模拟电路 第十章 直流电源

第一节单相整流电路单相半波整流电路整流电路的主要参数直流电源的组成单相桥式整流电路下页总目录第十章直流电源一、直流电源的组成下页上页电子设备中所用的直流电源，通常是由电网提供的交流电经过整流、滤波和稳压后得到的。对直流电源的主要要求：

能够输出不同电路所需要的电压和电流；直流输出电压平滑，脉动成分小；输出电压的幅值稳定；交流电变换成直流电时的转换效率高。直流电源一般包括四个组成部分，即电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路。首页电源变压器整流电路滤波器稳压电路电网电压负载电网电压信号整流输出信号滤波输出信号变压器输出信号稳压输出信号下页上页首页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方向的脉动电压。滤波器的作用：尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。稳压电路的作用：使输出的直流电压，在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。整流电路的作用：下页上页首页OωtuoO

ωtuDωtOiO=iD二.单相半波整流电路RLVDTiD++++----iOu1u2uDuO单相半波整流电路RL2U22U22U2iO

=

iD

=

RLu2uO

=u2

uD

=0iO

=iD

=0uO

=0uD

=

u2u2负半周内：u2正半周内Oωtu2π2π3π2U2sinωt2U2下页上页首页仿真优点:

结构简单，所用元件少，缺点：输出波形脉动大；直流成分比较低；变压器利用率低；变压器电流含有直流成分，容易饱和。所以只能用在输出电流较小，要求不高的场合。下页上页OωtuoO

ωtuDωtOiO=iDRL2U22U22U2Oωtu2π2π3π2U2sinωt2U2首页VD1+++---u1u2RL+-uO•••u2VD2ωtOu2π2π2U2uOOωtOiD2ωtωtOiD1uD1OωtωtOiO单相全波整流电路iD1iOiD2u2正半周内，VD1导通，VD2截止，uD1

=0，uO

=u2，

iD2

=0，iO

=iD1

=u2

/RLRL2U222U2RL2U22U2RL2U2u2正半周内，VD2导通，VD1截止uD1

=u2

，uO

=-u2，iD2

=0，

iO

=

iD2

=u2

/RL

下页上页首页输出电压平均值是半波整流的两倍，脉动成分比半波整流时有所下降。22U2二极管承受的反向电压较大最大值为。变压器必须有中心抽头，变压器利用率不高。下页上页ωtOu2π2π2U2uOOωtOiD2ωtωtOiD1uD1OωtωtOiORL2U222U2RL2U22U2RL2U2首页三、单相桥式整流电路1.电路组成VD1++--u1u2RL+-iOuOVD4VD3VD2电路中用了四个二极管，接成电桥形式，故称为桥式整流电路。下页上页首页++--u1u2RL+-uO2.桥式整流电路的其他画法++--u1u2RL+-uOVD1VD3VD4VD2下页上页首页OuOωtiD1/

iD2

ωtiOωtOωtωtOOOiD3/

iD4uD13.工作原理VD1++--u1u2RL+-iOuOVD4VD3VD2ωtOu2π2π3π2U2RL2U2RL2U2RL2U22U22U2u2

正半周内，VD1、VD2

导电，VD3、VD4

截止；u2

负半周时，VD3、VD4导电，VD1、VD2截止。正、负半周均有电流流过负载电阻RL且方向一致。下页上页首页仿真四、整流电路的主要参数1.输出直流电压

UO(AV)UO(AV)=uOd(ωt)

2π12π0UO(AV)=2U2sinωtd(ωt)

=U2=0.9

U2π1π0π

222.脉动系数

S以单相桥式整流电路为例ωtOuOπ2π3π2U2整流电路输出波形的傅里叶级数表示为：下页上页首页UO1m=U23π

423.二极管正向平均电流

ID(AV)ID(AV)=IO(AV)214.二极管最大反向峰值电压

URMURM=2U2下页上页首页[例10.1.1]某电子装置要求电压值为15V的直流电源，已知负载电阻RL等于100Ω，试问：①如果选用单相桥式整流电路，则变压器二次电压U2应为多大？整流二极管的正向平均电流ID(AV)和最大反向峰值电压URM等于多少？输出电压的脉动系数S等于多少？②如果改用单相半波整流电路，则U2

、ID(AV)

