第十章 直流稳压电源（6学时）

主要内容:

10.1 小功率整流滤波电路

10.2 串联反馈式稳压电路

基本要求:

10.1 掌握单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算

10.2 了解带放大器的串联反馈式稳压电路的稳压原理及输出电压的计算，三端集成稳压电源的使用方法及应用

教学要点：

重点介绍单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算，介绍串联反馈式稳压电路及三端集成稳压电路的稳压原理

讲义摘要：

10.1 单相整流电路

一、引言

整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。

    滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。

    稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。

直流电源的方框图如图10.1.1所示。

 

 

 

 

 


如图10.1.1

二、单相桥式整流电路

1.工作原理

单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图10.1.2所示。

 

 

 

 

 

 

 


图10.1.2单相桥式整流电路

 

（a）整流电路                         (b)波形图

在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图10.1.2(a)的电路图可知：

当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。

    当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。

    在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图10.1.2(b)。

2.参数计算

根据图10.1.2（b）可知，输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。

 


输出平均电压为

流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S。

 

 

 

 

 


3.单相桥式整流电路的负载特性曲线

单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线           该曲线如图10.1.3所示。曲线的斜率代表了整流电路的内阻。

图10.1.3  负载特性曲线

三、单相半波整流电路

单相整流电路除桥式整流电路外，还有单相半波和全波两种形式。单相半波整流电路如图10.1.4(a)所示，波形图如图10.1.4(b)所示。

 

 

 

 

 


图10.1.4  单相半波整流电路

 (a)电路图                  (b)波形图

根据图10.1.4可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为

 

 

 


流过负载和二极管的平均电流为

四、单相全波整流电路

单相全波整流电路如图10.1.5(a)所示，波形图如图10.1.5(b)所示。

 

 

 

 

 

 


图10.1.5   单相全波整流电路

    (a)电路图                     (b)波形图

根据图10.1.5（b）可知，全波整流电路的输出，与桥式整流电路的输出相同。输出平均电压为

 

 


单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同。

 

 


单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。

注意：整流电路中的二极管是作为开关运用的。整流电路既有交流量，又有直流量，通常对:

输入（交流）—用有效值或最大值；

输出（交直流）—用平均值；

整流管正向电流—用平均值；

整流管反向电压—用最大值。

10.2 滤波电路

一、电容滤波电路

 1. 电容滤波电路

1)滤波的基本概念

     滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。

 2）电容滤波电路

     现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如图15.06所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。

 

图10.2.1  单相桥式电容滤波整流电路

 

  3)滤波原理

      若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。

             

 

 

 

图10.2.1   桥式整流、电容滤波

时的电压、电流波形

 

 

当v2到达90°时，v2开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90°时二极管仍然导通。在超过90°后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。

所以，在t1到t2时刻，二极管导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见上图10.2.1。

 

 

 

 

 

 

图10.2.2  RLC不同时VO的波形

 

 

 

需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t2点要左移，

二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图10.2.2滤波曲线中的2。反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。

4)电容滤波的计算

    电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：

    一种是用锯齿波近似表示，即

   另一种是在RLC=(3~5)T/ 2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足wRLC≥6~10。）

5）外特性

整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流 IO的变化关系曲线如图10.2.3所示。

          

 

 

 

图10.2.3 纯电阻和电容滤波电路的输出特性

 

 

 

 

 

 

 

 


二、电感滤波电路

利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。电感滤波电路如图10.2.3所示。电感滤波的波形图如图10.2.4所示。

 

 

 

 

 

 


 

图10.2.3  电感滤波电路               图10.2.4  电感滤波的波形图

当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，

电感中的电流将经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的

连续性，四个二极管D1、D3 ； D2、D4的导通角都是180°。

10.3 稳压电路

一、稳压电路概述

1.引起输出电压不稳定的原因

引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图10.3.1。即                    。负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。

 

 

 

 

 

 

 


图10.3.1   输出电压变化原因示意图

2.稳压电路的技术指标

用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。 DVI和D IO引起的D VO可用下式表示

 

 

 

 


   有时稳压系数也用下式定义

 

2)电压调整率SV（一般特指ΔVi/Vi=±10%时的Sr）

 

 

 


3)输出电阻Ro

4）电流调整率SI

     

 

当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。

5）纹波抑制比Srip 输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。

     

（6）输出电压的温度系数ST

 


   

 如果考虑温度对输出电压的影响, 则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数

 


二、硅稳压二极管稳压电路

硅稳压二极管稳压电路的电路图如图10.3.2所示。

图10.3.2   硅稳压二极管稳压电路

它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。

1. 当输入电压变化时如何稳压

根据电路图10.3.3可知

输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下： 

VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓

这里VO减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。

 


 

 

 

 

 

图10.3.3  输入电压变化的稳压过程分析

 

