中职-电工电子技术第九章-直流稳压电源

杨凌《电工电子技术》第9章直流稳压电源化学工业出版社

9.1直流稳压电源的组成在生产、科研和日常生活中，除了广泛使用交流电外，在某些场合，例如电解、电镀、蓄电池充电、直流电动机供电、同步电机励磁等，都需要直流电源。为了获得直流电，除了利用直流发电机外，在大多数情况下，广泛采用各种半导体直流电源。直流稳压电源的组成一般小功率半导体直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，其原理框图及各部分输出波形如下页图所示。9.1直流稳压电源的组成u5u2u4u3u5u1电源变压器整流电路滤波电路稳压电路u1tOu2tOu3tOu4tOtO图中，电源变压器的作用是将电网供给的交流电压变换为符合电子设备所要求的电压值。比如，它可将220V的电压变换为十几伏或几十伏的电压值。目前，有些电路不用变压器，而采用其他方法降压。9.1直流稳压电源的组成整流电路的作用是将变压器次级正、负交替变化的交变电压u2变换为单向脉动的直流电压u3，通常由具有单向导电性能的元件组成。滤波电路的作用是滤除整流输出u3中的脉动成分，从而获得比较平滑的直流电压u4。一般由电容、电感等储能元件组成。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时,维持输出直流电压稳定，以获得足够高的稳定性。它是半导体直流电源的重要组成部分，其性质的优劣往往决定着直流电源的主要技术性能。9.2单相桥式整流电路整流电路有多种形式。从所用交流电源的相数，可把整流电路分为单相和三相整流电路；从电路的结构形式，可把整流电路分为半波、全波和桥式整流电路。本节只讨论常用的单相桥式整流电路。一、电路组成及工作原理单相桥式整流电路如下页图（a）所示，它由四只二极管组成，并接成电桥的形式，故称为桥式整流电路。图（b）是电路的简化画法。9.2单相桥式整流电路dbcaRLVD1VD4～220Vu2VD2+uo－TrVD3（a）原理电路RLVD1～VD4～220Vu2+uo－Tr（b）简化画法假定负载为纯电阻性，整流二极管和变压器都是理想的，即认为二极管的正向压降为零，正向电阻为零，反向电阻为无穷大，变压器无内部压降等。设变压器副边电压u2=2U2sinωt，U2为其有效值。9.2单相桥式整流电路在u2的正半周，变压器副边电压的极性上“+”下“－”，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电流由a经VD1→RL→VD3→b形成通路，如上页图（a）中红线所示。这时，二极管VD2、VD4承受反向电压。在u2的负半周，变压器副边电压的极性上“－”下“+”，二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流由b经VD2→RL→VD4→a形成通路，如上页图（a）中绿线所示。这时，二极管VD1、VD3承受反向电压。尽管u2的方向是交变的，但通过负载RL的电流io及其两端电9.2单相桥式整流电路压uo的方向不变，因此，负载上得到了大小变化而方向不变的脉动直流电流和电压。

uo、io（iD）及二极管承受的电压uD的波形如右图所示。

uouo,ioωtωtωtiou2OO2U2－2U2OuDVD1,VD3

VD2,VD4

VD1,VD3

VD2,VD4

导通

导通

导通

导通9.2单相桥式整流电路负载上得到的脉动直流电压，常用一个周期的平均值来说明它的大小。负载电流二、整流二极管的选择由工作原理的分析可知，每个周期中，VD1、VD3串联与VD2、VD4串联各轮流导电半周，故每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半，即9.2单相桥式整流电路二极管截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即

