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1、第九章 直流稳压电源,91 直流稳压电源的组成 电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流电源除了少数利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其组成方框图如图9-1所示。 图9-1 直流稳压电源组成方框图,1电源变压器 一般情况下，负载所需要的直流电压UO的数值较低，这就需要通过变压器将电网提供的交流电（220V，50Hz）经电源变压器变换，之后得到符合电路需要的交流电压。 2整流电路 利用二极管的单向导电性把交流电变换为极性固定的直流电，但是电压数值却在很大范围内变化，称其为单向脉动直流电压。
2、3滤波电路 整流电路输出的单向脉动直流电压中，既包括直流分量，又包括较多的交流谐波成分。滤波电路的作用就是滤除其中的交流谐波，输出平滑的直流电压。,4稳压电路 由于电网提供的交流电压（有效值）有时会产生波动。此外，负载也会发生变化（负载所取用的电流发生变化），这些都会引起输出的直流电压UO发生变化。稳压电路的作用就是在以上两种情况下，保持输出的直流电压UO稳定。同时，稳压电路也使输出的直流电压更加平滑。,92 整流电路 整流电路的任务是将交流电变换成单向脉动直流电。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。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。单
3、相桥式整流电路用得最为普遍。本节主要介绍单相桥式整流电路。,921 整流电路的性能指标 1整流输出电压的平均值UO(AV) 2纹波因数 3整流二极管的平均电流IVD(AV) 4整流二极管所承受的最大反向电压URM,922 单相半波整流电路 图9-2 单相半波整流电路,图9-3 单相半波整流电路波形 由图9-3可以看出单相半波整流电路输出为单向脉动直流电压，通常负载上的电压用一个周期的平均值来说明它的大小，单相半波整流输出平均电压为,平均电流为,923 单相桥式整流电路,图9-4 单相桥式整流电路 (a)单相桥式整流电路 (b)简化画法,图9-5 单相桥式整流电路波形,单相桥式整流电路输出平均电
4、压为 平均电流为,桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。电路的缺点是二极管用的较多。但目前市场上已有整流桥堆出售，如型号为2W06（或KBP306），其内部接线和外部管脚引线如图9-6所示。它有四只管脚，标有“”的二只管脚外接交流电源，标注“”和“”的二只管脚分别是整流输出电压的正、负极性端。整流桥堆通常可以提供较大的整流电流。,图9-6 整流桥堆管脚图 (a)2W06外部管脚 (b)2W06内部结构 (c)KBP306外部管
5、脚 (d)KBP306内部结构,93 滤波电路 为了减小整流后电压的脉动，常采用滤波电路把交流分量滤除，使负载两端得到脉动较小的直流电。 滤波电路一般由电容、电感、电阻等元件组成。滤波电路对直流和交流反映出不同的阻抗，电感L对直流阻抗为零（线圈电阻忽略不计），对于交流却呈现较大的阻抗（XL=L）。若把电感L与负载RL串联，则整流后的直流分量几乎无衰减地传到负载，交流分量却大部分降落在电感上，负载上的交流分量很小，因此负载上的电压接近于直流。电容器C对直流相当于开路，对于交流却呈现较小的阻抗（XC=1/C）。若将电容C与负载电阻并联，则整流后的直流分量全部流过负载，而交流分量则被电容器旁路，因此
6、在负载上只有直流电压，其波形平滑。 常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波等。,931 电容滤波电路 电容滤波电路是最简单的滤波器，它是在整流电路的输出端与负载并联一个电容C而组成。如图9-7（a）所示为单相桥式整流、电容滤波电路。,图9-7 电容滤波电路及波形 (a)电路 (b)波形,在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压UC对整流元件的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。 （1）负载RL未接入时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当u2为正半周时，u2通过VD1、VD3向电容器C充电；u2为负半周时，经VD2、VD4向电容器C充电，充电时间常数
7、为,其中，Rn包括变压器副绕组的电阻和二极管VD的正向电阻。由于Rn一般很小，电容器很快就充电到交流电压u2的最大值 U2。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压UC）保持在 U2，输出为一个恒定的直流。,（2）接入负载RL的情况：设变压器副边电压u2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器中负载未接入前充了电，故刚接入负载时u2uC ，二极管受反向电压作用而截止，电容器C经RL放电。电容器放电过程的快慢，取决于RL与C的乘积，即放电时间常数。越大，放电过程越慢，输出电压越平稳。一般地 （T为交流电的周期）,此后，电源电压u2的数值又升高，当u2uC时，二极管又开
8、始导通，电容重新充电。以下电容依次重复上述充、放电过程，输出电压uO=uC的波形如图图9-7（）所示。 单相桥式整流电路加入电容滤波器后，输出电压的平均值UO(AV)一般为,932 电感滤波电路 利用电感的电抗性，同样可以达到滤波的目的。在桥式整流电路和负载电阻RL间串入一个电感器L就构成了一个简单的电感滤波电路，如图9-8所示。,图9-8 桥式整流电感滤波电路,根据电感的特点，在整流后电压的变化引起负载的电流改变时，电感L上将感应出一个与整流输出电压变化相反的反电动势，两者的叠加使得负载上的电压比较平缓，输出电流基本保持不变。 电感滤波电路中，RL愈小，则负载电流愈大，电感滤波效果越好。在电
