1、第18章 直流稳压电源,18.2 滤波器,18.3 直流稳压电源,18.1 整流电路,本章要求： 理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算; 2. 了解稳压管稳压电路和串联型稳压电路的工作原理; 3. 了解集成稳压电路的性能及应用。,第18章 直流稳压电源,第18章 直流稳压电源,小功率直流稳压电源的组成,功能：把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压,18.1 整流电路,整流电路的作用: 将交流电压转变为脉动的直流电压。,常见的整流电路：半波、全波、桥式和倍压整流; 单相和三相整流等。,分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,整流原理：利用二极
2、管的单向导电性,下面重点分析半波和桥式整流、滤波电路,18.1.1 单相半波整流电路,2. 工作原理,Va Vb，二极管D导通；,3. 工作波形,1. 电路结构,u 正半周,u,t,O,2. 工作原理,VaVb，二极管D导通；,1. 电路结构,u 正半周,3. 工作波形,Va Vb，二极管D 截止。,u 负半周,18.1.1 单相半波整流电路,4. 参数计算,(1) 整流电压平均值 Uo,(2) 整流电流平均值 Io,(3) 流过每管电流平均值 ID,(4) 每管承受的最高反向电压 URM,(5) 变压器副边电流有效值 I,5. 整流二极管的选择,平均电流 ID 与最高反向电压 UDRM 是选
3、择整流二极管的主要依据。,选管时应满足：IOM ID ， URWM URM,优点：结构简单，使用的元件少。,缺点：只利用了电源的半个周期，所以电源利用率低,输出的直流成分比较低；输出波形的脉动大; 变压器电流含有直流成分，容易饱和。故半波整流只用在要求不高，输出电流较小的场合。,18.1.2 单相桥式整流电路,2. 工作原理,VaVb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。,3. 工作波形,uD2uD4,1. 电路结构,u 正半周,18.1.2 单相桥式整流电路,2. 工作原理,3. 工作波形,uD2uD4,1. 电路结构,VaVb, 二极管D2、D4 导通， D1、D3 截止
4、。,uD1uD3,u 负半周,4. 参数计算,(1) 整流电压平均值 Uo,(2) 整流电流平均值 Io,(3) 流过每管电流平均值 ID,(4) 每管承受的最高反向电压 URM,(5) 变压器副边电流有效值 I,(1) 输出直流电压高；(2) 脉动较小；(3) 二极管承受的最大反向电压较低；(4) 电源变压器得到充分利用。,目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。,桥式整流电路的优点：,18.1.2 单相桥式整流电路,单相桥式整流电路的几种形式,解：变压器副边电压有效值,例1：单相桥式
5、整流电路，已知交流电网电压为 220V，负载电阻 RL = 50, 负载电压Uo=100V, 试求变压器的变比和容量, 并选择二极管。,流过每只二极管电流平均值,每只二极管承受的最高反向电压,整流电流的平均值,考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器副边电压一般应高出 5%10%，即取,U = 1.1 111 122 V,I = 1.11 Io= 2 1.11 = 2. 2 A,变压器副边电流有效值,变压器容量 S = U I = 122 2.2 = 207. 8 V A,变压器副边电压 U 122 V,可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。,例1：单相
6、桥式整流电路，已知交流电网电压为 220V，负载电阻 RL = 50，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量, 并选择二极管。,例2：,试分析图示桥式整流电路中的二极管D2 或D4 断开时负载电压的波形。如果D2 或D4 接反，后果如何？如果D2 或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？,解：当 D2或 D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1 和 D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止, 负载中无电流通过, 负载两端无电压， uo =0。,如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电
7、流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。,如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。,18.1.3 三相桥式整流电路,2. 工作原理,在每一瞬间 共阴极组中阳极电位最高的二极管导通； 共阳极组中阴极电位最低的二极管导通。,1. 电路,三相变压器原绕组接成三角形，副绕组接成星形,共阳极组,共阴极组,在 t1 t2 期间 共阴极组中a点电位最高，D1 导通； 共阳极组中b点电位最低，D4 导通。,负载两端的电压为线电压uab。,负载电压,2. 工作原理,变压器副边电压,在 t2 t3 期间 共阴极组中a点电位最高，D1 导
8、通； 共阳极组中c点电位最低，D6 导通。,负载两端的电压为线电压uaC。,负载电压,2. 工作原理,变压器副边电压,在 t3 t4 期间 共阴极组中b点电位最高，D3 导通； 共阳极组中c点电位最低，D6 导通。,负载两端的电压为线电压ubC。,负载电压,2. 工作原理,变压器副边电压,在 t4 t5 期间 共阴极组中b点电位最高，D3 导通； 共阳极组中a点电位最低，D2 导通。,负载两端的电压为线电压uba。,负载电压,2. 工作原理,变压器副边电压,2. 工作原理,结论： 在一个周期中，每个二极管只有三分之一的时间导通（导通角为120）。,变压器副边电压,负载电压,负载两端的电压为线电
