模拟电路第10章

第10章直流电源重点：1.直流电源的组成及各部分的作用;2.整流电路;3.滤波电路;4.稳压管稳压电路;5.串联型稳压电路。10.1电网电压电源变压器整流电路滤波电路稳压电路负载（1）电源变压器：交流电压变为符合要求的交流电压；（2）整流电路：交流电压变为单向脉动直流（利用D、SCR单向导电性）；（3）滤波电路：减小整流电压的脉动程度，使输出电压平滑（低通滤波电路）；（4）稳压电路：在交流电网电压波动或负载变化时保持输出直流电压稳定。直流电源的组成及各部分的作用10.2整流电路从交流电源的相数看单相整流电路多相整流电路从整流输出波形看半波整流全波整流从整流元件看可控整流（SCR）不可控整流（D）为了分析方便，认为整流二极管D为理想二极管，同时忽略整流电路中变压器等的内阻。整流电路10.2.1

单相半波整流电路一、电路组成整流变压器T,整流元件VD，负载RL（纯电阻）；单相半波整流电路二、工作原理总之，在一个周期内，RL上的电压波形为半波，称之为半波整流，导通角=

。可见，（1）（2）（3）1.u2的正半周VD承受正向电压导通2.u2的负半周VD承受反向电压截止可见，（1）（2）（3）三、主要参数输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值。2.负载电流的平均值1.整流输出电压平均值UO(AV)3.脉动系数SS定义：整流输出电压的基波峰值Uo1M与输出电压平均值Uo(AV)之比，即由于uo周期与u2相同，uo的基波角频率与u2相同（50Hz）。通过谐波分析可得可见，脉动系数很大。四、二极管的选择一般根据ID（AV）、URmax来选择二极管的型号。对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。单相半波整流电路简单，用二极管数量少，但是只利用交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大（即脉动大），效率低。因此，仅适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。注：单向桥式整流电路单向桥式整流电路的习惯画法一、单相桥式整流电路的组成在实用电路中，多采用全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。采用四支二极管接成桥式电路，称之为桥式整流电路。10.2.2

单相桥式整流电路二、工作原理(1)u2>0时，电流由+流出，经VD1、RL、VD3流入-。(2)u2<0时，电流由

-流出，经VD2、RL、VD4流入+。单相桥式整流电路的波形图导通原则：哪个二极管的阳极电位最高，哪个管正偏导通；哪个二极管的阴极电位最低，哪个管正偏导通。三、

主要参数3.脉动系数：1.输出电压平均值UO(AV)2.输出电流的平均值IO(AV)基波基波峰值输出电压平均值可见，比半波整流脉动系数少很多。四、二极管的选择1.二极管的参数对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。

——与半波整流相同——与半波整流相同2.二极管的选择将桥式整流电路变压器副边中点接地，并将二个负载电阻相连接，且连接点接地。uO1

为正；uO2为负。(1)如何实现正、负电源？利用桥式整流电路实现正、负电源注：

D1D2D3轮流导通，阳极电位高的D先导通；D4D5D6轮流导通，阴极电位低的D先导通。（2）三相桥式整流电路变压器副边的三个端均应接二只二极管，一只接阳极，另一只接阴极。当整流电路的输出电压超过千瓦，且要求脉动小，需采用三相整流电路。三相电路组成的原则和方法与单相桥式整流电路相同。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。RLLRLC10.3为了尽量降低输出电压中的脉动成份，因此，一般在整流后，利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。直流电源中滤波电路均采用无源滤波电路。滤波电路10.3.1

