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1、,第五章 直流稳压电源 实际生活中许多家用电器和精密仪器，都需要有稳定的直流电压，将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压的电源统称为直流稳压电源。图5.1表示出了直流稳压电源的组成方框图，一般由电源变压器、整流器、滤波器、稳压器四大部分组成。,电源变压器的作用是为用电设备提供所需的交流电压，整流器和滤波器的作用是将交流电变成平滑的直流电，稳压器的作用是克服电网电压、负载及温度变化引起的输出电压的波动，提高输出电压的稳定性。,5.1 整流滤波电路 5.1.1 整流电路 整流是利用二极管的单向导电性将交流电压变换为脉动电压的过程，常用的整流电路有单相半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路和倍压
2、整流电路等，在此仅介绍常用的单相半波整流电路和单相桥式整流电路。,1、单相半波整流电路 单相半波整流电路如图5.2（a）所示，由变压器T和整流二极管D组成，如果变压器的初级输入正弦电压u1，则在次级可得到同频率的交流电压u2，设u2= U2sint。将交流电加在二极管上，利用二极管的单向导电性，只允许某个半周的交流电通过二极管，这样负载上的电流只有一个方向，从而实现了整流。 当u2为正半周时，A点电位高于B点电位，二极管D正向偏置而导通，电流由A端DRLB端，自上而下流过RL，在RL上得到上正下负的电压uo。忽略二极管压降时，则uo=u2；当u2为负半周时，A点电位低于B点电位，二极管D因反向
3、偏置而截止，电路中没有电流，RL上电压uo为零。负载上的电压uo在交流电压整个周期的波形如图5.2（b）所示。,图5.2 半波整流电路及波形,可见在交流电压u2的整个周期内，负载RL上将得到一个单方向的脉动直流电压（大小变化、方向不变），由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波，故称半波整流。 半波整流电路输出电压的平均值为：,（5.1）,流过二极管的平均电流为：,（5.2）,二极管承受的反向电压为：,（5.3）,半波整流电路的优点是电路简单，元件少（只需一只二极管），二极管承受的反向电压低；缺点是交流电压中只有半个周期得到利用，电源利用率低，输出直流电压低，脉动大。欲提高交
4、流电源的利用率，可采用单相桥式整流电路。,2、单相桥式整流电路 桥式整流电路如图5.3（a）所示。由变压器T和四个二极管组成。四个二极管接成桥式（简化符号如下图所示），在四个顶点中，相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载RL，不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。接向直流负载RL的一对节点中，接两只二极管公共负极的端子为直流电源的正极，接两只二极管公共正极的端子为直流电源的负极。图5.3 桥式整流电路及波形 当u2为正半周时，A端电位高于B端电位，整流二极管D1和D3导通，D2、D4截止，电流由A端D1RLD3B端，自上而下流过RL，在RL上得到上正下负的电压；当u2为负半周时，A端电位低于
5、B端电位，D2、D4导通，D1、D3截止，电流由B端D2RLD4A端，自上而下流过RL，在RL上得到上正下负的电压。这样在u2的整个周期内都有单向脉动电压输出。输出波形如图5.3（b）所示。,图5.3 桥式整流电路及波形,（1）RL上的直流电压和电流 桥式整流电路输出的直流电压是半波整流的2倍，即 Uo0.9U2 （5.4） 流过RL的电流Io与RL大小有关，根据欧姆定律可得,Io,（5.5）,变压器次级电压U2与Uo的关系为 U2=1.11Uo （5.6） （2）整流元件的选择 在桥式整流电路中，因为二极管D1、D3和D2、D4在电源变化的一个周期内轮流导通，所以流过每个二极管的电流都等于负
