模拟电子技术（第四版）课件：直流稳压电源

直流稳压电源9.1概述

9.2整流滤波电路

9.3硅稳压管稳压电路

9.4串联型线性稳压电路

9.5三端集成稳压器

9.6开关稳压电源

本章小结

习题

9.1概

述

9.1.1演示电路

1.演示电路如图9.1所示,T1为自耦变压器,T2为电源变压器,V1～V4为整流二极管,C1为滤波电容,CW7812为三端稳压器,R和RP组成负载RL,两块电压表分别接在整流滤波电路的输出端及稳压电路的输出端。

图9.1直流稳压电源演示电路

2.操作过程

(1)负载电阻RL保持不变,调节自耦变压器在220(1±10%)V范围内变化,观察整流滤波电路输出端的电压表及负载两端的电压表的变化,你会发现,滤波电路输出端的电压表指针发生了变化,而负载两端的电压表读数却不变。

(2)输入电压（自耦变压器调到AC220V）不变,调节RP,观察负载两端的电压表,读数仍不变。可以看出:该电路在电源电压及负载RL变化时,负载两端电压值均不变,即实现了稳压功能。

9.1.2稳压电源

1．稳压电源的组成从9.1.1节演示可知,直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成,其框图如图9.2所示。

各部分作用介绍如下。

图9.2直流稳压电源组成方框图

电源变压器的作用是为用电设备提供所需的交流电压,整流器和滤波器的作用是把交流电变换成平滑的直流电,稳压器的作用是克服电网电压、负载及温度变化所引起的输出电压的变化,提高输出电压的稳定性。直流稳压电源的类型可分为并联型、

串联型及开关型。

2．稳压电源的主要技术指标

1）特性指标特性指标指表明稳压电源工作特征的参数,例如,输入、输出电压及输出电流,电压可调范围等。

2）质量指标质量指标指衡量稳压电源稳定性能状况的参数,如稳压系数、输出电阻、纹波电压及温度系数等。具体含义简述如下:

(1)稳压系数γ:指通过负载的电流和环境温度保持不变时,稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。

即

(9.1)

(2)输出电阻ro:指当输入电压和环境温度不变时,输出电压的变化量与输出电流变化量之比。即(9.２)ro的值越小,带负载能力越强,对其它电路影响越小。

(3)纹波电压S:指稳压电路输出端中含有的交流分量,通常用有效值或峰值表示。

S值越小越好,否则影响正常工作,如在电视接收机中表现交流“嗡嗡”声和光栅在垂直方向呈现S形扭曲。

(4)温度系数ST:指在UI和IO都不变的情况下,环境温度T变化所引起的输出电压的变化。

即

(9.3)式中,ΔUO为漂移电压。ST越小,漂移越小,该稳压电路受温度影响越小。另外,还有其它的质量指标,如负载调整率、

噪声电压等。

9.2整流滤波电路

9.2.1整流电路

1.电路的组成及工作原理桥式整流电路由变压器和四个二极管组成,如图9.3所示。由图(a)可见,四个二极管接成了桥式,在四个顶点中,相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载RL,不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。

图9.3单相桥式整流电路(a)电路画法一；

(b)电路画法二；

(c)电路画法三

设 ，当u2为正半周时,A端电位高于B端电位,整流二极管V1、V3导通,V2、V4截止,电流流向为A端→V1→RL→V3→B端,自上而下流过RL,在RL上得到上正下负的电压。当u2为负半周时,A端电位低于B端电位,整流二极管V2、V4导通,V1、V3截止,电流流向为B端→V2→RL→V4→A端,自上而下流过RL,在RL上得到上正下负的电压。这样在u2的整个周期内,都有单向脉动的电压输出。单相桥式电路的电流通路如图9.4所示,输出波形如图9.5所示。图9.4单相桥式电路的电流通路(a)u2正半周时；

