《电工电子学》课件第12章

第12章直流稳压电源

12.1单相整流电路

12.2滤波电路

12.3稳压电路

12.4串联型线性直流稳压电源

12.5集成稳压电源

12.6开关型直流稳压电源直流稳压电源是利用半导体技术将交流电变成直流电的电子电路，其基本组成如图12-1所示。其中，电源变压器是用于改变交流电压的大小以满足整流电路的要求；整流电路将交流电变成脉动的直流电压；滤波器(滤波电路)用于减小整流输出电压的脉动程度，使直流电压变得平滑；稳压电路使输出电压更稳定。图12-1直流电源的组成方框图

12.1单相整流电路

12.1.1单相半波整流电路

单相半波整流电路如图12-2(a)所示，它是由整流变压器Tr、整流二极管VD及负载RL组成的。

由于二极管的单向导电性，使负载电阻的电压uo和电流

io都具有单向脉动性，其波形图如图12-2(b)所示。图12-2单相半波整流电路在负载上得到的大小变化的单向脉动电压uo，常用一个周期的平均值来说明其大小。单相半波整流电压的平均值为

(12-1)整流电流的平均值为

(12-2)

在整流电路中，除根据负载所需要的直流电压和直流电流选择整流元件外，还要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。在单相半波整流电路中，二极管的正向平均电流等于负载电流平均值，即

(12-3)二极管承受的最大反向电压等于变压器副边交流电压u的最大值，即

(12-4)

一般情况下，允许电网电压有±10%的波动，因此在选用二极管时，对于最大整流平均电流IF和最高反向工作电压URM应至少留有10%的余地，以保证二极管安全工作。

(12-5)

(12-6)

【例12-1】半波整流电路如图12-2(a)所示。已知负载电阻RL=750Ω，变压器副边电压U=20V。问：

(1)负载电阻RL上的电压平均值Uo和电流平均值Io各为

多少？

(2)二极管承受的最大反向电压UDRM是多少？

解

(1)负载电阻上的平均电压

流过负载的平均电流

(2)二极管承受的最大反向电压

二极管工作的最大反向电压和最大整流平均电流分别为12.1.2单相全波整流电路

单相全波整流电路如图12-3(a)所示。它是由整流变压器Tr、两个整流二极管VD1和VD2以及负载电阻RL组成的。设整流变压器的副边电压u21=u22=图12-3全波整流电路在电压的正半周，对于u21，A点为正，B点为负，故VD1导通；对于u22，B点为正，C点为负，故VD2截止。所以电流从A点流出，经VD1、RL后流入B点，输出电压uo=u21。

在电压的负半周，对于u21，A点为负，B点为正，故

VD1截止；对于u22，B点为负，C点为正，故VD2导通。所

以电流从C点流出，经VD2、RL后流入B点，输出电压

uo=－u22，此时VD1上承受的反向电压为u21+u22。部分波形

如图12-3(b)所示。同理，根据输出电压uo波形，单相全波整流输出电压的平均值为

(12-7)

整流电流的平均值

(12-8)由于每个二极管只在半个周期内导通，因此，二极管的正向平均电流等于负载平均电流的一半，即

(12-9)

二极管承受的最大反向电压是变压器副边电压最大值的2倍，即

(12-10)12.1.3单相桥式整流电路

单相桥式整流电路如图12-4(a)所示。它是由4个二极管构成的桥式电路，其实质是由两个半波整流电路构成，图12-4(b)、(c)是它的简易画法。图12-4桥式整流电路在电压u2的正半周，即0≤ωt≤π时，A点电位高于B点，二极管VD1和VD2导通，而VD3和VD4截止。电流从A点流出，经过VD1、RL、VD2流入B点，如图12-4(a)中箭头所示。此时负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压，即uo=u2，VD3和VD4承受的反向电压为u2。

在电压u2的负半周，即π≤ωt≤2π时，B点电位高于A点，二极管VD3和VD4导通，而VD1和VD2截止。电流从B点流出，经过VD3、RL、VD4流入A点。此时负载电阻RL上的电压uo=u2，VD1和VD2承受的反向电压为u2。可见，单相桥式整流电路中由于VD1、VD2和VD3、

