《电子技术基础与应用》项目4

直流稳压电源项目4直流稳压电源是电子设备常用的能量源，半导体器件和集成电路的正常工作都需要由它供电。在某些小功率用电或不方便接交流电源的情况下可以将原电池、蓄电池、直流发电机等作为直流稳压电源，但在大多数情况下需要将交流电转换为直流电以作为直流稳压电源。随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，电子设备对直流稳压电源提出了更高的要求。本项目主要介绍整流电路、滤波电路、稳压电路和三端集成稳压器的相关知识。项目导读项目导读学习目标知识目标 能够正确选择直流稳压电源的主要元件。 能够正确调试整流滤波电路。 能够正确测试集成直流稳压电源。技能目标 厚植爱党爱国、奉献社会的家国情怀。 树立严谨细致的工作作风，弘扬奋发向上的进取精神。素质目标

掌握单相半波整流电路和单相桥式整流电路的结构和工作原理。 掌握电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路的结构和工作原理。 掌握稳压管稳压电路和串联型稳压电路的结构和工作原理。 熟悉三端集成稳压器的基本知识。目录任务4.1

认识整流滤波电路任务4.2

认识稳压电路任务4.1认识整流滤波电路

任务引入整流滤波电路是直流稳压电源的重要组成部分，它利用半导体器件的单向导电性，将经电源变压器降压后的低压交流电转换为单方向脉动的直流电，并通过电感、电容、电阻等元件来减小直流电压中的脉动成分使其平稳输出，以作为电子电路的工作电源。如右图所示为整流滤波电路，它主要有半波整流滤波电路和桥式整流滤波电路两种形式。请选择合适的工具和器材，对这两种整流滤波电路进行调试。任务引入本任务的知识与技能要求如下表所示。任务内容认识整流滤波电路学习程度识记理解应用学习任务整流电路

●

滤波电路●

实训任务调试整流滤波电路

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价整流电路是指将交流电变换为直流电的电路，它利用半导体器件的单向导电性，使交流电周期性地导通和截止，从而使负载得到单方向脉动的直流电。根据交流电源相数的不同，整流电路可分为单相整流电路和三相整流电路两种，其中最为常用的是功率较小的单相整流电路。根据整流电压波形的不同，单相整流电路可分为单相半波整流电路和单相全波整流电路两种，下面分别对其进行介绍。4.1.1整流电路相关知识1）工作原理单相半波整流电路如右图所示，它主要由电源变压器T、整流二极管VD和负载构成。其中，电源变压器一次电压为，二次电压为，这两个电压均为正弦交流电压。相关知识1．单相半波整流电路设，当在正半周时，VD正向导通，此时有电流流过负载，若忽略VD的电压降，则两端的电压等于电源变压器二次电压，即，两者的电压波形相同；当在负半周时，VD反向截止，上无电流流过，输出电压，此时全部加在VD的两端。单相半波整流电路的电压波形如下图所示，其中为单方向的脉动电压，且仅获得正弦波的正半部分。相关知识相关知识2）性能参数单相半波整流电路的主要性能参数为负载上的直流电压和直流电流。负载上的直流电压是指一个周期内输出电压的平均值，即（4-1）负载上的直流电流为（4-2）相关知识3）整流二极管的选择整流二极管的型号一般应根据最大整流电流和最大反向工作电压来选择。在单相半波整流电路中，整流二极管的最大整流电流与流过负载的直流电流相等，即（4-3）整流二极管截止时所承受的最大反向工作电压与电源变压器二次电压的最大值相等，即（4-4）相关知识点拨一般情况下，电网电压允许在其额定值的范围内波动，因此在选择整流二极管时，其最大整流电流和最大反向工作电压应留有至少10%的裕量，以保证整流二极管安全工作。单相半波整流电路的结构简单、元件较少，但效率较低，输出电压较低且脉动较大，因此只适用于整流电流较小，对电压脉动要求不高的情况。相关知识2．单相桥式整流电路单相桥式整流电路是直流稳压电源中最常用的一种单相全波整流电路，它由四个整流二极管构成，如右图所示。其中，四个整流二极管接成了桥式；四个顶点中，相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载，不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。相关知识下图所示为单相桥式整流电路的简化画法。1）工作原理在单相桥式整流电路中，当电压在正半周时，A点电位高于B点电位，整流二极管、正向导通，整流二极管、反向截止，电流的路径为A→→→→B。当电压在负半周时，B点电位高于A点电位，整流二极管、正向导通，整流二极管、反向截止，电流的路径为B→

