模拟电子技术基础9直流稳压电源

8/24/20238:53:22AM第9章直流稳压电源8/24/20238:53:22AM本章基本要求掌握直流稳压电源的基本组成和工作原理，包括单相半波整流、滤波、串联反馈式稳压电路；熟悉集成稳压器应用等；了解开关式直流稳压电路及其工作原理等。8/24/20238:53:22AM9.1概述

类型类别特点交流稳压电源

自耦调整式稳压电源机械调整式结构简单，造价低，输出波形失真小。容易烧毁，电压调整速度慢。自耦变压器式电路简单，稳压范围宽，价格低。稳压精度较低，工作寿命短。大功率补偿式抗干扰性能较好，稳压精度高、响应速度快，电路简单。输入电流失真度大，功率因数较低；输出电压可能影响输入电压的相移。参数调整式稳压电源结构简单，可靠性高，抗干扰能力强。能耗较大、噪声大、造价较高。开关型稳压电源(AC/AC)稳压性能好，控制功能较强。电路复杂，价格较高。直流稳压电源

化学电源小巧，灵活。供电能力受限，污染环境。线性电源稳定性高，纹波小，可靠性高。体积大，功耗大，转换效率低。开关式电源AC/DC电源体积小，重量轻，效率高，稳定可靠。纹波较大。需要配以性能良好的低通滤波器。DC/DC电源通信电源电台电源模块电源特种电源8/24/20238:53:22AM9.2直流稳压电源的基本组成及工作原理

9.2.1直流稳压电源的组成

1．电源变压器Tr2．整流电路：

3．滤波电路4．稳压电路

8/24/20238:53:22AM9.2.2单相整流滤波电路

9.2.2.1单相半波整流滤波电路

假设变压器二次侧的电压为

由于二极管D具有单向导电性，只有当它的阳极电位高于阴极电位时才导通。8/24/20238:53:22AM

负载上得到的电压虽然是单方向的(极性一定)，但其大小仍然是变化的，这种电压称为单向脉动电压，通常用一个周期的平均值来表示它的大小。单相半波整流电压的平均值为

(9-1)流过负载电阻电流的平均值为

(9-2)

单向半波整流电路中，二极管截止时所承受的最高反向电压就是(9-3)8/24/20238:53:22AM9.2.2.2单相桥式整流滤波电路

1．单相桥式整流电路单相桥式整流电路如图9-3a所示。1)电路组成8/24/20238:53:22AM2)工作原理设(a)二极管D1~D4性能理想(b)uoTru1RLiD1D4+–D1D3D2u2iD2ioab+–+–8/24/20238:53:22AM输入电压正半周时D1、D3导通，D2、D4截止二极管D1、D3电流二极管D1、D3电压u2ωt022Uωt0iD1iD3,L2/2RUωt0uD1uD3,22U8/24/20238:53:22AM二极管D2、D4电流二极管D2、D4电压输入电压负半周时D1、D3截止，D2、D4导通u2ωt022Uωt0uD2uD4,22Uωt0iD2iD4,L2/2RU8/24/20238:53:22AM输入电压输出电压输出电流u2ωt022Uuoωt022UL2/2RUωt0io8/24/20238:53:22AM2．桥式整流电路的性能指标

（1）输出电压一个周期内的平均值(9-4)直流电流为（9-5）（2）脉动系数S

最低次谐波幅值与输出电压平均值之比定义为脉动系数

(9-6)

（3）流过二极管的正向平均电流

==(9-7)8/24/20238:53:22AM（4）二极管承受的最大反向电压二极管在截止时管子承受的最大反向电压(9-8)（5）输出电压纹波因数

Uor——输出电压中各次谐波电压有效值的总和Uo——输出电压的平均值对于全波整流电路8/24/20238:53:22AM9.3

滤波电路

滤波电路的作用是滤除整流电压中的纹波。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波及有源滤波。

9.3.1电容滤波电路

8/24/20238:53:22AM1.滤波原理

(1)当C=0(无滤波电容)时输入电压输出电压波形π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U输出电压8/24/20238:53:22AM(2)当C≠0、RL=∞时输出电压波形输入电压π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U电容器的充电时间常数为8/24/20238:53:22AM(3)当C≠0、RL≠∞时输出电压输入电压π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouC,22U电容器的充电时间常数uo=uc

u28/24/20238:53:22AM当C充电到最高点时，C将通过RL开始放电。二极管D1、D3将截止，输入电压π2π3π4πu2ωt022U输出电压πO2π3π4πωtuouc,22U8/24/20238:53:22AM电容器的放电时间常数由于