、URM和S各等于多少？下页上页首页②解：

①下页上页首页第二节

滤波电路电感滤波电路电容滤波电路复式滤波电路下页总目录一、电容滤波电路RL桥式整流、电容滤波电路VD1u2++--u1+-iOuOVD4VD3VD2CiC+1.电路组成下页上页首页2.工作原理ωtOu2π2π3π4π5πiD1ωtOuO=uCOωt下页上页首页VD1++--u1u2RL+-iOuOVD4VD3VD2CiC+仿真uO=uCOωt2U2RLC

=∞RLC大RLC小RLC

≥(3~5)2T在桥式整流情况下T为电网交流电压的周期。UO(AV)

≈1.2U2此时下页上页3.滤波电容的选择和输出直流电压的估算首页（1）电容滤波电路适用于小电流负载。（2）电容滤波电路的外特性比较软。滤波电路的输出电压UO(AV)与输出电流IO(AV)之间的关系曲线称为外特性。电容滤波电路的UO(AV)

将随着IO(AV)

而变化。电容滤波适用于负载电流变化不大的场合。（5）采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。必须选用较大容量的整流二极管。下页上页4.电容滤波电路的特点首页（1）加了电容滤波以后，输出电压的直流成分提高了。（2）加电容滤波以后，输出电压中的脉动成分降低了。（3）电容滤波电路的输出直流电压UO(AV)

将随着输出直流电流IO(AV)

而变化。（5）电容放电的时间常数τ

=RLC

愈大，放电过程愈慢，则输出电压愈高，同时脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。（4）接入电容以后，整流二极管的导电时间缩短了。下页上页结论：首页二、电感滤波电路RL桥式整流、电感滤波电路VD1++--u1u2+-uOVD4VD3VD2AL接入滤波电感后，由于电感的直流电阻很小，交流阻抗很大，因此直流成分流过电感后基本上没有损失，交流分量很大部分降落在电感上，从而降低了输出电压中的脉动成分。下页上页1.电路组成和工作原理首页下页上页2.输出直流电压和脉动系数如果忽略电感的直流电阻，则输出直流电压为：设A点的直流电压为，基波电压的最大值为，脉动系数为。输出的基波电压最大值为：输出电压的脉动系数为：首页下页上页3.电感滤波电路的特点（1）电感滤波电路适用于大电流负载。（2）电感滤波电路的外特性比较硬。（3）由于电感有延长整流管导电管电角的趋势，因此电流的波形比较平滑，避免了在整流管中产生较大的冲击电流。首页

1.LC

滤波电路+-u2RL+-uOC+ALLC滤波电路在负载电流较大或较小时均有良好的滤波作用。电感滤波和LC滤波电路克服了整流管冲击电流较大的缺点，外特性比较硬,与电容滤波相比，

UO(AV)较低，体积、重量大为增加。三、复式滤波电路下页上页首页

2.LC-∏形滤波电路+-u2RL+-uOC2+ALLC滤波电路LC-∏形滤波电路输出电压的脉动系数比仅有LC滤波时更小，波形更加平滑。输出直流电压提高了。缺点是整流管的冲击电流比较大，外特性比较软。C1+下页上页首页RL+-uo+-u2u′ORC2C1++优点：与电容滤波相比可进一步降低输出电压的脉动系数。缺点：R上有直流压降；整流管的冲击电流仍比较大；外特性比电容滤波更软，只适用于小电流的场合。3.RC–П形滤波电路下页上页首页第三节硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路的组成和工作原理稳压电路中限流电阻的选择稳压电路的主要指标稳压电路的内阻和稳压系数下页总目录一、稳压电路的主要指标1.内阻Ro2.稳压系数Sr定义为：经过整流滤波后输入到稳压电路的直流电压UI不变时，稳压电路的输出电压变化量ΔUO与输出电流ΔIO变化量之比。定义为：当负载不变时，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。下页上页首页IRRUI+-RLILUO+-IZVDZ二、硅稳压管稳压电路的组成和工作原理1.假设稳压电路的输入电压UI保持不变，R上的压降IZ将急剧减小IR也将减小UO维持基本稳定必不可少下页上页首页2.假设负载电阻RL保持不变，R上的压降增大IZ将急剧增加IR也将增加UO维持基本稳定当电网电压波动或负载电流变化时，通过调节R上的压降来保持输出电压基本不变。下页上页IRRUI+-RLILUO+-IZVDZ首页三.稳压电路的内阻和稳压系数1.内阻RoRo定义为：直流输入电压UI不变时，输出端的ΔUO与ΔIO之比。估算Ro时RL应开路。R+-rZΔUI=0估算稳压电路Ro的等效电路rZ为稳压管的动态内阻。一般情况下满足rZ<<R,所以可简化为Ro

