第18章 直流稳压电源 18.1 整流电路 18.2 滤波器 18.3 直流稳压电源

第18章 直流稳压电源 本章要求： 1. 理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及 参数的计算; 第18章 直流稳压电源 本章要求： 1. 理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及 参数的计算; 2. 了解稳压管稳压电路和串联型稳压电路的工作 原理; 3. 了解集成稳压电路的性能及应用。

第18章 直流稳压电源 小功率直流稳压电源的组成 功能：把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压 交流电源 负载 变压 整流 滤波 稳压 第18章　直流稳压电源 小功率直流稳压电源的组成 交流电源 负载 变压 整流 滤波 稳压 u1 u2 u3 u4 uo 功能：把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压

18.1 整流电路 整流电路的作用: 将交流电压转变为脉动的直流电压。 整流原理： 利用二极管的单向导电性 常见的整流电路： 18.1 整流电路 整流电路的作用: 将交流电压转变为脉动的直流电压。 整流原理： 利用二极管的单向导电性 常见的整流电路： 半波、全波、桥式和倍压整流； 单相和三相整流等。 分析时可把二极管当作理想元件处理： 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

18.1.1 单相半波整流电路 1. 电路结构 3. 工作波形 – + a Tr D uo u b RL io u uo 2. 工作原理 18.1.1 单相半波整流电路 1. 电路结构 3. 工作波形 动画 – + a Tr D uo u b RL io u t O uo O 2. 工作原理 u 正半周，Va>Vb， 二极管D导通； uD O u 负半周，Va< Vb， 二极管D 截止 。

4. 参数计算 (1) 整流电压平均值 Uo (2) 整流电流平均值 Io (3) 流过每管电流平均值 ID (4) 每管承受的最高反向电压 UDRM (5) 变压器副边电流有效值 I

5. 整流二极管的选择 平均电流 ID 与最高反向电压 UDRM 是选择整流二极管的主要依据。 选管时应满足： IOM ID ， URWM  UDRM 半波整流电路的优点：结构简单，使用的元件少。 缺点：只利用了电源的半个周期，所以电源利用率 低，输出的直流成分比较低；输出波形的脉动大； 变压器电流含有直流成分，容易饱和。故半波整流 只用在要求不高，输出电流较小的场合。

－ － 18.1.2 单相桥式整流电路   1. 电路结构 3. 工作波形 io u a + u uo RL – uo b 18.1.2 单相桥式整流电路 1. 电路结构 3. 工作波形 RL u io uo 1 2 3 4 a b + – u   － uo uD t － 2. 工作原理 u 正半周，Va>Vb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。 uD2uD4

－ － 18.1.2 单相桥式整流电路   1. 电路结构 3. 工作波形 RL u io uo 1 2 3 4 a b + – u 18.1.2 单相桥式整流电路 1. 电路结构 3. 工作波形 RL u io uo 1 2 3 4 a b + – u －   uo uD t － 2. 工作原理 u 正半周，Va>Vb，二极 管 1、3 导通，2、4 截止 。 u 负半周，Va<Vb，二极 管 2、4 导通，1、3 截止 。 uD2uD4 uD1uD3

4. 参数计算 (1) 整流电压平均值 Uo (2) 整流电流平均值 Io (3) 流过每管电流平均值 ID (4) 每管承受的最高反向电压 UDRM (5) 变压器副边电流有效值 I

桥式整流电路的优点： (1) 输出直流电压高； (2) 脉动较小； (3) 二极管承受的最大反向电压较低； (4) 电源变压器得到充分利用。 目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。

例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220V，负载电阻 RL = 50，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。 解：变压器副边电压有效值 考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器副边电压一般应高出 5%~10%，即取 U = 1.1  111  122 V 每只二极管承受的最高反向电压 整流电流的平均值 流过每只二极管电流平均值

例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220 V，负载电阻 RL = 50，负载电压Uo=100V， 试求变压器的变比和容量，并选择二极管。 可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。 变压器副边电压 U  122 V 变压器副边电流有效值 I = 1.11 Io= 2  1.11 = 2. 2 A 变压器容量 S = U I = 122  2.2 = 207. 8 V A

试分析图示桥式整流电路中的二极管D2 或D4 断开时负载电压的波形。如果D2 或D4 接反，后果如何？如果D2 或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？ 例2： uo u π 2π 3π 4π t w o uo + _ ~ u RL D2 D4 D1 D3 解：当D2或D4断开后 电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压， uo =0。