9、感滤波电路中，一般,二极管承受的反向电压仍为 电感滤波的特点是，整流管的导电角较大（电感L的反电势使整流管导电角增大），峰值电流很小，输出特性比较平坦。其缺点是由于铁芯的存在，笨重、体积大，易引起电磁干扰，一般只适用于大电流的场合。,933 复式滤波电路 采用单一的电容滤波或电感滤波时，电路虽然简单，但滤波效果欠佳，大多数场合要求滤波效果更好，则把前两种滤波形式结合起来，即在滤波电容C之前加一个电感L构成LC滤波电路。如图9-9（a）所示。这样可使输出至负载RL上的电压的交流成分进一步降低。该电路适用于高频或负载电流较大并要求脉动很小的电子设备中。 LC滤波电路的直流输出电压和电感滤波电路一样
10、,了进一步减小输出电压的脉动成分，可以在LC滤波电路之前再并联一个滤波电容C1，如图9-9（b）所示。这就构成了LC-型滤波器。这种型滤波器的输出电流波形更加平滑，适当选择电路参数，直流输出电压可以达到,图9-9 复式滤波电路 (a)LC型滤波器 (b)LC-滤波器 (c)RC-型滤波器,由于带有铁芯的电感线圈体积大，价格也高，因此常用电阻R来代替电感L构成RC-型滤波器，如图9-9（c）所示。只要适当选择R和C2参数，在负载两端可以获得脉动极小的直流电压。这种滤波电路体积小，重量轻，在小功率电子设备中被广泛采用。,94 稳压电路 经过整流和滤波后的电压往往会随交流电源的波动和负载的变化而变化
11、。电压的不稳定有时会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，甚至根本无法正常工作。特别是精密电子测量仪器、自动控制、计算装置及晶闸管的触发电路等都要求有很稳定的直流电源供电。因此在整流滤波电路后面再加一级稳压电路，以获得稳定的直流输出电压。,941 硅稳压管稳压电路 图9-10是一种硅稳压管稳压电路，经过桥式整流电路和电容滤波器滤波得到直流电压Ui，再经过限流电阻R和稳压管VDZ组成的稳压电路接到负载电阻RL上。这样，负载上得到的就是一个比较稳定的电压。,图9-10 硅稳压管稳压电路,引起电压不稳定的原因主要是交流电源电压的波动和负载电流的变化。下面分析在这两种情况下稳压电路的作用。
12、当交流电源电压增加而使整流输出电压Ui随着增加时，负载电压UO也要增加。UO即为稳压管两端的反向电压。当负载电压UO稍有增加时，稳压管的电流IZ就显著增加，因此电阻R上的压降增加，以抵偿Ui的增加，从而使负载电压UO保持近似不变。相反，如果交流电源电压减低而使Ui减低时，负载电压UO也要减低，因而稳压管的电流IZ就显著减小，电阻R上的压降也减小，仍然可以使负载电压UO保持近似不变。,当电源电压保持不变而是负载电流变化引起负载电压UO改变时，上述稳压电路仍能起到稳压的作用。当负载电流IL增大时，电阻R上的压降也增大，负载电压UO因而下降。只要UO下降一点，稳压管电流IZ就显著减小，通过电阻R的电
13、流和电阻上的压降保持近似不变，因此负载电压UO也就近似稳定不变。当负载电流减小时，稳压过程相反。 选择稳压管时，一般取：,942 串联型三极管稳压电路 图9-11是由分立元件组成的串联型稳压电源的电路图。其整流滤波部分为单相桥式整流、电容滤波电路。稳压部分为串联型三极管稳压电路，它由调整元件（三极管V1）；比较放大器V2、R7；取样电路R1、R2、RP，基准电压VDZ、R3和过流保护电路V3管及电阻R4、R5、R6等组成。整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行
14、比较，产生的误差信号经V2放大后送至调整管V1的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。,图9-11 串联型稳压电源电路,943 集成稳压器 随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性强等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行选择。对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。而在这种类型的器件中，又以三端式集成稳压器应用最为广泛。,W78、W79系列三端式集成稳压器的
15、输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。W78系列三端式集成稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个档次，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。 同类型78M系列稳压器的输出电流为0.5A，78L系列稳压器的输出电流为0.1A。若要求负极性输出电压，则可选用W79系列稳压器。 图9-12为W78、W79系列的外形和接线图。,图9-12 W78、W79系列外形及接线图 (a)外形 (b)W78接线图 (c)W79接线图,它们都有三个引出端：输入端（不稳定电压输入端）、输出端（稳定电压输出端）、公共端。使用时应注意：W78和W79系列产品三个引出端的功能不相同，不可接错。 除固定输出三端稳压器外，还有可调式三端稳压器，后者可通过外接元件对输出电压进行调整，以适应不同的需要。,图9-13为三端固定输出集成稳压器的基本应用电路。图中输入端电容Ci用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止产生自激振荡，一般取值为0.33F。输出端CO用以改善负载的瞬态响应，减少高频噪声，其典型值为1F。为了使稳压器正常工作，其输入电压Ui数值至少应比输出电压UO高出23V。,图9-13 三端固定输出集成稳压器的基本应用电路 (a)W78基本应用电路 (b)W79基本应用电路,图9-14为同时输出正、负双电压的稳压电路，由于采用了两片稳压数值相等、极性
