《电路》课件第 11 章 直流稳压电源

1第11章

直流稳压电源11.1直流稳压电源组成11.2整流电路

11.3

滤波电路11.4稳压电路

重要知识点

本章小结2本章要点1.直流电源的组成。2.整流电路。3.滤波电路。4.稳压电路。本章重点难点1.单相桥式整流电路组成、工作原理及基本参数计算

。2.电容滤波电路工作原理及基本参数计算

。11.1直流稳压电源的组成3

从供电电网获得的单项交流电一般经过变压器降压，然后将变换后的次级电压经过整流、滤波和稳压之后，就可以得到所需要的直流电源幅值

。一般的直流稳压电源包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路4个组成部分

。返回4图11-1直流稳压电源组成方框图

电源变压器：把有效值为220V，频率为50Hz的电网输入电压变换成所需要的电压。

5整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，如二极管，把正弦交流电变成单一方向的脉动电压。

滤波电路：利用电容、电感等储能元件减小整流电路输出电压的脉动，需通过低通滤波，使输出电压平滑。

稳压电路：采用稳压电路使得输出的电压在电网电压或负载变化时保持稳定。11.2

整流电路6

11.2.1单项半波整流电路简单的单项半波整流电路由整流变压器、整流二极管和电阻负载三个部分组

。图11-2单相半波整流电路返回7图11-3半波整流电路波形图11.2.1单项半波整流电路8

整流电路的输出电压平均值即为负载上的直流电压UL，输出电流平均值即为负载上的直流电流IL。当ωt=0～π时，当ωt=π～2π时，uL=0。则电压平均值UL在0～2π之间，可得表达式经计算可得UL≈0.45U2，则负载电流的平均值为9单相半波整流电路中，通过二极管D的正向平均电流等于通过负载L的电流平均值，即二极管D两端承受的反向电压的最大值为变压器的峰值电压，即

11.2.1单项半波整流电路10

实际工作中，应考虑由市电引入的电网电压有一定的波动，约为±10%，即电源变压器Tr的初级端电压约为198V至242V，所以，为保证二极管安全工作，所选二极管的最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应至少留有10%的浮动范围，即为11.2.1单项半波整流电路11单相半波整流仅使用了少量的原件，电路结构简单，可以作为充电电池的简易充电电路，经济实用。但单相半波整流也有着明显的缺点：输出波形脉动大，直流成分比较低；电路有半个周期不导电，利用效率低；变压器电流含有直流成分，容易饱和。所以此类电路一般适用于输出电流小、对电源性能要求不高的场合。

11.2.1单项半波整流电路12【例11-1】在图11-2所示电路中，已知变压器副边电压有效值U2=10V，负载电阻RL=5Ω，试问：（1）RL上的电压平均值和电流平均值各为多少？（2）电网电压允许波动±10％，选用二极管时应注意哪些事项？12图11-2单相半波整流电路

13解：（1）RL上电压和流过RL的电流分别为

（2）应考虑最大平均电流和承受的最大反向电压

二极管应能承受至少15.55V的反向电压和0.99A的最大平均电流。11.2.2单项全波整流电路14简单的单相半波整流电路即可完成整流功能，但其只利用了电源的半个周期，平均值较低，为了使电源整个周期在负载上都能产生输出电压，我们把半波整流电路加以改进得到单相全波整流电路。15全波整流电路是由两个半波整流电路组成。以抽头的方式用变压器的中心触头把次级分为两个半绕组，每个半绕组与一个二极管配合形成一个简单的半波整流电路，使整个电路在正半周和负半周内轮流导电。图11-4单相全波整流电路

11.2.2单项全波整流电路16图11-5单相全波整流波形17单相全波整流电路，在交流电压的正、负半周上都有电流通过负载，单相全波整流比半波整流的平均输出电压、平均输出电流增加一倍。

即输出电压的平均值和输出的直流电流分别为

11.2.2单项全波整流电路18

通过每个二极管的平均电流：二极管两端承受的最大反向电压和变压器次级端峰值电压：全波整流电路的输出电压比半波整流电路输出电压高出一倍，且由于在整个周期内都由电流流过负载，使整流效率明显高于半波整流电路。19半波整流电路结构简单，只利用了电源的半个周期，平均值较低，单相全波整流电路虽电源整个周期在负载上能产生输出电压，但必须采用具有中心抽头的变压器，而且每个线圈只有一半的时间通过电流，所以变压器的利用率不高。为了克服这些不足，可以采用单向桥式整流电路。

11.2.3单项桥式整流电路图11-6单相桥式全波整流电路图

20图11-7单相桥式全波整流电路图习惯画法与简易画法

2111.2.3单项桥式整流电路11-8单相桥式整流电路波形图

22桥式整流电路将u2的负半周也利用起来实现了全波整流，在变压器次级电压有效值相同的情况下，负载RL上的直流电压是半波整流电路的两倍。负载电阻RL上的直流电压

11.2.3单项桥式整流电路负载电阻RL上的直流电流23

在单向桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4分为两组轮流交替导通，所以流经每一个二极管的平均电流为。

二极管截止时两端承受的最大反向电压为D1、D3和D2、D4各组分别在截止时所承受的u2最大值，即

24

考虑由市电引入的电网电压的波动，选用二极管时，应至少有10%的余量，所选二极管的最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应至少留有10%的浮动范围，即为。单相桥式整流电路输出电压高，脉动电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，效率较高.

