《模拟电子技术》课件第10章

10.1直流稳压电源的组成

在电子电路中，通常都需要稳定的直流电源供电。本章所介绍的直流稳压电源为单相小功率电源，它由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成，电路原理框图如图10－1所示。首先将输入的220V电网电压通过电源变压器降压，得到所需要的电压值，然后由整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。滤波电路是将脉动直流电压中的交流分量加以滤除，从而得到较平滑的直流电压。稳压电路是在电网电压波动和负载、环境温度变化时，使输出的直流电压稳定。图10－1直流稳压电源电路原理框图

10.2整流电路

整流电路的作用是将交流电变换为直流电。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路等，而二极管是实现整流的关键元件。一般来说，由于加在二极管上的电压远远大于二极管的正向导通电压，且正向导通电阻很小，因此，在分析整流电路时，我们视整流二极管为理想二极管，即加正向电压导通，且正向导通电阻为零；加反向电压截止，且反向电流为零。图10－2半波整流电路10.2.1单相半波整流电路

220V、50Hz交流电压u1经过电源变压器Tr，在其次级上得到整流所需要的交流电压u2。RL为负载电阻。当u2为正半周时，二极管D外加正向电压而导通，电路中电流io流过负载RL，在RL上的压降为正半周电压uo；当u2为负半周时，二极管D外加反向电压而截止，电路中无电流，RL上的压降为零。变压器次级电压u2、负载电压uo、负载电流io和二极管端电压uD的波形如图10－3所示。由图可见，负载RL的电压和电流都具有单一方向脉动的特性。我们把这种大小波动、方向不变的电压（或电流）称为脉动直流电。由于这种电路仅利用了电压u2的半个周期，故半波整流的电源利用率低，且输出波动大。图10－3半波整流波形图

2.负载的电压和电流

在一个周期内，对输出电压求平均可得到输出电压的平均值，即负载电阻上电压的平均值。由理论可以证明，半波整流负载端电压uo的平均值Uo为交流电压u2的有效值U2的0.45倍，即（10－1）负载电流的平均值为（10－2）

3.二极管的选择

我们可以根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。在半波整流电路中，流过二极管的正向平均电流ID(AV)等于负载电流的平均值Io，即(10－3)(10－4)图10－4单相全波整流电路考虑到电网电压的波动，在选择二极管参数时，应留有一定的余量，以保证二极管的安全工作，即满足

最大整流电流最大反向工作电压(10－5)(10－6)10.2.2单相全波整流电路

单相全波整流电路如图10－4所示。可以看出，它是由两个半波整流电路组成的。为了使两个半波整流电路输出电压相等，电源变压器次级绕组应有中心抽头，且次级电压u2a和u2b大小相等，对中心抽头（一般为电路的“地”）的相位相反。

1、工作原理

当输入的交流电压u1为正半周时，假设变压器次级电压u2a对地为正半周，则次级电压u2b对地为负半周，D1因加正向电压而导通，D2因加反向电压而截止，此时整流电路的上半部分工作，完成对电压u2a的半波整流，负载上的压降uo为上正下负。

当输入的交流电压u1为负半周时，变压器次级电压u2b对地为正半周，次级电压u2a对地为负半周，D2因加正向电压而导通，D1因加反向电压而截止，此时整流电路的下半部分工作，完成对电压u2b的半波整流，负载上的压降uo仍为上正下负。可见，当交流电压为正、负半周时，D1、D2交替导通，在负载上得到脉动直流电。与半波整流电路相比，全波整流电路有效地利用了交流电的另一半周，所以整流效率提高了一倍，输出电压高且波动小。全波整流电路波形如图10－5所示。图10－5全波整流电路波形

2.负载的电压和电流

由理论可以证明，全波整流负载端电压uo的平均值Uo为交流电压u2的有效值U2的0.9倍，即(10－7)负载电流的平均值为(10－8)（10－9）二极管承受的最大反向电压URM等于变压器两个次级交流电压的幅值相加，由于每个次级电压u2a＝u2b＝u2，因此有（10－10）在选择二极管参数时，应满足最大整流电流最高反向工作电压（10－11）（10－12）10.2.3单相桥式整流电路