因此，选用整流二极管时，应使为了保证电路安全、可靠地工作，在选择二极管时应留有充分的余量，避免整流管处于极限运用状态。目前，器件生产厂商已经将四个整流二极管封装在一起，构成模块化的整流桥，使用起来十分方便。9.3滤波电路整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动较大，含有较大的谐波成分（交流分量），不能适应大多数电子电路和设备的要求，因此，需要用滤波电路滤除交流分量，以得到比较平滑的直流电压。本节介绍几种常用的滤波电路。一、电容滤波电路电容滤波电路是最常见、最简单和最有效的一种滤波电路，其基本工作原理就是利用电容的充放电作用，使负载电压趋于平滑。

1.电路组成及工作原理9.3滤波电路VD3VD2RL+VD4～220VCu2VD1+uo－TriCio整流电路不接滤波电容C时，负载RL上的脉动电压uo的波形如下页图中虚线所示。考虑电路接入滤波电容C时的情况。设C上无初始储能，且电源在ωt=0时接通。9.3滤波电路ωt2ππcabdiDOωtuo(uC)OωtθOu2e在u2的正半周，VD1和VD3导通，电源除向负载RL提供电流io外，也给电容C充电，电容上电压uC的极性上“+”下“－”，且uC=u2。当u2上升到峰值2U2（图中a点）时,uC充电到最大值2U2。

此后，u2按正弦规律从峰值开始下降，电容因放电其两端电

9.3滤波电路压uC也开始下降。但是，由于电容以时间常数τ=RLC按指数规律放电，所以当u2下降到一定值时，uC的下降速度就会小于u2的下降速度，使uC>u2（如图中b点），此后，VD1、VD3因承受反向电压而截止，电容C继续通过RL放电，uo按指数规律缓慢下降。在u2的负半周，当u2的数值大于uC（图中c点）时，VD2和VD4导通，电源再次向电容C充电，当uC达到峰值（图中d点）之后，随着u2数值的减小，电容再次放电，直到u2的数值小于uC（图中e点），此后，VD2、VD4截止，

uo按指数规律缓慢下降。9.3滤波电路上述过程周而复始地循环，在输出端便得到了比较平滑的直流电压，如P13页图中实线所示。2.电容滤波电路的特点（1）电容滤波电路放电时间常数（τ=RLC）愈大，放电过程愈慢，输出中脉动成分愈小，输出电压愈高，滤波效果愈好。（2）滤波电容的选取实验证明，为了获得较好的滤波效果，一般按下式选择滤波电容电网交流电的周期

9.3滤波电路一般情况下滤波电容的容量都比较大，从几十微法到几千微法，所以通常选用有极性的电解电容器，在接入电路时，应注意极性不要接反，电容的耐压值应大于2U2。（3）输出电压的平均值在整流电路的内阻不太大（几欧姆）和放电时间常数满足时，单相桥式整流电容滤波电路输出电压的平均值约为

UO≈1.2U2

9.3滤波电路（4）整流二极管的选取未加滤波电容C之前，每只整流二极管均有半个周期处于导通状态，即其导通角θ等于π。加滤波电容之后，只有当│u2│>uC时，整流管才导通，因此每只整流管的导通角都小于π。并且RLC的值愈大，θ愈小，整流管在短暂的导通时间内有很大的冲击电流流过，这对于管子的使用寿命不利，因此应选取较大容量的二极管，要求它承受正向电流的能力应大于输出平均电流的2～3倍。（5）电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小而且变化不大的场合。9.3滤波电路二、电感滤波电路LRL+－～220Vuou2在大电流负载的情况下，若采用电容滤波，使得整流管及电容器的选择很困难，有时甚至不可能，这时，可采用电感滤波。电感滤波就是在整流电路与负载电阻之间串联一个电感线圈L，如右下图所示。在第2章已经讲过，当通过电感线圈的电流变化时，电感线圈将产生自感电动势阻止电流的变化。

9.3滤波电路当通过电感线圈的电流增加时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，从而使负载电流的脉动成分大大降低，波形变得平滑。

