第5章-直流稳压电源

第5章直流稳压电源

本章首先介绍单相半波、桥式整流电路，晶闸管可控整流电路，然后介绍电容、电感滤波电路，最后介绍硅稳压管稳压电路、串联型三极管稳压电路和集成稳压电路。

知识目标掌握直流稳压电源的组成及各部分功能。掌握单相半波、桥式整流电路的工作原理及电路特点。了解晶闸管可控整流电路的原理。了解滤波电路的作用。掌握稳压管稳压电路的形式、工作原理及电路特点。掌握串联型三极管稳压电路的形式、工作原理。熟悉常用三端集成稳压器的引脚功能。掌握三端集成稳压器的连接方法。技能目标能自己选择元器件，组装直流稳压电源。有排除整流、滤波电源故障的能力。能根据实物电路板，分析并画出整流、滤波和稳压电路原理图。

我国某些农村地区，由于电力不够、电网不稳，致使许多家用电器无法使用，在使用家庭稳压器后，问题得到了解决，不仅使家里电源电压升高了，而且也变得稳定了，图5.1所示为稳压电源的作用示意图。另外，在各种电子设备和计算机中都离不开稳压电源。

稳压电源分为直流稳压电源和交流稳压电源，本章主要学习直流稳压电源。图5.1稳压电源作用示意图5.1二极管整流电路

经过变压器变压后的交流电通过整流电路变成了单方向的脉动直流电，如图5.2所示。我们知道二极管具有单向导电特性，因此利用其单向导电特性即可实现整流。

本节介绍最简单的单相半波整流电路和最常用的单相桥式整流电路。图5.2整流电路的作用5.1.1单相半波整流电路1．半波整流电路的结构

半波整流电路由电源变压器、整流二极管和负载组成，如图5.3所示，其中图（a）为半波整流电路的实物图，图（b）为半波整流电路原理图，图中U2表示变压器次级线圈的交流电压有效值，Uo是脉动的直流输出电压。变压器的作用是将交流电（～220V）转换为符合整流器需要的交流电压。（a）实物图

（b）原理电路图

图5.3半波整流电路2．半波整流电路的工作原理

按图5.4所示连接电路。用示波器观察U2两端电压波形和输出Uo两端的电压波形。（建议采用仿真演示）（a）U2为正半周情况

（b）U2为负半周情况

（c）波形图

图5.4半波整流电路工作过程及波形

对一个周期的正弦交流信号来说，U2是正弦波，而Uo只有正弦波的正半周（半个波），如图5.4（c）所示。知识探究

由半波整流电路的输出波形可以分析：

在输入信号的一个周期内，当输入为正半周时，二极管因外加正向偏置电压而导通，如图5.4（a）所示；当输入为负半周时，二极管因外加反向偏置电压而截止，如图5.4（b）所示。由此可见，二极管的单向导电特性使得双向的正弦波变成了单向的正弦波的半个周期。归纳

利用整流二极管的单向导电性将双向的交流电变成单方向的脉动直流电，这一过程称为整流。这种电路仅获得电源电压U2的半个波，故称半波整流。知识拓展——半波整流原理

上述分析是从输出波形角度分析电路工作情况，下面从电路结构及二极管特性角度分析整流原理。

电源变压器T的初级接交流电压U1，则在变压器T的次级就会产生感应电压U2。当U2为正半周时，整流二极管VD上加的是正向电压，处于导通状态，其电流Io(AV)流过负载RL，于是在RL上产生正半周电压Uo(AV)，如图5.4（a）所示；当变压器T次级感应电压U2为负半周时，整流二极管VD上加的是反向电压，因而截止，负载RL上无电流流过，如图5.4（b）所示；当输入电压进入下一个周期时，整流电路将重复上述过程。各波形之间的对应关系如图5.4（c）所示，由波形图可见，它的大小是波动的，但方向不变。这种大小波动、方向不变的电流（或电压）称为脉动直流电。3．基本参数（1）整流输出电压平均值Uo(AV)

负载上电压大小虽然是变化的，但可以用其平均值来表示其大小（相当于把波峰上半部割下来填补到波谷，将波形拉平）。负载RL上的半波脉动直流电压平均值可按下式计算得到。Uo(AV)=0.45U2式中U2是变压器次级线圈电压的有效值。（2）负载的电流Io(AV)（3）二极管的正向电流ID(AV)该电流和流过负载RL上的电流Io(AV)相等，即ID(AV)=Io(AV)（4）二极管截止时，它承受的反向峰值电压URM为4．电路特点