≈rZ

rZ

愈小，

负载变化时，稳压电路的稳压性能愈好。

下页上页首页2.稳压系数

SrΔUO=rZ

//RL(rZ

//RL)+RΔUI

Sr

=

≈

ΔUO/UO

ΔUI/UIUIUOrZR·rZ

愈小，

R

愈大，则

Sr

愈小，

即电网电压波动时，稳压电路的稳压性能愈好。

Sr定义为：RL不变时，稳压电路输出电压与输入电压的相对变化量之比。满足rZ<<RL

,rZ<<R时ΔUO≈rZRΔUI下页上页R+-RL+-rZΔUIΔUo估算

Sr

等效电路首页四、稳压电路中限流电阻的选择硅稳压管稳压电路中的限流电阻是很重要的组成元件。限流电阻R

的阻值必须选择恰当，才能保证稳压电路在电网电压或负载变化时，很好地实现稳压作用。IRRUI+-RLILUO+-IZVDZ若限流电阻R的阻值太大，当IL增大时，IZ减小，稳压管可能失去稳压作用；若限流电阻R的阻值太小，当RL很大或开路时，IZ增大，稳压管可能被损坏。下页上页首页设稳压管允许的最大工作电流为IZmax

，最小工作电流为IZmin

；电网电压最高时的整流输出电压为UImax

，最低时为UImin;负载电流的最小值为ILmin

，最大值为ILmax

。则要使稳压管能正常工作，必须满足下列关系：下页上页IRRUI+-RLILUO+-IZVDZ首页1.当电网电压最高和负载电流最小时,I

Z的值最大：RUImax

-UZ-I

Lmin

<I

Zmax

R

>UImax

-UZI

Zmax

+I

Lmin

2.当电网电压最低和负载电流最大时,I

Z的值最小：RUImin

-UZ-I

Lmax

>I

ZminR

<UImin

-UZIZmin

+ILmax

RUI-UZ-I

L=I

Z下页上页IRRUI+-RLILUO+-IZVDZ首页[例10.5.1]图示硅稳压管稳压电路中，设稳压管的UZ

=6V,IZmax

=40mA，IZmin

=5mA

，UImax

=15V

，UImin

=12V;RLmax

=600Ω

，

RLmin

=300Ω

。给定当IZ由IZmax变到

IZmin

，UZ的变化量为0.35V。（1）试选择限流电阻R；（2）估算在上述条件下的输出电阻和稳压系数。下页上页IRRUI+-RLILUO+-IZVDZ首页下页上页IRRUI+-RLILUO+-IZVDZ解：（1）可取R=200Ω。电阻上消耗的功率为：可选200Ω，1

W的碳膜电阻。首页（2）估算稳压系数时，取UI=0.5ⅹ（15+12）V=13.5V,则硅稳压管稳压电路的缺点：输出电压由稳压管的型号决定，不可随意调节；电网电压和负载电流变化范围较大时，电路将不能适应。为改进以上缺点，可以采用串联型直流稳压电路。下页上页首页第四节串联型直流稳压电路输出电压的调节范围稳压电路的过载保护电路组成和工作原理调整管的选择下页总目录+-u2RC+RLiLUO+-UFVDZ+-AR1R2R3R'2R"2UI+-VT采样电阻放大电路基准电压调整管一、电路组成和工作原理下页上页1.电路组成首页2.工作原理+-u2RC+RLiLUO+-UFVDZ+-AR1R2R3R'2R"2UI+-VT串联型直流稳压电路稳压的过程，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。下页上页首页仿真二、输出电压的调节范围UZ

