第六章 直流稳压电源

许多电子仪器和设备都需要稳定的直流电源供电。除少数使用化学电源外，绝大多数是由交流电网供电，这就需要将交流电转换为稳定的直流电。 直流稳压电源就是完成这种转换的装置，它一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。

(1)电源变压器：将交流电源电压变换为符合整流需要的交流电压； (2)整流电路：将交流电压变换为单向脉动直流电压； (3)滤波电路：滤掉整流电压中的交流成分，输出平滑的直流电压； (4)稳压电路：在交流电源电压波动或负载变动时，保证输出稳定的电压。

主要内容 第一节 整流滤波电路 第二节 晶体管稳压电路 第三节 直流电压变换器 第四节 可控硅

第一节 整流滤波电路 一. 整流电路 整流(rectification circuit)是利用二极管的单向导电性，把交流电转换成脉动直流电的过程。常见的整流电路有半波、全波、桥式和倍压整流等几种形式。

1. 半波整流电路 半波整流电路(half-wave rectifier)由变压器 B、二极管D和负载RL组成，变压器副边输出的交流电压为u2。当副边电压为正半周(0 ~π)时，a端为正，b端为负，加于二极管D的电压为正向电压，二极管导通，电流i的方向由a经D、RL流回到b点。当负半周时 (π~2π)，b端为正，a端为负，这时加于D的电压为反向电压，二极管截止，负载RL上无电流通过。

理论上可以证明，该电路输出平均直流电压Uod为：Uod=0.45U2，U2为变压器次级电压有效值。整流二极管所承受的最大反向电压为： 可见，半波整流电路只在正半周时才有电流通过负载，负半周无电流通过，其波形如图所示。 理论上可以证明，该电路输出平均直流电压Uod为：Uod=0.45U2，U2为变压器次级电压有效值。整流二极管所承受的最大反向电压为： 该电路简单，但整流效率低，输出电压波动大，目前已用得较少。

2. 桥式整流电路(bridge rectifier) 由四个二极管接成电桥形式，故称桥式整流。 在变压器副边电压的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流i1方向如红色箭头所示。在电压的负半周时，电流i2方向如蓝色箭头所示。

在交流电压u2的一个周期内，二极管D1、D3和D2、D4轮流导通和截止，在负载RL上就得到了一个单方向的全波脉动电压和电流。 该电路输出的平均直流电压Uod为： Uod=0.9U2 而每个二极管所承受的最大反向电压为 ，通过的电流为负载电流IL的一半。

桥式整流电路的输出电压脉动程度比半波整流电路小得多，输出电压和电流的平均值也比半波整流电路提高了一倍，而二极管所承受的最大反向电压仅为半波整流的一半，因此，桥式整流电路得到了广泛的应用。 诊断用X线机的X线管所需的最高管电压为100~150kV，都设有高压整流电路，大多采用四只高压硅堆组成的桥式高压整流器。

3. 倍压整流电路 在有些电子仪器和设备中，需要有能供给高电压(kV级)、小电流(mA以下)的直流电源，若采用上述整流电路，变压器副边电压很高，需要副绕组的匝数很多，体积大，而二极管的反向耐压也需很高。为避免这些缺点，可采用倍压整流电路，它对变压器次级电压要求不高，利用低耐压二极管，便可获得比输入交流电压峰值高很多倍的直流电压。

正半周 负半周 倍压整流电路是利用二极管的单向导电性引导电源分别对每一个电容充电，然后将电容上的电压顺极性串联相加来获得高电压的。下面以二倍压整流电路来说明其工作原理。 在变压器副边电压的正半周，D1导通，D2截止，电流通过路为a-C1-D1-b，C1被充电至u2的峰值 。在变压器副边电压的负半周时，D2导通，D1截止，电流通过路是b-C2-D2-C1-a，u2与C1上的电压串联起来对C2充电，C2上得到最大电压为2 。