单相全波整流电路的优点是整流效率高，输出电压高且波动小，仅使用两只二极管，但也存在不足，首先要求电源变压器的次级必须有中心抽头，且次级的两组电压必须大小相等，其次，二极管所承受的反向电压较高，因此，对变压器的制作和二极管的参数均有较高的要求。下面将介绍另一种具有全波整流特点的电路——单相桥式整流电路，如图10－6所示。图中，电源变压器次级不需要中心抽头，4只二极管构成桥式结构的4个臂，负载接在两个二极管的负极连接点和另两个二极管的正极连接点之间，变压器次级则接在二极管正、负极连接点之间。图10－6单相桥式整流电路1.工作原理图10－7单相桥式整流电路波形(10－13)负载电流的平均值为（10－14）(10－15)(10－16)在选择二极管参数时，应满足(10－17)(10－18)

【例10－1】

今有一直流负载，其电阻为15Ω，工作电压为9V。若采用桥式整流电路为负载供电，试确定电源变压器次级电压以及二极管的参数。

解:由已知条件可知，负载电流为流过二极管的平均电流为电源变压器次级电压为二极管承受的反向电压为考虑到电网电压有±10％的波动，二极管的最大整流电流和最大反向工作电压应分别满足

10.3滤波电路

10.3.1电容滤波电路

图10－8所示为桥式整流和电容滤波电路。图中负载RL

两端并联了一个容量很大的电容C。下面分析电容C的作用。图10－8桥式整流和电容滤波电路桥式整流和电容滤波电路在MultiSIM软件中的仿真波形图如图10－9所示。细线为桥式整流波形图，粗线为电容滤波波形图。由图可见桥式整流波形和经电容滤波后的波形，显然，由于电容的滤波作用，使得输出电压平滑多了。图10－9桥式整流和电容滤波的仿真波形图在不同的整流电路接入滤波电容后，其输出电压的平均值是不同的。

半波整流：(10－19)桥式（全波）整流：(10－20)滤波电容的容量选择与负载电流有关。表10－1所列出的数据可供选用时参考。10.3.2

RC滤波电路

π型RC滤波电路如图10－10所示。可以看出，该电路是在上述电容滤波的基础上，再加入一级RC滤波网络组成的。

经过第一次电容C1滤波后，C1两端的电压含有一个直流分量和一个交流分量，再通过R和C2滤波后，负载上电压的交流分量进一步减小，且C2容量越大，滤波效果越好。但考虑到电阻R上有一定的直流压降，故一般R不宜过大，且只适用于小电流的场合。图10－10π型RC滤波电路如图10.3.3电感滤波电路

因为电感对交流分量的感抗很大，而对直流分量的电阻很小，所以在负载回路中串入一个电感，将使流过负载中电流的交流分量明显减小，直流电压损失却很小。因此，在负载电流比较大的情况下，可以考虑采用电感滤波电路。电感滤波电路如图10－11所示。图10－11电感滤波电路10.3.4

LC滤波电路

为了得到较好的滤波效果，可以采用LC滤波电路，即在上述电感滤波的基础上，在负载两端并联电容C，如图10－12所示。图10－12

LC滤波电路在LC滤波电路的基础上再加入一个电容，即为π型LC滤波电路，如图10－13所示。显然，这种电路的滤波效果较前面几种好。当然，为了得到更好的滤波效果，可以考虑采用多级串联的方式。图10－13

π型LC滤波电路

10.4线性稳压电路

10.4.1并联型稳压电路

图10－14所示给出了一种由稳压二极管构成的并联型稳压电路。电路由电阻R和稳压二极管VDZ组成，负载RL与稳压二极管并联。电路的输入电压UI可以是经整流滤波后的直流电压，也可以是高于负载额定工作电压的直流电压，输出电压UO即稳压二极管的稳定电压。可见，稳压二极管的稳压值UZ等于负载的额定工作电压。图10－14稳压二极管并联型稳压电路