2较大，放电比较缓慢。输出电压π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouc,22U输入电压8/24/20238:53:22AM当|u2|>uc时，C又开始充电，直到最大值。二极管D2、D4导通，输出电压π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouc,22U输入电压8/24/20238:53:22AM输出电压波形C充电C放电D截止D导通输入电压波形电流流通角电流波形8/24/20238:53:22AM2.性能参数的工程估算

1)电容滤波电路的外特性C=0C小C大0.9U2uoio022Ua.当io一定时，C越小，Uo(AV)越小，纹波越大。b.当C一定时，io越大,Uo(AV)越小。外特性特点电容滤波电路适用于负载电流比较小或负载基本不变的场合。8/24/20238:53:22AM2)输出直流电压

若≥LCR=t2)5~(3T一般取2O(AV)2.1UU»3)输出电流平均值

8/24/20238:53:22AM4)

整流二极管的平均电流

(b)

二极管导通时，有冲击电流；其特点：(a)

比无滤波电容时的平均电流大；二极管的平均电流放电时间常数越大，θ越小，冲击电流越大。(c)冲击电流与二极管的导通角θ(θ<)有关。(9-11)5)整流二极管的最高反向电压8/24/20238:53:22AM表9-3几种整流电路带电容滤波时的特性

8/24/20238:53:22AM9.3.2电感滤波电路

忽略电感器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=0.9(9-12)

8/24/20238:53:22AM9.3.3复式滤波器

8/24/20238:53:22AM9.4稳压电路

9.4.1并联型稳压电路

8/24/20238:53:22AM9.4.2串联反馈式稳压电路

9.4.2.1稳压电源的主要指标

（1）输入调整率和稳压系数

输入调整率是表征稳压器稳压性能的优劣的重要指标，是指在负载和温度不变的条件下，输入电压变化对输出电压的影响(9-14)工程常用稳压系数表示直流稳压电源的性能

(9-15)8/24/20238:53:22AM(2)负载调整特性

负载调整特性定义为输出电压的相对变化量与输出电流变化量的比。

(9-16)(3)输出电阻

(9-17)(4)温度系数

(9-18)8/24/20238:53:22AM9.4.2.2串联反馈式稳压电路的组成与工作原理

串联反馈式稳压电路稳定输出电压是利用了电压负反馈稳定输出电压的基本原理，如图9-10a所示。调整管8/24/20238:53:22AM如图9-11所示是串联反馈式稳压电路的组成框图。

调整环节取样环节比较放大环节基准环节1．电路组成

8/24/20238:53:22AM2．稳压原理

iUCEu

L)(R或

FU

OU

Bu

¿¾¾¬¯LLLLLLOU图9-11中：

是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大器，UREF为基准电压，R1与R2组成反馈网络用来反映输出电压的变化(取样)。这种稳压电路的主回路是工作于线性状态的调整管T与负载串联，

故称为串联型稳压电路。

8/24/20238:53:22AM3．输出电压在深度负反馈条件下(9-19)8/24/20238:53:22AM4．调整管参数选取原则(1)ICM≥Iomax(2)PCM≥o(max)CE(max)IU(3)≥CEO(BR)UCE(max)U8/24/20238:53:22AM5．限流保护电路正常工作区0UOIOIOmax电路外特性保护电路R+-UoRL+–T1IB1T2IC2URUBIo比较放大环节I+–Ui8/24/20238:53:22AM(2)当Io增大,

T2导通。IB1减小，限制了Io的增大。(1)当Io较小时，UR<UBE2,T2截止，电路正常工作。限流保护电路工作原理8/24/20238:53:22AM9.5集成稳压器2.主要特点1.电路主要组成部分(1)串联反馈型线性稳压电路；(2)高精度基准电压源；(3)过流、过热保护等电路。(2)外接元件少；(1)工作可靠；(3)使用方便。9.5.1三端固定式集成稳压器