再接一个二极管D3和电容器C3，或多个二极管和电容器就可以得到三倍压、多倍压的整流电路。而每个二极管所承受的最高反向电压基本上为2 ，电容除C1的耐压为 外，C2、C3等电容的耐压都是2 。 这种电路的优点是，可以从低电压的交流电源获得很高的直流输出电压，而对变压器次级绕组绝缘层、电容和二极管的耐压要求都不高。但在接上负载后，电容将对负载放电，输出电压将会降低。若负载电阻小，则电容放电快，输出电压下降较多，电容放电产生的电压脉动也较大。所以倍压整流电路只适用于高电压、小电流的场合。

二. 滤波电路 整流得到的输出电压是单向脉动电压，其中除了直流分量外，还包括了不少交流分量。因此，为了获得平滑的直流电，必须进行滤波。 滤波(filter)是利用电容、电感元件对直流、交流电呈现不同阻抗的特点，消除脉动直流中的交流成分。 滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等，这里仅介绍常用的电容滤波电路。

在整流电路的负载RL上并联一个容量较大的电容器，就构成了电容滤波电路(capacitor filter)。

在u2正半周时，二极管D1和D3导通，u2一方面给负载RL供电，同时对电容器C充电。若忽略二极管正向压降，则充电电压uc与上升的正弦电压u2一致，如图中的om段波形。u2在m点处达到最大值，uc也达到最大值。然后u2和uc都开始下降，u2按正弦规律迅速下降，而uc则按指数规律缓慢下降，在n点之后，u2<uc，二极管D1和D3承受反向电压而截止，电容对负载电阻RL放电，负载中仍有电流，uc按放电曲线nh下降，直到u2的负半周。当u2>uc时，二极管D2和D4导通，电容器再被充电，重复上述过程。如此继续下去，就可使输出电压趋于平直。

采用电容滤波时，输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数τ=RLC有关系， τ大一些，脉动就小一些。为了得到比较平直的输出电压，一般要求：τ≥(3～5)T/2，式中T是交流电源电压的周期，这时输出的直流电压平均值近似为：Uo=1.2U2 滤波电容的数值一般在几十微法到几千微法(视负载电流而定)，而耐压应大于输出 电压的最大值，通常采用极性电容器。

电容滤波的特点是电路简单，输出电压uo较高，脉动较小。但输出电压随负载变化较大。当负载电阻RL减小时，电容C放电加快，输出电压的平均值减小，而且脉动增大。另外，在一个周期内电容器的充电电荷等于放电电荷，即通过电容器的电 流平均值为零，可见二极管导通期间电流iD的平均值近似等于负载电流的一半，即ID=Io/2，由于二极管导通时间短，因此iD的峰值必然较大，产生电流冲击，容易损坏二极管。所以，电容滤波器一般用于要求输出电压较高、负载电流较小而且变化较小场合。

第二节 晶体管稳压电路 整流滤波电路都不能保证输出稳定的直流电压，其原因主要有两个：一是交流电网的电压不稳定，引起输出电压发生变化；二是整流滤波电路存在内阻，当负载变化引起电流变化时，内阻上产生的压降会随之变化，使输出的直流电压不稳定。因此，为了得到稳定的输出直流电压，必须在整流滤波电路之后加稳压电路，以保证当电网电压波动或负载电流变化时，输出的电压能维持相对稳定。晶体管稳压电路主要包括硅稳压二极管的稳压电路和晶体三极管的稳压电路。

一. 稳压管稳压电路 右图稳压管稳压电路由限流电阻R和硅稳压二极管Dz组成，RL是负载电阻，与稳压管并联。 当交流电网电压升高而引起稳压电路的输入电压Ui升高时，将引起硅稳压管Dz的端电压Uz，即输出电压Uo升高。由稳压二极管的伏安特性可知，Uz稍一升高，则通过稳压管的电流Iz显著增大，限流电阻R上的电压UR=(Iz+Io)×R增加，而Uo=Ui-UR，UR的增加补偿了输入电压Ui的变化，从而使输出电压Uo基本保持不变。反之，当Ui下降时，稳压过程与上述相反，电路也能基本维持输出电压不变。

若输入电压Ui不变，当负载电阻减小时，电流Io增大，R上的压降升高，使得Uo下降。但Uo稍有下降，Iz将显著减小，Iz减小的部分几乎和Io增大的部分相等。当负载电流在一定范围内变化时，可由稳压管的电流来补偿，结果限流电阻R上流过的总电流和电压降不变，从而使输出电压Uo基本恒定。反之亦然。

