(整理)10直流电源.

本章讨论的问题：1.如何将50Hz 、220V 的交流电压变为6V 的直流电压？2.220V
的交流电压经整流后是否输出220V 的直流电压？3.将市场销售的6V 直流电源接到收音机上，为什么有的声音清晰，有的含有交流声？ 4.对于同样标称输出电压为6V 的直流电源，在未接收音机时，为什么测量输出端子的电压，有的为6V ，而有的为7－8V ？
5.为什么有的直流电源在电网电压变化和负载变化时输出电压不变，而有的随之变化？
6.一个5V 交流电压是否可能转换为6V 直流电压？一个3V 电池是否可以转换成为6V 的直流电压？
7.对于一般直流电源，若不慎将输出端短路，则一定会使损坏吗？ 8.线性电源和开关型电源有和区别？它们分别应用在什么场合？
10.1直流电源的组成及各部分的作用
电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高,一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。

本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源。

一般直流电源由如下部分组成:
整流电路是将工频交流电转换为脉动直流电。

滤波电路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。

稳压电路采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。

直流电源的方框图如图10.1所示。

图10.1.1整流滤波方框图
10.2整流电路
10.2.1整流电路的分析方法及其基本参数
一、工作原理
t
U sin 22L
R U 22
优点：使用元件少。

缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。

二、主要参数 1.输出电压平均值 U O(A V)输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值 2.负载电流的平均值
3.脉动系数
三、二极管的选择
根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。

二极管的正向电流等于负载电流平均值
二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压
对于二极管最大整流平均电流I F 和最高反向工作电压U R 均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。

10.2.2 单相桥式整流电路
一、单向桥式整流电路的组成单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的
电路，如图10.2.4（a ）所示。

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。

二、工作原理
根据图10.2.4（a ）的电路图可知：
当正半周时，二极管D 1、D 3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D 2、D 4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10.2.4（b ）。

2
2U 2
2U 图 10.2.2半波整流电路的波形图
)(d 2120
o O(AV)t u U ω⎰ππ=2202
O(AV)45.02
)(td sin 21U U t U U ===⎰π
2ππωωL 2L AV O AV O R U 45.0R U I ≈）（）（＝O(AV)
O1m U U S =
L
2
AV O AV D R U 45.0I I ≈
）（）（＝2
max R 2U U =
三、输出电压平均值 UO(A V) 和输出电流的平均值IO(A V)
根据图15.02（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
2202L O 9.0π
2
2d s i n 2π1V V t ωt ωV V V ====⎰π
（a ）桥式整流电路 （b ）波形图
图10.2.4单相桥式整流电路 （动画15-1）（动画15-2）
流过负载的平均电流为
L
2
L 2L 9.0π22R V R V I =
=
流过二极管的平均电流为
L
2L 2L D 45.0π22R V R V I I =
==
二极管所承受的最大反向电压
2Rmax 2V V =
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。

脉动系数S 定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。

)4cos π
154
2cos π34π2(22O +--=t t V v ωω
67.03
2
π22 π32422===
V V S
四、二极管的选择
1.每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，
所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。

2.二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压
3.对于二极管最大整流平均电流I F 和最高反向工作电压U R 均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。

问题：如何实现正、负电源？将桥式整流电路变压器副边中点接地，并将二个负载电阻相连接，且连接点接地。

u O1 为正； u O2为负
问题：三相整流电路如何实现？
变压器副边的三个端均应接二只二极管，一只接阳极，另一只 接阴极。

D 1 D 2 D 3轮流导通，
阳极电位高的D 先导通； D 4D 5D 6轮流导通，阴极电位低的D 先导通。

L
2
AV O AV D R U 45
.02I I ≈
）（）
（＝2max R 2U U =图10.2.7 利用桥式整流电路实现正、负电源
图10.2.8 三相整流电路
附1单相半波整流电路
单相整流电路除桥式整流电路外还有有单相半波和单相全波两种形式。

单相半波整流电路如图 (a)所示，波形图如图 (b)所示。

根据图可知，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
2202L O 45.0π
2
)ω(d ωsin 2π1V V t t V V V ====⎰π
流过负载和二极管的平均电流为
L
2
L 2L D 45.0π2R V R V I I =
=
=
(a)电路图 (b)波形图
图单相半波整流电路
二极管所承受的最大反向电压
2Rmax 2V V =
附2.单相全波整流电路
单相全波整流电路如图 (a)所示，波形图如图 (b)所示。

(a)电路图 (b)波形图
图 单相全波整流电路
根据图（b ）可知，全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出相同。

输出平均电
压为
2202L O 9.0π
2
2d sin 2π1V V t ωt ωV V V ====⎰π
流过负载的平均电流为 L
2
L 2L D 9.0π22R V R V I I =
== 二极管所承受的最大反向电压 2Rmax 22V V =
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。

67.03
2
π22π
32422
===
V V S 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。

