CTGU Fundamental of Electronic Technology 10 直流稳压电源

内容 10.1 小功率整流滤波电路 10.2 串联反馈式稳压电路 *10.3 开关式稳压电路

要求 单相桥式整流电路及性能参数计算 电容滤波电路的工作原理 串联反馈式稳压电路工作原理及输　出电压的计算

10.1 小功率整流滤波电路 10.1.1 单相桥式整流电路 10.1.2 滤波电路 * 10.1.3 倍压整流电路

整流电路的任务 把交流电压转变为直流脉动的电压。 完成这一任务主要靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。 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。 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角 常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。

1.单相半波整流电路 u2 >0 时: u1 u2 a T b D RL uo 二极管导通，忽略二极管正向压降， uo=u2 + – io u2<0时: 二极管截止, uo=0 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。

单相半波整流电压波形 u2 uo uD t  2 3 4 u1 u2 a T b D RL uo uD

ò ( ) 输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io )： u1 u2 a T b D RL uo uD io uo = w 1 t d  2 t ( ) ò = p w 2 1 t d u U o sinw t = p 2 45 . U Io= Uo /RL =0.45 U2 / RL

二极管上的平均电流及承受的最高反向电压： u1 u2 a T b D RL uo uD io uD  2 t UDRM 二极管上的平均电流： ID = IO UDRM= 2 U 承受的最高反向电压:

2.单相全波整流电路 原理： D1 T a io 变压器副边中心抽头， u1 感应出两个相等的电压u2 u2 RL uo b D1 RL uo D2 io 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。

u2 uo uD1 uD2 忽略二极管正向压降 0 ~ ： uD2 = 2u2 单相全波整流电压波形 u2 uo uD1 t  2 3 4 uD2 u1 u2 a T b D1 RL uo D2 io + – + 忽略二极管正向压降 0 ~ ： uD2 = 2u2

ò ( ) 输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io )： u1 u2 a T b D1 RL uo D2 io uo = w 1 t  2 t ( ) ò = p w 1 t d u U o sinw t 2 = p 2 9 . U Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL

1 = I 2 二极管上的平均电流及承受的最高反向电压： u1 u2 a T b D1 RL uo D2 io 二极管上的平均电流： uD  2 t 二极管承受的最高反向电压： DRM 2 U =

10.1.1 单相桥式整流电路 1. 电路结构 Tr为变压器，其作用是将交流电网电压v1变成交流电压v2， 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角 四只整流二极管D1~D4接成电桥形式； RL是要求供电的负载。

10.1.1 单相桥式整流电路 2. 工作原理 利用二极管的单向导电性 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角

10.1.1 单相桥式整流电路 3. 整流输出电压电流平均值VL和IL

10.1.1 单相桥式整流电路 4. 纹波 用傅里叶级数对vL波形进行分解后得： 4. 纹波 用傅里叶级数对vL波形进行分解后得： 可以看出，除了恒定分量（直流分量）外，其它谐波分量叠加于直流分量，这些谐波分量总称为纹波。 由于vL中存在一定的纹波，故需要用滤波电路来滤除纹波电压。

10.1.1 单相桥式整流电路 平均电流(ID)与反向峰值电压(VRM)是选择整流管的主要依据。 5. 整流元件参数的计算 5. 整流元件参数的计算 平均电流(ID)与反向峰值电压(VRM)是选择整流管的主要依据。 1）平均电流(ID) 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。 2）反向峰值电压(VRM) 二极管截止时两端承受的最大反向电压：

10.1.1 单相桥式整流电路 ~ + - ~+~- 6. 桥式整流电路的特点 6. 桥式整流电路的特点 优点：输出电压高，纹波较小，管子所承受的最大反向电压较低，变压器全程给负载提供电流，使用效率高。 缺点：二极管用得过多。目前已有整流桥堆出售。 几种常见的硅整流桥外形： + A C - ~+~- ~ + -

单相半波、全波与桥式整流电路性能参数比较 v2 + _ vi iD1 iD2 RL vO D1 D2 Tr _ v2 + iD vO RL vi VO 0.45V2 0.9V2 iD iL iL/2 VRM 半波 全波 桥式全波

