第12章直流稳压电源

L
U
12
选择稳压二极管 2CW60，其稳压电压UZ =(11.5~12.5)V，稳定电流IZ =5mA,最大稳 定电流IZM =19mA。
12.3.2 集成稳压电源
当前已经广泛应用单片集成稳压电源。它具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉 等优点。 本节主要讨论的是 W7800 系列(输出正电压)和 W7900 系列(输出负电压)稳压器的使用。 图 12.3.2 所示时 W7800 系列稳压器的外形、管脚和接线图。这种稳压器只有输入端 1、输 入端 2 和公共端 3 三个引出端， 故也称为三端集成稳压器。 使用时只需在其输入端和输出端 与公共端之间各并联一个电容即可。Ci 用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激 振荡， 接线不长时也可不用。 C0 时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。 Ci 一般在 0.1~1 μ F 之间，如 0.33 μ F ； C0 可用 1 μF 。 W7800 系列输出固定的正电压有 5V,8V,12,V,15V,18V,24V 多种。例如 W7815 的输出电压为 15V；最高输出电压为 35V；最小 输入、输出电压差为 2~3V；最大输出电流为 2.2A;输出电阻为 0.03~0.15Ω；电压变化率为 0.1%~0.2%。W7900 系列输出固定的负电压，其参数与 W7800 基本相同。使用时三端稳压器 接在整流滤波电路之后。下面介绍几种三端集成稳压器的应用电路。
图 12.3.2 W7800 系列稳压器 （a） 外形；(b)接线图
（1） 正、负电压同时输出的电路(图 12.3.3)。
图 12.3.3 正、负电压同时输出的电路
（2） 提高输出电压的电路(12.3.4) 图 12.3.4 所示的电路能是输出电压高于固定输出电压。图中，UXX 为 W78XX 稳压器 的固定输出电压，显然
变压器二次侧电压的有效值为
0 U=0.9 = 0.9 V=122V
1
U
110ห้องสมุดไป่ตู้
考虑到变压器二次绕组及管子上的电压降，变压器的二次侧电压大约要高出 10%，即 122× 1.1V=134V。于是
URM = 2 × 134V=189V
因此可选用 2CZ55E 二极管，其最大整流电流为 1A，反向工作峰值电压为 300V。 (2) 变压器的变比
在 u 的负半圆周，D2 和D4 导通，D1 和D3 截止，电流为i2 ，其通路如虚线所示。通过负载电 阻R L 的i1 和i2 方向相同， 其波形如图 12.1.2(b)所示。 在负载电阻上得到的是全波整流电压u0 。 由于二极管的正向电压降很小，因此可以认为u0 的波形和 u 的正半波是相同的。
图 12.1.2
单相桥式整流电路的电压和电流的波形
单相全波整流电压的平均值为
������0 =������
1
������ 0
2 ������ ������������������ ������������ ������(ωt)=
2 2 π
U=0.9U
(12.1.1)
式中 U 是交流电压 u 的有效值。 至于二极管截止时所承受的最高反向电压，从图 12.1.1 可以看出。当D1 和D3 导通时，如 果忽略二极管的正向电压降，截止管D2 和D4 的阴极电位就等于 a 点的电位，阳极电位 b 点 的电位。所以截止管所承受的最高反向电压就是电源电压的最大值，即
到稳压的作用。例如，当负载电流增大时，电阻 R 上的电压降增大，负载电压UO 因而下降。 只要UO 下降一点，稳压二极管电流就显著减小，通过电阻 R 的电流和电阻上的电压降保持 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。 选择稳压二极管时一般取UZ = UO , UI =(2~3) UO .