10.3滤波电路
滤波：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。

滤波电路的结构特点:电容与负载R L 并联或电感与负载R L串联。

10.3.1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
现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。

电容滤波电路如图10.3.1所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。

图10.3.1 电容滤波电路
3.滤波原理
若v2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，是正弦波。

当v2到达ωt=π/2时，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ωt=π/2时，正弦曲线下降的速率很慢。

所以刚过ωt=π/2时二极管仍然导通。

在超过ωt=π/2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t2到t3时刻，二极管导电，Ｃ充电，V i=V o按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，V i=V o按指数曲线下降，放电时间常数为R L C。

电容滤波过程见图10.3.2。

图10.3.2电容滤波电路波形
需要指出的是，当放电时间常数R L C 增加时，t 1点要右移，t 2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，R L C 减少时，导通角增加。

显然。

当ＲL 很小，即I L 很大时，电容滤波的效果不好，见图18.05滤波曲线中的2。

反之，当ＲL 很大，即I L 很小时，尽管C 较小, R L C 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。

问题：有Ｃ无ＲL 即空载，此时V C =V O =？
图10.3.4电容滤波的效果（动画15-3） （动画15-4）
4.电容滤波电路参数的计算
电容滤波电路的计算比较麻烦，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)41(2L 2O C
R T
V V -
=
另一种是在R L C =（3~5）
2
T
的条件下，近似认为V O =1.2V 2。

5.外特性
整流滤波电路中，输出直流电压V O 随负载电流I O 的变化关系曲线如图10.3.5所示。

图10.3.5电容滤波外特性曲线
*使用条件：
2)
5~3(L d T C R ≥=τ
10.3.3其它形式的滤波电路 一、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。

桥式整流电感滤波电路如图10.3.8所示。

电感滤波的波形图如图15.11所示。

当v 2正半周时，D 1、D 3导电，电感中的电流将滞后v 2。

当负半周时，电感中的电流将更换经由D 2、D 4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D 1、D 3；D 2、D 4的导电角都是180°。

图10.3.8电感滤波电路
图10.3.9LC 滤波电路波形图
图10.3.8电感滤波电路波形图 （动画15-5）
L 愈大，滤波效果愈好；适用于负载电流较大的场合。

二、LC 滤波电路
输出直流电压为： 脉动系数 S ：
适用于各种场合。

三、LC - P 型滤波电路
四、RC - P 型滤波电路 五、各种滤波电路的比较
10.4稳压二极管稳压电路
2
O(AV)O(AV)9.0U U U ='≈S LC
S '≈
2
1
ω
整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因： ·负载变化；
·电网电压波动。

10.4.1
稳压管稳压电路的组成
两个基本公式：U I ＝U R +U O I R ＝I DZ +I L 稳压管的伏安特性在稳压管稳压电路中， 只要使稳压管始终工作在稳压区， 保证稳压管的电流：I Z ≤I DZ ≤I ZM 输出电压U O 就基本稳定。

10.4.2稳压原理
硅稳压二极管稳压电路的电路图如图10.4.3所示。

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。

图10.4.3硅稳压二极管稳压电路
1.当输入电压变化时如何稳压
根据电路图可知
R I V V V V V R I R I Z O ==-=- Z L R +=I I I
输入电压V I 的增加，必然引起V O 的增加，即V Z 增加，从而使I Z 增加，I R 增加，使V R
增加，从而使输出电压V O 减小。

这一稳压过程可概括如下：
V I ↑→V O ↑→V Z ↑→I Z ↑→I R ↑→V R ↑→V O ↓
这里V O 减小应理解为，由于输入电压V I 的增加，在稳压二极管的调节下，使V O 的增加没有那么大而已。

V O 还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。

2.当负载电流变化时如何稳压
图10.4.2稳压管的伏安特性
负载电流I O 的增加，必然引起I R 的增加，即V R 增加，从而使V Z =V O 减小，I Z 减小。

I Z
的减小必然使I R 减小，V R 减小，从而使输出电压=V O 增加。

这一稳压过程可概括如下：
I O ↑→I R ↑→V R ↑→V Z ↓（V O ↓）→I Z ↓→I R ↓→V R ↓→V O ↑
综上所述，在稳压二极管所组成的稳压电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R 上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的
10.4.3稳压管稳压电路的性能指标
用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。

∆V I 和∆ I O 引起的∆ V O 可用下式表示。

O O I r O L
O I I O O I R V S I I V
V V V V ∆+∆=∆+∆≈
∆∂∂∂∂ 1.稳压系数S r
稳压系数的定义为 0
=I
O
I O r O =
I V V V V S ∆∆∆≈∂∂
2.电压调整率S V
%1001=
=I
O O V O ⨯∆∆∆I V V V S
电压调整率是特指ΔV I /V I =±10%时的S r 。

3.输出电阻R o
=O
O o I =V I V R ∆∆∆
4.电流调整率S I
电流调整率S I 的定义是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。