半波整流电路简单，使用的元件少，但输出电压脉动很大，效率很低，所以只能应用在对直流电的波形要求不高的场合。5.1.2单相桥式整流电路1．桥式整流电路的结构

桥式整流电路由电源变压器T4只整流二极管VD1～VD4和负载RL组成，如图5.5所示，其中图5.5（a）为实物图，图5.5（b）为电路原理图。（a）实物图

（b）电路原理图

图5.5桥式整流电路2．桥式整流电路的工作原理

按图5.5（b）所示连接电路，注意观察U2两端电压波形和输出Uo两端电压波形。（建议采用仿真演示）

对一个周期的正弦交流信号来说，U2是正弦波，而Uo为正弦波的两个正半周（两个半波），如图5.6（c）所示。知识探究

在输入信号的一个周期内，当输入为正半周时，4只二极管中有2只因外加正向偏置电压而导通，另外2只因外加反向偏置电压而截止，如图5.6（a）所示；当输入为负半周时，4只二极管的工作情形与上述情形相反，导通的二极管变为截止，截止的二极管变为导通，如图5.6（b）所示。

由此可见，二极管的单向导电特性使得双向的正弦波变成了单向的正弦波的两个正半周。图5.6桥式整流电路电流通路归纳

在交流电正、负半周都有同一方向的电流流过RL，4个二极管中2个为一组，两组轮流导通，在负载上得到全波脉动的直流电压和电流。知识拓展——桥式整流原理

上述分析是从输出波形角度分析电路工作情况，下面从电路结构及二极管特性角度分析整流原理。

当输入电压U1为正半周时，变压器次级线圈的电压极性为A正B负，整流二极管VD1和VD3因加正向电压而导通，VD2和VD4因加反向电压而截止，电流Io流经VD1、RL和VD3并在RL上产生压降Uo，如图5.6（a）所示。

当输入电压U2为负半周时，变压器次级线圈的电压极性为B正A负，二极管VD2、VD4因加正向电压而导通，VD1和VD3因加反向电压而截止，电流Io流经VD2、RL和VD4并在RL上产生压降Uo，如图5.6（b）所示。

由此可见，在电压U2的一个周期内，负载上均有电流通过，其波形如图5.6（c）所示。3．基本参数（1）整流输出电压平均值Uo(AV)

桥式整流为全波整流，故负载上的平均电压和电流均比半波整流大一倍。 Uo(AV)=0.9U2（2）流过负载的电流Io(AV)

（3）流过二极管的正向电流ID(AV)

桥式整流电路的结构决定了每只二极管只在半个周期内导通，所以在一个周期内流过每个管子的平均电流只有负载电流的一半，即（4）每只二极管所承受的反向电压亦为变压器次级电压的峰值电压URM4．电路特点

桥式整流电路利用了交流输入的整个周期，变压器利用效率高，其输出电压为半波整流的两倍，输出电压的纹波大大减少。

正因为桥式整流电路具有上述优点，它在家用电器、仪器仪表、通信设备、电力控制装置等方面得到了广泛应用。*5.2晶闸管可控整流电路

晶闸管是可控整流元件，利用它组成的整流电路可以把交流电转换成大小可调的直流电，故称为可控整流电路。

单向可控整流电路有半波、全波、半控桥式、全控桥式及其他不同接法。5.2.1单相半波可控整流电路1．电路结构

单相半波可控整流电路如图5.7所示。其中Ui为交流电源变压器的次级电压，RL为负载。由电源、晶闸管及负载组成的回路称为主回路，由控制极、阴极及其他外电路组成的回路称为控制回路（触发电路）。

本小节只讨论主回路的情况，并认为控制极在适当时刻能得到触发脉冲。图5.7单相半波可控整流电路

2．电路原理

晶闸管VS视为理想元件，当控制极未加控制电压时，VS就没有整流输出；当交流电压输入为正半周时，VS承受正向电压，如果t1时刻给控制极加上一个足够大的触发电压uG时，VS就会导通，在负载上获得单向脉动整流输出电压；当交流电压经过零值时，流过VS的电流小于维持电流，VS便自行关断；当交流电压输入为负半周时，VS因承受反向电压而保持关断状态。其工作波形如图5.8所示。

由图5.8可见，如果改变触发脉冲出现的时间（控制角），即可改变输出波形，也就是可以改变其大小。所以说晶闸管可控整流电路可以把交流电转换成大小可调的直流电，这是它与二极管整流电路的区别。