由此可见，在稳压管稳压电路中，稳压管的电流调节作用和限流电阻的电压调节作用是稳压的关键，即利用稳压管端电压的微小变化引起较大电流的变化，再通过R的电压调节作用，保证输出电压的恒定。由于稳压管与负载RL相并联，故该电路又称为并联型稳压电路。这种电路结构简单，但输出电压不可调，稳定精度不高，所以只用在稳压要求不高和负载电流小的电路中。

二. 晶体管串联稳压电路 由于稳压管稳压电路的稳压效果不够理想，且只能用于负载电流较小的场合，因此下面介绍串联型晶体管稳压电路，其电路原理是集成稳压电源内部电路的基础。

左图是一种简单串联型稳压电路。由一个可变电阻R和负载电阻RL组成的串联电路。 1. 简单串联型稳压电路 左图是一种简单串联型稳压电路。由一个可变电阻R和负载电阻RL组成的串联电路。 当输入电压Ui或输出电流Io发生变化而引起输出电压Uo变化时，如果可变电阻R的阻值也相应地自动改变，保持输出电压稳定，这样就构成了串联型稳压电路。由于晶体管的基极电流对集电极电流具有控制作用，使得其集电极与发射极之间具有一个可变电阻的性质，因此用它作调整电阻，可以实现稳压目的。

左图是一个简单的串联型稳压电路，用三极管代替可变电阻R作为调整元件，故叫做调整管。电阻R和稳压管Dz组成简单的稳压管稳压电路，接到调整管的基极，使基极电压Ub=Uz保持恒定，此电压称为基准电压。 其电压稳定过程如下：当电网电压波动或负载电流变化引起输出电压Uo升高时，由于调整管基极电位Ub是恒定的，将引起调整管基-射极之间的电压Ube下降。由三极管特性曲线可知，其基极电流Ib减小，集-射极电压Uce上升，而Uo=Ui-Uce，使输出电压降到原值。

由于三极管的发射极电流比稳压管的工作电流大得多，所以这种稳压电路可提供较大的负载电流。该电路的输出电压Uo=Uz-Ube，Uo的值取决于稳压管的稳定电压Uz。如果要改变输出电压，可更换稳压管。另外，用输出电压直接去控制调整管的基极电流，控制作用不明显，稳压效果较差。为提高稳定度，可以采用带有放大环节的串联稳压电路。

2. 带放大环节的串联型稳压电路 带放大环节的串联型晶体管稳压电路，将输出电压的变化量Uo通过直流放大器放大后，再去控制调整管，使微小的输出电压变化量产生很强的调整作用，从而大大提高了输出电压的稳定性。该稳压电路包括以下四部分：取样电路、基准电压电路、比较放大器、调整管。

(1)取样电路 由R1、R2和Rp组成的电阻分压器。将输出电压Uo的一部取出，送到比较放大器T2的基极。 (2)基准电压电路 由稳压管Dz和限流电阻R3构成，从中取得基准电压Uz，它是一个稳定性较高的直流电压，作为调整、比较的标准。

(3)比较放大器 由晶体管T2构成的直流放大电路，它的基-射极电压 Ube2是取样电压Uf与基准电压Uz之差。将这个电压差值放大后去控制调整管T1。R4是T2的集电极负载电阻，同时也是T1的基极偏置电阻。 (4)调整管 由工作在线性区的功率管T1组成，它的基极电流受比较放大器T2集电极输出信号控制，只要控制基极电流Ib1，就可以改变集-射极之间的电压Uce1，从而调整输出电压Uo。

稳定过程如下： 当输出电压Uo升高时，取样电压Uf随之增大，T2的基-射极电压Ube2增大，其基极电流Ib2增大，集电极电流Ic2增大，集-射极电压Uce2减小。 因此，T1的Ube1：Ube1=Ub1-Uo=Uz+Uce2-Uo减小，Uce1增大，输出电压Uo下降，使之保持稳定，其调整过程可以表示如下：