10.1.2 滤波电路 交流 脉动 直流 电压 直流电压 电压 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。 整流 脉动 直流电压 滤波 直流 电压 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。 原理：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。

10.1.2 滤波电路 几种滤波电路的基本形式 （a）电容滤波电路 (C型滤波) （b）电感电容滤波 电路（倒L型） （c）型滤波电路 类型 ：根据电容接在负载前还是电感接在负载前分为电容输入式和电感输入式。电容滤波电路多作于小功率电源中，而电感滤波电路多用于较大功率电源中。

10.1.2 滤波电路 u2 t 1、电容滤波电路 1) RL未接入时 设C两端初始电压为零。接入交流电后，当v2为正半周时，经D1、D3向C充电；v2为负半周时，经D2、D4向C充电。 u2 t 设t1时刻接通电源 t1 充电结束 uo t 整流电路为电容充电

10.1.2 滤波电路 1) RL未接入时 设C两端初始电压为零。接入交流电后，当v2为正半周时，经D1、D3向C充电；v2为负半周时，经D2、D4向C充电。 充电时间常数： u2 t Rint包括副绕组直流电阻和二极管D的正向电阻，其值很小。C很快充电到最大值并保持恒定。 充电结束 uo t

10.1.2 滤波电路 2)接入负载RL后 在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，电容通过RL放电，vL等于vC会逐渐下降。放电时间常数为 u2 t 其值很大，vC慢慢下降。 uo t 只有整流电路输出电压大于vC时，才有充电电流iD 。因此负载上得到的是一个近似锯齿波的电压，波动大为减小。

10.1.2 滤波电路 2)接入负载RL后 在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，电容通过RL放电，vL等于vC会逐渐下降。放电时间常数为 uo t 其值很大，vC慢慢下降。 t 只有整流电路输出电压大于vC时，才有充电电流iD 。因此负载上得到的是一个近似锯齿波的电压，波动大为减小。 负载电流iL 整流电路的输出电流iD

10.1.2 滤波电路 电容滤波电路

10.1.2 滤波电路 电容滤波的特点 (1) 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。 故一般选管时，取 (2) 输出电压 vL与放电时间常数 RLC 有关。 RLC 愈大 电容器放电愈慢  VL(平均值)愈大 一般取 (T:电源电压的周期) 近似估算:VL=1.2V2。

10.1.2 滤波电路 电容滤波的特点 (3) 输出特性(外特性) (3) 输出特性(外特性) 输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变, VL 和纹波也随之改变。 如: RL 愈小( IL 越大), Uo下降多, 纹波增大。 结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。

10.1.2 滤波电路 电感滤波电路 u2 u1 RL L uo Uo=0.9U2 2、电感滤波电路 1) 电路结构 2) 滤波原理 对直流分量: XL=0 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XL上。 因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。 当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为： Uo=0.9U2

10.1.2 滤波电路 电感滤波电路 u2 u1 RL L uo 2、电感滤波电路 3) 滤波特点

*10.1.3 倍压整流电路的工作原理 一、二倍压整流电路 u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容C1的电压充到： D1 + – u1 u2 D1 C2 C1 D2 uo RL u2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压充到： 负载上的电压：

二、多倍压整流电路 – + u1 u2 – + u2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到： u2的第一个负半周：u2、C2、D2 、C1构成回路，C2充电到：

u2的第二个正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2构成回路， C1补充电荷，C3充电到： + – + – + – C1 u1 u2 D1 D2 D3 D4 D5 D6 C3 C5 C2 C4 C6 + – + – + – u2的第二个正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2构成回路， C1补充电荷，C3充电到： u2的第二个负半周： u2、C2、C4、D4、C3 、C1构成回路， C2补充电荷， C4充电到： 把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。

10.2 串联反馈式稳压电路 10.2.1 稳压电源质量指标 10.2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理 10.2.3 三端集成稳压器 10.2 串联反馈式稳压电路 10.2.1 稳压电源质量指标 10.2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理 10.2.3 三端集成稳压器 10.2.4 三端集成稳压器的应用