图5.8单相半波可控整流电路工作波形3．控制角

与导通角

晶闸管在半个周期内，不导通的范围称为控制角，用“

”表示；导通的范围称为导通角，用“

”表示。

单相半波可控整流电路的

与

的变化范围为0°～180°，且

+

=180°。5.2.2单相桥式可控整流电路1．电路结构

单相桥式可控整流电路如图5.9所示。图5.9单相桥式可控整流电路2．电路原理

当输入为正半周时，VS1处于正向偏置，VS2处于反向偏置。如果t1时刻给控制极加上一个触发脉冲，只有VS1被触发导通，电流途径是：电源高电位端→VS1→RL→VD2→电源低电位端，并在负载上得到输出电压；当输入为负半周时，在t2时刻，VS2和VD1导通，电流途径是：电源高电位端→VS2→RL→VD1→电源低电位端。这样，负载上便得到脉动直流电压。5.3滤波电路

前面已经讲过将交流电转换为稳定的直流电需要经过3个过程，即整流、滤波和稳压。上面所介绍的便是第一过程—整流，下面将介绍第二过程—滤波。

整流后输出的直流电，因为脉动过大，含有很大的交流成分，因而不能直接作为电子设备的直流电源来使用。为此，需要将脉动直流电中的交流成分滤除掉，即将脉动的直流电转换成较平滑的直流电，这一过程称为滤波。

滤波电路是用来平滑整流输出电压脉动的，同时也能提高输出电压的大小。

滤波器有多种形式，常用的有电容滤波器、电感滤波器、

型滤波器等，本节只介绍电容滤波电路和电感滤波电路。5.3.1电容滤波电路1．半波整流电容滤波电路（1）结构

电容滤波电路是在负载的两端并联一个电容器，如图5.10所示，其中图（a）为实物图，图（b）为电路原理图。（a）实物图

（b）电路原理图

图5.10半波整流电容滤波电路（2）电容器的滤波作用

滤波后输出电压Uo的波形脉动很小，且为比较平滑的直流电，如图5.11（c）所示。（a）U2>UC

（b）U2<UC（c）波形图

图5.11半波整流电容滤波作用知识探究

由输出波形可看出：

当输入次级电压为正半周上升段期间时，电容充电；当输入次级电压由正峰值开始下降后，电容开始放电，直到电容上的电压小于输入次级电压，电容又重新充电；当输入次级电压小于电容上的电压时，电容又开始放电，如此一直循环下去。归纳

因为电容器具有储能作用，所以若使电容器充电过程快，而放电过程慢，就可使输出波形变得比较平滑，达到滤波的目的。知识拓展——半波整流滤波原理

上述分析是从输出波形角度分析电路工作情况，下面从电路结构及二极管特性角度分析整流原理。

在图5.11所示的半波整流电容滤波电路中，负载RL两端并联一个容量很大的电解电容C，当输入电压U1为正半周时，整流二极管导通，次级电压U2经VD对C充电，充电电流同时流入负载，即ID=IC+Io，如图5.11（a）所示。电容器两端电压为UC。

当电压U2到达峰值后又下降到小于UC时，整流二极管VD因U2＜UC而截止，于是电容器转而对负载RL放电，放电电流为IC(Io)，如图5.11（b）所示。

这种放电过程一直继续到输入电压U1的下一个正半周，且在U2＞UC，整流二极管VD导通时，U2又经过VD对C充电，电容器上的电压继续上升。

当U2下降到小于UC时，整流二极管又被截止，电容C又开始对负载RL放电，如此周而复始。

显然，由于电容器的滤波作用，输出电压比无电容器时平滑多了，如图5.11（c）所示。（3）基本参数

半波整流电容滤波电路的负载上得到的输出电压为Uo(AV)=U22．桥式整流电容滤波电路（1）电路结构

在桥式整流电路输出端并联一个电容量很大的电解电容器，就构成了它的滤波电路，如图5.12所示，其中图（a）为实物图，图（b）为电路原理图。（a）实物图

（b）电路原理图

图5.12桥式整流电容滤波电路（2）电容器的滤波作用

其滤波原理类似于半波整流电路中电容器的滤波过程。

不同的是，无论输入电压的正半周还是负半周，电容C都有充、放电过程，其波形如图5.13所示。图5.13桥式整流电容滤波输出波形（3）基本参数桥式整流电容滤波的负载上得到的输出电压为 Uo(AV)=1.2U2桥式整流电容滤波输出端空载时