9、压。,3. 参数计算,(1) 整流电压平均值 Uo,(2) 整流电流平均值 Io,(3) 流过每管电流平均值 ID,(4) 每管承受的最高反向电压 URM,18.2 滤波器,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。滤波原理：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, 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。方法: 将电容与负载 RL并联(或将电感与负载 RL串联)。,= uC,18.2.1 电容滤波器( C 滤波器),2. 工作原理,u uC时，二极管导通, 电源在给负载RL供电的同时也给电容充
10、电， uC 增加，uo= uC 。,u uC时，二极管截止，电容通过负载RL 放电，uC按指数规律下降， uo= uC 。,3. 工作波形,二极管承受的最高反向电压为 。,1. 电路结构,u,u,截止二极管上的最高反向电压UDRM,4. 电容滤波电路的特点,(T 电源电压的周期),(1) 输出电压的脉动程度与平均值 Uo 与放电时间常数RLC有关。,RLC 越大 电容器放电越慢输出电压的平均值Uo 越大，波形越平滑。,近似估算取： Uo = 1. 2 U ( 桥式、全波）Uo = 1. 0 U （半波）,当负载RL 开路时，UO ,为了得到比较平直的输出电压,(2) 外特性曲线,有电容滤波,1
11、.4U,结论,采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。,(3) 流过二极管的瞬时电流很大,选管时一般取：IOM =2 ID,RLC 越大O 越高，IO 越大整流二极管导通时间越短 iD 的峰值电流越大。,例：,有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f = 50Hz，负载电阻 RL = 200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。,流过二极管的电流,二极管承受的最高反向电压,变压器副边电压的有效值,解：1. 选择整流二极管,IOM =100mA URWM =50V,可选用二极管
12、2CZ52B,例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f= 50Hz，负载电阻 RL= 200，要求直流输出电压Uo= 30V，选择整流二极管及滤波电容器。,取 RLC = 5 T/2,已知 RL = 50 ,2. 选择滤波电容器,可选用C = 250 F，耐压为 50 V 的极性电容器,解：,18.2.2 电感电容滤波器( LC 滤波器),1. 电路结构,2. 滤波原理,对直流分量: XL= 0,L 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 L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。,当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电
13、流的变化, 使负载电流和电压的脉动减小。,LC 滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。,18.2.3 形滤波器, 形 LC 滤波器,滤波效果比 LC滤波器更好，但二极管的冲 击电流较大。,比 形 LC 滤波器的体积小、成本低。, 形 RC 滤波器,R 愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R 大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。,交直流收扩两用机电源,如图电源输出电压为24V, 电流为1.8A。变压器副绕组N3 的电压约为20V, C2起抑制高频干扰作用；副绕组N2的电压为5.5V，供照明指示 灯用。直流 24V电池的 极性可任意接
14、入。,18.3 直流稳压电源,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。,18.3.1 稳压管稳压电路,2. 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,RL(IO) IR ,设UI一定，负载RL变化, UO (UZ ) , IZ,限流调压,1. 电路,稳压电路,18.3.1 稳压管稳压电路,2. 工作原理,UO = UZ IR = IO +
15、 IZ,UI UZ ,设负载RL一定， UI 变化, IZ , IR ,1. 电路,3. 参数的选择,(1) UZ = UO (2) IZM= (1.5 3) IOM (3) UI = (2 3) UO,(4),为保证稳压 管安全工作,为保证稳压 管正常工作,适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。,跳砖,18.3.2 串联型稳压电路,1. 电路组成与稳压原理,串联型稳压电路的组成框图,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中。,18.3.2 串联型稳压电路,2. 具有放大环节的