则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。 uo + _ ~ u RL D2 D4 D1 D3 如果D2或D4接反 则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。 如果D2或D4因击穿烧坏而短路 则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。

18.1.3 三相桥式整流电路(选讲) 共阴极组 1. 电路 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – 18.1.3 三相桥式整流电路(选讲) 共阴极组 1. 电路 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – o 三相变压器原绕组接成三角形，副绕组接成星形 2. 工作原理 共阳极组 在每一瞬间 共阴极组中阳极电位最高的二极管导通； 共阳极组中阴极电位最低的二极管导通。

o o 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – o u ua ub 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – o u o ua ub uC 2  t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 uo o 负载电压 在 t1 ~ t2 期间共阴极组中a点电位最高，D1 导通；共阳极组中b点电位最低，D4 导通。 负载两端的电压为线电压uab。

o o 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – o u ua ub 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – o u o ua ub uC 2  t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 uo o 负载电压 在 t2 ~ t3 期间 共阴极组中a点电位最高，D1 导通； 共阳极组中c点电位最低，D6 导通。 负载两端的电压为线电压uaC。

o o 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – o u ua ub 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – o u o ua ub uC 2  t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 uo o 负载电压 在 t3 ~ t4 期间 共阴极组中b点电位最高，D3 导通； 共阳极组中c点电位最低，D6 导通。 负载两端的电压为线电压ubC。

o o 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – o u ua ub 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io C b a u + – o u o ua ub uC 2  t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 uo o 负载电压 在 t4 ~ t5 期间 共阴极组中b点电位最高，D3 导通； 共阳极组中a点电位最低，D2 导通。 负载两端的电压为线电压uba。

o o 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io c b a u + – o u ua ub 2. 工作原理 变压器副边电压 D1 RL uo D6 D3 D5 D4 D2 io c b a u + – o u o ua ub uC 2  t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 uo o 负载电压 结论： 在一个周期中，每个二极管只有三分之一的时间导通（导通角为120°）。 负载两端的电压为线电压。

3. 参数计算 (1) 整流电压平均值 Uo (2) 整流电流平均值 Io (3) 流过每管电流平均值 ID (4) 每管承受的最高反向电压 UDRM

18.2 滤波器 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。 18.2 滤波器 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。 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)。

u >uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电， uC 增加，uo= uC 。 18.2.1 电容滤波器 1. 电路结构 3. 工作波形 uo u t O – + a D uo u b RL io ic i + C = uC 2. 工作原理 u >uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电， uC 增加，uo= uC 。 u <uC时，二极管截止，电容通过负载RL 放电，uC按指数规律下降， uo= uC 。 二极管承受的最高反向电压为 。

4. 电容滤波电路的特点 (1) 输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间 常数RLC有关。 RLC 越大  电容器放电越慢  输出电压的平均值Uo 越大，波形越平滑。 为了得到比较平直的输出电压 (T — 电源电压的周期) 近似估算取： Uo = 1. 2 U ( 桥式、全波） Uo = 1. 0 U （半波） 当负载RL 开路时，UO 

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。 结论 (2) 外特性曲线 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较小的场合。 Uo o IO 1.4U 有电容滤波 无电容滤波 0.45U (3) 流过二极管的瞬时电流很大 uo t O 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。 iD t O 选管时一般取： IOM =2 ID

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 = 200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。 例： u RL uo + – ~ C 解：1. 选择整流二极管 流过二极管的电流 变压器副边电压的有效值 二极管承受的最高反向电压 可选用二极管2CP11 IOM =100mA URWM =50V

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 = 200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。 + – ~ C 解：2. 选择滤波电容器 取 RLC = 5  T/2 已知RL = 200 可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器

18.2.2 电感电容滤波器 ~ L 1. 电路结构 + u C uo RL – 2. 滤波原理 18.2.2 电感电容滤波器 1. 电路结构 L u RL uo + – ~ C 2. 滤波原理 当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,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滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。

18.2.3  形滤波器 ~ ~  形 LC 滤波器 + 滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。 u uo – 18.2.3  形滤波器 L u RL uo + – ~ C2 C1  形 LC 滤波器 滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。 R u RL uo + – ~ C2 C1  形 RC 滤波器 比 形 LC 滤波器的体积小、成本低。 R 愈大，C2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。

N1 N3 C2 0.047F D2 D3 D4 D1 2CZ12A×4 N2 FU2 3A 2000F/50V + C1 –24V FU1 1A 直流 24V 交流 ～220V 如图电源输出电压为24V, 电流为1.8A。变压器副绕组N3 的电压约为20V, C2起抑制高频干扰作用；副绕组N2的电压为5.5V，供照明指示灯用。直流 24V电池的极性可任意接入。 交直流收扩两用机电源

