第十章 直流电源 §1 直流电源的组成及各部分的作用 §2 整流电路 §3 滤波电路 §4 稳压二极管稳压电路 §5 串联型稳压电路

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1 第十章 直流电源 §1 直流电源的组成及各部分的作用 §2 整流电路 §3 滤波电路 §4 稳压二极管稳压电路 §5 串联型稳压电路
§1 直流电源的组成及各部分的作用 §2 整流电路 §3 滤波电路 §4 稳压二极管稳压电路 §5 串联型稳压电路 §6 开关型稳压电路

2 §1 直流稳压电源的组成和功能 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路 u1 u2 u3 u4 uo 整 流 电 路 滤 波 电 路
§1 直流稳压电源的组成和功能 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路 u1 u2 u3 u4 uo 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路 电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。 整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。 滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。 稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压u0的稳定。

3 将交流电网电压转换为直流电压，为放大电路提供直流工作电源。
直流稳压电源的作用 将交流电网电压转换为直流电压，为放大电路提供直流工作电源。 交流电源 负载 变压 整流 滤波 稳压 u t 组成 各部分功能 变压器： 降压 整流： 交流变脉动直流 滤波： 滤除脉动 稳压： 进一步消除纹波，提高电压的稳定性和带载能力

4 §2 整流电路 整流电路的任务是把交流电压转变为直流脉动的电压。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。下面主要介绍前三种。 为分析简单起见，我们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。

5 10.2.1 整流电路的分析方法及其基本参数 二极管导通 u1 u2 a T b D RL u0 u2>0时，二极管导通。 i0
整流电路的分析方法及其基本参数 一、工作原理 二极管导通 u1 u2 a T b D RL u0 u2>0时，二极管导通。 i0 忽略二极管正向压降： u0=u2

6 二极管截止 u1 u2 a T b D RL u0 u2<0时，二极管截止,输出电流为0。 i0 u0=0

7 ∫ ( ) u1 u2 a T b D RL u0 i0 输出电压波形： uo 输出电压平均值： = w U 45 . t d u 1
二、主要参数 u1 u2 a T b D RL u0 i0 输出电压波形： uo 输出电压平均值： ( ) p = w 2 o O（AV) U 45 . t d u 1 ∫

8 二极管上的平均电流： u1 u2 a T b D RL u0 i0 二极管上承受的最高电压： 脉动系数

9 三、 二极管的选择 安全系数

10 10.2.2 单相全波整流电路 D1 T a i0 只给出分析结果，请自行分析。 u1 u2 RL u0 b D2
单相全波整流电路 一、 普通双二极管整流电路 u1 u2 a T b D1 RL u0 D2 i0 只给出分析结果，请自行分析。

11 输出电压波形与大小 输出电压波形： uo u1 u2 a T b D1 RL u0 D2 i0 u0平均值U0： U0=0.9U2 二极管上承受的最高电压： 二极管上的平均电流：

12 二、单相桥式整流电路 u2正半周时电流通路 + - u1 u2 T D4 D2 D1 D3 RL u0 桥式整流电路

13 u2负半周时电流通路 - + u1 u2 T D4 D2 D1 D3 RL u0 桥式整流电路

14 桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形 + D4 RL D1 u2 u0 D3 D2 - uo u2>0 时 u2<0 时
电流通路: 由+经D1 RLD3- D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路: 由-经D2 RLD4+ u2 输出是脉动的直流电压！ uD4,uD2 uD3,uD1 uo

15 几种常见的硅整流桥 + A C - ~+~- ~

16 三、全波整流电路的主要参数 1、整流输出电压平均值（U0） 负载电压 U0的平均值为: 负载上的(平均)电流:
恒量整流电路的性能指标主要有两个，其一是整流输出电压的平均值Uo； 其二是输出电压的脉动系数S。 1、整流输出电压平均值（U0） 负载电压 U0的平均值为: 负载上的(平均)电流:

17 2、脉动系数Ｓ S定义为整流输出电压的基波峰值U01M与平均值U0之比。 用傅氏级数对全波整流的输出u0分解后可得:

18 平均电流(ID)与反向峰值电压(URM)是选择整流管的主要依据。
四、二极管的选择 平均电流(ID)与反向峰值电压(URM)是选择整流管的主要依据。 例如， 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。 二极管截止时两端承受的最大反向电压： 安全系数

19 §3 滤波电路 滤波原理: 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。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, 将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，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。