电容滤波电路(a)滤波电路一、滤波原理滤波电容容量较大，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。(b)理想情况下的波形(c)考虑整流电路内阻时的波形当u2处于正半周并且数值上u2>uc时，VD1、VD3导通，电路一路流经RL，另一路对C充电。理想情况下，uc(uo)=u2,如曲线ab段。当u2上升到峰值后开始下降，C通过RL放电，uc↓,但uc=u2,如曲线bc段。当u2下降到一定数值后，uc下降速度小于u2的下降速度，使u2<uc,从而使VD1，VD3反偏截止。此后，C继续通过RL放电，按指数规律下降，如曲线cd段。当u2的负半周且u2>uc时，VD2，VD4正偏导通，u2再次对C充电，uc上升到u2的峰值后又下降；下降到一定数值时VD2、VD4截止，C对RL放电，u2按指数规律下降；放电到一定数值时VD1、VD3导通，重复上述过程。（1）实际uc的波形如a图所示，阴影部分为整流电路内阻上压降。（2）C充电时间常数τC=（RL//Rin）C较小，C放电时间常数τ=RLC，RLC

>>（RL//Rin）C。因此，滤波效果取决于放电时间常数τ。τ愈大，uo愈平滑，其平均值愈大，即滤波效果愈好，如b图示。可见，滤波后的输出电压变得平滑，且平均值提高了。（a）（b）注：二、输出电压平均值当RL=∞时,当RLC

=（3~5)T/2时,（1）实际滤波电路中，为满足滤波效果，选择电容满足

RLC＝（3~5)T/2。（3）半波整流电容滤波：当RLC＝（3~5)T/2时，当负载开路时，（2）考虑电网电压波动+10%，电容耐压值应大于。-注：三、脉动系数则基波峰值为交流分量的基波峰-峰值为，四、整流二极管的导通角未加C滤波前

=，加C滤波后，只有当C充电时，二极管才导通，因此<，如图示。RLC值愈大，愈小，滤波效果愈好。由于电容滤波后输出电流io平均值增大，而二极管导通角减小，所以整流管在短时间内流过一个很大的冲击电流。这对二极管寿命不利，所以应选用IF>(2~3)IO(AV)。1.输出特性当滤波电容选定后，输出电压平均值UO（AV）和输出电流平均值IO（AV）的关系。2.滤波特性脉动系数S和输出电流平均值IO（AV）的关系。结论：电容滤波电路简单易行，输出电压平均值高，适用于负载电流小且变化也较小的场合。(a)电容滤波电路的输出特性(b)电容滤波电路滤波的特性五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性10.3.2

倍压整流电路倍压整流的目的，一是整流（将交流电转换成直流电），二是倍压（在变压器边电压一定时，得到几倍于变压器副边的电压输出）。一、二倍压整流电路在理想情况下，实现倍压整流的方法，是利用二极管的整流和导引作用，将较低的直流电压分别存在多个电容器上，然后将它们按相同极性串联起来，从而获得倍压输出。二、多倍压整流电路+-+--+u2+-+-+-+-+-倍压整流适用于要求输出电压较高、负载电流较小的场合。负载接在不同端点，可得任意倍压输出。结论：10.3.3

其它形式的滤波电路一、电感滤波电路输出电压的交流分量整流输出电压分解成，UD（AV）和ud两部分，如图示。输出电压的平均值单相桥式电感滤波电路L愈大，滤波效果愈好；适用于负载电流较大的场合。由于滤波电感电动势的作用，可使二极管的导通角≈

，减小了二极管的冲击电流，iD平滑，从而延长整流二极管的寿命。二、复式滤波电路1.LC

滤波电路输出直流电压为：脉动系数S：适用于各种场合。复式滤波电路(a)注：

2.LC-

型滤波电路复式滤波电路(b)适用于负载电流较小的场合。3.RC-

型滤波电路复式滤波电路(c)适用于负载电流较小的场合。三、各种滤波电路的比较序号性能

类型U

O（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10.4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)10.5主要讨论线性稳压电路。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。稳压二极管稳压电路10.4.1

电路组成整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因：（1）负载变化；（2）电网电压波动。DZ与R组成；DZ与RL并联，工作在反向击穿。R为限流电阻，通过R上电压补偿使输出电压不变。10.4.2

稳压原理IL综上所述，在稳压二极管所组成的稳压电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。(1)当RL不变，电网电压升高时，则当电网电压降低时，各电量的变化与上述相反。（2）当电网电压不变，RL↓（IO↑）时，则可见，IZ↓补偿IO↑→IR保持不变→UO稳定。结论：10.4.3

