《电工电子技术》课件-第11章

第11章直流稳压电源11.1常用整流、滤波和稳压电路

11.2串联型稳压电源

11.3开关型稳压电源

本章小结

习题与思考题电子设备、电子仪器以及家用电器与工业控制设备都需要稳定的直流电源。为了获得直流电源，目前广泛采用串联型稳压电源和开关型稳压电源。串联型稳压电源适用于一般的电子电器设备。对于要求直流电源比较稳定的电子设备，大多数采用集成稳压器或开关型稳压电源。本章主要介绍整流滤波电路的类型、基本组成和基本原理；各种滤波电路的组成原理以及优缺点和应用范围；常用串联型稳压电源电路的组成及稳压原理；从实用角度讨论三端稳压器的应用及注意事项；最后介绍开关型稳压电源的组成模型和工作原理。11.1常用整流、滤波和稳压电路11.1.1整流电路整流电路的作用是利用二极管的单向导电性，将交流电转换成为单向脉动电压。

(1)整流电路中大都包含一个电源变压器。因为电网提供的交流电通常是220V或380V，需通过电源变压器变换以后进行整流、滤波以及稳压，以满足各种电子电路对直流电压幅值的不同要求。电源变压器的作用一方面是“变压”(很多情况下是进行“降压”，将220V降为较低的交流电压)，另一方面起“隔离”作用，使电子设备与电网隔离开来。

(2)在小功率直流电源中，常常采用单相半波、单相全波或单相桥式整流电路。各种单相整流电路的原理图、波形图及性能参数如表11-1所示。表11-1中前两项参数，即整流电路的输出直流电压Uo(也就是输出电压的平均值)和整流电路输出电压的脉动系数S，表征一个整流电路的质量，在同样的变压器二次电压U2之下，输出直流电压愈高，则愈好；输出电压的脉动系数S愈小，说明脉动成分小，输出电压更加平滑，则质量愈好。表中的后两项参数，即整流二极管的平均电流ID和二极管承受的最大反向峰值电压URM，则是选择整流电路中二极管器件的依据。由表11-1可见，半波整流电路的结构最为简单，只用了一个整流二极管，但在同样的变压器二次电压U2之下，输出直流电压Uo最低，而脉动系数S最高，因此只用在要求不高的简单电子设备中。全波整流电路和桥式整流电路在同样的U2之下，它们的输出直流电压和脉动系数均相等，但桥式整流电路中每个二极管承受的最大反向峰值电压比全波整流电路低一半，因此，虽然电路中需用4个整流二极管(全波整流电路需用2个)，它的应用还是比较广泛的。表11-1各种单相整流电路的比较

(3)倍压整流属于一种特殊的整流电路，它的作用有二：其一是整流，将交流电转换成为直流电；其二是倍压，要求在较低的U2之下，得到高出若干倍的直流输出电压。组成倍压整流电路的主要元件是二极管和电容。它的基本原理是，利用二极管的单向导电作用将交流电整流成为直流电，并将所得到的较低的直流电压分别存放在多个电容上，然后将这些电容按照相同的极性串接起来，从而在输出端得到高几倍的直流电压。图11-1所示的电路是一个最简单的二倍压整流电路。图中的二极管VD1、VD2起整流作用，整流得到的直流电压分别存放在电容C1、C2上。当变压器二次电压的瞬时值u2为正时，VD1导电，将C1充电，理想情况下C1上的直流电压等于

u2；u2为负时，VD2导电，将C2充电，理想情况下C2上的直流电压也是u2。而这两个电容上电压的极性是串联相加的，所以负载RL上得到的电压是电容上电压的两倍，即根据同样的道理，只要在电路中接入更多的二极管给更多的电容充电，并使各电容按相同的极性串联，就可以得到高更多倍的直流输出电压。倍压整流电路适用于要求输出电压很高，但负载电流比较小的设备中。图11-1二倍压整流电路图11-1二倍压整流电路11.1.2滤波电路

