第12章 直流稳压电源与开关电源

第12章 直流稳压电源与开关电源 12.1 直流稳压电源 12.2 开关电源

12.1 直流稳压电源 12.1.1 概述 直流稳压电源的功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压。 直流稳压电源的组成:

各环节的功能： （1）电源变压器：将电网供给的交流电压变换为符合整流需要的电压； （2）整流电路：将变压器次级交流电压变换为单向脉动电压； （3）滤波电路：将单向脉动电压变成比较平滑的直流电压； （4）稳压电路：使平滑的直流电压变成恒定的直流电压，并且当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出的直流电压稳定。

12.1.2 滤波电路 正弦交流电经桥式整流电路整流后，输出电压的脉动仍较大。 滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。 方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。

1. 电容滤波电路（capacitor filter） 单相桥式整流电容滤波电路的结构： 工作原理： 开始时，二极管VD1、VD3导通， u2在给负载RL供电的同时也给电容器C充电, uC 增加，uo= uC 。 uC达到最大值以后通过RL放电，由于放电时间常数很大，放电速度慢于u2 ， 当u2 <uC时，四只二极管全部反向截止，电容通过RL放电，负载中仍有电流， 当电容器放电到2点时， u2的负半周又可使 VD2、VD4导通，电容器又被充电。

不为零，且电路不空载时，输出电压的平均值取决 于放电时间常数的大小。 工作波形 u2 当 ， 负载开路，电容 无放电回路，因此 O t ；当 ， uo ,uC 电路不接电容，输出电压 为桥式整流后的电压 1 2 O t 。当电容C 不为零，且电路不空载时，输出电压的平均值取决 于放电时间常数的大小。 为了得到比较平直的输出电压 (T — 电源电压的周期)

输出电压的平均值为 近似估算取： Uo = 1. 2 U2 流过负载的电流为 流过二极管的平均电流为 二极管承受的最高反向电压为 流过二极管的瞬时电流很大： RLC 越大ＵO 越高，IO 越大整流二极管导通时间越短 iD 的峰值电流越大。 选管时一般采用硅管，它比锗管更经得起电流的冲击。

结论 采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。 因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化不大的场合。 例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻 RL = 120，要求直流输出电压Uo=30V，试估算变压器次级电压U2，选择整流二极管及滤波电容器的大小。

解：（1）取 则 （2）选择整流二极管 因此，可以选用二极管2CP21（最大整流电流为300mA, 最大反向工作电压为100V。） （3）选择滤波电容，取 选取 ，耐压50V的电解电容。

2．电感滤波电路（inductance filter） 电路结构 滤波原理 当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生感应电动势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。 对直流分量: XL=0 ，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量: f 越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。 LC滤波适合于负载电阻较小，负载电流较大的场合。 用于高频时更为合适。

3.  型滤波器 RC 型滤波器 利用R和C2组成的低通电路，使C1两端的电压中的大部分交流分量降落在电阻R两端，而电容C2两端的交流分量较小，从而起到了滤波作用。 R 愈大，滤波效果愈好。但R 大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。 LC 型滤波器 由于电感L易于让直流通过，而对交流具有较大的电抗，所以可更有效地起滤波作用。主要适用于负载电流较大的场合。

12.1.3 稳压电路 交流电经整流和滤波后，输出电压中仍有较小的纹波，并且会随电网电压的波动和负载的变化而变化。 1．稳压管稳压电路 限流调压 U I UZ 工作原理 UO = UZ IR = IO + IZ 设负载RL一定， UI 变化  IR  UI UZ   IZ  UO 基本不变 IRR  

稳压电路工作原理 UO = UZ IR = IO + IZ U I UZ 设UI一定，负载RL变化 RL(IO) IR   UO (UZ )   IZ UO 基本不变 IR (IRR) 基本不变  选择稳压管时，一般取

例： 在图12-6所示的稳压二极管稳压电路中，已知负载电阻 由开路变至 ，交流电压经整流滤波后得到 。今要求输出直流电压 ，试选择合 适的稳压管。 解：当 时 应选用2CW59，其参数为

2．串联型稳压电路（series voltage regulator） 电路结构 串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整管四部分组成。 调整管 基准电压 比较放大 取样 电路

稳压过程 由电路图可知 当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO 升高时，有如下稳压过程： UO Uf  UB  IC  UCE  UO 由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。

3．集成三端稳压器 单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。 最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。 分类: 输出正电压 78XX 输出负电压 79XX 输出固定电压 输出可调电压 三端稳压器 XX两位数字为输出电压值 （1. 25 ~ 37 V 连续可调）

集成三端稳压器外形及引脚功能: 塑封直插式三端稳压器 W7800系列稳压器外形 W7900系列稳压器外形

性能特点 不需要外接元件 内部有过热保护 内部有过流保护 内部有过压保护 调整管设有安全工作区保护 输出电压容差为 4% 输出电压额定值有: 5V、6V、 9V、12V 、 15V、 18V、 24V等 。

三端固定输出集成稳压器的应用 (1) 输出为固定电压的电路 输出为固定正电压时的接法如图所示。 CO W7805 Ci Ui + _ UO 1 2 3 输入与输出之间的电压不得低于3V！ 0.1~1F 1F 为了瞬时增减负载电流 时，不致引起输出电压 有较大的波动。即用来 改善负载的瞬态响应。 用来抵消输入端接线 较长时的电感效应， 防止产生自激振荡。 即用以改善波形。

(2) 同时输出正、负电压的电路

（3）输出电压扩展电路 UXX: 为稳压器的标称输出电压 （4）输出电流扩展电路 :为稳压器的标称 输出电流

12.2 开关电源 串联型稳压电路在稳压过程中，调整管工作在放大状态，管压降大，消耗的电源能量大，特别是当电网电压升高时，其高出的整流电压必须全部降在调整管的集电极和发射极上，这时消耗的能量会更多。其效率低，最高也只能达到50％左右。 开关型稳压电路的工作原理： 开关管工作在开关状态，当三极管工作在截止状态时，虽然管子的压降大，但流过管子的电流几乎为零，当管子工作在饱和状态时，流过管子的电流大，但管压降近似为零。所以功耗极低，在输出功率相同的情况下，开关型稳压电源比串联型稳压电源的效率高，一般可达到85％左右。

开关电源的电路组成方框图

开关稳压电源的应用