VD4两对二极管交替导通，在u2的整个周期内使负载电阻

RL上始终有同一方向的电流流过。图12-5为单相桥式整流电路部分的电压、电流波形。图12-5桥式整流电路波形图根据图12-5中uo的波形可知，输出电压、电流的平均值分别为

(12-11)

(12-12)

在单相桥式整流电路中，因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以，每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即

(12-13)二极管承受的最大反向电压为

在实际选用二极管时，考虑到10%的余量，则二极管的最大整流电流和最大反向工作电压为

(12-14)

【例12-2】已知负载电阻RL=75Ω，负载电压

Uo=120V，现采用单相桥式整流电路。试求变压器副边电

压U，并选择整流二极管。

解根据式(12-12)，负载电流平均值为

流过每个二极管的平均电流为根据式(12-11)，变压器副边电压为

二极管的最大整流电流和最大反向工作电压为

12.2滤波电路

12.2.1电容滤波电路

电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，图12-6是桥式整流电容滤波电路，即在负载电阻RL两端并接一个容量较大的电容C，利用电容的端电压在电路状态改变时不能跃变的原理进行滤波。图12-6桥式整流、电容滤波电路当变压器副边电压u2处于正半周并且数值大于电容两端电压uc时，二极管VD1、VD2导通，电容器充电，此时电容两端电压uc与u2相等，见图12-7中所示的ab段。当u2上升到峰值点后开始下降，电容通过负载电阻RL放电，其电压uc与u2按正弦规律也开始下降，见图12-7中的bc段。但是当下降到c点之后，u2<uc，从而导致VD1、VD2承受反向电压截止，此后电容器C继续通过负载电阻RL放电，uc按指数规律缓慢下降，使负载中仍有电流，见图12-7中的cd段。图12-7电容滤波输出电压波形为了获得较好的滤波效果，在实际工作中经常根据下式

选取滤波电容，即

(12-15)

式中T为电源电压的周期。一般情况下滤波电容容量从几十微法到几千微法，且采用电解电容，考虑到电源电压的波动

范围(±10%)，电容的耐压值应大于U2为整流变压器副边电压有效值。在单相全波整流或桥式整流电容滤波电路中，若满足式(12-12)，则输出电压平均值为

Uo≈1.2U2

(12-16)

在电路空载，即RL=∞时，电容存储的电荷没有放电回路，因此输出电压平均值Uo将等于变压器副边电压的峰值，即这种负载直流电压随负载电流增加而减小的变化关系称为输出特性曲线或外特性曲线，如图12-8所示。图12-8电容滤波电路的外特性如果要进一步提高滤波效果，可在整流电路和负载之间接入如图12-9所示的π型RC滤波电路。它的缺点是：由于

R的存在，当负载电流增大时，输出电压下降较多。图12-9

π型RC滤波电路12.2.2电感滤波电路

在桥式整流电路和负载电阻RL之间可接入一个电感L，如图12-10(a)所示。利用电感的储能作用可以减小输出电压的脉动，从而得到比较平滑的直流电压。当忽略电感的电阻时，负载上输出的平均电压与纯电阻不带电感L滤波负载情况相同，UO=0.9U。图12-10

L、LC滤波电路此外，为了进一步减小负载电压中的脉动，电感后可接一电容而构成倒L型滤波电路(如图12-10(b)所示)或π型LC滤波电路(如图12-11所示)。图12-11

π型滤波电路

12.3稳压电路

12.3.1并联硅稳压管稳压原理

如图12-12(a)所示并联硅稳压管稳压电路，输入电压U1保持不变，当负载电阻RL减小，IL增大时，由于电流在电阻R上的压降升高，输出电压UO将下降。由于稳压管并联在输出端，由伏安特性可看出，当稳压管两端的电压略有下降时，电流IZ将急剧减小，而IR=IL+IZ,所以IR基本维持不变，R上的压降也就维持不变，从而保证输出电压UO基本不变，即负载电阻RL不变，当电网电压升高时，将使U1增加，随之输出电压UO也增大，由稳压管伏安特性(如图12-12(b)