1.稳压原理

输入电压的不稳定或负载电阻的变化都将引起负载端电压的不稳定，稳压二极管稳压电路就起到了稳定负载端电压的作用。下面就这两种情况加以讨论。

假设负载电阻不变，输入电压升高，电路将经过以下过程使输出电压稳定：输入电压UI升高，引起输出电压UO升高，根据稳压二极管的伏安特性可知，稳压二极管端电压稍有增加，流过稳压管的电流IZ将会显著增加，导致流过电阻R的电流IR增加，电阻R上增加的压降，又使得输出电压UO下降，从而使输出电压UO基本不变。这一稳压过程可简单表示为同理，可以分析负载电阻不变，输入电压降低的情况。

假设输入电压不变，负载电阻变小，电路将经过以下过程使输出电压稳定：负载电阻变小，负载端电压下降，即输出电压UO下降，根据稳压二极管的伏安特性可知，稳压二极管端电压稍有下降，流过稳压管的电流IZ将会显著减小，导致流过电阻R的电流IR减小，电阻R上减少的压降，又使得输出电压UO增加，从而使输出电压UO基本不变。这一稳压过程简单表示为同理，可以分析输入电压不变，负载电阻变大的情况。由此可知，稳压二极管稳压电路是通过稳压管VDZ的电流调整作用和电阻R的电压调整作用来实现稳压的。因此，一般情况下，稳压管需工作在反向击穿状态，才能起到稳压作用，而电阻R的设定，是为了限制稳压管工作在反向击穿状态时的电流大小，以保证稳压管工作的安全。可见，电阻R在电路中起到了双重作用，即电压调整作用和限流作用。

2.元件选择

稳压二极管并联稳压电路的设计主要是选择稳压管VDZ和电阻R。首先，根据负载的额定工作电压选择稳压管的稳定电压，即稳压二极管的稳压值UZ等于负载的额定工作电压，并选稳压管的最大工作电流IZmax=(1.5～3)ILmax(负载电流的最大值)。然后，根据输入电压、负载电阻的变化范围和稳压管的工作电流，确定电阻R的取值范围。即(10－21)当输入电压为最小值UImin，负载电流为最大值ILmax时，稳压管的工作电流最小，而电阻R的选取应满足即(10－22)综合以上结果，电阻R应根据(10－23)进行选择，同时，考虑电阻R的功率PR应满足(10－24)

(2)根据所选稳压管，确定电阻R。电阻R的耗散功率可选择120Ω，0.5～1W的电阻。根据稳压管的稳压原理，我们知道，具有与稳压管击穿特性曲线类似的工作区均有稳压的性质，比如，二极管的正向特性曲线也很陡峭，利用一只硅二极管的正向特性可以实现约0.7V的稳压值；利用一只发光二极管的正向特性可以实现约2V的稳压值,等等。当然，我们也可以利用稳压管与稳压管的串联，与二极管的串联等，实现不同的稳压值，以满足实际电路的需要。由以上分析可知，稳压管稳压电路结构简单，在输出电压不需调节和负载电流比较小的情况下，其稳压效果较好。但是，在实际电路中，往往是稳压电路的输入电压和负载电流的变化范围较大，再者，电路的工作电压不一定与稳压管的稳压值一致，或者电路的电压需要任意调节等，这些都是稳压管稳压电路所不能实现的。下面介绍一种应用较为广泛的稳压电路——串联型稳压电路。10.4.2串联型稳压电路

串联型稳压电路是指在输入直流电压和负载之间串入一个晶体管，当输入电压或负载变化引起输出电压变化时，能将输出电压的变化送到晶体管的输入端，使晶体管的集-射极电压也随之改变，从而调整输出电压，以保持输出电压基本不变。