→→→A。相关知识由于两对整流二极管交替正向导通，因此负载在的整个周期内都有电流流过，而且方向不变。单相桥式整流电路的输出波形如下图所示。相关知识2）性能参数与单相半波整流电路一样，单相桥式整流电路的主要性能参数也是负载上的直流电压和直流电流。负载上的直流电压为（4-5）负载上的直流电流为（4-6）相关知识3）整流二极管的选择单相桥式整流电路的整流二极管可根据最大整流电流和最大反向工作电压来选择。在单相桥式整流电路中，两对整流二极管交替导通，两者仅在电压的半个周期内流过电流，因此每个整流二极管的最大整流电流为负载上直流电流的一半，即（4-7）每个整流二极管的最大反向工作电压为（4-8）与单相半波整流电路相比，单相桥式整流电路的效率较高，输出电压较高且脉动较小。利用整流电路虽然可以把交流电转换为单一方向的直流电，但该直流电含有较大的脉动成分，不能保证电子设备正常工作。因此，在整流电路中，还需要利用由储能元件构成的滤波电路来过滤直流电中的脉动成分，使输出的电压更加平稳。常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路三种。4.1.2滤波电路相关知识相关知识1．电容滤波电路电容滤波电路是最常见、最简单的滤波电路，它由滤波电容与负载并联而成，可利用滤波电容的充放电来过滤输出电压的脉动成分。如右图所示为单相桥式整流电容滤波电路。相关知识1）工作原理在单相桥式整流电容滤波电路中，当在正半周且（电容两端电压）时，、正向导通，此时，给供电的同时对C充电，当充到最大电压（即）时，和都开始减小，按正弦规律减小；当时，、因承受反向电压而截止，C对放电，按指数规律减小。在负半周时的情况与在正半周时的相似，只是当时，、正向导通，经滤波后的脉动显著减小，其输出波形如下图所示。相关知识相关知识2）负载上电压的计算采用电容滤波时，输出电压的平均值一般用以下公式估算，即（桥式、全波）（4-9）（半波）（4-10）3）滤波电容的选择滤波电容的放电时间常数（）越大，则放电过程越慢，输出电压越高、脉动越小，即滤波效果越好。一般要求（桥式、全波）（4-11）（半波）（4-12）式中：T——交流电源电压的周期。电容滤波电路适用于要求输出电压较高、负载电流较小，并且负载较为稳定的电路中。相关知识2．电感滤波电路电感滤波电路由电感和负载串联而成，它利用电感对交流电压阻抗大的特点来过滤输出电压的脉动成分，从而得到平稳的电压。如下图所示为单相桥式整流电感滤波电路。相关知识电感的工作频率越高、电感越大，滤波效果越好。当忽略电感的电阻时，负载上的直流电压。经电感滤波后，流过负载的电流和负载上电压的脉动不但会减小，而且在电感电压的作用下，整流二极管的冲击电流会减小，从而延长整流二极管的寿命。电感滤波电路的缺点是体积大，易产生电磁干扰。电感滤波电路一般适用于低电压、大电流的情况。当流过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电压与电流的方向相反，电感将阻止电流的增加，并将一部分电能转换为磁场能存储于电感之中。当流过电感线圈的电流减小时，自感电压与电流的方向相同，电感释放出存储的能量，以补偿电流，从而使负载得到平稳的电压。相关知识3．复式滤波电路为了得到更好的滤波效果，可以将电感、电容、电阻按照一定的方式构成复式滤波电路。常用的复式滤波电路有Γ型LC、Π型LC和Π型RC三种类型，如下图所示。这几种常用复式滤波电路的适用范围如表4-4（详见教材）所示。任务4.2认识稳压电路

任务引入虽然交流电经整流和滤波后能够得到较为平稳的直流电，但是这种直流电会随电网电压的波动和负载的变化而变化，稳定性较差。因此，需要一种稳压电路，使输出电压在电网电压波动或负载变化时基本稳定在某一数值。如下图所示为集成直流稳压电源测试电路。请选择合适的工具和器材，对该集成直流稳压电源进行测试。任务引入本任务的知识与技能要求如下表所示。任务内容认识稳压电路学习程度识记理解应用学习任务稳压电路●