%100=
=O
O I I ⨯∆∆V V V S
5.纹波抑制比S rip
S rip 定义为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。

p
-op p -ip rip 20lg
=V V S
6.输出电压的温度系数S T
%1001=
=0,=O O T I O ⨯∆∆∆∆V I T
V V S
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。

),,(=O I O T I V f V
10.4.4电路参数的选择
在选择元件时，应首先知道负载所要求的输出电压UO ，负载电流IL 的最小值ILmin 和最大值ILmax ，输入电压UI 的波动范围。

1.稳压电路输入电压U I 的选择 U I ＝（2~3） U O
2.稳压管的选择U Z ＝ U O I ZM －I Z >I Lmax －I Lmin I ZM >I Lmax + I Z
3.限流电阻R 的选择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 的作用是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I Z 的变化就可引起足够大的V R 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V I 值，损耗就要加大。

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I Z 不应小于I Zmin ，由此计算出来稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。

即
Lmax
Zmin Z
Imin max =
I I V V R +-
（2）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I Z 不应超过I Zmax ，由此可计算出来稳压电阻的最小值。

即
Lmin
Zmax Z
Imax min =
I I V V R +-
max min <R R R <
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！
[例10.4.1]在10.4.1所示的电路中，已知UI ＝15V ，负载电流为10~20mA ；稳压管的稳定电压UZ ＝6V ，最小稳定电流IZ ＝5A ，最大稳定电流IZM ＝40A 动态电阻rZ ＝15Ω 。

（1）求解R 的取值范围；（2）若R ＝250Ω ，则稳压系数和输出电阻各为多少？ （3）为使稳压性能好一些，R 的值是大还是小些，为什么？
10.5串联型稳压电路稳压二极管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调。

串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在
电路中引入电压负反馈使输出电压稳定；可通过改变反馈网络的参数使输出电压可调。

10.5.1串联型稳压电路的工作原理
一、基本调整管电路线性串联型稳压电源的工作原理可以用图10.5.1加以说明。

图10.5.1 串联稳压电源示意图
显然，V O =V I- V R，当V I增加时，R受控制而增加，使V R增加，从而在一定程度上抵消了V I增加对输出电压的影响。

若负载电流I L增加，R受控制而减小，使V R减小，从而在一定程度上抵消了因I L增加，使V I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V CE，V CE相当于V R。

要想输出电压稳定，必须按电压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10.5.2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。

图10.5.2串联型稳压电路方框图
二、稳压原理
根据图10.5.2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V I的增加，必然会使输出电压V O有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号V F与基准源电压V REF比较，获得误差信号ΔV。

误差信号经放大后，用V O1去控制调整管的管压降V CE增加，从而抵消输入电压增加的影响。

V I↑→V O↑→V F↑→V O1↓→V CE↑→V O↓
2．负载电流变化，输入电压保持不变
负载电流I L 的增加，必然会使输入电压V I 有所减小，输出电压V O 必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号V F 与基准电压源V REF 比较，获得的误差信号使V O1增加，从而使调整管的管压降V CE 下降，从而抵消因I L 增加使输入电压减小的影响。

I L ↑→V I ↓→V O ↓→V F ↓→V O1↑→V CE ↓→V O ↑
3．输出电压调节范围的计算
根据图10.5.2可知
V F ≈V REF
REF 2
32
1O1O )"+
(1=V R R R R V V +'+≈
调节R 2显然可以改变输出电压。

（动画16-1） （动画1-2）
4.调整管的选择
三、串联型稳压电路的方框图实用的串联型稳压电路至少包括调整管、基准电压
电路、取样电路、比较放大电路四个部分组成。

此外为使电路安全工作，还常在电路中加保护电路。

10.5.2集成稳压器中的基准电压电路和保护电路 10.5.3集成稳压器电路 10.5.4三端稳压器的应用
一、三端稳压器的外形和方框图
将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。

早期的集成稳压图10.5.3串联型稳压电路的方框图
器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个外引线：输入端、输出端和公共端。

它的电路符号如图10.5.4所示，外形如图10.5.5所示。

要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。

图10.5.4集成稳压器符号图10.5.5外形图
二、线性三端集成稳压器的分类
三端集成稳压器有如下几种：
1.
2.三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78--/CW78M--/CW78L--
3.三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79--/CW79M--/CW79L--
4.
5.三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--
6.三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--
7.三端低压差集成稳压器
8.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℃。

三、应用电路
三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图10.5.6所示, 三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图10.5.7所示。

图10.5.6 三端固定输出稳压器应用电路 图10.5.7三端可调输出稳压器应用电路
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1.25V 的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。

)1(25.1+
=1
P P a P 1REF REF O R R
R I R R V V V +⨯≈+ 四、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，电路如图10.5.8和图10.5.9所示。

图10.5.8 稳压器作恒流源
(a)小电流恒流源 (b)大电流恒流源
图10.5.9可调稳压器作恒流源电路。