1.分立元件稳压电路

1）简单的串联型稳压电路

简单的串联型稳压电路如图10－15所示。可以看出，该电路实质上是射极输出器，电阻R和稳压管VDZ构成简单的稳压管稳压电路，将晶体管V的基极电位稳定在稳压管的稳压值UZ上。V的射极电阻即为负载电阻RL。图10－15简单的串联型稳压电路

(a)电路图；（b）习惯画法

2）具有放大环节的串联型稳压电路

(1)电路组成

为了使电路的输出电压可任意调节，同时提高调整管的调整灵敏度和输出电压的稳定度，我们在上述电路的基础上，增加了“比较放大电路”和“取样电路”。具有放大环节的串联型稳压电路的基本原理框图如图10－16所示。

根据图10－16，由晶体管作比较放大电路所构成的串联型稳压电路如图10－17所示。图中包括四个组成部分。图10－16具有放大环节的串联型稳压电路原理框图图10－17具有放大环节的串联型稳压电路

取样电路：取样电路由电阻R1、R2和R3构成的分压电路组成。当输出电压发生变化时，取样电阻将其变化量的一部分送到放大管T2的基极。

基准电压：R4、D组成基准电压电路，基准电压为稳压管的稳压值UZ，接到放大管T2的发射极。电阻R4的作用是保证稳压管D有一个合适的工作电流。

比较放大电路：比较放大电路由T2、R5组成，其作用是将取样电压与基准电压进行比较后的差值加以放大，然后再送到调整管的基极。若放大电路的放大倍数较大，则只要输出电压产生一点微小变化，就能引起调整管的基极电压发生较大的变化，从而提高了稳压效果。这里的R5既是放大管T2的负载电阻，又是调整管T1的基极偏置电阻。

调整管：晶体管T1为稳压电路的调整管。由于流过T1的电流为较大的负载电流，故T1选用功率管，并加装适当大小的散热片。（2）稳压原理

假设由于某种原因导致输出电压UO升高，则通过取样后反馈到放大管T2基极的电压UF也按比例地增大，但T2管的射极电压为基准电压UZ保持不变，故T2管的基－射极电压UBE2增大，则T2的基极电流增大，集电极电流也增大，导致T2的输出电压即集－射电压UCE2减小，使调整管T1的基极输入电压UBE1减小，则T1的集电极电流随之减小，同时集电极电压UCE1增大，结果使输出电压UO保持基本不变。可见，串联型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不变的过程。（3）输出电压

由以上对电路稳压过程的分析可知，若将R2的滑动端向上移动，则反馈电压UF增大，比较放大电路的输入电压也增大，使调整管T1的UBE1减小，UCE1增大，于是输出电压UO减小。反之，若R2的滑动端向下移动，则UO增大。可见，输出电压的调节可以通过改变取样电阻中电位器R2的滑动端位置来实现。

若R2的滑动端移到最下端，可得到输出电压的最大值(10－25)若R2的滑动端移到最上端，可得到输出电压的最小值(10－26)串联型稳压电路中的比较放大电路可以采用多种电路形式，除了上述的单管放大电路外，也可采用差分放大电路和集成运算放大电路等。图10－18给出了采用集成运放的串联型稳压电路，其工作原理可参照上述有关内容，请读者自己分析。图10－18采用集成运放的串联型稳压电路

2.集成稳压器

随着集成技术的发展，稳压电路也实现了集成化。集成稳压器不仅具有体积小、可靠性高和温度特性好等优点，而且使用灵活简单、价格低廉，因此得到了广泛的应用。

集成稳压器已经成为模拟集成电路的一个重要组成部分，其种类繁多。特别是三端集成稳压器，芯片只有3个引出端，根据其用途有固定输出和可调输出两种不同的类型，按输出电压的极性又可分为正输出和负输出两大类。本节将主要介绍三端固定式集成稳压电路的组成及其应用电路。