性能指标稳压电路的稳压性能通常用内阻RO和稳压系数Sr两个主要指标来衡量。一、稳压系数Sr

Sr定义为负载一定时稳压电路输出电压变化量与输入电压相对变化量之比，即Sr表示电网电压波动的影响，Sr愈小，输出电压的变化愈小。二、内阻Ro

Ro定义为稳压电路输入电压一定时输出电压变化量与输入电流变化量之比，即Ro表明负载电阻对稳压性能的影响。三、稳压管稳压电路的Sr和Ro1.稳压系数Sr稳压管稳压电路的交流等效电路如图示，rz为稳压管的动态电阻。可见，R↑→Sr↓;而UO（UZ）确定，R↑→UI↑→Sr↓。因此，R和UI合理搭配，Sr才能比较小。2.内阻Ro有的地方常用电压调整率和电流调整率来描述稳压性能。（1）电压调整率：在额定负载且输入电压产生最大变化(10%U2)的条件下，输出电压产生的变化量∆UO称为电压调整率。（2）电流调整率：在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，输出电压产生的的变化量∆UO称为电流调整率。注：10.4.4

电路参数的选择1.稳压电路输入电压UI的选择

据经验

UI＝（2~3）UO2.稳压管的选择UZ＝UOIZM－IZ>

ILmax－ILminIZM>ILmax+IZ在选择元件时，应首先知道UO，ILmin和ILmax(或RLmin和RLmax)，及UI的动态范围（一般为±10%变化）。3.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：稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！（1）R值应同时满足上两式，并选取相近的标称值。（2）R选定后，选R的容量（即功率），结论：稳压管稳压电路的优点是电路简单，但输出电流较小，输出电压不可调节，因此只适用于负载电流较小，负载电压不变的场合。注：在10.4.1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；（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？例1解：10.510.5.1串联型稳压电路的工作原理一、基本调整管电路1.稳压原理串联型稳压电路2.输出电流和输出电压根据稳压电路得：可见，要使调整管起调整作用，必须使之工作在放大状态。由于调整管与负载串联，称为串联型稳压电源。由于调整管工作在线性区，称为线性稳压电源。反之，变化过程与上述过程相反。可见，晶体管的调节作用使UO稳定，所以称晶体管为调整管。二、具有放大环节的串联型稳压电路基本调整管稳压电路输出电压仍不可调节，且输出电压将因UBE的变化而变化，稳定性较差。1.电路的构成图示具有放大环节的串联型稳压电路，电路引入了深度电压串联负反馈。调整管取样电阻调整管：是电路的核心，UCE随UI和负载产生变化以稳定UO。比较放大基准电压基准电压：是UO的参考电压。取样电阻：对UO

的取样，与基准电压共同决定UO

。比较放大：将UO

的取样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。串联型稳压电路的基本组成及其作用2.稳压原理具有放大环节的串联型稳压电路UIUOUNUBUBEICUCE↑UO当由于某种原因（如电网电压波动或RL变化）使UO↑时，则可见，靠深度电压负反馈来稳定输出电压。UO=UI-UCE3.输出电压的可调范围当R2

的滑动端调至最上端时，UO为最小值串联型直流稳压电路当R2

的滑动端调至最下端时，，UO为最大值，。4.调整管的选择调整管一般为大功率管，选用原则与功率放大电路中功率管相同，主要考虑极限参数ICM、U（BR）CEO、PCM。不同的是还要考虑uI受电网波动的影响，以及UO的调节与负载电流变化产生的影响。（1）集电极最大允许电流ICM

（2）集电极和发射极之间的最大允许电压U(BR)CEO（3）集电极最大允许耗散功率PCM实际中，不但要考虑一定的余量，还应按手册规定采取散热措施。三、串联型稳压电路的方框图实用的串联型稳压电路至少包括调整管、基准电压电路、取样电路、比较放大电路四个部分组成。此外为使电路安全工作，还常在电路中加保护电路。串联型稳压电路的方框图T1调整管R3