=

UF

=R″2

+R3

R1

+R2

+R3

UOUO

=R″2

+R3

R1

+R2

+R3

UZRRLUO+-UFVDZ+-AR1R2R3R'2R"2UI+-VTUZUOmin

=R2+R3

R1+R2+R3

UZUOmax

=

R3

R1+R2+R3

UZ通过改变采样电阻中电位器R2的滑动端位置进行调节。下页上页首页式中ILmax

是负载电流的最大值。三、调整管的选择调整管不仅要根据外界条件的变化，随时调整本身的管压降，以保持输出电压稳定，还要提供负载所要求的全部电流，因此管耗比较大，通常采用大功率的三极管。选用时应估算管子的主要参数,确保调整管的安全。1.集电极最大允许电流ICM≥

ILmax

+IR下页上页首页2.集电极和发射极之间的最大允许反向电压U(BR)CEOU(BR)CEO≥U'Imax

=1.1×√2U2式中U'Imax

是空载时整流滤波电路的最大输出电压。稳压电路正常工作时，调整管上的电压降约为几伏。若负载短路，则整流滤波电路的输出电压UI将全部加在调整管两端。UI最大值可能接近于变压器二次电压的峰值另外电网电压可能有±10%的波动，所以应选择三极管的参数为：下页上页首页

3.集电极最大耗散功率PCM调整管的功耗

PC=UCEIC=(UI－

UO)IC

PCM≥(UImax

－

UOmin

)×ICmax

≈(1.1×1.2U2－

UOmin

)×ICmax式中UImax

是满载时整流滤波电路的最大输出电压，电容滤波电路中，若电容的容值足够大，可认为其输出电压近似为1.2U2。当电网电压达到最大值，而输出电压达到最小值，同时负载电流也达到最大值时，调整管的功耗最大，下页上页首页调整管选定后，为保证调整管工作在放大状态，通常使

UCE=(3～8)VUI

=UOmax

＋(3～8)V稳压电路的输入直流电压应为：若采用桥式整流、电容滤波电路则UI≈1.2U2UI1.2U2≈1.1×考虑电网电压可能有10%的波动，因此要求变压器二次电压为：下页上页首页[例10.6.1]在串联型直流稳压电路中，要求输出电压UO=(10~15)V，负载电流IL=(0~100)mA

。已选定基准电压的稳压管的稳定电压UZ=7V，最小电流IZmin=5mA

，最大电流IZmax=33

mA

。①假设采样电阻总的阻值选定为2

kΩ左右，则R1、R2和R3三个电阻分别为多大？

②

估算电源变压器二次电压的有效值U2；③

估算基准稳压管的限流电阻R的阻值；④

估算稳压电路中的调整管的极限参数。下页上页首页解①下页上页取

R3=910Ω取

R2=510Ω取

R1=560Ω经验证，输出电压的变化范围符合给定的要求。首页下页上页首页②取

UI=23V③④下页上页首页四、稳压电路的过载保护1.限流型保护电路主要保护元件是串接在调整管发射极回路中的监测电阻R4和保护三极管VT2。

R4的阻值很小，一般为1Ω左右。RRLUO+-UFVDZ+-AR1R2R3R'2R"2UI+-VT1UZR4VT2IL下页上页首页RRLUO+-UFVDZ+-AR1R2R3R'2R"2UI+-VT1UZR4VT2IL稳压电路正常工作时，IL不超过额定值，电流在R4上的压降很小，VT2截止,保护电路不起作用。IL超过某一临界值后，R4上压降增大，使VT2导通,将调整管VT1的基极电流分流掉一部分，于是限制了VT1中电流的增长，保护了调整管。UOILO正常稳压区限流保护限流型保护电路的输出特性下页上页首页2.截流型保护电路限流型保护电路虽然能够限制过大的输出电流，但当负载短路时，整流滤波后的输出直流电压UI将全部加在调整管的两端，而且，此时通过调整管的电也相当大，所以此时消耗在调整管上的功率仍很可观。因此，在容量较大的稳压电路中，希望一旦发生过载，输出电压和输出电流同时下降到较低的数值。这样的保护电路称为截流型保护电路。下页上页首页RRLUO+-VDZ+-AR1R2R3UI+-VT1R4VT2ILR5R7R8R6IC2IB1UB2UE2辅助电源截流型保护电路UOILO正常稳压区保护电路动作截流型保护电路的输出特性过载后的工作点稳压电路正常工作时，电阻R4上的压降较低，此时UR6+UR4<UR8VT2的UBE2<0，VT2截止。下页上页首页RRLUO+-VDZ+-AR1R2R3UI+-VT1R4VT2ILR5R7R8R6IC2IB1UB2UE2辅助电源截流型保护电路当负载电流IL增大时，电阻R4上的压降随之增大，若UBE2增大到使VT2进入放大区后，将产生集电极电流IC2