2.当负载电流变化时如何稳压

负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程可概括如下： 

IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑

图10.3.4  负载电流变化的稳压过程分析

 

 

 

三、线性串联型稳压电源

1.线性串联型稳压电路的工作原理

    稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大，效率低。

1) 线性串联型稳压电源的构成

    线性串联稳压电源的工作原理可用图10.3.4来说明。

 

 

 

图10.3.4线性串联稳压电源的工作原理

    显然，VO =VI-VR，当VI增加时，R 受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流IL增加，R受控制而减小，使VR减小，从而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。

    在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。要想输出电压稳定，必须按电压

 

 

 

 

 

 

图10.3.5串联型稳压电路

负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图10.3.5所示。它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源几个部分组成。

2) 线性串联型稳压电源的工作原理

根据图10.3.5分两种情况来加以讨论。

(1) 输入电压变化，负载电流保持不变

输入电压VI的增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得误差信号ΔV。误差信号经放大后，用VO1去控制调整管的管压降VCE增加，从而抵消输入电压增加的影响。

         VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓

(2) 负载电流变化，输入电压保持不变

负载电流IL的增加，必然会使输入电压VI有所减小，输出电压VO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得的误差信号使VO1增加，从而使调整管的管压降VCE下降，从而抵消因IL增加，使输入电压减小的影响。

   IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑

(3) 输出电压调节范围的计算

 

根据图10.3.5可知Vf≈VREF调节R2显然可以改变输出电压。

2. 稳压电路的保护环节

串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。

                    保护的方法

 


反馈保护型           温度保护型

 


截流型              限流型       利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器。当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。

1) 截流型

当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零。截流特性见图10.3.6。

 

图10.3.6   截流特性

2)限流型

是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，输出电流得以限制。限流特性见图10.3.7。

 

图10.3.7    限流特性

 

 

四、三端集成稳压器

1.概述

将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个：输入端、输出端和公共端，称为三端集成稳压器。它的电路符号见图10.3.8，外形如图10.3.9所示。

图10.3.8  电路符号            图 10.3.8  三端集成稳压器外形

2. 线性三端集成稳压器的分类

(1)三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78--/CW78M--/CW78L--

(2)三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79--/CW79M--/CW79L--

(3)三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117--/CW117M--/CW117L-                                      

CW217--/CW217M--/CW217L--

                                       CW317--/CW317M--/CW317L--

(4)三端可调负输出集成稳压器，国标型号为CW137--/CW137M--/CW137L-

                                       CW237--/CW237M--CW237L--

                                       CW337--/CW337M--/CW337L--

(5)三端低压差集成稳压器

(6)大电流三端集成稳压器

以上1---为军品级；2---为工业品级；3---为民品级。军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55℃～150℃；工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25℃～150℃; 民品级多为塑料封装，工作温度范围0℃～125℃。

3. 应用电路

三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图10.3.10所示。

 

 


 

 

 

图10.3.10三端固定输出集成稳压器

三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图10.3.11所示。

 

 

 

 

 

图10.3.11三端可调输出集成稳压器

 

可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是1.25 V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。

 

 


4. 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10.3.12和10.3.13。

 

 

 

 

 

 

图10.3.12   做恒流源的的三端集成稳压器

 

 

 

图10.3.13(a)小电流恒流源

 

 

 

 

 


(b)大电流恒流源

 

五、开关型稳压电源

    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

开关型稳压电源的原理可用图10.3.14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。

 

 

 

 

 

 

 


图10.3.14开关型稳压电源的原理

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。

    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

    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。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。

    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。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。

各点波形见图10.3.15。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。

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

 

 

 

 

 

 


                                     

在输入电压一定时， 输出电压与占空比成正比。方波高电平的时间占整个周期的百分比称为占空比。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)。

2.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。

 

本  章 小 结

●直流稳压电源由整流电路、滤波电路和稳压电路组成。整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，滤波电路可减小脉动使直流电压平滑，稳压电路的作用是在 电网电压波动或负载电流变化时保持输出电压基本不变。

●整流电路有半波和全波两种，最常用的是单相桥式整流电路。分析整流电路时，应分别判断在变压器副边电压正、负半周两种情况下二极管的工作状态，从而得到负载两端电压、二极管端电压及其电流波形并由此得到输出电压和 电流的平均值，以及二极管的最大整流平均电流和所能承受的最高反向电压。

●滤波电路通常有电容滤波、电感滤波和复式滤波，本章重点介绍了电容滤波电路。

●稳压管稳压电路结构简单，但输出电压不可调，仅适用于负载电流较小且其变化范围也较小的情况。

●在串联型稳压电源中，调整管、基准电压电路、输出电压取样电路和比较放大

电路是基本组成部分。电路中引入了深度电压负反馈，从而使输出电压稳定。

●    集成稳压器仅有输入端、输出端和公共端三个引出端，使用方便，稳压性较 好。

 

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