直流稳压电源的原理与设计-

直流稳压电源的原理与设计

直流电源的组成及各部分的作用电源变压器：把220V电网电压降至所需电压。整流电路：把交流电压转换成脉动的直流电压。滤波电路：减小脉动使输出电压平滑。稳压电路：在电网电压波动或负载电流变化时保持输出电压基本不变。

整流与滤波电路1.半波整流电路二极管导通，忽略二极管正向压降，

uo=u2u1u2aTbDRLuo为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管截止,uo=0+–io+–u2>0时:u2<0时:一.单相整流电路单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouD

t

2340输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io)：()ò=pwp2021tduUoo=()òpwp

021tdsinwt22U=p2245.02UU=u1u2aTbDRLuouDioIo=Uo/RL=0.45U2/RL

uo

20t二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2aTbDRLuouDiouD

20tUDRM二极管上的平均电流：ID=IOUDRM=22U承受的最高反向电压:2.全波整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+–+–原理：+–+–变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2当u2正半周时，D1导通，D2截止。当u2负半周时，D2导通，D1截止。u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形u2uouD1

t

2340uD2+–+–0~

：uD2=2u2+忽略二极管正向压降输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io)：u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo

20t()ò=pwp

01tduUoo=()òpwp

01tdsinwt22UIo=Uo/RL=0.9U2/RL

=p229.02UU=2二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2aTbD1RLuoD2u2io二极管上的平均电流：oDII21=uD

20tDRM22UU=2二极管承受的最高反向电压：3.桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo+–u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周时电流通路D1

、D4导通，D2、D3截止-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2负半周时电流通路D2、D3

导通，D1

、D4截止集成硅整流桥：u2uo+

–

~+~-

+–4.整流电路的主要参数负载电压Uo的平均值为:()ò=πootduπU2021w负载上的(平均)电流:LoRUIo=(1)整流输出电压的平均值uo

20t

S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值之比。S越小越好。（2）脉动系数Ｓ用傅氏级数对全波整流的输出uo

分解后可得:uo

20t基波基波峰值输出电压平均值平均电流(ID)与反向峰值电压(UDRM)是选择整流管的主要依据。oDII21=例如：在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流ID

是负载平均电流的一半。

二极管截止时两端承受的最大反向电压：(3)二极管平均电流与反向峰值电压（选购时：二极管额定电流

2ID)（选购时：最大反向电压

2URM)全波整流电路桥式整流电路半波整流电路二、滤波电路滤波电路的结构特点:

电容与负载RL并联，或电感与负载RL串联。交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压RLLRLC1.电容滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。(1)电容滤波原理a桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，uo=uc

时间常数

=rdCu2下降，u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数

=RLCu2tuot只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。二极管中的电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。RLC越小，输出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻)一般取)105(TCRτL-³=(T:电源电压的周期)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL(b)流过二极管瞬时电流很大RLC越大

Uo越高

负载电流的平均值越大;

整流管导电时间越短

iD的峰值电流越大(2)电容滤波电路的特点(a)输出电压平均值Uo与时间常数RLC有关RLC愈大

电容器放电愈慢

Uo(平均值)愈大(c)二极管承受的最高反向电压2.电感滤波电路电路结构:

在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。u2u1RLLuo电感滤波原理对谐波分量:

f

越高，XL越大,电压大部分降在XL上。

因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLuo对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上3.RC–

型滤波器改善滤波特性的方法：采取多级滤波uoRu2u1C1C2uo1´RLRC–

型滤波器将RC–

型滤波器中的电阻换为电感，变为LC–

型滤波器串联式稳压电路稳压电路的作用:交流电压脉动直流电压整流滤波有波纹的直流电压稳压直流电压稳压电源类型:以下主要讨论线性稳压电路。稳压二极管稳压电源开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。一.硅稳压二极管稳压电路

利用稳压二极管的反向击穿特性。由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。

硅稳压二极管稳压电路1.稳压原理(1)当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知

输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓

硅稳压二极管稳压电路

这里VO减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。2.稳压电阻的计算稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好。稳压电阻R

的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。

显然R的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的VR变化，就可达到足够的稳压效果。

但R的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加大。稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关。稳压电阻的计算如下

当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即(1)稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！

当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即(2)三.串联型稳压电源1.串联型稳压电源的构成

VO=VI-VR，当VI↑→R↑→VR↑→在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流IL↑→R↓→VR↓→在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。

串联稳压电源示意图

串联稳压电源示意图

在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。

串联型稳压电路方框图串联型稳压电源的构成：调整管、放大环节、比较环节、基准电压源2.工作原理1．输入电压变化时VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓实质：电压负反馈2．负载电流变化时IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑3.输出电压调节范围的计算可见，调节R2可以改变输出电压。根据“虚短”Vf≈VREFT1调整管R3

、T2比较放大R1

、RW

、R2采样电阻R

、UZ基准电压3.分立元件组成的串联式稳压电源R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2稳压原理UoUB2UBE2=（UB2-UZ）UC2（UB1）Uo当UI增加或输出电流减小使Uo升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UC2（UB1）(3)输出电压的确定和调节范围因为：OU2BEZUU+22WRR+21WRRR++=()22221BEZWWOUURRRRRU++++=所以：2221ZWWURRRRR+++=忽略UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k

，求输出电压的调节范围。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2221ZWWOminURRRRRU+++=

4=6V4.74.7++=4.74.7+4.7221ZWOmaxURRRRU++=

4=12V4.74.7++=4.74.710.3

三端集成稳压器一.输出电压固定的三端集成稳压器

（正电压78

、负电压79

）恒流源基准电压电路调整电路比较放大减流保护过热保护启动电路取样电路IQR1R2输出电压可调的稳压电路I1I2如何消除IQ的影响呢？1端:公共端2端:输入端3端:输出端W7900系列稳压器外形及典型接线图123–+W7905UI–+Uo231CI0.1~1

FCo1µF-10V-5V1端:输入端2端:公共端3端:输出端W7800系列稳压器外形及典型接线图123+_W7805UI+_Uo132CI0.1~1

FCo1µF+10V+5V注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！10.2.4

三端集成稳压器的应用1.固定式应用举例10.2.4

三端集成稳压器的应用2.可调式应用举例

开关型稳压电源串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题：

(1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较低(一般为40%~60%)，且需要庞大的散热装置。

(2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重。10.2.4

三端集成稳压器的应用2.可调式应用举例四.稳压电路的主要性能指标输出电压变化量稳压系数输出电阻温度系数直流稳压电源的设计方法直流稳压电源的设计的依据是技术指标设计的内容包括：电路结构选择、参数计算、器件选择、具体电路设计步骤包括：根据市场、技术潮流、主要指标选择电源类型和电路结构根据电压关系计算各部分的电压根据电流关系计算各部分的电流根据功率关系计算各部分的功率根据电压、电流、功率选择器件设计结果包括：具体电路图，设计到电路、器件型号、管脚

电感与变压器i四、磁导率表征