UO =UXX +UZ
（3） 扩大输出电流的电路(图 12.3.5) 当电路所需电流大于 1~2A 时，可采用外接功率管 T 的方法来扩大输出电流。在 图 12.3.5 中， I2 为稳压器的输出电流， IC 是功率管的集电极电流， IR 是电阻 R 上的电流。
一般I3 很小，可忽略不计，则可得出 I2 ≈ I1 =IR +IB =−
12.3.1 稳压二极管稳压电路
最简单的直流稳压电源是采用稳压二极管来稳定电压的。 图 12.3.1 所示是一种稳压二极 管稳压电路，经过桥式整流电路整流和电容滤波器滤波得到直流电压U1 再经过限流电阻 R 和稳压二极管DZ 组成的稳压电路接到负载电阻R L 上。这样，负载上得到的就是一个比较稳 定的电压。
U BE I C R
+β
的关系式，式中β为功率管的电流放大系数。设β=10，UBE =−0.3V，R=0.5Ω, I2 =1A, 则由上式可算出IC = 4A，可见输出电流比I2 扩大了。图中的电阻 R 的阻值要使功率管 只能在输出电流比较大时才导通。
2 T
R L C=5×
已知R L =200Ω，所以
0.05 0.05
L
1 50 2
s=0.05s
C= R = 200 F=250× 10−6 F=250μf
选用 C=250μF，耐压为 50V 的极性电容器。
12.2.2
电感电容滤波器(LC 滤波器)
为了减小输出电压的脉动程度，在滤波电容之前串接一个铁芯电感线圈 L，这样就组成 了电感电容滤波器(图 12.2.2)。 由于通过电感线圈的电流发生变化时， 线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化， 因而 使负载电流和负载电压的脉动大为减小。频率越高，电感越大，ωL 比R L 大的越多，则滤波 效果越好； 而后又经过电容滤波器滤波。 这样， 便可以得到甚为平直的直流输出电压。 但是， 由于电感线圈的电感较大(一般在几亨到几十亨的范围内)，其匝数较多，电阻也较大，因而 其上也有一定的直流电压降，~造成输出电压的下降。 具有 LC 滤波器的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，用于高频 时更为合适。 在电流较大、 负载变动较大、 并对输出电压的脉动程度要求不太高的场合下(例 如晶闸管电源)，也可将电容器除去，而采用电感滤波器(L 滤波器)。
图 12.3.1 稳压二极管稳压电路
引起电压不稳定的原因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。例如，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 即为稳压二极管两端的反向电压。当负载电压UO 稍有增加时，稳压二极 管的电流IZ 就显著增加， 因此电阻 R 上的电压降增加， 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 压二极管电流IZ 显著减小， 电阻 R 上的电压降也减小， 仍然保持负载电压UO 近似不变。 同理， 如果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
URM = 2U
【12.1.1】 已知负载电阻R L =80Ω，负载电压U0 =110V。今采用单相桥式整流电路，交流电 源电压为 380V。(1)如何选用晶体二极管？(2)求整流变压器的变比及容量 【解】 (1) 负载电流
I0 =R 0 = 80 A=1.4A
L
U
110
每个二极管通过的平均电流
ID =2 I0 =0.7A
图 12.2.1(a)中与负载并联的一个容量足够大的电容器就是电容滤波器，利用电容器的充 放电，以改善输出电压u0 的脉冲程度。
图 12.2.1 接有电容滤波器的单相桥式整流电路 （a） 电路； (b)u0 的波形
在 u 的半圆周，且 u> uc 时，D1 和D3 导通，一方面供电给负载，同时对电容 C 充电。当 充到最大值，即uc =Um 后，uc 和 u 都开始下降，u 按正弦规律下降，当 u< uc 时，D1 和D3 承 受反向电压而截止，电容器对负载放电，uc 按指数规律下降。在 u 的负半周，情况类似，只 是在|u|> uc 时，D2 和D4 导通。经滤波后u0 的波形如图 12.2.1(b)所示，脉动显然减小。放电 时间常数R L C 大一些，脉动就小一些。一般要求
图 12.1.3
整流桥块
12.2
滤 波 器
整流电路虽然可以把交流电转换为直流电，但是所得到的输出电压是单向脉动电压。在 某些设备(例如电镀、蓄电池充电等设备)中，这种电压的脉动是允许的。但是在大多数电子 设备中，整流电路中都要加接滤波器，以改善输出电压的脉动程度。
12.2.1
电容滤波器(C 滤波器)
R L C≥(3∼5)2
T
(12.2.1)
式中 T 是 u 的周期。这时，U0 ≈1.2U。 电容滤波器一般用于要求输入电压较高，负载电流较小并且变化也较小的场合。 【例 12.2.1】有一单相桥式电容滤波整流电路(图 12.2.1)，已知交流电源的频率 f=50Hz, 负载电阻R L =200Ω，要求直流输出电压U0 =30V,选择整流二极管及滤波电容器。 【解】 (1)选择整流二极管 流过二极管的电流
图 12.2.2 电感电容滤波电路
12.3 直流稳压电源
经整流和滤液后的电压往往会随交流电源电压的波动和负载的变化而变化。 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。
ID =2 I0 =2 × R 0 =2 × 200 A=0.075A=75mA
L
1
1
U
1
30
取U0 = 1.2U，所以变压器二次侧电压的有效值
0 U=1.2 =1.2V=25V
U
30
二极管所承受的最高反向电压
URM = 2U= 2 × 25V=35V
因此可以选用二极管 2CZ52B，其最大整流为 100mA，反向工作峰值电压为 50V。 (2)选择滤波电容器 根据式(12.2.1)，取R L C=5× ，所以