6、载电流的一半：,ID=,Io=,（5.7）,每个二极管在截止时承受的最大反向电压是U2的峰值，即,URM=,U2 （5.8）,选择二极管时，应选极限参数为： IFMID URM U2 （5.9） IFM为二极管的最大整流电流；URM为最高反向工作电压。 桥式整流电路具有变压器利用率高，平均直流电压高，整流元件承受的反向电压较低等优点，应用十分广泛。,【例5.1】 一桥式整流电路，要求输出直流电压为12V，输出直流电流为100mA，如何选择整流元件?现有整流二极管D是2CP10，其参数IF=100mA，URM=25V；另一个是2CP11，参数IF=100mA，URM=50V。 解 变压器次级电压
7、：U2=1.11Uo=1.1112V=13.32V 流过二极管的电流为：ID=Io/2=100mA/2=50mA 二极管承受的最大反向电压为：URM= U2=18.6V 可见，选用2CP10、2CP11两者都可以，但为了不造成浪费和降低成本，应选用2CP10。,5.1.2 滤波电路 交流电经过整流后可得到单向脉动直流电压，仅适合对直流电压要求不高的场合使用，如电镀、电解等设备。而有些设备，如电子仪表、自动控制装置等，对直流电压要求非常稳定。为获得平滑的直流电压，可采用滤波电路，滤除脉动直流电压中的交流成分。滤波电路一般由L、C等元件组成。此处只介绍电容滤波电路。 1、滤波电路组成及工作原理 图
8、5.4为桥式整流电容滤波电路，它由电容C和负载RL并联组成。在不加滤波电容的情况下，RL两端的电压波形为单向脉动直流电(如虚线所示)。接入滤波电容C后，当u2的正半周开始时，若u2 uC，整流二极管D1和D3导通，电容C被充电，由于充电回路电阻很小，因而充电很快，uC和u2变化同步，当t=/2时，u2达到峰值，C两端电压uC也就是uo也达到峰值。 当u2由峰值开始下降，使得u2uC时，四个整流二极管全都截止，电容C向RL放电，由于RL一般较大，放电时间常数通常很大，所以放电速度很慢。,图5.4 桥式整流电容滤波电路及波形,当u2进入负半周后， 开始逐渐增大，当 增大还没有超过uC时电容仍然放电
9、，直到 增大到略大于uC时，整流二极管D2和D4 导通，电容C又被充电，C两端电压uC也就是uo将逐渐增大到峰值。如此继续下去电容不断被充电、放电，得到负载上的电压uo的波形如图5.4（b）所示，可以看出输出波形变得平滑，平均电压值也随之升高。,2、电容滤波电路的特点 电路结构简单，当RL较大时，滤波效果好。但因次级绕组和二极管正向电阻很小，在接通电源使二极管D导通的瞬间，充电电流很大，对整流二极管的冲击很大。实际应用中一般要在每个整流二极管的支路中，串入一个(0.050.1)RL作限流电阻，并在整流管两端并接一个小容量的电容器，以此来保护二极管，但这将增大损耗和电源内阻。 决定放电快慢的是时
10、间常数RLC，其值越大，放电速度越慢，输出波形越平滑，当RL=时，电容C上电压最高可达 U2值。相反RLC越小，则放电速度越快，输出电压脉动幅度越大。因此为了输出平滑的直流电压，一般要求RLC的取值满足：,RLC(35),（5.10）,由此可确定电容C的值为：,C(35),（5.11）, 输出直流电压一般为： Uo=(11.2)U2 （5.12） 整流管承受的最高反向工作电压为： U2。,【例5.2】 一桥式整流电容滤波电路如图5.4（a）所示，由变压器输入50Hz的交流市电，要求输出直流电压24V，Io=1A，试选择整流二极管D和滤波电容C。 解 （1）整流管二极管D的选择 通过每个整流管的
11、平均电流为： ID=1/2Io=1/21A=0.5A 取Uo=1.2U2，则U2为： U2=UO/1.2=20V,URM=,U2=,20V28V,=5,=2000F 而电容的耐压值取(1.52)U2=220V=40V。 故可选择耐压为40V、容量为2000F的电解电容器。,查附录B由此可选2CZ11C（IF=1A，URM=100V） （2）滤波电容C的选择 因为T=1/f=1/50=0.02s，RL=24V/1A=24，所以 C(35),5.2 稳压电路 经过整流滤波后所得到的直流电压虽然已经比较平滑，但由这种电路提供的直流电压，因电网电压的波动、负载的变化等原因，往往会使电路输出的直流电压不