Uo(AV)=1.4U2（4）电路特点

在桥式整流电容滤波电路中，RLC越大，电容C放电越慢，输出的直流电压就越大，滤波效果也越好，但是在采用大容量的滤波电容时，接通电源的瞬间充电电流特别大。

电容滤波器只适用于负载电流较小的场合。5.3.2电感滤波电路1．电路结构

以桥式整流电路为例，在电感滤波电路中电感L与负载RL串联，如图5.14（a）所示。（a）电感滤波电路

（b）电感滤波输出电压波形

图5.14电感滤波电路及波形2．电感器的滤波作用

电感器是利用通过电感的电流不能突变的特性来实现滤波的。对于直流成分，由于电感L的电阻一般远小于负载RL，所以它几乎全部落在RL上；对于交流分量，由于电感L呈现感抗为XL=2

fL，只要L足够大，使XL>>RL时，电感L对交流分量的分压结果，使交流分量几乎全部落在电感L上，而负载RL上的交流压降很小。其结果是输出电压中的脉动成分大大减小，输出波形如图5.14（b）所示。3．基本参数半波整流电感滤波电路输出直流电压平均值为 Uo(AV)=0.45U2桥式整流电感滤波电路输出直流电压平均值为 Uo(AV)=0.9U24．电感滤波器的特点

当电感选得很大，负载很小时，交流分量大部分落在电感上。

由此可知，RL越小，负载电流越大，电感滤波效果越好，因此电感滤波主要用于负载电流较大的情况。但电感体积大、笨重、成本高。5.4稳压电路

前面已经介绍的整流电路滤波电路虽然能把交流电变为较平滑的直流电，但输出的电压仍是不稳定的。交流电网电压的波动、负载电流变化、温度的影响等，都会使整流滤波后输出的直流电压随之变化。

为了保持输出电压稳定，通常需在滤波电路之后接入稳压电路。

稳压电路的具体形式有并联型稳压电路、串联型稳压电路、开关型稳压电路等。5.4.1硅稳压管稳压电路

硅稳压管是特殊二极管之一，它工作在二极管伏安特性陡峭的反向击穿区，使稳压管在工作电流范围内保持两端电压基本不变。

利用稳压管的这一特性可实现电源的稳压功能。1．电路组成

图5.15所示为硅稳压管稳压电路。由图中可见，稳压管VDZ并联在负载RL两端，因此它是一个并联型稳压电路。

电阻R是稳压管的限流电阻，是稳压电路中不可缺少的元件。

稳压电路的输入电压UI是整流、滤波电路的输出电压。图5.15硅稳压管稳压电路2．稳压原理

稳压管是利用调节流过自身的电流大小（端电压基本不变）来满足负载电流的改变，并和限流电阻配合将电流的变化转换成电压的变化，以适应电网电压的波动。

当电网电压波动或负载变化时，设使得输出电压Uo下降，则流过稳压二极管的反向电流IZ也减小，导致通过限流电阻R上的电流也减小，这样使R上的压降UR也下降，根据Uo=UI-UR的关系，使输出Uo的下降受到限制，上述过程可用符号表达为3．电路特点

硅稳压管稳压电路结构简单，元件少。但输出电压由稳压管的稳压值决定，不可随意调节，因此输出电流的变化范围较小，只适用于小型的电子设备中。5.4.2串联型三极管稳压电路

为了提高稳压电路的稳压性能，可采用串联型三极管直流稳压电路。1．电路结构

图5.16所示为串联型三极管稳压电路，其中图（a）为实物图，图（b）为电路原理图。

串联型稳压电路由取样电路、基准电压、比较放大器、调整元件等环节组成，其方框图如图5.17所示。图5.16串联型三极管稳压电路图5.17串联型稳压电路方框图2．电路中各部分的作用①取样电路：由R1、RP、R2组成，取出输出电压Uo的一部分送到比较放大电路VT2的基极。②基准电压：由稳压管VDZ与电阻R3组成。其作用是提供一个稳定性较高的直流电压U2。其中R3为稳压管VDZ的限流电阻。③比较放大器：以三极管VT2构成直流放大器。其作用是将取样电压UB2和基准电压UZ进行比较，比较的误差电压UBE2经VT2放大后去控制调整管VT1。R4既是VT2的集电极负载电阻，也是VT1的偏置电阻。④调整元件：调整管VT1是该稳压电源的关键元件，利用其集电集和发射集之间的电压UCE受基极电流控制的原理，与负载RL串联，用于调整输出电压。3．稳压原理