16、典型串联型晶体管稳压电路,调整元件,比较放大,基准电压,取样电路,稳压的实质：UCE 的自动调节使输出电压恒定,若Ui增大时，自动调整过程如下：,UiUOVB2 UBE2IB2IC2UCE2,UO UCE1 IC1 IB1 UBE1 ,稳压原理:,具有放大环节的串联型稳压电路输出电压的大小,决定于电路的分压比和基准电压，调节电位器的RP滑动端即可改变输出电压。,串联型稳压电源电路,使二极管免受瞬时大电流冲击,桥式整流滤波,串联型稳压电路,复合调整管,进一步改善稳压性能,串联型稳压电源电路如图所示。它由桥式整流电路、电容滤波器及串联型稳压电路三部分组成。T1是电源变压器, 用以降压；D1D4组成
17、桥式整流电路；并联在整流二极管两端的电容起保护作用, 使二极管免受瞬时大电流的冲击；C5为滤波电容。整流滤波得到的直流电压容易随电网电压或负载电流的变化而变化, 所以在整流滤波电路后面加入直流稳压电路，以保证由稳定的直流电压输出。T2 、T3 组成复合调整管；T1担任比较放大；稳压二极管 D5 产生基准电压； R6 、 RP 、R7组成取样电路。,电路的稳压过程是：当输出电压UO因电网电压或负载的变动而升高时，由取样电路取出误差电压加到T1基极，而 T1发射极因稳压管D5的作用而保持稳定，所以 T1的基极电压降,串联型稳压电源电路原理,增大，管子的集电极电流IC随之增大，则在IC1负载电阻R1
18、 、 R2上的压降也增大，结果使复合调整管T2、 T3 得基极电位下降，管子内阻增大， T3的UCE增大，由于UO=18VUCE ，使UO下降，因而保持了UO的稳定。如果UO降低，则上述过程相反，这时稳压电路使UO上升，以实现稳压。R1 、C6 、 R2组成两节滤波电路，以滤除T2基极电压波纹。 T2基极所接电阻 R3的作用是防止电路自激。 R4为 T2 的射极负载电阻, R5担任限流, C8为滤波电容, 用来进一步改善稳压性能。,3. 带有运放的串联型稳压电路,调整元件,比较放大,基准电压,取样电路,典型串联型稳压电路温度稳定性和稳定精度不高, 采用线性集成运放作为比较放大器，以减小稳压电路
19、输出电压的温漂和提高输出电压稳定精度。,8,+,U,o,-,+,U,I,-,R,1,R,L,R,1,R,1,U,F,U,Z,R,2,+,+,-,-,T,U,B,+,+,U,F,+,8,+,U,o,-,+,U,I,-,R,1,R,L,R,1,R,1,U,F,U,Z,R,2,+,+,-,-,T,U,B,+,+,U,F,+,当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压 UO 升高时，有如下稳压过程：,稳压过程,由电路图可知,UO,UF ,UB ,UO,IC ,UCE ,由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。,输出电压及调节范围,输出电压,18.3.3 集成稳压电源,单片集成稳压电源，具有体积小
20、，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。,1. 固定式三端集成稳压器,XX表示集成稳压器的输出电压的数值, 以V为单位。,W7800、W7900系列稳压器有金属封装和塑料封装两种,(2) 外形及引脚功能,外形封装和引脚功能图,使用时必须注意引脚功能，不能接错，否则电路将不能正常工作，甚至损坏集成电路。,(3) 性能特点 (W7800、W7900系列),输出电流超过 1. 5 A(加散热器) 不需要外接元件 内部有过热保护 内部有过流保护 调整管设有安全工作区保护 输出电压容差为 4%,跳砖,三端固定输出电压集成稳压器，因内部
21、有过热、过流保护电路，因此它的性能优良，可靠性高。由于其具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，得到广泛应用。,(4) 主要参数, 电压调整率SU (稳压系数)反映当负载电流和环境温度不变时，电网电压波 动对稳压电路的影响。, 电流调整率SI 反映当输入电压和环境温度不变时，输出电流变化时输出电压保持稳定的能力，即稳压电路的带负载能力。,0.0050.02%,0.11.0%, 输出电压 UO, 最大输入电压 UiM, 最大功耗 PM, 最大输出电流 IOM, 最小输入、输出电压差 (Ui -UO ) min,输出电压： 1. 25 37 V 连续可调,输出电流： L型(0.1A)、M型(0.5A
22、)，未标字母(1.5A),外形及引脚功能,2. 可调式三端集成稳压器,3. 三端输出集成稳压器的应用,输出为固定正电压时的接法如图所示。,(1) 输出为固定电压的电路,为了瞬时增减负载电流 时，不致引起输出电压 有较大的波动。即用来 改善负载的瞬态响应。,用来抵消输入端接线 较长时的电感效应， 防止产生自激振荡。 即用以改善波形。,(2) 同时输出正、负电压的电路,(3) 提高输出电压的电路,UXX: 为W78XX固定输出电压 UO= UXX + UZ,(4) 输出电压可调的电路,可见移动电位器滑动端，改变电阻 R2 和 R1的比值，便可调节输出电压 UO 的大小。,也可直接选用三端可调输出集
23、成稳压器调节输出电压,由于调整端的电流可忽略不计，输出电压为,如果RP = 6.8 ，则UO的输出电压范围为1.25 37 V。,18.3.4 开关型稳压电源,串联型稳压电路中调整管工作在放大状态，功耗较大、效率较低。开关型稳压电源调整管工作在饱和导通和截止状态 (即开关状态)，与负载连接方式有串联和并联两种。,开关型稳压电源具有效率高、体积小、适用面广、可靠性高等特点，符合现代电子设备向小型化发展的方向，因而被广泛采用。相对于电子设备中的其他模块，开关电源工作电压较高、电流较大，故障率高。开关电源种类很多，其基本工作原理相同，均是把市电整流滤波得到的。,18.3.4 开关型稳压电源,串联开关型稳压电源的原理电路,开关型稳压电源能获得平稳直流电压输出的关键在于二极管 D 的续流和L 、C 的滤波作用。,工作原理,开关型稳压电源的电压、电流波形,脉宽调制式 (PWM),