1.RC-Π型滤波电路

如图11-2所示，RC-Π型滤波电路实质上是在电容滤波电路的基础上加了一级RC滤波。电容C1的作用与电容滤波电路一样，即利用C1的充放电进行一次滤波，可在C1两端获得比较平滑的电压，但这个电压包含着直流分量和交流分量。而R和C2则构成二次滤波，一方面，R的接入可使C1放电速度减慢，减少了C1两端电压的波动；另一方面，由于C2的交流阻抗很小，几乎将交流分量全部短路，负载两端的脉动电压大为减小，而C2对于直流分量几乎没有影响。所以，RC-Π型滤波电路的滤波效果要比单一的电容滤波电路好许多，但是由于R的降压作用，直流输出电压有所降低。RC-Π型滤波电路的负载能力较差，适用于负载电流较小的场合。图11-2RC-Π型滤波电路

2.LC-Π型滤波电路

如图11-3所示的LC-Π型滤波电路，是用电感L代替RC滤波中的电阻R。由于电感的交流阻抗较大，而直流电阻较小，对于变化的电流，电感L上会产生一定的反电势来阻止电流的变化，对于直流成分影响不大。L和C2分压后，交流分量将大部分降到电感L上，直流分量几乎没有损失地直接加在负载上，再经过C2进一步滤波，使得输出电压波动很小。因此这种滤波电路具有良好的滤波效果。LC-Π型滤波电路具有较强的负载能力，当负载变化时，输出电压变化很小，最适合负载电流较大的场合。图11-3LC-Π型滤波电路11.1.3稳压电路

输入的交流电压经过整流滤波后，已经变成比较平滑的直流电压，但当输入电压波动或负载变化时，输出电压也将发生相应的变化。为了能够提供更加稳定的直流电源，还需要在整流滤波电路后面加上稳压电路。

1.稳压电路的主要指标

1)稳压系数S

稳压系数S定义为在负载固定不变的前提下，输出电压相对变化量与输入直流电压相对变化量之比，即该指标反映了电源电压波动对输出电压的影响，S越小说明稳压性能越好。此处输入直流电压是指整流滤波后的直流电压。

2)输出电阻ro

输出电阻ro定义为在输入电压不变的情况下，输出电压变化量与负载电流变化量之比，即该指标反映了负载变化对输出电压的影响。ro越小说明稳压性能越好。

2.硅稳压管稳压电路

硅稳压管稳压电路如图11-4所示。Ui为经过整流、滤波后的直流电压。RL为负载电阻，与稳压管并联，这样RL上得到的就是一个比较稳定的电压Uo＝UZ。R为限流电阻，选择合适的R可使稳压管具有很小的动态电阻，有利于提高稳压效果;同时,R对稳压管的电流具有限制作用，防止因电流过大而损坏稳压管。引起输出电压不稳的主要原因是交流电源电压的波动和负载的变化。下面来分析在这两种情况下稳压电路的工作原理。图11-4硅稳压管稳压电路

(1)负载电阻RL不变，电源电压升高时，将使Ui增加，随之输出电压Uo也增大。由稳压管伏安特性可见，IZ将急剧增加，导致IR增大，则电阻R上的压降UR增大，从而使输出电压Uo基本保持不变，即

(2)电源电压不变，负载电阻RL减小时，将引起负载电流Io增加，电阻R上的电流IR和其两端的电压UR均增加，使输出电压Uo减小，Uo的减小则使IZ急剧下降，从而抵消了Io的增加，保持IR＝Io＋IZ基本不变，R上压降不变，则输出电压基本不变，即综上所述，稳压管是利用稳压管自身对电流的吞吐作用来实现稳压的，它和限流电阻R配合，将电流的变化转换成电压的变化以适应电源电压或负载的波动。11.2串联型稳压电源稳压管稳压电路简单，但它的输出电压不可调节，由于受稳压管电流的限制使输出电流比较小，因此稳压管稳压电路的应用范围很小，只能用于电压固定、电流较小的场合。实际中应用最为广泛的是串联型稳压电路。11.2.1串联型稳压电源的组成方框图