(b)u2负半周时图9.5桥式整流电路输出波形图

2.负载上的直流电压和直流电流直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值，

由计算可知

(9.4)其中“U2”为变压器次级正弦电压的有效值。流过负载RL上的电流为

(9.5)

3.整流二极管的参数

在桥式整流电路中,因为二极管V1、V3和V2、V4在电源电压变化一周内是轮流导通的,所以流过每个二极管的电流都等于负载电流的一半,即

(9.6)

每个二极管在截止时承受的反向峰值电压为

(9.7)

4.整流桥堆的认识桥式整流电路中的四个二极管的极性绝对不能接错，如果其中一个二极管的极性接错，就会导致电路损坏。为了解决这一问题，生产厂家常将整流二极管集成在一起构成桥堆,内部结构及外形如图

9.6所示。

图9.6桥堆实物图及内部结构图(a)实物图；

(b)全桥结构图；

(c)半桥结构图

使用一个“全桥”或连接两个“半桥”,就可代替四只二极管与电源变压器相连,组成桥式整流电路,非常方便。选用时,应注意桥堆的额定工作电流和允许的最高反向工作电压应符合整流电路的要求。此外,生产厂家也将多个二极管串联在一起做成高压整流堆,它的反向工作电压在9000V以上,常见的型号有2CLxx、2DLxx、2DGLxx等,应用在电视机、计算机等高压整流电路中。

例9.1

已知负载电阻RL=100Ω,负载工作电压UO=45V，若采用桥式整流电路(可参见图9.3),应选择何种型号的硅整流二极管？

解

变压器的次级电压由UO=0.9U2可以得到

加在二极管上的反向峰值电压为

流过二极管的平均电流为

查手册可知

2CZ54C二极管可满足要求。

9.2.2滤波电路

1．电容滤波电路

1)电路组成及工作原理图9.7(a)为单相桥式整流电容滤波电路,它由电容C和负载RL并联组成。

图9.7桥式整流电容滤波电路及波形(a)电路；

(b)波形

其工作原理如下:当u2的正半周开始时，若u2>uC(电容两端电压)，整流二极管V1、V3因正向偏置而导通，V2、V4因反向偏置而截止，电容C被充电，由于充电回路电阻很小，因而充电很快，uC和u2变化同步。当ωt=π/2时，u2达到峰值，C两端的电压也近似充至 值。当u2由峰值开始下降，使得u2<uC时，四个二极管均截止，电容C向RL放电，由于放电时间常数很大，故放电速度很慢。当u2进入负半周的开始阶段，u2的绝对值仍小于uC

，四个二极管仍处于截止状态，电容C继续放电，输出电压也逐渐下降。当u2负半周的绝对值增加时，使|u2|＜uC，二极管V2、V4导通，V1、V3截止，电容又再次充电，当 时，u2负半周达到峰值，C两端的电压又充至 值。当u2的第二个周期的正半周到来时，C仍在放电，直到u2>uC时，二极管V1、V3又因正偏而导通，V2、V4又因反偏而截止，电容又再次充电，这样不断重复第一周期的过程。负载上的电压、电流波形如图9.7(b)所示。由输出电压波形图可以看出：加滤波电容后二极管的导通角变小了，但输出电压变得平滑了，而且RLC越大，放电越缓慢，输出电压越平滑。2）

负载上直流电压的计算

(9.8)

3)元件选择

(1)电容选择:滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数,RLC愈大,输出电压脉动就愈小,通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的3～5倍,即

(9.9)式中T为交流电源电压的周期。

表9.1负载电流与滤波电容的对应关系

此外,对滤波电容器的选择除电容量外,还有耐压值。

一般耐压值取

(1.5～2)U2。

(2)整流二极管的选择。正向平均电流为

(9.10)最大反向工作电压为

(9.1１)

4)电容滤波的特点电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小。但在接通电源的瞬间,将产生强大的充电电流,这种电流称为“浪涌电流”;同时,因负载电流太大,电容器放电的速度加快,会使负载电压变得不够平稳,所以电容滤波电路只适用于负载电流较小的场合。