10.2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理 1．串联反馈式稳压电路的组成 串联式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。

调整元件T：与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。 10.2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理 调整元件T：与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。 比较放大器： 可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算 放大器。 基准电压： 可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。 因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度电压串联负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。

10.2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理 2.串联反馈式稳压电路的结构 图示串联反馈式稳压电路中，VI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，由稳压管DZ和限流电阻R串联所获得，R1、R2组成反馈网络，反映输出电压的变化。

10.2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理 2. 工作原理 电压串联负反馈 输出电压变化 输入电压波动 负载电流变化 满足深度负反馈 (+) (+) 输出电压变化 (+) 输入电压波动 (+) 负载电流变化 满足深度负反馈 输出电压

10.2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理 讨论： 从输出电压表达式可看出： 1)输出电压VO近似与基准电压成正比，与反馈系数成反比，放大电路的参数和负载变化对VO的影响很小。 2)调节反馈系数F值，可调节输出电压VO。 3)影响稳定性能的主要因素：基准电压VREF的稳定度；负反馈的深度(越大越好)。

10.2.3 三端集成稳压器 随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，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。 常用的W7800系列三端集成稳压器的内部也是串联型晶体管稳压电路。 该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。

10.2.3 三端集成稳压器 3 3 2 2 1 1 W7800系列稳压器外形 W7900系列稳压器外形 1端: 输入端 1端: 公共端 1端: 输入端 2端: 公共端 3端: 输出端 1端: 公共端 2端: 输入端 3端: 输出端 W7800系列稳压器外形 W7900系列稳压器外形

10.2.3 三端集成稳压器 可调式 三端集成 稳压器 负稳压W79XX 固定式 正稳压W78XX 注：型号后XX两位数字代表输出电压值 输出电压额定电压值有: 5V、9V、12V 、18V、 24V等 。

10.2.3 三端集成稳压器 输出电压固定的三端集成稳压器 （正电压 78  、负电压 79   ） 减流保护 调整电路 恒流源 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 启动电路 基准电压电路 过热保护 比较放大 取样电路

10.2.4 三端集成稳压器的应用 1. 固定式应用举例 正常时输入、输出电压差为2~3V。 C1、C2用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激和抑制电路引入的高频干扰。 C3是电解电容，用来减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。 D是保护二极管。当输入端短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端的电压对调整管造成损坏。

10.2.4 三端集成稳压器的应用 2. 可调式应用举例

10.2.4 三端集成稳压器的应用 2. 可调式应用举例

串联反馈式稳压电路的缺点 调整管工作在线性放大区，当负载电流较大时: 损耗 (P=UCE IL) 大 需要配备较大的散热装置； 电源的效率 ( =Po/Pi=UoIL/UiIi) 较低 一般为40%-60%。 为了提高效率，可采用开关型稳压电源。

10.3 开关式稳压电路 为减小稳压电路中调整管的集电极损耗，提高电源效率，减小电路体积，实际应用中常采用串联开关式稳压电路。调整管工作在开关状态，要么饱和导通，要么截止，管耗只发生在状态转换过程中，电源效率可提高到80%-90%。

1 电路结构 与串联反馈式稳压电路相比，增加了LC滤波电路、三角波发生器和比较器C组成的控制电路。

2 工作原理 比较器的输出电压vB ，控制调整管T。当vA>vT时，vB为高电平，T导通，VI经T加到负载的两端，电感L储存能量，同时向C充电，输出电压vO略有增加。

2 工作原理 - + 当vA<vT时，vB为低电平，T截止，电感产生自感电势，使二极管D导通，电感中储存的能量通过D向负载释放，使负载中依然有电流流过，输出电压比较平稳。

3 . 各点波形 输出电压为： q为脉冲波形的占空比。通过调节占空比可调节输出电压。该电源又称为脉宽调制式开关稳压电源。

4 . 稳压作用 当输入电压VI增加致使输出电压VO增加时，VF>VREF，vA为负，与固定频率三角波电压vT相比较时得到vB波形的占空比<50%，使得输出电压下降到稳定值。