串联型稳压电源组成方框图如图11-5所示，主要由四大部分组成：采样电路、基准电压电路、比较放大电路(误差放大电路)和电压调整电路。各部分的主要功能如下：图11-5串联型稳压电源电路方框图

(1)采样电路：也称取样电路，主要反映稳压电源输出电压的变化情况，将输出电压的变化值经过电路的处理，作为比较放大电路的输入电压。

(2)基准电压电路：是稳压电源设置的一个基准点，基准电压一方面作为比较放大电路的基准电压，另一方面整个稳压电源输出电压的大小与基准电压有关。

(3)比较放大电路(误差放大器)：是将采样电路采集的电压与基准电压进行比较、放大，进而推动电压调整环节工作。

(4)电压调整电路：主要功能是根据比较放大电路输出电压的大小，调整晶体管工作状态(在放大区)，从而改变三极管C-E之间的管压降，达到改变输出电压的大小。11.2.2串联型稳压电路的组成及分析

1.原理电路的组成

(1)采样电路：由电阻R1、R2、RW组成，它对输出电压Uo进行分压，取出一部分作为取样电压给比较放大电路。

(2)基准电压电路：由稳压管VDZ和限流电阻RZ组成，可提供一个稳定性较高的直流电压UZ作为调整比较的标准，称为基准电压。

(3)比较放大电路：由运放和电阻RC构成，其作用是将采样电路采集的电压与基准电压进行比较、放大，进而推动电压调整环节工作。

(4)电压调整电路：由工作于线性状态的晶体管V构成，其基极电流受比较放大电路输出信号的控制，在比较放大电路的控制下改变调整两端的压降，使输出电压稳定。图11-6串联型稳压电路

2.工作原理

其稳压过程如下：当电源电压或负载电阻的变化而使输出电压Uo升高时，U-＝也升高，而U+＝UZ保持不变，则运算放大器输出减小，使得V管基极电位下降，IC减小，UCE增大，故输出电压Uo下降，从而保证Uo基本不变,即同理，当Uo降低时，通过电路的反馈作用也会使Uo基本保持不变。可见，输出电压的变化量经运算放大器放大后去调整晶体管的管压降UCE，从而达到稳定输出电压的目的，这个自动调整过程实质是一个负反馈过程，通常称晶体管V为调整管。该电路的核心部分是调整管V组成的射极跟随器，电路引入的是电压串联负反馈，故称为串联型稳压电路。调整管的工作点必须设置在放大区，才能起到电压调整作用。