。使调整管的基流被分流，IB1减小，于是引起以下正反馈过程:IC2IB1UOUE2UBE2IC2VT2很快达到饱和，最后稳压电路的输出电压为当保护电路动作以后，UBE2很快下降到1V左右，因而调整管的功耗很小。上页首页在这种截流型保护电路中，当负载端故障排除以后，由于IL减小，使R4上压降减小，只要三极管VT1和VT2能够进入放大区，则稳压电路的输出电压将由于以下正反馈过程而很快地恢复到原来的数值：但是，由于UO很低，所以UI几乎都加在调整管的两端，因此，所选调整管的U(BR)CEO值应大于整流滤波电路输出电压可能达到的最大值。UR4IB2IC2IB1UBE2IC2UOUE2稳压电路的保护电路类型很多，除以上介绍的几种过流保护电路之外，还后过压保护、过热保护等。第五节集成稳压器与开关型稳压电路三端集成稳压器的主要参数三端集成稳压器的组成三端集成稳压器的应用开关型稳压电路的特点和分类开关型稳压电路的组成和工作原理下页总目录一、三端集成稳压器的组成电路内部包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分,另外加上保护电路和启动电路。UI+-UO+-调整管启动电路基准电源放大电路保护电路采样电路输入端输出端下页上页首页调整管下页上页在W7800系列三端集成稳压电路中，调整管为由两个三极管组成的复合管。这种结构要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流，而且提高了调整管的输入电阻。2.放大电路在W7800系列三端集成稳压电路中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并采用有源负载，可以获得较高的电压放大倍数。3.基准电源在W7800系列三端集成稳压电路中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具有低噪声、低温漂的特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛采用。首页4.采样电路下页上页在W7800系列三端集成稳压电路中，采样电路由两个分压电阻组成，它对输出电压进行采样，并送到放大电路的输入端。5.启动电路启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等部分建立起各自的工作电流。当稳压电路正常工作后，启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。6.保护电路在W7800系列三端集成稳压电路中，芯片内部集成了三种保护电路，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。首页二、三端集成稳压器的主要参数三端集成稳压器的输出电压值通常可分为七个等级±5V、±6V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V主要参数：输入电压、输出电压、电压调整率、电流调整率、最小压差、输出噪声、输出电阻、峰值电流、输出温漂等。输出电流有三个等级：1.5A（W7800和W7900系列）、

0.5A（W78M00和W79M00系列）、

0.1A（W78L00和W79L00系列）。下页上页首页下页上页7805780678097812781578187824输出电压UOV56912151824电压调整率SU%/V0.00760.00860.00980.0080.00660.010.011电流调整率SImV40435052525560最小压差UI-UOV2222222输出噪声UNμV10101010101010输出电阻RomΩ17171818191920峰值电流IOMA2.22.22.22.22.22.22.2输出温漂STmV/oC1.01.01.21.21.51.82.4符号数参值号符位单参数名称W7800系列三端集成稳压器的主要参数首页

1.三端集成稳压器的封装形式和引脚三、三端集成稳压器的应用下页上页1—输入端3—公共端2—输出端78xx1—

公共端3—输入端2—输出端79xxW7800INOUTGND123W7900INOUTGND123首页

W7800和W78M00系列固定正输出三端集成稳压器的封装形式有两种：金属菱形式和塑料直插式。W7900和W79M00系列固定负输出三端集成稳压器的封装形式与前者相同，但是引脚有所不同。下页上页INGNDOUTINGNDOUT21321321312312312W7900W79M00W79L00231232132132132W7800W78M00W78L00塑料封装金属封装封装形式引脚系列W7800、W7900系列三端集成稳压器的引脚首页应至少比UO高2V2.三端集成稳压器应用电路++--uiu2UIC+2000μFVDRLUOCIW7800CO120.33μF0.1μF3CI改善纹波电压CO改善负载瞬态响应保护内部调整管下页上页(1)基本应用电路首页++--uiu2UIC+2000