1）三端固定式集成稳压电路的组成

三端固定式集成稳压电路的组成如图10－19所示。由图可见，电路内部实际上除了包括串联型直流稳压电路的各个组成部分以外，其内部还设有限流保护、过热保护、过压保护电路和启动电路，使用更加安全、方便。W7800系列是三端固定正输出集成稳压电路，W7900系列是三端固定负输出集成稳压电路。关于它们的具体电路原理图，读者可参阅有关文献。图10－19三端集成稳压器的组成

表10－2

W7800系列三端集成稳压器的主要参数2）三端集成稳压器的应用

三端集成稳压器的外形如图10－20所示。由于只有三个引出端：输入端、输出端和公共端，因此，在实际的应用电路中连接比较简单。图10－20W7800系列三端集成稳压器的外形

（a）金属封装;（b）塑料封装（1）基本电路三端集成稳压器的基本应用电路如图10－21所示。直流输入电压UI接在输入端和公共端之间，在输出端即可得到稳定的输出电压UO。为了改善纹波电压，常在输入端对公共端接入电容CI，其容量为0.33μF。同时，在输出端对公共端接入电容CO，以改善负载的瞬态响应，其容量为0.1μF。两个电容器应直接接在集成稳压器的引脚处。图10－21三端集成稳压器基本应用电路

（a）W7800系列集成稳压器输出固定电压电路;

（b）W7900系列集成稳压器输出固定电压电路

（2）恒流源电路采用W7800系列集成稳压器的恒流源电路如图10－22所示。由图中可以看出，流过负载RL

的电流为(10－27)式中，UXX为三端稳压器的固定输出电压值，Id为稳压器的静态电流（约为5mA）。当稳压器确定后，可通过选择R1的值来设定恒流源的电流值。图10－23提高输出电压电路（3）提高输出电压

利用外接电阻R1、R2可以提高输出电压，如图10－23所示。设计电路时，使流过电阻R1、R2的电流远远大于稳压器的静态电流Id，于是，有即输出电压为(10－28)由此可知，增大外接电阻R1和R2的比值，可以提高输出电压。（4）输出电压可调的稳压电路

我们可以采用可调输出的集成稳压器，也可以将固定输出集成稳压器与集成运放、取样电路相配合，实现输出电压的调整，如图10－24所示。图中，电阻R1、R2、R3组成取样电路，集成运放接成电压跟随器形式，其输出电压与输入电压相等。当电位器R2滑动端处于最上端时，有而即则电路的输出电压为(10－29)同理，当电位器R2滑动端处于最下端时，电路的输出电压为(10－30)图10－24输出电压可调的稳压电路（5）扩大输出电流电路

当负载电流大于集成稳压器最大输出电流时，我们可以采用外接功率管V的方法进行扩流，如图10－25所示。图中V为大功率PNP晶体管，起扩流作用，R为电流取样电阻，其阻值应满足图10－25扩大输出电流电路图10－26输出正、负电压的双电源电路（6）输出正、负电压的双电源电路

在电子电路中，常采用正、负电压的双电源供电模式，比如集成运放的供电等。利用集成稳压器可以方便地组成正、负电压的双电源电路，由W7800系列和W7900系列集成稳压器组成的正、负电压双电源电路如图10－26所示。图中UI和U

I分别为输入的正、负电压，UO和U

O分别为输出的正、负电压。图10－26输出正、负电压的双电源电路

10.5开关型稳压电路

前面介绍的稳压电路，包括分立元件组成的串联型直流稳压电路和集成稳压器，由于它们的调整管总是工作在线性放大区，因此均属于线性稳压电路。线性稳压器的优点是结构简单，调整方便，输出电压脉动较小，但其主要缺点是效率低。由于调整管消耗的功率较大，需在调整管上安装散热器，导致电源的体积和重量增大。

开关型稳压电路中的调整管工作在开关状态，并通过改变调整管导通与截止时间的比例来改变输出电压的大小。当调整管饱和导通时，虽然集电极电流较大，但饱和管压降很小；当调整管截止时，管压降很大，但集电极电流基本等于零。因此，调整管的功耗