L愈大，RL愈小，滤波效果愈好，电感滤波适用于负载电流比较大的场合。三、复式滤波电路无论是电容滤波电路还是电感滤波电路，它们都有各自的优点及不足。为了提高滤波效果，进一步减小输出电压中的9.3滤波电路脉动成分，可用电容和电感组成复合式滤波电路。下表示出了几种复式滤波电路的形式、性能特点及适用场合。

LC滤波LC-π滤波RC-π滤波电路形式UO≈1.2U2≈1.2U2整流管冲击电流小大大适用场合大电流且变动大的负载小电流负载小电流负载LC+RLLC2C1++RLRC2C1++RL

RL≈1.2U2

R+RL

9.3滤波电路【例9-1】单相桥式整流电容滤波电路如P12页图所示，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200Ω，要求直流输出电压

UO=30V，试选择整流二极管和滤波电容器。【解】（1）选择整流二极管流过二极管的电流为

取UO=1.2U2，可求得变压器副边电压的有效值为9.3滤波电路二极管承受的最大反向电压为因此可选用二极管2CP11，其最大整流电流为100mA，最高反向工作电压为50V。（2）选择滤波电容取

则

电容的耐压值应大于

所以，选用容量为250μF，耐压为50V的电解电容器。9.4稳压电路整流滤波后得到的平滑直流电压会随着电网电压的波动和负载的变化而改变，这种电压不稳定会引起负载工作的不稳定，甚至不能正常工作。而精密的电子测量仪器、自动控制、计算装置及晶闸管的触发电路都要求有稳定的直流电源供电。为得到稳定的直流输出电压，需采取稳压措施。稳压电路的种类很多，本节扼要介绍几种稳压电路的原理及特点。一、硅稳压管稳压电路最简单的直流稳压电源是采用稳压管来稳定电压的，如下页图所示。经过桥式整流电容滤波后得到的直溜电压UI，再经9.4稳压电路过由限流电阻R和稳压管VZ组成的稳压电路接到负载电阻RL上，这样，负载上得到的就是一个比较稳定的电压。+UI－IRRIZVZILCRL～220Vu2+UO－Tr当电网电压升高而使UI上升时，输出电压UO应随之上升。但稳压管两端反向电压（UO）的微小增量，会引起稳压管电流IZ的急剧增加，从而使IR增大，相应地R上的压降UR也增大,9.4稳压电路以抵偿UI的上升，使输出电压UO(UO=UI－UR)基本保持不变。相反，当因电网电压降低而使UI减小时，输出电压UO应随之减小，这时稳压管的电流IZ急剧减小，从而使IR减小，

UR也减小，仍然保持输出电压UO基本不变。同理，当因负载变动而引起输出电压UO波动时，电路仍能起到稳压作用。例如，当因负载电阻RL减小即负载电流IL增大时，IR随之增大，

UR亦随之增大，在电网电压稳定的前提下，输出电压UO会有所下降。而UO的微小下降，导致IZ的显著减小，若参数选择恰当，可使△IZ=－△IL，从而使IR基本不变，UR基本不变，因此输出电压UO也基本保持不变。9.4稳压电路可见，稳压管的电流调节作用是硅稳压管电路能够稳压的关键。它利用稳压管电压的微小变化，引起电流的较大变化，通过电阻R实现电压的调整作用，从而保证输出电压基本恒定。

选择稳压管时，一般取UZ=UOIZM=(1.5～3)IOMUI=(2～3)UO硅稳压管稳压电路的优点是结构简单，缺点是负载电流变化范围小，输出电压不能调节，且电压稳定性不够高，因此，仅适用于输出电压固定且要求不高的场合。9.4稳压电路二、串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路如下图所示。

U－+VTRPUIRR1VZ－RL+－UO_+∞AR2U+UB+当由于某种原因使输出电压UO升高时，由上图可知9.4稳压电路也升高，而UB=Aod(U+－U－)=Aod(UZ－U－)，故UB随之减小，由于VT接成射极跟随器的形式，所以VT的发射极电位，也即输出电压UO必然随之降低。具体稳压过程如下UO↑→