例9.2

在图9.7所示的桥式整流电容滤波电路中,若要求输出直流电压为18V、电流为100mA,试选择滤波电容和整流二极管。

解（1）整流二极管的选择。由式(9.10)可求通过每个二极管的平均电流为

由式(9.8)可得变压器次级电压有效值为

由式(9.11)可得最大反向工作电压为

查手册,2CZ52A的参数可以满足要求。

(2)选择滤波电容器。由式(9.9)可得

电容器耐压为

(1.5~2)U2=(1.5~2)×15=22.5~30V因而确定选用330μF/35V的电解电容。

为了帮助大家在实际工作中,根据需要选用各种不同的整流滤波电路,现将常用的几种电路列于表9.2中,以供大家学习和参考。表9.2几种整流滤波电路的对比

2.电感滤波电路

电感线圈L和负载的串联电路,同样具有滤波作用,电路如图9.8所示。

图9.8桥式整流电感滤波电路及波形(a)电路；

(b)波形

整流滤波输出的电压,可以看成由直流分量和交流分量叠加而成。因电感线圈的直流电阻很小,交流电抗很大,故直流分量顺利通过,交流分量将全部降到电感线圈上,这样在负载RL得到比较平滑的直流电压。电感滤波电路输出的直流电压与变压器次级电压的有效值U2之间的关系为

UO=0.9U2(9.12)电感线圈的电感量愈大,负载电阻愈小,滤波效果愈好,因此,电感滤波器适用于负载电流较大的场合。

其缺点是电感量大、

体积大、成本高。表9.3列出了几种常用的滤波电路。

表9.3几种滤波电路1.说明半波整流、桥式整流和全波整流电路的区别。2.滤波电容容量大小能否随意选取?为什么?3.在电容滤波的整流电路中,二极管的导通时间为什么变小?4.在桥式整流电路中,如果有其中一个二极管的极性接反,试分析电路会出现什么情况？思考题9.3硅稳压管稳压电路

1．电路组成稳压管稳压电路如图9.9所示。由于稳压管V和负载RL并联,故称并联型稳压电路,R为限流电阻,V工作在反向击穿区。由图可知,UO=UI－IRR=UZ,输出电压UO就是稳压管两端的电压UZ。

图

9.9稳压管稳压电路

2．工作原理

(1）当稳压电路的输入电压UI保持不变,负载电阻RL增大时,输出电压UO将升高,稳压管两端的电压UZ上升,电流IZ将迅速增大,流过R的电流IR也增大,导致R上的压降UR上升,从而使输出电压UO下降。上述过程简单表述如下:

如果负载RL减小,其工作过程与上述相反,输出电压UO仍保持基本不变。

(2）当负载电阻RL保持不变,电网电压下降导致UI下降时,输出电压UO也将随之下降,但此时稳压管的电流IZ急剧减小,则在电阻R上的压降减小,以此来补偿UI的下降,使输出电压基本保持不变。

上述过程简单表述如下:如果输入电压UI升高,R上压降增大,其工作过程与上述相反,输出电压UO仍保持基本不变。

由以上分析可知,硅稳压管稳压原理是利用稳压管两端电压UZ的微小变化,引起电流IZ的较大的变化,通过电阻R起电压调整作用,保证输出电压基本恒定,从而达到稳压作用。硅稳压管稳压电路所使用的元、器件少,线路简单,但稳压性能差,输出电压受稳压管稳压值限制,而且不能任意调节,输出功率小,一般适用于电压固定、负载电流较小的场合,常用作基准电压源。