18.3 直流稳压电源 稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。 稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。 稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。

18.3.1 稳压管稳压电路 限流调压 1. 电路 + – UI RL C IO UO u IR R DZ Iz 2. 工作原理 U I 18.3.1 稳压管稳压电路 限流调压 1. 电路 + – UI RL C IO UO u IR R DZ Iz 2. 工作原理 U I UZ 稳压电路 UO = UZ IR = IO + IZ 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 

18.3.1 稳压管稳压电路 1. 电路 + – UI RL C IO UO u IR R DZ Iz 2. 工作原理 U I UZ 18.3.1 稳压管稳压电路 1. 电路 + – UI RL C IO UO u IR R DZ Iz 2. 工作原理 U I UZ UO = UZ IR = IO + IZ 设负载RL一定， UI 变化  IR  UI UZ   IZ  UO 基本不变 IRR  

3. 参数的选择 (1) UZ = UO (2) IZM= (1.5 ~ 3) IOM (3) UI = (2 ~ 3) UO 适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。 (4) 为保证稳压 管安全工作 为保证稳压 管正常工作

18.3.2 恒压源 由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。 UO RF R2 R1 + – RL UZ R DZ +U UO RF 18.3.2 恒压源 由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。 UO RF R2 R1 + –   RL UZ R DZ +U UO RF R2 R1 +  –  RL R DZ UZ +U 反相输入恒压源 同相输入恒压源 改变 RF 即可调节恒压源的输出电压。

18.3.3 串联型稳压电路 1. 电路结构 串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。 Ui T R2 UZ RL 18.3.3 串联型稳压电路 1. 电路结构 串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。 Ui T R2 UZ RL UO  + – R3 UB DZ Uf R1 调整元件 比较放大 基准电压 取样电路

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：UCC=ICRC+UCE 2. 稳压过程 UI T R2 UZ RL UO  + – R3 UB DZ Uf R1 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：UCC=ICRC+UCE 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. 输出电压及调节范围 Ui T R2 UZ RL UO  + – R3 UB DZ Uf R1 输出电压 (Uz≈Uf)

18.3.4 集成稳压电源 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。 18.3.4 集成稳压电源 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。 1. 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）

1 — 公共端 3—输入端 2 —输出端 1—输入端 3 —公共端 2 —输出端 2. 外形及引脚功能 塑料封装 1 — 公共端 3—输入端 2 —输出端 79xx 1—输入端 3 —公共端 2 —输出端 78xx W7800系列稳压器外形 W7900系列稳压器外形

3. 性能特点（7800、7900系列） 输出电流超过 1. 5 A（加散热器） 不需要外接元件 内部有过热保护 内部有过流保护 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 。

4. 主要参数 (1) 电压调整率SU(稳压系数) 反映当负载电流和环境温度不变时，电网电压波 动对稳压电路的影响。 0.005~0.02% (2) 电流调整率SI 反映当输入电压和环境温度不变时，输出电流变化时输出电压保持稳定的能力，即稳压电路的带负载能力。 0.1~1.0%

(3) 输出电压 UO (4) 最大输出电流 IOM (5) 最小输入、输出电压差 (Ui -UO ) min (6) 最大输入电压 UiM (7) 最大功耗 PM

5. 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 2 3 220V + C W7815 Ci +15V 1 W7915 CO – 15V 24V 1F

当 IO > IOM时，UR较大，T导通 ，IO=IOM + IC （3）提高输出电压的电路 CO W78XX Ci UI + _ UO 1 2 3 UXX UZ R DZ UXX: 为W78XX固定输出电压 UO= UXX + UZ （4）提高输出电流的电路 IO= I2 + IC CO W78XX Ci UI + _ UO 1 2 3 R UR IC I2 IO T + – 当 IO较小时，UR较小，T截止 ，IC=0。 当 IO > IOM时，UR较大，T导通 ，IO=IOM + IC R 可由功率管 T的UBE和稳压器的IOM确定, 即R  UBE /IOM 。

6. 三端可调输出集成稳压器的应用 CO CW117 Ci Ui + _ UO 3 2 1 Adj R1 R2 240 1µF 0.1µF 流过调整端电流 <100 µA，在要求不高的场合它在R2上的压降可以忽略 2、1两端电压为 1.25V — 基准电压