20 几种滤波电路 （a）电容滤波电路 （b）电感电容滤波电路（倒L型） （c）型滤波电路

21 电容滤波的特点 A. 二极管的导电角  <  ， 流过二极管的瞬时电流很大。 B. 负载直流平均电压 VL 升高 d = RLC 越大， VL 越高 C. 直流电压 VL 随负载电流增加而减少 当 d （3  5） 时， VL = ( 1.1  1.2 )V2

22 10.3.1 电容滤波电路 一、滤波原理 以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。 a D4 u1 S u2 D1 u0 D3
电容滤波电路 一、滤波原理 以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。 u1 u2 a b D4 D2 D1 D3 RL u0 S C 桥式整流电容滤波电路

23 a D4 u1 S u2 D1 u0 D3 C RL D2 b u2 t u0 t RL未接入时 设t1时刻接通电源 忽略整流电路内阻 t1
没有电容时的输出波形 充电结束 u0 t 整流电路为电容充电

24 a D4 u1 S u2 D1 D3 C RL u0 D2 b u2 t u0 t RL接入（且RLC较大）时 忽略整流电路内阻

25 a D4 u1 S u2 D1 D3 C RL u0 D2 b u2 t u0 t RL接入（且RLC较大）时 忽略整流电路内阻
整流电路的输出电流 u0 t

26 a D4 u1 S u2 D1 D3 C RL u0 D2 b u2 t u0 t RL接入（且RLC较大）时 考虑整流电路内阻
整流电路的输出电流 电容充电时，电容电压滞后于u2。 u0 t RLC越小，输出电压越低

27 二、电容滤波电路的特点 (1) 输出电压U0与时间常数RLC有关 RLC愈大电容器放电愈慢U0(平均值)愈大， 一般取 (T:电源电压的周期) 近似估算:U0=1.2U2。 (2) 流过二极管瞬时电流很大 RLC越大U0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

28 结论 (3)、输出特性(外特性): uL 电容滤波 纯电阻负载 IL 输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0和 S也随之改变。
IL 输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0和 S也随之改变。 如:RL愈小(I0越大),U0下降多,S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。

29 倍压整流电路

30 10.3.3 其它形式滤波电路 电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L 就构成了电感滤波电路。 u2 u1 RL L u0
其它形式滤波电路 一、电感滤波 电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L 就构成了电感滤波电路。 u2 u1 RL L u0 电感滤波电路

31 u2 u1 RL L u0 （1）滤波原理: 对直流分量( f=0):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： U0=0.9U2

32 （2）电感滤波的特点: 整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比较平坦,适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。

33 二、复式滤波电路 为了改善滤波特性，可采取多级滤波的办法, 如在电容滤波后再接一级RC滤波电路，或在电感滤波后面再接一电容。从而构成RC-型或L-C型滤波电路，其性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似 。 u0 R u2 u1 C1 C2 u0´ RL

34 稳压管 稳压电路 开关型 串联 常用稳压电路 (小功率设备) 在小功率设备中常用的稳压电路有稳压管稳压电路、线性稳压电路和开关型稳压电路等。其中稳压管稳压电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。以下主要讨论线性稳压电路。

35 10.4 稳压二极管稳压电路 u0 R u2 u1 C1 DZ ui RL 一、电路组成 二、稳压原理
稳压二极管稳压电路 一、电路组成 u0 R u2 u1 C1 DZ ui RL 二、稳压原理 电网电压↑→Ui↑→Uo↑→IDZ ↑→ IR ↑→ UR ↑→ UO↓ RL↓→UO ↓→ IDZ ↓→ IR ↓→ △IDZ基本不变

36 1、稳压系数 S 2、输出电阻R0 三、稳压管稳压电路的性能指标
输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。

37 四、电路参数的选择

38 稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大， 将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，
稳压电阻的计算 稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击 穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关。 稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大， 稳压性能越好。 稳压电阻R 的作用 将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化， 从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。 显然R 的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的VR变化，就可达到足够的稳压效果。 但R 的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加大。

39 稳压二极管在使用时 一定要串入限流电阻，不 能使它的功耗超过规定值， 否则会造成损坏！ 稳压电阻的计算如下
(1) 当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即 当输入电压最大，负载电流最小时，流过 稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由 此可计算出稳压电阻的最小值。即 (2)

40 10.5 串联型稳压电路 一 、电路结构的一般形式 基 准 比较放大 取 样 调整元件 T UI C2 RL UO UR FUO
10.5 串联型稳压电路 一 、电路结构的一般形式 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 基 准 比较放大 取 样 UI + _ + _ C2 RL UO UR FUO 调整元件T与负载串联，通过全部负载电流。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。调整元件可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。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，为深度串联电压负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。