3．元件选择

稳压管稳压电路的设计首先选定输入电压和稳压二极管,然后确定限流电阻R。

(1）输入电压UI的确定:考虑电网电压的变化,UI可按下式选择:UI=（2～3）UO

（9.13）

(2）

稳压二极管的选取:稳压管的参数可按下式选取:UZ=UO

（9.14）IZmax=（2～3）IOmax（9.15）

(3）限流电阻的确定:当输入电压UI上升10%,且负载电流为零（即RL开路）时,流过稳压管的电流不超过稳压管的最大允许电流IZmax,（9.16）

当输入电压下降10%,且负载电流最大时,流过稳压管的电流不允许小于稳压管稳定电流的最小值IZmin,即

（9.1７）

故限流电阻选择应按下式确定:（9.18）

限流电阻额定功率为

（9.1９）

设计一硅稳压管并联稳压电路,具体参数为:UZ=12V,电网电压变化为±10%,最大负载电流IOmax=20mA。最大允许耗散功率为250mW,负载电阻RL由开路变到2kΩ。思考题9.4串联型线性稳压电路

1．电路组成

串联型线性稳压电路如图9.10所示,元件作用如下。

图

9.10串联型线性稳压电路

图

9.11串联型稳压电源框图

2．工作原理

(1）当负载RL不变,输入电压UI减小时,输出电压UO有下降趋势,通过取样电阻的分压使比较放大管的基极电位UB2下降,而比较放大管的发射极电压不变（UE2=UZ）,因此UBE2也下降,于是比较放大管导通能力减弱,UC2升高,调整管导通能力增强,调整管V1集、射之间的电阻RCE1减小,管压降UCE1下降,使输出电压UO上升,保证了UO基本不变。上述稳压过程表示如下:

(2）当输入电压UI不变,负载RL增大时,引起输出电压UO有增长趋势,则电路将产生下列调整过程:当负载RL减小时,稳压过程相反。由此看出,稳压的过程实质上是通过负反馈使输出电压维持稳定的过程。

3．输出电压计算

图9.10所示稳压电路中有一个电位器RP串接在R3和R4之间,可以通过调节RP来改变输出电压UO。设计这种电路时要满足I2>>IB2,因此,可以忽略IB2,I1≈I2,则

(9.20)当RP调到最上端时,输出电压为最小值,(9.21)当RP调到最下端时,输出电压为最大值,(9.22)

例9.3

如图9.10所示,已知R3=560Ω,RRP=680Ω,R5=1000Ω,UZ=7V,UBE2=0.6V,求输出电压调整范围。

解

由式(9.21)得

由式(9.22)得

1.图9.10中V3稳压值对输出电压的影响如何?若V3开路或短路,输出电压将如何变化?2.直流稳压电源有哪些质量指标?它们是如何定义的?3.画出串联型稳压电源框图,并说明各单元作用。思考题9.5三端集成稳压器

9.5.1三端固定式集成稳压器

1．三端固定式集成稳压器外形及管脚排列三端固定式集成稳压器的外形和管脚排列如图9.12所示。由于它只有输入、输出和公共地端三个端子,故称为三端稳压器。

图9.12三端固定式集成稳压器外形及管脚排列(a)78系列；

(b)

79系列

2．三端固定式集成稳压器的型号组成及其意义三端固定式集成稳压器的型号组成及其意义见图9.13。具体参数见附录十四。

图

9.13三端固定式集成稳压器型号组成及其意义

3．三端固定式集成稳压器的应用

1）固定输出稳压器在实际中,可根据所需输出电压、电流,选用符合要求的CW78XX系列产品,如某电视机电源正常工作电流为0.8A,工作电压12V,根据附录十四,可选CW7812。它的输出电流可达1.5A,最大输入电压允许为36V,最小输入电压允许为14V,输出电压为12V。电路组成如图9.14所示。在图中,C1为滤波电容,C2的作用是旁路高频干扰信号,C3的作用是改善负载瞬态响应。

