.5A、3A…等品种可以实现输出电压的连续可调。其电压调整率、电流调整率和纹波抑制比都比CW78和CW79系列高几倍三端可调负输出型号：

CW137--/CW137M--/CW137L-CW237--/CW237M--CW237L—CW337--/CW337M--/CW337L--

1.5A

0.5A

0.1A

以上1---军品级；2---工业品级；3---为民品级。军级为金属壳或陶瓷封装，工作温度-55～150℃；工业级为金属或陶瓷封装，工作温度-25～150℃；民品级多为塑料封装，工作温度范围0℃～125℃。三端可调正输出型号：

CW117--/CW217M--/CW317L2.内部结构和基本应用电路内部结构调整电路基准电路误差放大启动电路偏置电路保护电路IREFUIUOADJ12350A外形引脚CW117123UIUOADJCW137123UIUOADJIREF

50AUIUOADJUREFB基准源在B和ADJ端提供稳定性很高的电压UREF=1.25V（1.2V~1.3V之间）恒流源电流IREF

50A，作为基准源的供电电流，从ADJ端流出。基准源CW317、CW337系列三端可调稳压器使用非常方便，只要在输出端上外接两个电阻，即可获得所要求的输出电压值。D1

防止输入端短路时C4

反向放电损坏稳压器D2

防止输出端短路时C2

通过调整端放电损坏稳压器Uo

CW317123C2++UiC1C30.1F10F33FR1R2C4IOIQIIREF0.1FD1D2Uo

CW317123C2++UiC1C30.1F10F33FR1R2C4IOIQIIREF0.1FD1D2UREF=1.25V125IREF

50A2.2k一般固定R1，调R2以获得1.25~37V的电压。若R1R2的温度系数相同，则R2/R1不受温度影响。一般选同材料做成的电阻。R2=

02.2k

时，UO=

1.2524VR1=

UREF/

IQ=125R1的选取应保证在输出端开路时，静态电流IQ(约10mA)在R1上的压降应小于基准电压UREF

Uo

CW317123C2++UiC1C30.1F10F33FR1R2C4IOIQIIREF0.1FD1D2UREF=1.25V125IREF

50A2.2k基本应用电路若IQ=5mA，则R1=

UREF/

IQ=250030V连续可调电路Uo

CW317123++UiC10.33

F10FR1R2C31

FDC2R3+3

k120

680+32

V–10

VAUA=–1.25V当R2=0时，UO=0VLM317三端可调稳压器，输出电流1.5A。图示典型应用的电路，C2滤去R2两端的纹波电压，接入R1和R2使输出电压可调，电压可调范围为1.25~37V。3.应用IN3OUT2ADJ1LM317C2C1R1电压调节UiUo100μF240ΩR2100μFUREFI2I1其中UREF=1.25V。如果R1=240Ω，R2=2.4kΩ，则输出电压可调范围为1.25V~13.75VIN1OUT3ADJ2LM317C2C1R1电压调节UiUo100μF240ΩR2100μFUREFI2I1若取R1=240Ω,R2=6.8kΩ,则Uo为1.25V~37V。所以输出电压：LM317其特性参数：输出电压可调范围：1.2V～37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：3～40V

串联反馈式稳压电路由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调整管的集电极损耗(PC=UCEIO)相当大，电源效率较低（40%～60%），有时还要配备庞大的散热装置。为了克服上述缺点，可采用开关式稳压电路，该电路中的调整管工作在开关状态（饱和导通和截止）。由于管子饱和导通时管压降UCES和截止时管子的电流ICEO都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，电源效率可提高到80%～90%。它的造价低，体积小。其主要缺点是输出电压中所含纹波较大。现在开关型稳压电源被广泛应用于各种电子电路之中。开关电源按开关管连接方式分为：串联型、并联型和脉冲变压器（高频变压器）耦合型。8.6

开关型稳压电路开关型稳压电路的工作原理串联开关型稳压电源原理图如图所示。图中UI是未经稳压的的直流输入电压，晶体管VT为开关管，uB为矩形波，控制开关管的工作状态；A1是误差放大器；A2是电压比较器；电感L和电容C2组成滤波电路，VD为续流二极管；R1、R2为取样电路；它与基准电压电路、误差放大器、三角波发生器和电压比较器组成驱动电路。开关管和滤波电路的工作原理开关管VT在电路中与负载电路呈串联结构，其工作状态受其基极电压uB的控制。

当uB为高电平时，开关管VT工作于饱和导通状态，电流经调整管流向电感，电感L开始存储能量，电容C2开始充电，二极管VD截止，此时，uE=UI-UCES≈U