41 串联型稳压电路的工作原理

42 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 输出电压 （满足深度负反馈 ）

43 二 、稳压原理 当UI增加或输出电流减小使U0升高时 U0 UB2 UBE2=（UB2-UZ） U0 UC2 一、 一种实际的串联式稳压电源
R3 T1 T2 UZ R RW1 RW2 R1 RW R2 RL UO + _ UI UB2 二 、稳压原理 当UI增加或输出电流减小使U0升高时 U0 UB2 UBE2=（UB2-UZ） U0 UC2

44 三 、输出电压的确定和调节范围 四 、影响稳压特性的主要因素 1、比较放大部分的AV和电压反馈系数F愈大越好； 2、基准电压愈稳定越好； 3、放大部分的电源愈稳定越好； 4、调整管rce愈大越好(rce小则UI引起的UO大)。

45 五、改进措施 1、增加放大级数或选用增益高的集成运放 在运放理想条件下(AV=  ri= )： T Av UO UI RL UR
UF UR + - RL UO  Av 串联反馈式稳压电路 在运放理想条件下(AV=  ri= )：

46 2、采用辅助电源(比较放大部分的电源)。 3、用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益。 六 、过流保护 为避免使用中因某种原因输出短路或过载致使调整管流过很大的电流,使之烧坏故需有快速保护措施。常见保护电路有两类—— 限流型: 把电流限制在允许范围内,不再增大； 截留型: 过流时使调整管截止或接近截止。 七、 缺点 调整管工作在线性放大区,当负载电流较大时,其损耗(P=UCEI0)大；电源的效率( =P0/Pi=U0I0/UiIi)较低。为了提高效率，可采用开关型稳压电源。

47 集成稳压电路中的保护电路 简介 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。 本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其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。

48 1 2 3 1 2 3 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

49 分类: 型号后XX两位数字 代表输出电压值 W78系列(输出正电压) W79系列(输出负电压) 输出电压额定电压值有:
5V、9V、12V 、18V、 24V等 。

50 10.5.3 集成稳压电路 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
集成稳压电路 减流保护 调整电路 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

51 W7800 10.5.4 三段稳压器的应用 一、输出为固定电压的电路 输出为固定正压时的接法如图所示。 CO CI UI UO 1 3 2
三段稳压器的应用 一、输出为固定电压的电路 输出为固定正压时的接法如图所示。 CO W7800 CI UI + _ UO 1 3 2 0.1~1F 1µF 输入与输出端之间的电压不得低于3V！ W7800系列稳压器 基本接线图

52 可避免电流倒灌的电路

53 二 、输出正负电压的电路 W78XX CI UI + _ UO 1 3 2 W79XX CO 正负电压同时输出电路

54 W78XX 三 、提高输出电压的电路 CO CI UI UO 1 3 2 UXX UZ R DZ UXX: 为W78XX固定输出电压
+ _ UO 1 3 2 UXX UZ R DZ UXX: 为W78XX固定输出电压 UO=UXX+UZ

55 W7805 四、 输出电压可调式电路 1 3 2 R1 CI CO UI 7 6 4 UO R2 F007 0.33 33V 10K
用三端稳压器也可以实现输出电压可调，下图是用W7805组成的7－30V可调式稳压电源。 1 3 2 R1 CI CO UI 7 6 4 UO R2 F007 0.33 33V 10K 0.1µ  W7805 运算放大器作为电压跟随器使用, 它的电源就借助于稳压器的输入直流电压。由于运放的输入阻抗很高 ,输出阻抗很低，可以克服稳压器输出电流变化的影响。

56 同时消除了(IO·R2)一项，稳压器输出用下式表示。
(UXX=5V)

57 五.利用三端集成稳压器组成恒流源 三端集成稳压器可 做恒流源使用,电路见 图1和图2。 图2可调稳压器做恒流源电路 (a)小电流恒流源
(b)大电流恒流源 三端集成稳压器可 做恒流源使用,电路见 图1和图2。 图1稳压器做恒流源

58 可调式应用举例

59 可调式应用举例

60 10.6 开关型稳压电路 1 开关型稳压电路的工作原理 2 集成开关型稳压器 10.6.1 开关型稳压电路的发展及分类
10.6 开关型稳压电路 开关型稳压电路的发展及分类 为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型稳压电源。开关型稳压电源效率可达90%以上，造价低，体积小。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波——高频噪声较大，用于小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。 1 开关型稳压电路的工作原理 2 集成开关型稳压器