U－↑→(U+－U－)↓→UB=Aod(U+－U－)↓VT为射极跟随器UO↓当输出电压降低时，其稳压过程相反。可见输出电压的变化量经过运放放大后去调整三极管VT（通常称为调整管）的输出，从而达到稳定输出电压的目的。9.4稳压电路这个自动调整过程实质上是一个负反馈过程，P27页图引入的是电压串联负反馈，故该电路称为串联反馈式稳压电路。根据同相比例运算电路的输入输出关系可得可见调节电位器RP便可调节输出电压UO。当RP的滑动端移到最上端时，输出电压最小；移到最下端时，输出电压最大.三、集成稳压电路随着集成电路工艺的发展，目前已生产出各种类型的集成稳压器，并得到了广泛应用。

9.4稳压电路集成稳压器的类型很多，按结构形式可分为串联型、并联型和开关型；按输出电压类型可分为固定式和可调式；按封装引线端的多少可分为三端式和多端式。目前常用的集成稳压器除开关型稳压器外，基本上是串联型三端固定和可调稳压器，其中可调三端稳压器的性能优于固定三端稳压器的性能。三端固定式稳压器三端固定式稳压器的输出电压是固定的，如果不采取其他的方法，其输出电压一般是不可调的。三端固定式稳压器9.4稳压电路有W78××和W79××两个系列。W78××为正电压输出,W79××为负电压输出。××为集成稳压器输出电压的标称值，78或79系列集成稳压器的输出电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等。其额定输出电流以78或79后面所加的字母来区分。L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A。如W78L05表示该稳压器输出电压为+5V，最大输出电流为0.1A。三端固定式稳压器的外形及引线排列如下页图所示。9.4稳压电路123地入出金属封装78××132入地出塑料封装79××132地入出塑料封装123入地出金属封装三端固定式稳压器的使用非常方便，下图给出了几种典型应用电路。图（a）为基本应用电路。图中，其中C1用以减小纹波以及抵消输入端接线较长时的电感效应，防止自激振荡，并抑制高频干扰，其值一般取0.1～1μF。C2用以改善由于负9.4稳压电路载电流瞬时变化而引起的高频干扰，其值可取1μF。二极管VD用作保护。+UO－C22+UI－1C1VD378××+U××－+UZ－+UO－C22+UI－1C1378××（a）基本应用电路（b）提高输出电压的电路图（b）所示电路能使输出电压高于固定输出电压。它是采用稳压管来提高输出电压的，其中，U××为W78××稳压器的固定输出电压，显然UO=U××+UZ

9.4稳压电路图（c）是一种扩展稳压器输出电流的电路。当直流电源要求的输出电流超过稳压器的额定输出电流时，可采用外接功率管VT的方法来扩大输出电流。图中，I2为稳压器的输出电流，IC为功率管的集电极电流，IR是电阻R上的电流，一般I3很小，可忽略不计，则I1≈I2，因而得出I3IBI2I1+UO－C22+UI－1C1VT378××ICIR（c）IC=βIB=β(I1－IR)≈β(I2－IR)

可见电路的输出电流比稳压器的输出电流大得多。

9.4稳压电路图（d）是一种输出电压可调的电路。图中，U－≈U+，于是由KVL定律可得R4R1∞R2+UO－C22+UI－1C1378××++－R3（d）可见，用可调电阻来调整R2与R1的比值，便可调节输出电压UO的大小。即9.4稳压电路图（e）是利用W78××与W79××相配合，得到正、负输出电压的稳压电路，其中，W78××与W79××的使用方法相同，只是要特别注意输入与输出电压的极性以及外引线的正确连接。++