2525【例11-2】图示整流电路中，已知变压器副边电压有效值U2=10V，负载电阻RL=5Ω，试问：（1）负载电阻RL上的直流电压和直流电流各为多少？（2）电网电压允许波动±10％，选用二极管时应注意哪些事项？

2526解：（1）RL上直流电压和流过RL的直流电流分别为

（2）选用时应考虑二极管的最大整流平均电流IF与最高反向工作电压UR至少应选取的范围

27通过整流电路可以使正弦交流电变为单一方向的电流，但是电压波动较大，里面还有较大交流成分，不能适应大多数电子电路及其设备的需要。滤波器降低输出电压中的脉动成分，且尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压。常用的滤波器一般由电抗元件组成（电感或电容）。11.3滤波电路返回28

半波整流电路的负载RL上并联一个足够大的电容，这样就可以构成一个半波整流电容滤波电路。

11.3.1半波整流电容滤波电路图11-9半波整流电容滤波电路图

29半波整流电容滤波电路的输出电压中提高了直流成分，降低了脉动成分。适用于负载变动不大、负载电流不很大的场合。图11-10半波整流电容滤波波形图

30在桥式整流电路的负载RL上并联一个足够大的电容C，加入的电容C可以起到减小输出电压脉动的作用，这样就构成了一个桥式整流电容滤波电路。

电容C将起到减小输出电压脉动的作用

。

11.3.2桥式整流电容滤波电路31桥式整流电容滤波电路波形图

桥式整流电容滤波电路图

32电容滤波电路的特点：（1）二极管的导通角θ<π。在同样负载RL的情况下，滤波电容的容量越大，滤波效果越好，导通角θ将越小。由于电容滤波后，负载RL中平均电流增大，而二极管的导通角反而减小，所以整流二极管在一个很短的时间内将流过一个很大的冲击电流，过大的充电电流会影响二极管的使用寿命，这将提高对整流二极管的选用标准。通常我们选择其最大整流平均电流IF大于负载电流的2~3倍。33电容滤波电路的特点：（2）负载平均电压UL升高，脉动（交流成分）减小，且RLC越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的脉动成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取

34电容滤波电路的特点：（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。UL随IL的变化关系称为输出特性或外特性。

图11-12桥式整流电容滤波电路的输出特性

35当电容器C数值较大，RL=∞（即空载）时

当C=0（即无滤波电容）时，UL=0.9U2，在整流电路的内阻不太大（几欧姆）和放电时间常数满足时，电容滤波电路的UL与U2的关系约为：UL≈1.2U2。电容滤波的优点是：电路简单，负载直流电压UL较高，脉动小；

它的缺点是：输出特性较差。所以电容滤波适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

3636【例11-3】在图所示电路中，要求负载电阻RL上的直流电压UL=15V，负载电流IL=100mA。计算：（1）滤波电容C的大小；（2）考虑到电网电压的波动为±10％，滤波电容C的耐压值。3637解：（1）负载电阻和滤波电容C的容量为

（2）变压器副边电压有效值为电容的耐压值为：实际可选取容量为300μF，耐压为25V的电容做本电路的滤波电容。

3811.3.3桥式整流电感滤波电路图11-13桥式整流电感滤波

在桥式整流电路和负载电阻RL之间串入一个电感器L，利用电感的储能作用可以减小输出电压的脉动，从而得到比较平滑的直流电压。理想状态下，若忽略电感L的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻（不加电感）负载相同，即UL=0.9U2。

11.3.3桥式整流电感滤波电路

电感滤波电路的特点是，整流管的导电角较大，峰值电流较小，电路输出特性比较平缓。但由于铁心存在，质量和体积都比较大，易引起电磁干扰。

一般只适用电压较低，电流较大的场合。

11.4稳压电路

40稳压电路，就是当电网电压波动或负载发生变化时，能使输出电压保持稳定的电路。最简单的直流稳压电源是硅稳压管稳压电路。直流稳压电路按照其稳压的工作方式可分为线性直流稳压电路和开关直流稳压电路。按照电压调整器件与输出电压的连接方式可分为串联直流稳压电源和并联直流稳压电源