61 开关型稳压电路的工作原理 开关型稳压电源的原理可用图示的电路加以说明。它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。 开关型稳压电源原理图

62 三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制调整管的通断。调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。
续流二极管D即可起到这个作用，有利于保护调整管。 输出波形中电位水平高于高电 平最小值的部分，对方波而言，相 当方波存在的部分。 输出波形中电位水平低于低 电平最大值的部分，对方波而言， 相当方波不存在的部分。 根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，对应调整管的导通时间为ton；反之输出为低电平，对应调整管的截止时间toff。 为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出Vf减小，比较器方波输出的toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。

63 分析见下页 各点波形见图。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。
开关电源波形图 分析见下页

64 q称为占空比 方波高电平的时间占整个周期的百分比。
忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量。于是有 q称为占空比 方波高电平的时间占整个周期的百分比。 在输入电压一定时， 输出电压与占空比成正比。 可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比） 来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制 (PWM)。

65 由以上分析可以得出如下结论： 1．调整管工作在开关状态，功耗大大降低， 电源效率大为提高； 2．调整管在开关状态下工作，为得到直流输出，
必须在输出端加滤波器； 3．可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值； 4．在许多场合可以省去电源变压器； 5．由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体 积可大大减小。

66 实际上就是一个脉冲宽度调制（PWM）控制器，
集成开关型稳压器 (1)开关稳压电源概述 集成开关稳压器，一般有两大类型。一类是包括调整管在内的集成开关稳压器;另一类称为开关电源控制器，它不包括调整管。 实际上就是一个脉冲宽度调制（PWM）控制器， 经常也用于其它脉宽调制场合。 典型的开关电源控制器和开关电源见下表 型号 电源范围/V 最大输出电流 /A 内部参考源 /V 输出级形式 TL ～ 推挽或单端 SG ～ 推挽 SG ～ 推挽 LM ～ _ 表中前三个是开关电源控制器，后一个是单片开关电源稳压器。

67 (2)开关稳压电源控制器SG3524 利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。 SG3524是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图.所示。 它的内部包括误差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出三极管等环节。 SG3524的内部方框图

68 SG3524构成开关稳压电源的典型电路如图所示。
开关稳压电源应用电路

69 3524从11和14脚输出在时间上互相错开的两路控制信号，其开关频率由6和7脚外接的RT和CT决定。1和2脚是内部运算放大器的输入端，R1和R2构成反馈回路。16脚是基准源，由R3和R4给误差运算放大器提供一个与反馈信号比较的给定电压。 V3和V4是或非门的输出，只要或非门的输入端有高电平，它的输出即为低电平。 V3和V4的输出由V2、CP、Q或Q决定。因Q和Q只能有一个是高电平，T2和T1不可能同时导通。 T1和T2只能按推挽方式工作，轮流交替导通。

70 SG3524电路控制过程的波形如图所示。 锯齿波由振荡器提供，V1是误差放大器的输出，它们一起加到比较器上。 V2是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱动T '触发器，CP、Q和V2 的或非是V3，决定T1的通断。CP、Q和V2 的或非是V4，决定T2的通断。由于Q和Q等宽，加上V2的存在，所以V3和V4这两路信号之间有一定的死区，以保证T1和T2 管不会同时导通。 SG3524的波形图

71 当V1降低时， V2加宽， T1和T2的宽度变窄，导通时间减小。反之，当V1增加时， T1和T2 的导通时间增加。

72 (3) SG3524构成的开关稳压电源 现在来讨论3524构成的开关稳压电源的工作原理。 设负载电流加大，VO下降，反馈电压减小，误差放大器的输出V1增加， T1和T2的导通时间增加，输出电压VO增加。 SG3524的内部方框图 图16.16 开关稳压电源应用电路 反之，当VO增加时，反馈电压增加， V１输出减小， T1和T2的导通时间减小，输出电压VO 减小。

73 当三极管的电流过大时，电阻R9上的压降增加到使限流运算放大器的输出为低，即V1在大大下降， 使T1和T2 关断。
　SG3524的10脚也有保护功能，当10脚加高电平时，可以强迫V1下降， T1和T2关断。10脚与4脚可实现双重保护。 由于SG3524可在较高的频率下工作，T1和T2 应选用高频开关管。变压器应采用高频变压器，滤波电感和滤波电容都可以选用较小的数值。

74 稳压电源质量指标 输出电压 输出电压变化量 输入调整因数 电压调整率 稳压系数 输出电阻 温度系数 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 稳压系数 输出电阻 温度系数