所示)可见，IZ将急剧增加，则电阻R上的压降增大，

UO=U1－UR，从而使输出电压基本保持不变，即图12-12并联稳压管稳压电路12.3.2稳压系数Sr

稳压系数就是在负载固定时，输出电压的相对变化量与(稳压电路)输入电压的相对变化量之比，即

(12-17)12.3.3稳压电路的输出电阻RO

同基本放大电路一样，可以用输出电阻RO来表示稳压电路受负载变化的影响，其定义为

(12-18)

除以上两个主要指标外，还有一些其他指标，如反映输出电压脉动的最大脉动电压、反映输出受温度影响的温度系数等。当负载电阻RL不变，而输入电压UI变化，且只考虑它的变化量时，稳压电路的微变等效电路如图12-13所示，其中

rZ是稳压管的动态电阻，可以由手册查得，也可以从伏安特性中求得，即

(12-19)图12-13稳压电路的交流等效电路由微变等效电路可得

一般情况下RL>>rZ，因此显然，当输入电压UI不变，负载电阻RL改变时，从图

12-13负载端向左看去的稳压电路的输出电阻RO在RL>>rZ时为

(12-20)

可见，rZ越小，带负载能力越强，稳压效果越好。当rZ=0时，此时电路变成理想电压源。硅稳压管稳压电路的稳压原因是当稳压管工作电流在IZmin≤IZ≤IZmax时，其输入电压和负载电流变化很大，而稳压管两端的电压UZ(UO)基本稳定，所以限流电阻R的选择必须保证稳压管工作电流满足条件。其中IZmax是由稳压管允许的功率损耗决定的，当IZ越过IZmax时，将可能损坏稳压管；当IZ小于IZmin时，稳压管将失去稳压作用。因此，根据以上要求限流电阻R应满足下列条件：

整理可得

c(12-21)式(12-21)中UImax是电网电压为最大值时的整流滤波输入电压值；IOmin是负载电流的最小值。同理，当电网电压出现最小值UImin和负载电流出现最大值IOmax时，有

整理得

(12-22)选择稳压管时，一般取

(12-23)

12.4串联型线性直流稳压电源

稳压管稳压电路的稳压效果不够理想，稳压输出不能随意调节，而且输出电流不大，它仅适用于负载电流较小的场合。所以，使用更多的直流稳压电源是串联型晶体管稳压电路，其原理方框图如图12-14所示。图12-14串联型稳压电路原理方框图几种典型的串联型稳压电路如图12-15所示。现以图

12-15(a)为例说明稳压电路的组成。该电路由采样电路、

基准电压、比较放大电路和调整电路四大部分组成。图12-15几种串联型稳压电路由分析可见，图12-15中引入的是串联电压负反馈电路，因为调整管V1与负载串联，故称为串联型稳压电路。

根据电路分析可知输出电压的范围为

(12-24)

【例12-3】图12-15(a)所示的串联型稳压电路中，

稳压管DZ的稳定电压UZ=5.3V，晶体管UBE=0.7V，电阻R1=300Ω，R2=500Ω，RW=400Ω，三极管V饱和时，UCES=3V。试求：(1)输出电压UO的可调范围；(2)滤波

电容C1足够大时，变压器副边电压U是多少？

解

(1)根据式(12-24)可求得

(2)因为三极管V1的饱和压降为UCES1=3V，则稳压电路的输入电压UI至少为

又因为C1足够大，UI=1.2U，故

【例12-4】在图12-15(c)中，VDZ稳压电压UDZ=UR=

7V，采样电阻RA=1kΩ，RB=680Ω，RW=200Ω，试估算输出电压的调节范围。

解根据式(12-24)可求得

12.5集成稳压电源

12.5.1三端集成稳压电源的组成

图12-16是三端集成稳压电源的组成方框图。它是由典型的串联稳压电路再外加保护电路、起动电路构成的，因此两者的工作原理是一样的。图12-16三端集成稳压电源的组成方框图图12-17是三端集成稳压电源的电路符号。图12-17三端集成稳压电源的电路符号12.5.2三端集成稳压电源的应用电路

1.固定输出电压接法

图12-18为CW78××和CW79××系列稳压电源固定输出电压的接法。C1和C0分别用以减小输入、输出电压脉动和改善负载瞬态响应。整流滤波后的电压必须小于器件允许的最大输入电压。正常工作时，应保证UI－UO=2~3V(即输入比输出高2~3V)。图