图

9.14某型号电视机电源电路图

2）用于提高输出电压如果需要输出电压高于三端稳压器输出电压时,可采用图9.15所示电路。

图9.15提高输出电压的接线图

图9.15(a)中,UO=UXX+UZ(9.23)式中,UXX为集成稳压器的输出电压;UZ为稳压管的稳压值。

图9.15(b)中,式中,IW为三端稳压器的静态电流,一般为几毫安。

若流过R1的电流IR1大于5IW,可以忽略IWRRP的影响,则有

(9.24)通过调整RP可得到所需电压,但它的电压可调范围小。

3）用于提高输出电流当负载电流大于三端稳压器输出电流时,可采用图9.16所示电路。

图

9.16提高输出电流的电路

图9.16(a)中，

(9.25)由于β>>1,且IW很小,可忽略不计,所以

(9.26)图中,R为V提供偏置电压,具体数据可由式(9.26)决定;UEB为三极管的发射结压降,锗管为0.3V,硅管为0.7V。图9.16(b)中,输出电流为单片三端稳压器的两倍,即

IO=2IXX

(9.27)

4）具有正、负电压输出的稳压电源如图9.17所示,由图可知,电源变压器带有中心抽头并接地,输出端得到大小相等、极性相反的电压。

图

9.17正负对称的稳压电路

9.5.2三端可调集成稳压器

1.可调集成稳压器的类型及型号意义三端稳压器按输出电压可分为正电压输出CW317（CW117、CW127）和负电压输出CW337（CW137）两大类。按输出电流的大小，每个系列又分为L型、M型等。其性能参数见附录十五。三端可调集成稳压器的型号由五部分组成，其意义如图9.18所示。图

9.18

可调集成稳压器型号组成及其意义

2.外形及引脚的功用三端可调集成稳压器CW317（LM317）和CW337(LM337)是一种悬浮式串联调整稳压器，它们的外形如图9.19所示。图9.19

CW317和CW337外形图（a）实物图；(b)正面示意图及引脚功能

3.典型应用

1）连续可调式应用电路电路如图9.20所示。为了使电路能正常工作，一般输出电流不小于5mA。输入电压范围在2V～40V之间，输出电压可在1.25V～37V之间调整，负载电流可达1.5A。由于调整端的输出电流非常小（50μA）且恒定，故可将其忽略，那么输出电压可用下式表示:(9.28)式中,1.25V是集成稳压器输出端与调整端之间的固定参考电压UREF;R1一般取值120～240Ω(此值保证稳压器在空载时也能正常工作),调节RP可改变输出电压的大小(RP取值视RL和输出电压的大小而确定)。

图

9.20CW317和CW337外形图

2）分段可调式应用电路在电子电路中，常用的直流电压系列值有：1.5V/3V/5V/6V/9V/12V等，为了使用方便，可以将CW317/337可调式稳压器连接为分段可调式稳压电路，其电路如图9.21所示。图9.21W317分段可调式应用电路9.5.3三端集成稳压器的使用注意事项（1）三端集成稳压器的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。（2）一般三端集成稳压器的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压。一般应使电压差保持在4～5V，即经变压器变压、二极管整流、电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。（3）在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器(当然小功率的条件下不用)。当稳压器温度过高时，

稳压性能将变差，

甚至损坏。

（4）当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源时，通常采用多块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A。但应用时需注意，并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致性。另外，在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

1.说明CW78XX系列提高输出电压的具体方法。2.由CW78XX参数表分析稳压器最小输入电压与输出电压的大小,得出最小输入、输出电压差值。3.为什么在图9.21中,当挡位开关在1.5V时,LED只会发出柔弱的光甚至不发光?思考题9.6开关稳压电源

1．开关稳压电源结构框图开关稳压电源结构框图如图9.22所示。它由六部分组成,其中,取样电路、比较电路、基准电路,在组成及功能上都与普通的串联型稳压电路相同;不同的是增加了开关控制器、开关调整管和续流滤波等电路。新增部分的功能如下：