、T2比较放大R1

、RW

、R2采样电阻R

、UZ基准电压分立元件组成的串联式稳压电源R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB210.5.2

集成稳压器中的基准电压电路和保护电路一、基准电压电路串联型稳压电路的输出电压取决于基准电压。要求基准电压应具有温度系数为零，输出电阻小，噪声低。1.稳压管基准电压电路稳压管具有正温度系数，而晶体管具有负温度系数。能进行温度补偿。电路采用射极输出形式，引入电压负反馈，称齐纳基准源。稳压管基准稳压电路零温度系数基准电压源电路基准电压：UREF=IER2+mUBE在m、n、稳压管的UZ和二极管的UBE的温度系数确定的情况下，只要R1和R2按要求选定，基准电压温度系数则为零。零温度系数基准电压源电路及等效电路2.能隙基准电压电路UREF＝UgoUgo为硅材料在0K时外推禁带宽度的电压值,基准电压与温度无关，从而获得很好的稳定性。UBE3具有较高的负温度系数I2R2具有正温度系数的电压二、保护电路R0

很小，约为1。负载电流超过某一值后，T2导通，限制T1中的电流，保护调整管。保护电路的输出特性如C图所示。1.过流保护电路在集成稳压器电路内部有各种保护电路，如过流保护、短路保护、调整管安全区保护、芯片过热保护。(不适应于大功率电路)（1）限流型过流保护电路过流时，使调整管发射电流限制在某一数值的电路。（2）截流型过流保护电路T1为调整管，R0为取样电阻，它与T2、R1和R2构成保护电路。保护原理：过流时，使调整管发射电流迅速减小到较小数值的电路。可见，IO↑→UBE2↑。当UBE2<Uon,T2截止。当IO达到一定值或输出短路时，UBE2>Uon，T2导通，对T1的基极分流，使IO↓→UO↓；此时UO↓的幅度大于UB↓的幅度，使T2的电流进一步增大，T1的电流进一步减小，最终达到较小值，如(c)图。令UO=0，并代入UBE2式中，得输出电流的最小值为2.调整管的安全工作区保护电路T16、T17组成复管为调整管，由R13、DZ2、R11、R12、R21、T15组成保护电路，正常工作时，DZ2和T15截止。当过载时，UBE15>Uon,T15导通，对调整管的基极分流，实现过流保护。若UI与UO间电压（调整管压降）超过允许值，DZ2击穿，使T15基极电流骤增而饱和，I9大部分流过T15，使T17接近截止区，使功耗降到较小值。调整管的安全工作区保护电路可见，过压保护电路最终限制了调整管的功耗，使其调整管工作在安全区。3.芯片过热保护电路DZ1具有正温度系数，晶体管b-e间电压具有负温度系数。芯片未过热时，T14截止。芯片T14b-e间的开启电压Uon却减小。当芯片温度上升到一定值（150˚c~175˚c）时，T14导通，对调整管的基极分流，Io↓→PCM↓→芯片温度被限制在一定数值之下。T16、T17组成复合管为调整；T14、R7为测温元件，它们与R1、、DZ1组成芯片过热保护电路。10.5.3

集成稳压器电路从外形上看，集成串联型稳压电路有三个引脚，分别为输入端、输出端和公共端，因而称为三端稳压器。固定式稳压电路：W78XX、W79XX。可调式稳压电路：W117、W217、W317。一、W7800三端稳压器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1.输出电压和输出电流（1）集成稳压器电路图恒流源基准电压电路调整电路比较放大减流保护过热保护启动电路取样电路2.电路原理图分析（2）三端集成稳压器的组成

W7800的原理框图3.主要参数参数名称符号单位参型号数值7805780678097812781578187824输入电压UIV10111419232733输出电压UOV56912151824电压调整率SU%/V0.00760.00860.010.0080.00660.010.011电流调整率SImV404345