－15V～220V24V24V+15VC12137815C′13CC1000μF1000μF217915C2C′2（e）9.4稳压电路2.三端可调式稳压器三端可调式稳压器是在三端固定式稳压器基础上发展起来的一种性能更为优异的集成稳压组件。它除了具备三端固定式稳压器的优点外，可用少量的外接元件，实现大范围的输出电压连续可调（调节范围为1.2～37V），应用更为灵活。其典型产品有输出正电压的W117、W217、W317系列和输出负电压的W137、W237、W337系列。同一系列的内部电路和工作原理基本相同，只是工作温度不同，如W117、W217、W317的工作温度分别为－55～150oC、－25～150oC、0～125oC。根据输出电流的大小，每个系列又分为L型系列9.4稳压电路（IO≤0.1A）、M型系列（IO≤0.5A），如果不标M或L，则表示该器件的IO≤1.5A。三端可调式稳压器的外形及引脚排列如下图所示。123出调整入金属封装W×17

123调出入整塑料封装W×37

123调入出整塑料封装123入调整出金属封装正常工作时，三端可调式稳压器输出端与调整端之间的电压为基准电压UREF，其典型值为1.25V。流过调整端的电9.4稳压电路流的典型值Iadj=50μA。三端可调式稳压器的基本应用电路如下图所示。

+UREF－RPIadj+UO－C22+UI－1C13W×17R1R2由图可知

调节电位器RP可改变R2的大小，从而调节输出电压UO的大小。需要强调的是，在使用集成稳压器时，要正确选择输入电压的范围，保证其输入电9.4稳压电路压比输出电压至少高2.5～3V，即要有一定的压差。另一个不容忽视的问题是散热，因为三端集成稳压器工作时有电流通过，且其本身又具有一定的压差，所以就有一定的功耗，而这些功耗一般又转换为热量。因此，使用中、大电流三端稳压器时，应加装足够尺寸的散热器，并保证散热器与稳压器的散热头（或金属底座）之间接触良好，必要时两者之间要涂抹导热胶以加强导热效果。※四、开关型稳压电路由于串联型线性稳压电路中的调整管工作在放大区，工作9.4稳压电路时调整管中一直有电流通过，所以自身功耗很大，电源效率一般只能达到30%～50%左右。开关型稳压电路中调整管工作在开关状态（饱和或截止），自身功耗小，所以电源效率可提高到75%～85%以上，而且它体积小、重量轻、使用方便。目前,开关型稳压电源已成为宇航、计算机、通信和功率较大电子设备中电源的主流，应用日趋广泛。随着集成技术的发展，开关型稳压电源已逐渐集成化。集成开关型稳压电源可分为脉宽调制型（PWM）、频率调制型（PFM）和混合调制（脉宽-频率调制）型三大类，其中脉宽调制型开关电源使用较为普遍。

※9.5可控整流电路前面讨论的二极管整流电路在应用上有一个很大的局限性,就是在输入的交流电压一定时，输出的直流电压也是一个固定值，一般不能任意调节。但是，在许多情况下，都要求直流电压能够调节，即具有“可控”的特点，晶闸管整流电路便适应了这种需求。晶闸管整流广泛应用于直流电动机的调速、电解、电镀、电焊、蓄电池充电及同步电机励磁等方面。常用的单相半控桥式整流电路（简称半控桥）如下页图所示。该电路与单相不可控桥式整流电路［P6页图］相似，只是其中两个桥臂中的二极管被晶闸管所取代。该电路输出电压较高，触发电路简单，广泛应用于中、小容量的整流电路中。※9.5可控整流电路uG－+－u1+uOVT1VD4VT2VD3u2RL当u2为正半周时，VT1、VD3承受正向电压，这时,若对晶闸管VT1引入触发信号uG，则VT1、VD3导通，电流由u2正端经VT1、RL、VD3流回u2负端形成回路（如图中红线所示）。此时，VT2和VD4因承受反向电压而截止。同理，当u2为负半周时，VT2、VD4承受正向电压而导通(对VT1引入触发信号)，电流经VT2、RL、VD4