可见，带放大环节的串联型晶体管稳压电路是利用晶体三极管作为调整元件，从输出电压中取出一部分电压经放大后去调节调整管所呈现的电阻，维持输出电压不变。这种稳压电路的稳定度比简单串联型稳压电路提高了很多。但它的输出电流不够大，同时还存在较大的温度漂移。因此要得到更理想的稳定效果，还应对上述电路采取一些改进措施。另外，在稳压电源中，为了避免负载电流过大或输出短路时被烧毁，经常采用限流和减流作用的保护措施。

三. 集成稳压器 将串联型稳压电路中的各元件集成在一块芯片上就形成了集成稳压器。采用集成稳压器制作的直流稳压电源称为集成稳压电源。集成稳压器具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。为适应不同的应用场合，集成稳压器有各种类型、各种型号的片子。下面主要介绍三端固定和三端可调集成稳压器。

1. 三瑞固定集成稳压器 这种稳压器一般只有输入、输出、公共接地三个端子，输出电压固定，所以称为三端固定集成稳压器。其中W7800和W7900两种系列是最常用的，每一种系列在5~24V范围内有7种不同的档次，负载电流可达1.5A。7800系列输出正电压，7900系列输出负电压。系列的后两位数字表示稳压器的输出电压值，如7805表示该集成稳压器的输出电压为+5V，而7912表示输出电压为-12V。

右图是正、负电压同时输出的典型电路。图中变压器分别输出两路24V交流电压，一路经Q1桥式整流得到正电压，经电容C和Ci滤波后送W7815稳压，输出+l5V，D起保护W7815的作用；另一路经Q2整流得负电压，再经滤波和W7915稳压后，输出-l5V。输出电容Co用于改善瞬态响应特性，减小高频输出阻抗。 D

2. 三端可调集成稳压器 可调式集成稳压器有多种类型，仅以W317、W337为例介绍三端可调稳压器的工作原理。 与固定式7800和7900系列稳压器相比，W317、W337稳压器没有公共接地端，只有输入、输出、调整三个端子，且内部设有多种保护电路，工作十分安全。W317输出正电压，而W337输出负电压，输入与输出的最大电压差为40V，输出电压可在1.2～35V(-1.2～-35V)之间连续可调，输出电流最大为1.5A。

上图是一个三端可调集成稳压电路，它通过外接两个电阻R1、R2来获得所需的电压，其性能优于三端固定集成稳压器。设输出端2与调节端3之间的最小稳压为Us(1.2V)，可以证明，该稳压电路的输出电压Uo近似为：Uo=(1+R2/R1) Us，式中表明调节R2即可获得所需要的稳定输出电压Uo。

3.在使用集成稳压器时，应注意以下几点： ①三端稳压器应用时要求Ui比Uo至少高出2~3V，低于此值则失去稳压作用。 ②由于芯片内部增益高，组成闭环后易产生振荡，特别是当滤波电容远离芯片时，这时可在芯片输入端附近并联一个电 容，一般在0.1~1µF之间。而在稳压器输出端常接一个1µF的电容Co，当瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。 ③在稳压器输入、输出端接一个保护二极管，可防止输入电压突然降低时，输出电容对输出端放电引起三端集成稳压器的损坏。 ④大功率稳压电源，应在电路上安装足够大的散热器。

四. 稳压电源的主要性能指标 稳压电源的性能指标有特性指标和质量指标两种。前者是指明使用的范围，如输出电流Io的大小、输出电压Uo的调节范围等；而后者则表明稳压质量的好坏。 1. 纹波系数γ 2. 稳压系数Sn 3. 输出电阻Ro 4. 温度系数KT

第三节 直流电压变换器 将直流低压变成各种不同的直流高压的电路叫直流电压变换器。通常50Hz、220V的市电通过电子设备内部的变压、整流、滤波和稳压等环节，就能变成机器本身所需要的各档直流电压。但在一些医学仪器中，如某些型号的心电图机、X线影像增强器、CT等，既需要低压直流电源，又需要高压直流电源供电，若在变压环节中直接由电源变压器的次级输出高电压，再进行整流、滤波、稳压等环节，理论上也可以实现，但是实际线路有许多缺点，如变压器体积、重量过大，对绝缘材料的质量要求高，同时要求整流、滤波和稳压等环节的电路元件耐压也要高等。因此，在负载不是很重的情况下，高压电源都可采用直流电压变换器。