3.输出电压Uo的调节范围

根据同相比例运算电路可知:改变电位器RW就可调节输出电压Uo，电位器调至最下端时，Uo最大；电位器调至最上端时，Uo最小。

例11-1

在图11-6所示电路中，稳压管稳压值UZ＝6V，取样电阻R1＝R2＝6kΩ，RW＝10kΩ，试估算输出电压调节范围。解11.2.3三端集成稳压器

集成稳压器是将稳压电路的主要环节集成在一块半导体芯片上，并加进多种保护电路的单片集成稳压电源。它具有体积小、可靠性高、使用灵活等优点，已逐步取代了分立元件稳压电路。三端集成稳压器只有三个外部接线端：输入端、输出端和公共端，可分为固定式和可调式两大类。本节只介绍固定式三端集成稳压器。 固定式三端集成稳压器的输出电压是固定的，主要有78××系列(输出正电压)和79××系列(输出负电压)，××为集成稳压器输出的标称值，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。其额定输出电流以78(79)后面的字母来区分：L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A。如LM7812表示该集成稳压器输出为+12V，额定输出电流为1.5A。固定式三端集成稳压器的外引线排列如图11-7所示。图11-7固定式三端集成稳压器外引线排列三端集成稳压器的基本应用电路如图11-8所示。其中Ci用来抵消输入引线较长时的电感效应，防止自激振荡，并抑制高频干扰；Co用以减小输出脉动电压并改善负载的瞬态效应。Ci和Co一般取值0.1～1μF，安装时应紧靠集成稳压器。当要求输出电压范围可调时，可以应用集成稳压器与集成运算放大器接成输出电压可调的稳压电路，如图11-9所示。图11-878系列基本应用电路图11-9输出电压可调的稳压电路上图中，运放接成电压跟随器形式，电阻R1上的电压近似等于集成稳压器的标称输出电压U××，因故所以，改变R2与R1的比值即可调节输出电压Uo的大小。11.3开关型稳压电源11.3.1开关电源概述前面介绍的串联型直流稳压电路和集成稳压器都属于稳压电路，具有结构简单、输出稳定度高、调整方便等优点。但是，这种稳压电路的调整管总是工作在放大状态，一直都有电流通过，故管子的功耗大，常需在调整管上安装散热器，电路的效率也较低，一般只有20％～40％。而开关型稳压电路克服了上述缺点，因而它的应用日益广泛，比如计算机电源、彩色电视机电源等。在开关型稳压电路中，调整管(也称为开关管)工作在开关状态，管子交替工作在饱和与截止两种状态。当管子饱和导通时，虽然流过较大的电流，但饱和压降很小；当调整管截止时，管压降大但流过的电流基本为零。可见，调整管工作在开关状态下，本身功耗很小，因此，开关电源的效率很高，一般可达80％～90％。由于调整管功耗小，故散热器也可随之减小，与同样功率的线性稳压电源相比，体积和重量都小很多。开关电路存在的主要不足之处：一是控制电路比较复杂，成本高；另一个是输出电压中纹波和噪声成分较大，这是由于调整管不断在导通与截止间转换，从而对电路产生射频干扰造成的。但由于开关电源的突出优点，仍得到了越来越广泛地应用。开关电路的类型很多，可以按不同方式来分类。按开关信号(振荡信号)产生的方式可分为自激式、他激式和同步式三种；按控制方式可分为脉宽调制(PWM)、脉频调制(PFM)和混合调制三种方式；按开关电路的结构形式可分为降压型、反相型、升压型和变压器型等；从开关调整管与负载RL的连接方式可分为串联型和并联型。一般在工程上的分类主要以连接方式和控制方式来命名开关电源，因此，经常有四种开关电源，分别为并联调宽型开关电源、串联调宽型开关电源、并联调频型开关电源、串联调频型开关电源。11.3.2开关电源的基本组成及基本原理

开关电源的基本组成如图11-10所示。它主要由交流220V整流滤波电路、启动电路、开关振荡电路、高频脉冲整流滤波电路、取样和稳压控制电路等组成。有的开关电源为了保护开关电源和其他电路的安全，还设有保护电路。各单元电路的主要作用如下：整流滤波电路用于将交流220V电压经桥式整流电路、电容滤波变为300V的脉动直流电压，作为振荡电路和启动电路的工作电压。启动电路为振荡电路中的开关调整管的基极提供正向导通的偏置电压。图11-10开关电源的基本组成方框图开关振荡电路包括开关调整管、开关变压器(也称脉冲变压器、储能元件)、正反馈电路等，可把300V的脉动直流电压变为高频脉冲电压。脉冲整流滤波电路的任务是把高频脉冲电压变为稳定的直流电压提供给负载。稳压电路包括取样电路、基准电压产生电路、比较电路、脉宽(或频率)调整电路，通过取样电路得到取样电压，与基准电压进行比较，产生误差电压并加以放大，然后去控制开关调整管的导通和截止时间，以改变高频脉冲的频率或脉冲宽度，从而保证输出电压的稳定。保护电路的作用是在电路发生过压、过流故障时，破坏振荡条件，使振荡电路停振，电源输出电压下降为0V，整机停止工作，从而保护开关电源与其他单元电路各部分免受损坏。11.3.3开关电源的种类