三端集成稳压器●

实训任务测试集成直流稳压电源

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价4.2.1稳压电路相关知识1．稳压管稳压电路稳压管稳压电路是最简单的直流稳压电路，它由稳压管和限流电阻构成，如下图所示。如下图所示为稳压管的伏安特性曲线。相关知识1）工作原理相关知识同理，如果负载电阻减小，则稳压过程相反。由此可知，稳压管稳压电路利用稳压管对电流进行调节，通过限流电阻R上电压的变化对输出电压进行补偿，以达到稳压的目的。2）元件的选择（1）稳压管一般按下式选取。

（4-13）（2）限流电阻的大小受其他参数因素的影响，一般按下式选取。（4-14）稳压管稳压电路结构简单，只适用于输出电压不需要调节、负载电流小且要求不高的情况。相关知识2．串联型稳压电路串联型稳压电路克服了稳压管稳压电路输出电压不可调、输出电流变化范围小的缺点，多用于对输出电流要求较高的情况。1）电路结构及各部分的作用串联型稳压电路如所示。它由取样电路、基准电压电路、比较放大电路和调整电路四部分构成。相关知识（1）取样电路可将输出电压的一部分送到比较放大电路。（2）基准电压电路由稳压二极管和电阻R构成，用于为整个稳压电路提供一个稳定的基准电压，作为调整和比较的标准。（3）比较放大电路是一个集成运放，它将取样电压与基准电压进行比较放大，并将比较放大后的电压送到调整管VT的基极。（4）调整电路由调整管VT构成，调整管VT的基极电位动态反映了整个稳压电路输出电压的变化，控制基极电位就可控制的大小。相关知识2）稳压过程由上图可知，当因电网电压的波动或负载电阻的变化等而使输出电压增大（或减小）时，取样电路将这一变化趋势（即取样电压）输送到集成运放的反相输入端，与集成运放同相输入端的电位（即基准电位）进行比较放大，集成运放的输出电压（即调整管的基极电位）将会减小（或增大）。由于调整环节采用发射极输出的方式，因此输出电压必然减小（或增大），从而使输出电压保持稳定。由此可以看出，串联型稳压电路的稳压过程，实质上是通过电压负反馈使输出电压保持基本稳定的过程。相关知识3）输出电压的可调范围在如上图所示的电路中，若将其中的集成运放看作集成运放，当电位器的游标调至最下端时，输出电压最大，为（4-15）当电位器的游标调至最上端时，输出电压最小，为（4-16）相关知识4）调整管的选择在串联型稳压电路中，调整管的安全工作是电路正常工作的前提。在选择调整管VT时主要考虑其极限参数，即集电极最大允许电流、集电极-发射极反向击穿电压和集电极最大允许耗散功率，这些参数应满足（4-17）在实际选用调整管时，不但要考虑一定的裕量，还应按相关手册规定采取必要的散热措施。相关知识4.2.2三端集成稳压器随着科技的发展，稳压电路也可以被制成集成器件，即集成稳压器。集成稳压器因体积小、可靠性高、价格低廉等优点而得到了广泛的应用。集成稳压器种类繁多，其中应用较为广泛的是三端式集成稳压器，它因有三个引脚而得名。根据性能的不同，三端集成稳压器可分为三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器两种。前者的输出电压为固定值，不能调节；后者可通过外接电路对其输出电压进行连续调节。下面以CW7800（固定输出正压）系列、CW7900（固定输出负压）系列和CW317（可调输出正压）系列、CW337（可调输出负压）系列为例，分别介绍三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器的相关知识。相关知识1．三端固定式集成稳压器1）外形和图形符号CW7800系列和CW7900系列三端固定式集成稳压器的外形和图形符号如下图所示，这两种三端固定式集成稳压器均有输入端、输出端和公共地端三个引脚。相关知识2）型号的组成及含义三端固定式集成稳压器型号的组成及含义如下图所示。

CW7800和CW7900系列三端固定式集成稳压器的输出电压主要有七种，最大输出电流主要有0.1A、0.5A、1A、1.5A等四种。CW7815型三端固定式集成稳压器的主要参数表4-8（详见教材）所示。相关知识2．三端可调式集成稳压器1）外形和图形符号CW317系列和CW337系列三端可调式集成稳压器的外形和图形符号如下图所示，它们均有输入端、输出端和调整