使用直流电压变换器可以解决以下几方面的问题。它能够避免公共地线，如在临床和基础医学研究中，仪器和生物体有公共地线时，极易受到50Hz市电的干扰，使仪器不能正常工作；还能避免仪器漏电对病人的危害，采用浮地接法，使前级放大器的零电位点与主放大器的零电位点相隔离；还用于没有或不宜使用交流市电的场合。

此外，直流电压变换器还有以下优点：由于高频方波电压发生器产生频率一般为几十千赫，远远高于市电50Hz频率，输出变压器的体积、滤波电容器的容量和体积、滤波线圈的电感量和体积都可大大减小；当电源过载时，方波发生器会自动停振，具有电源的自动保护作用。其缺点是内阻较大，输出的高压稳定性较差。

直流电压变换器的基本原理为，将由市电变压、整流、滤波或电池得到的直流电源，经稳压后加于自激振荡器，利用振荡晶体管作为断续开关，控制直流电源的接通和断开，由此产生的高频电压经过变频变压、整流、滤波，获得所需的直流高压。在此同时，输出电压Uo的另一路经取样、基准、放大电路、回控振荡器，使输出电压稳定。

二. 推挽式直流变换器 T1、T2的导通程度不同，假设T1导通能力强，经过正反馈，可使T1迅速饱和，T2迅速截止。

当T1饱和T2截止时，电源电压Ui几乎全部加到N1的两端，通过N1和NL的耦合，在变压器输出绕组NL上产生感应电压uL，极性为上负下正。随后ic1开始下降，铁芯内的磁通脱离饱和，形成一个与前述相反的过程，即T1迅速由饱和转变为截止，而T2迅速由截止转变为饱和。这时电源电压Ui在变压器的输出绕组NL上感应电压uL，极性上正下负。这两种变化交替反复，在变压器B输出绕组NL上产生矩形波电压u2，再经高频整流、滤波和稳压后，便可得到直流输出电压Uo。由于交流频率较高，输出电压在千伏以上，纹波也很容易由滤波电路削减到数毫伏。

第四节 可控硅 可控硅也叫晶体闸流管，简称晶闸管(thyristor)，是一种可控的单向导电开关，能用作强电控制的大功率半导体器件，由于它能在弱电信号的作用下，可靠地控制强电系统的各种电路，所以使半导体电子技术的应用由弱电领域扩展到强电领域。可控硅能通大电流，有耐高压、反应快、控制特性好、体积小、重量轻、使用维修方便等优点，所以被广泛用于电力、电子和控制等各个科研领域，也日益广泛用于医用X线机的控制系统中。但它也存在过载能力低、抗干扰能力差等缺点，需要在实际应用中采取措施加以克服。

一. 可控硅的结构和工作原理 1. 可控硅的结构 可控硅由两层P型和两层N型半导体交替构成。它的三个电极分别为阳极A、阴极K和控制极G。 这个PNPN器件中间，形成了三个PN结J1、J2、J3，相当于三个二极管正反向相间串联而成。如果只在阳极A和阴极K之间加上电压，不管所加电压的极性如何，这三个二极管中至少有一个是处于反向偏置，因而不会导通，器件均处于截止状态。

2. 可控硅的工作原理 为了说明可控硅的工作原理，我们把它看成是由PNP和NPN型两个晶体三极管连接而成，每一个晶体管的基极与另一个晶体管的集电极相连，如图所示。阳极A相当于PNP型晶体管T1的发射极，阴极K相当于 NPN型晶体管T2的发射极。

这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通。这就是可控硅的导通过程。 若可控硅阳极接电源EA正极，控制极接电源EG正极，阴极接它们的公共负极，那么晶体管T2发射结处于正向偏置。EG产生的控制极电流IG就是T2的基极电流Ib2，T2的集电极电流Ic2=β2IG。而Ic2又是晶体管T1的基极电流，T1的集电极电流Ic1=β1Ic2= β1β2IG。此电流又流入T2的基极，再一次放大。 这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通。这就是可控硅的导通过程。 导通后，其压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，可控硅中就流过负载电流。