8/24/20238:53:22AM

常用三端固定集成稳压器是7800系列和7900系列。7800系列输出正电压，其输出电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、20V、24V等品种。

该系列的输出电流分5档，7800系列是1.5A，78M00是0.5A，78L00和是0.1A，78T00是3A，78H00是5A。7900系列与7800系列所不同的是输出电压为负值。外形图3.外形及特点8/24/20238:53:22AM4.分类按输出电压是否可调固定式三端稳压器可调式三端稳压器1

——

输入端3

——

输出端2

——

公共端78系列1

——

公共端3

——

输出端2

——

输入端79系列8/24/20238:53:22AM启动电路基准电源调整环节比较放大过热保护限流保护减流保护采样环节5.78××内部电路8/24/20238:53:22AM6.三端集成稳压器的应用C2防止自激振荡C3减小高频干扰C1

、C4减小输出纹波和低频干扰8/24/20238:53:22AM扩大输出电流UI+UOC1LM78×+–132C2R1T–OI¢OICI式中1RBOIII+=¢1BER1RUI=OBII¢+=bOCOIII¢+=图中A6.01R=IA4.0B=IA4C=IA5O=I若

=10，R1=0.5,|UBE|=0.3V,。则A1O=¢I8/24/20238:53:22AM9.5.2三端可调式集成稳压器

(9-20)其中UREF=1.25V8/24/20238:53:22AM8/24/20238:53:22AM9.5.3基准电压源

常用基准电压器件主要有：LM385-1.2(1.2V精密基准电压源)，LM385-2.5(2.5V精密基准电压源)，LM336-2.5(2.5V精密基准电压源)，MC1403(2.5V基准电压源)，LM431ACZ、TL431(精密可调2.5V～36V基准稳压源)，LM399H(6.9999V精密基准电压源)，LM336-5.0(5.0V精密基准电压源)等。1.TL431基准电压源TL431是一个性能优良的基准电压集成电路。该器件主要应用于稳压、仪器仪表、可调电源和开关电源中，是稳压二极管的良好替代品。8/24/20238:53:22AM9.6开关式稳压电源

传统的线性稳压电源虽然电特性优良，电路结构简单、工作可靠，但调整管串接在负载回路里是它的根本弱点，存在着效率低（只有40%～60%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点，有时还要配备庞大的散热装置。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达（80%～95%），且稳压范围宽，此外还具有稳压精度高、不使用电源变压器等优点，因此，开关稳压电源已广泛用于各种仪器设备、计算机、通信系统、空间技术以及电视接收机等家用电器产品中。

8/24/20238:53:22AM线性稳压电路的主要特点(1)电压稳定度高；(2)纹波电压小；(3)响应速度快；(4)电路简单；(5)调整管的功耗大；(6)功率变换效率低。8/24/20238:53:22AM9.6.1开关式稳压电源的特点及分类

9.6.1.1开关式稳压电源的特点

（1）允许电网电压变化范围宽。

（2）功耗低，效率高。开关电源效率约为80～95％。(3)开关稳压电源的体积和重量要比同功率的串联式稳压电源小且轻。

（4）可靠性高。（5）容易实现多路电压输出和遥控。

8/24/20238:53:22AM9.6.1.2开关式稳压电源的分类

按负载与储能电感的连接方式分，有串联型与并联型开关稳压电源；

按不同的激励方式分，有自激式与他激式开关稳压电源；按电路结构可分为单管型、推挽型、半桥型和全桥型。

按控制方式分为脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)、脉冲调频式(PulseFrequencyModulation,PFM)和混合调制式(PWM与PFM)三种。

8/24/20238:53:22AM9.6.2开关式稳压电源的基本工作原理

9.6.2.1降压型开关稳压电路的基本原理

Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2+iC–uEDRLe––onToffT开关管续流二极管控制脉冲储能电感滤波电容8/24/20238:53:22AM控制脉冲的特点：

来自反馈控制电路,周期T恒定。Ui为高电平(Ton期间)时，T饱和导通，IEUu»D截止，C2充