12、稳定。一般不能满足各种电子设备的要求。因此，为了获得稳定的直流输出电压，需要在滤波电路之后再加上稳压电路。硅稳压管稳压电路是最简单的一种稳压电路。 5.2.1 硅稳压管稳压电路 1、电路组成 图5.5所示为硅稳压管稳压电路。R是限流电阻，RL是负载电阻，D是稳压二极管，工作在反向击穿区。图中稳压管与负载并联，又称并联式稳压电路。,图5.5 稳压管稳压电路,由图可知Uo=UiIRR=UZ，输出电压Uo就是稳压管两端的电压，即稳压值UZ。,2、稳压原理 当稳压管工作在稳压区时，稳压管两端电压UZ的微小变化，会引起电流IZ的较大变化，利用这一特性，可以完成稳压过程如下。 （1）当负载RL不变，电网电
13、压升高使Ui（整流滤波后的输出电压）增大时，输出电压Uo也随之增加，但由稳压管的特性可知，Uo的少许增加将使IZ急剧增加，IZ的增加将使总电流IR增加，从而使电阻R上的电压增加。这样，Ui的增加量就转移到电阻R上，使输出电压Uo保持不变或变化很小。这一过程可简单地表示为：,UiUoIZIRUR,Uo,如果电网电压是下降的，则稳压过程中的箭头方向全部相反，原理完全相同，不重述。,（2）当稳压电路输入电压Ui不变，负载电阻RL减小，输出电压Uo将减小，稳压管两端电压UZ减小，电流IZ急剧减小，结果使总电流IR减小，从而使电阻R上的电压减小。输出电压Uo增大。这一过程可简单地表示为：,RLUoIZI
14、RUR Uo,同理，当负载电流Io减小时，则稳压过程与上述相反，不再重述。,3、限流电阻的计算 由上面分析可知，硅稳压管稳压电路的稳压原理实际上是通过稳压管两端电压UZ的微小变化，引起电流IZ的较大变化，通过电阻R起电压调整作用，从而保证输出电压基本恒定，达到稳压作用。因此限流电阻的合理选择会直接影响稳压电路的性能，选取限流电阻的基本原则是保证稳压管处于反向击穿的工作区域，即IZminIZIZmax。IZ过小，管子稳压性能差或不能稳压，过大会损坏稳压管。,第一种情况：当输入电压Ui最大且负载中电流Io=Iomin（即输出电流最小）时，流过稳压二极管的电流最大，但不能超过IZmax，为此限流电阻
15、要取得足够大，即,R,（5.13）,第二种情况：当输入电压最小且负载中电流最大时，流过稳压二极管的电流最小，但不能小于IZmin，为此限流电阻应尽量取小，即,R,（5.14）,限流电阻R应在其可选的最大值与最小值之间选取，即：,R,（5.15）,【例5.3】 如图5.5所示，稳压管D参数为UZ=9V，IZmin=5mA，IZmax=33mA，输入电压Ui=15V，变化率为10%，负载电流为Iomin=2mA，Iomax=10mA，试选取限流电阻R的值。 解 先求Ui变化的最大、最小值： Uimax=15V+15V10%=16.5V Uimin=15V15V10%=13.5V 因此限流电阻的选取
16、范围为：,R,214R300 限流电阻应在214300范围内选取，例如取R=240或270均可。,4、稳压管稳压电路的特点 优点：电路简单，工作可靠，稳压效果也较好。 缺点：输出电压的大小要由稳压管的稳压值来决定，不能根据需要加以调节；负载电流Io变化时，要靠IZ的变化来补偿，而IZ的变化范围仅在IZmin和IZmax之间，负载变化小；电压稳定度不够高，动态内阻还比较大（约几欧姆到几十欧姆）。 所以稳压管稳压电路一般用于要求不太高、功率比较小、负载电流比较小且负载变化不大的场合，如作晶体管稳压电源中的“基准电压”或“辅助电源”之用等。,5.2.2 串联型稳压电路 1、电路组成 如图5.6（a）所示是串联型稳压电路，各元件作用如下： R3、R4、R5构成取样电路，当输出电压变