在可控硅导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，可控硅仍然处于导通状态。所以，控制极的作用仅仅是触发可控硅使其导通，导通之后，控制极就失去控制作用了。要想关断可控硅，必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈过程，也可以将阳极电源断开或者在可控硅的阳极和阴极之间加一个反向电压。 因此，可控硅是一个可控的单向导电开关。它与二极管相比，不同在于可控硅正向导电受控制极电流的控制；与三极管相比，不同在于可控硅对控制极电流没有放大作用。

二. 可控硅的伏安特性 在实际应用中，要想做到合理使用可控硅，还必须了解它的伏安特性。它表明阳极和阴极间所加的电压与电流之间的关系。 根据阳极电压极性的不同，可分为正向特性和反向特性。在其特性曲线中，第一象限的曲线是正向特性；第三象限的曲线则是反向特性。

1.正向阻断状态，阳极-阴极间呈现大电阻 2.阳阴极间正向电压上升到正向转折电压UBO时，转为导通过状态，即由OA跨过AB转到BC段 3.BC导通段，通过它的电流较大而其本身的管压降UF很小 4.阳阴极间加反向电压，处于反向阻断状态，只流过很小的反向漏电流IR，0D段。 5.反向电压增加到反向转折电压UBR时，可控硅击穿导通，并造成永久性损坏。

实际应用中，在很大的正向电压或反向电压作用下使可控硅击穿导通是不允许的。通常应使可控硅工作在小于击穿转折电压的正向阻断状态下，将正向触发电压UG或触发电流IG加到控制极，这时加于A-K之间的正向电压虽然较低，但由于UG或IG的触发作用，可使可控硅导通。这就是说，利用很小的控制电流IG可以使正向转折电压降低。由图中可知，触发电流IG越大，正向转折电压UG就越小。

三. 可控硅整流 将交流电变为大小可调的直流输出电压的过程称为可控整流。较常用的可控整流电路是半控桥式整流电路，与单相不可控桥式整流电路相似，只是其中两个臂中的二极管被可控硅所取代。

t1时刻控制T1导通，T/2+t1时刻控制T2导通，则电路波形如图。设 α t1时刻控制T1导通，T/2+t1时刻控制T2导通，则电路波形如图。设 α=0，Uo=0.9U2，输出电压最高，相当于不可控二极管单相桥式整流电压；α=180°，Uo=0，可控硅全关断。负载电阻RL中整流电流的平均值为： t1时刻相对应的α=ωt称为控制角，其变化范围称为移相范围，而θ=π- α称为导通角。

可见，当U2一定时，改变控制角α，即改变触发脉冲的加入时刻，就可改变直流输出电压的平均值，也就达到了可控整流的目的。

四. 可控硅的保护措施 可控硅虽然具有很多优点，但它承受过电压和过电流的能力很差。因此，为了使可控硅能长期可靠地运行，除了合理选择元件外，还必须采取相应的保护措施。

1．过电流保护 可控硅在过载、短路时会出现过电流。它在短时间内能承受一定的过电流而不损坏，但如果电流较大，且切断时间较晚，由于它的热容量小，结温会急剧上升而超过允许值，使可控硅烧毁。 过电流保护措施通常是在可控硅电路中接入快速动作的保护电路，如快速熔断器、快速过电流继电器、快速开关管等。其中快速熔断器在电路中有三种接法：接在交流侧输入端、直流侧输出端或与可控硅元件串联。

2．过电压保护 产生过电压的主要原因是电路中电感元件积聚的能量突然释放。如交流电源在合闸或拉闸、可控硅由导通到阻断及快速熔断器的熔断等情况下，都可能出现过电压。此外，有时雷击也会引起过电压。过电压的出现有可能使可控硅击穿而损坏。 对于过电压，可以采用并联RC吸收回路的方法。因为电容C两端电压不能突变，所以在相关电路上并联RC吸收回路，就能削弱过高的瞬时电压，从而对可控硅起到保护作用。对不同情况，RC吸收回路可以接在交流电路一侧、直流电路一侧或直接并联在可控硅上。此外，还可以利用压敏电阻等非线性元件进行过压保护。