1.按连接方式分类连接方式指开关管与负载的连接关系。如果开关管与负载连接为串联，则为串联型开关电源。如果开关管与负载的连接关系为并联(可以等效连接)，则为并联型开关电源。

(1)串联型开关电源。串联型开关电源的调整管串接在输入电压和输出电压之间，如图11-11所示。正常工作时，从行扫描电路反馈来的行频脉冲经放大后，输入到开关管的基极，驱动开关管，使其工作在开关状态。当开关管饱和导通时，输出端的电压等于输入端的电压，储能元件储能；当开关管截止时，输出端的电压由储能元件提供。图11-11串联型开关电源方框图

(2)并联型开关电源。并联型开关电源的调整管与输入电压及输出负载相并联，如图11-12所示。由并联型稳压电源可以引申到一种变压器耦合并联型开关电源，如图11-13所示。工程上多是变压器耦合并联型开关电源，特别是目前的彩色电视机、计算机电源都采用变压器耦合并联型开关电源。

2.按开关电源启动方式分类

按开关电源启动方式分为自激式和他激式两种开关电源。自激式开关稳压电源是利用开关管、脉冲变压器等组成正反馈环路，形成自激振荡，使开关稳压电源有直流输出电压。他激式开关稳压电源需要附加一个振荡器来产生开关脉冲，作用于开关调整管，让电源有直流电压输出。图11-12并联型开关电源方框图图11-13变压器耦合并联型开关稳压电源方框图

3.按开关电源的稳压控制方式分类脉冲宽度控制方式:简称为调宽式，实质是开关脉冲频率保持不变，通过改变脉冲的占空比，从而达到改变开关管饱和和截止时间的大小，以实现控制输出电压的大小。脉冲频率控制方式：简称为调频式，实质是开关脉冲频率是变化的，通过改变开关脉冲的频率或周期，可以达到控制开关管饱和和截止时间的大小，同样实现控制输出电压的大小。11.3.4开关稳压电源的基本原理

1.电路的组成(以并联调宽型为例)

变压器耦合并联型开关电源的原理电路图如图11-14所示。它由开关调整管V、脉冲变压器T、脉冲整流二极管VD、滤波电容C、负载电阻RL等组成。从脉冲调宽电路输出的开关脉冲信号ub加在开关调整管V的基极上，以控制其饱和导通与截止，即开关脉冲高电平时导通，低电平时截止。实际中，高电平时间越长，开关管导通时间越长，开关变压器储存能量越多，输出电压越高，如图11-15所示。图11-14变压器耦合并联型开关电源原理电路图图11-15并联型开关电源工作波形图

2.基本工作原理

(1)在t0~t1期间:调整管V饱和导通，电流自上而下经变压器初级流入开关管V，在L1上产生一个上正下负的感应电压UL1。式中，I1(0)由初始状态确定。显然i1呈线性上升，在V截止前达到最大值。脉冲变压器T的初级感应电压为上负下正，VD截止；随着电流的上升，脉冲变压器T中的能量的储存量增大。

(2)在t1~t2期间:调整管V截止时i1=0，L1、L2上立即感应出与前期极性相反的电动势。这时VD导通，脉冲变压器T中储存的能量以电能的形式向电容C及负载RL释放并形成直流电压。(3)t2时刻：V又开始导通，VD截止，T又储存能量。当然T的次级L2中的能量并未耗完，又转移到初级L1中，使i1从I1(0)开始上升，这时负载所需的电流由电容C放电提供。此后电路重复上述过程。

结论在分析开关电源时，必须注意三大要素：开关管、开关变压器、输出电压。理清三大要素的关系对分析任何一种开关电源都是非常有用的。开关管导通的时间越长，开关变压器储存的能量越多，输出电压越高；反之亦成立。本章小结

(1)掌握二极管具有单向导电性的特征，利用其特性可以完成将交流电压转换为脉动的直流电压的功能，即整流。整流分为半波整流、全波整流、桥式整流。

(2)掌握各