用示波器观察图5.16所示电路的输出电压Uo的波形。实验现象

输出电压Uo的波形是一条直线（直流电）。知识探究

实验表明，当电网电压波动或负载变动的情况下，串联型直流稳压电路具有稳定输出直流电压的作用。知识拓展——串联型直流稳压电路的稳压原理

当电网电压升高或负载电阻增大而使输出电压有上升的趋势时，取样电路的分压点UB2升高，因UZ不变，所以UBE2升高，IC2随之增大，UC2降低，则调整管的UB1降低，发射结正偏电压UBE1下降，IB1下降，IC1随着减小，UCE1增大，从而使输出电压Uo下降。因此，使输出电压上升的趋势受到遏制而保持稳定。上述稳压过程可用符号表示为

当电网电压下降或负载变小时，输出电压有下降的趋势，电路的稳压过程与上面情形相反。4．输出电压的调节

调节电位器RP可以调节输出电压Uo的大小，使其在一定的范围内变化。

若将RP分为上下两部分，RP′为电位器上部分电阻，RP″为电位器下部分电阻，则由电路原理图可得根据上式整理可得通常UZ>>UBE2，输出电压为

电位器的作用是把输出电压调整在额定的数值上。电位器滑动触点下移，RP″变小，输出电压Uo调高。反之，电位器滑动触点上移，RP″变大，输出电压Uo调低。Uo的调节范围是有限的，其最小值不可能调到零，最大值不可能调到输入电压UI。5.4.3集成稳压电路

集成稳压器具有体积小、使用方便、电路简单、可靠性高、调整方便等优点，近年来已得到广泛的应用。

集成稳压器的类型很多，按工作方式可分为串联型、并联型和开关型，按输出电压类型可分为固定式和可调式。本小节只介绍两种常用的集成稳压器。1．三端固定集成稳压器

三端固定集成稳压器的输出电压是固定的，且它只有3个接线端，即输入端、输出端及公共端。它有CW78XX、CW79XX两个系列，如图5.19所示。

CW78XX系列输出是正电压，CW79XX系列输出是负电压。CW78XX的1脚为输入端，2脚为公共端，3脚为输出端。CW79XX的1脚为公共端，2脚为输入端，3脚为输出端。（1）输出正电压的三端固定稳压器CW78XX系列三端固定稳压器，输出正电压为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V7个挡次。它们型号的后两位数字就表示输出电压值，比如CW7805表示输出电压为5V。

根据输出电流的大小又可分为CW78XX型（表示输出电流为1.5A）、CW78MXX型（表示输出电流为0.5A）和CW78LXX型（表示输出电流为0.1A）。其功能图如图5.20所示，图中C1防止产生自激振荡，C2削弱电路的高频噪声。（a）实物图

（b）引脚排列

图5.19三端固定集成稳压器图5.20CW78XX系列集成稳压器（2）输出负电压的三端固定稳压器CW79XX系列三端固定稳压器是负电压输出，在输出电压挡次、电流挡次等方面与CW78XX的规定一样。它们型号的后两位数字表示输出电压值，比如CW7905表示输出电压为−5V。其功能图如图5.21所示，图中“2”为输入端，“3”为输出端，“1”为公共端。图5.21CW79XX系列集成稳压器2．三端可调集成稳压器

三端可调式集成稳压器不仅输出电压可调，而且稳压性能比固定式更好，它也分为正电压输出和负电压输出两种。（1）输出正电压的可调集成稳压器 CW117、CW217、CW317系列是正电压输出的三端可调集成稳压器，输出电压在1.2～37V范围内连续可调，电位器RP和电阻R1组成取样电阻分压器，接稳压器的调整端1脚，改变RP，可调节输出电压Uo的大小，其功能图如图5.22所示。图5.22CW317三端可调集成稳压器

集成稳压器的“1”为调整端，“2”为输出端，“3”为输入端。

在输入端并联电容C1旁路整流电路输出的高频干扰信号，电容C2可消除RP上的纹波电压，使取样电压稳定，C3起消振作用。（2）输出负电压的可调集成稳压器CW137、CW237、CW337系列是负电压输出的三端可调集成稳压器，输出电压在−1.2～−37V范围内连续可调，电位器RP和电阻R1组成取样电阻分压器，接稳压器的调整端1脚，改变RP，可调节输出电压Uo的大小，其功能图如图5.23所示。

集成稳压器的“1”为调整端，“2”为输入端，“3”为输出端。

图5.23CW337三端可调集成稳压器5.5实例综合分析—直流稳压器5.5.1电路构成

生活实例2—直流稳压器，是由整流、滤波、稳压三部分电路所组成的。

如图5.24所示，这是一种输出电压连续可调的集成稳压器，输出电压在1.25～37V范围连续可调，输出最大电流