(1)开关调整管:在开关脉冲的作用下,使调整管工作在饱和或截止状态,输出断续的脉冲电压,如图

9.23所示。开关调整管采用大功率管。

图

9.22开关稳压电源结构框图

图

9.23脉冲电压Uso波形

设闭合时间为Ton,断开时间为Toff,则工作周期为T=Ton+

Toff。

负载上得到的电压为

(9.29)式中,Ton/T称占空比,用δ表示,即在一个通断周期T内,脉冲持续导通时间Ton与周期T之比值。改变占空比的大小就可改变输出电压UO的大小。

(2)滤波器:把矩形脉冲变成连续的平滑直流电压UO。

(3)开关时间控制器:控制开关管导通时间长短,从而改变输出电压高低。开关稳压电源有多种形式。按负载与储能电感的连接方式划分,有串联式和并联式开关电路;按不同的控制方式划分,有固定频率调宽式和固定脉宽调频式开关电路;按不同激励方式划分,有自激和它激式开关电路。下面仅介绍串联型开关稳压电路。

2．串联型开关电路的工作原理

串联型开关电路如图9.24所示。

串联型开关电路由开关管V1、滤波储能电路（包括电感L、电容C和续流二极管V2）、取样电路R1R2、基准电压、比较器A2、三角波发生器及脉冲调宽电压比较器A1组成。三角波发生器及脉冲调宽电压比较器构成开关时间控制器。

图9.24串联型开关电路

1）滤波储能电路的工作过程当V1饱和导通时，由于电感L的存在，流过V1的电流线性增加，线性增加的电流给负载RL供电的同时也给L储能（L上产生左“正”右“负”的感应电动势），V2截止。当V1截止时，由于电感L中的电流不能突变（L中产生左“负”右“正”的感应电动势），V2导通，于是储存在电感上的能量逐渐释放并提供给负载，使负载继续有电流通过，因而V2称之为续流二极管。电容C起滤波作用，当电感L中电流增长或减少变化时，电容储存过剩电荷或补充负载中缺少的电荷，

从而减少输出电压UO的纹波。

2）电路的稳压工作过程当输入直流电压或负载电流变化而引起输出电压发生变化时，取样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将两者的差值放大后送到脉冲调制电路，使脉冲的占空比δ发生变化。此脉冲信号作为开关调整管的输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也随之发生变化，从而使滤波以后输出电压的平均值基本保持不变。

1.什么叫占空比?占空比的大小对输出电压有什么影响?2.试比较开关电源与串联型稳压电源的异同点。思考题本

章

小

结稳压电源的种类很多。它们一般由变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成,输出电压不受电网、负载及温度变化的影响,为各种精密电子仪表和家用电器正常工作提供能源保证。

(1)无论何种类型的稳压电源,都必须输出稳定的电压。稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标,它们从不同角度反映稳压电源的工作特征。

(2)整流滤波电路可以将交流电变成平滑的直流电。（3）硅稳压管稳压电路利用硅稳压管的稳压特性来实现负载两端电压稳定。这种电路只适用于输出电流较小、输出电压固定、稳压要求不高的场合。

(4)晶体管串联型稳压电源由于带有负反馈放大环节,故输出电压稳定且可在一定范围内可调,输出电流较大,但效率不高。

(5)三端稳压器既有固定式和可调式,又有正电压输出和负电压输出,使用方便,性能稳定。

(6)开关电源的调整管工作在开关状态。它具有体积小、效率高、稳压范围宽的优点。但它高频泄漏较大,对周围电路有影响。

习

题

9.1填空题。（1）直流稳压电源一般由

、

、

和－组成。（2）稳压电源的主要技术指标包括

和

。（3）纹波电压是指

。（4）图9.10中RP的作用是

,R2的作用是

,V3的作用是

。

（5）串联型稳压电源输出电压调整范围表达式是

。（6）W78XX系列三端稳压器各脚功能是:①脚

;②脚

;③脚

。（7）占空比是指

。（8）

开关电源的类型按不同的控制方式划分为

和

。

9.2选择正确答案填空。（1）整流滤波得到的电压在负