。返回11.4.1稳压二极管稳压电路

41当稳压管工作于反向击穿状态时，只要反向电流不超过极限电流IZmin和极限功耗PZmax，稳压管不会被损坏，并且反向电流在较大的范围内变化时，稳压管两端电压Uz变化很小，从而具有稳压作用

。图11-14稳压管的伏安特性

42利用稳压管的稳压特性，在桥式整流滤波电路的负载RL两端并联一个由稳压管D组成的稳压电路，这样就组成了最简单的直流稳压电路，即稳压管稳压电路，有时又称并联型稳压电路

。

图11-15硅稳压管的稳压电路

电网电压↑→UI↑→UO(UZ)↑→IZ↑→IR↑→IRR↑

UO43利用稳压管所起的电流调节作用，稳压电路通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。同时串联电阻R也起到限制电流保护稳压管的作用，所以电阻R也称为限流电阻。11.4.1稳压二极管稳压电路

44（1）当输入电压UI为最大，而负载电流最小（负载开路，此时IL=0）时，流过稳压管的电流最大，为了保护管子，流过稳压管子的电流必须小于IZmax，因此限流电阻R应该足够大，即下限值为：

11.4.1稳压二极管稳压电路

45（2）当输入电压UI为最小，而负载电流为最大时，流过稳压管的电流最小，为了保证稳压管工作在击穿区（即稳压区），IZ值不得小于IZmin，因此限流电阻R不得过大，即上限值为

：

4646【例11-4】在图示电路中，输入直流电压UI=30V，假设其变化范围为±10%，负载为2kΩ，要求输出直流电压UL=12V，求负载电流的最大值ILmax和限流电阻下限值Rmin和上限值Rmax。4647解：（1）负载电流最大值

（3）因UI的变化范围为±10%，即UImax=1.1UI=33V，UImin=0.9UI=27V。限流电阻下限值Rmin

限流电阻上限值Rmax

（2）可选稳压管2CW5，其主要指标为UZ=11.5V～14V，IZmin=5mA，PZ=0.28W，48稳压管稳压电源电路简单，但受稳压管最大电流限制，又不能任意调节输出电压，所以适用输出电压不需调节，负载电流小，要求不甚高的场合。实际工程中，常采用串联型稳压电路来弥补稳压管稳压电路的不足。11.4.2串联型稳压电路

49现在的半导体集成电路工艺已能把串联反馈式稳压电路中的调整管、比较放大电路、基准电压源等集成在一块硅片内，构成线性集成稳压组件，使其体积更小，重量更轻，使用方便。常见的有三端集成稳压器CW78××系列和CW79××系列。三端集成稳压器有三个端子，分别是输入端、输出端和接地端。

11.4.3集成稳压电路

501．三端集成稳压器件的主要参数（1）最大输入电压UImax：保证稳压器安全工作时所允许的最大输入电压。（2）最小输入电压UImin：保证稳压器正常工作时所需要的最小输入电压。（3）输出电压UO。（4）最大输出电流IOmax：保证稳压器安全工作时所允许的最大输出电流（5）电压调整率（%V）：它反映了当输入电压UI每变化1V时，输出电压相对变化量ΔUO/Uo的百分数。此值越小，稳压性能越好。512．三端集成稳压器件的应用

图11-17串联型稳压电路

52利用三端稳压器可以构成输出电压可调的稳压电路

图11-18输出电压可调的稳压电路

改变R2滑动端位置，可调节UO的大小

5353【例11-5】在图所示电路中，三端稳压器的标称电压UXX为5V，静态电流为5mA，R1为220Ω，R2为680Ω，求输出电压UO。解:输出电压UO为：53重要知识点54变压：将交流电网中的交流电压变成符合整流要求的交流电压

。整流：利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单向脉动电压。单相半波整流：将单相交流电变成单相直流电，但只在输入波形的半个周期内有输出。单相全波整流：将单相交流电变成单相直流电，在输入波形的整个周期内都有输出。滤波：利用电容、电感等储能元件，减小脉动电压中的脉动成分，尽可能地将单向脉动电压成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。

返回55电容滤波：在桥式整流电路的负载RL上并联一个足够大的电容C

，利用电容的储能作用可以减小输出电压的脉动，从而得到比较平滑的直流电压。电感滤波：在桥式整流电路和负载电阻RL之间串入一个电感器L，利用电感的储能作用可以减小输出电压的脉动，从而得到比较平滑的直流电压。稳压：降低电网电压波动和负载电阻变化对输出直流电压产生的影响。重要知识点56二极管稳压：在桥式整流滤波电路的负载两端并联一个由稳压管，利用二极管的反向击穿特性使其工作在稳压区，以保证输出电压稳定。串联型稳压：在电路中加入调整管、取样电路、基准电压电路和比较放大电路，稳压管与限流电阻串联，通过电压负反馈使输出电压保持基本稳定。重要知识点本章小结571.