第十章 直流稳压电源

a
iD D4
v1
v1
v2
D1 D3 D2
S
+ C –
vL RL
b
只有整流电路输出 电压大于vL时，二 极管才有电流iD 。 因此二极管电流是 脉冲波。 可见，采用电容滤 波时，整流管的导 通角较小。 v2
0
3 5 4

2
ωt
二极管的电 流 iD
vL
ωt
a
v1
v1
v2
D4 D3
D1 D2
S + C – vL RL
VL
b
0

2
3
t
2π
1
π
0
v Ldt
2V2 π
0.45V2
T v1
D a v2 RL vL (2) 输出电流平均 值（IL）：
IL VL RL 0 . 45 V 2 RL
b (3) 脉动系数(ripple factor )（S）：
iL
S定义：整流输出电压的基波峰值Vo1m与平均值VL 之比。 V o1m
0 . 04 s RL
66 . 6 F
考虑电网波动10%，电容器承受的最高电压为
V CM 2V 2 1 . 1 38 . 5V
选则标称值为68µ F/50V的电解电容
倍压整流电路的工作原理
二倍压整流电路
–
VO +
C2 – +
v1 v2 C1 +
v2的正半周时：D1 导通，D2截止，理 想情况下，电容C1 的电压充到： 2V2
T VZ
IL
RL
该电路与一般共集电极放大电路的区别：其工作电 压源VI不稳定，“输入信号”为稳定电压VZ，并要 求输出电压VO在VI变化或负载电阻RL变化时基本不 变。
稳压原理
+
VI IR – IZ
T VZ
t1
2
充电结束
没有电容 ωt 时的输出 波形
ωt
a
v1
v1
v2
D4
D1 D3 D2
C
S
+ –
vL RL
b
（2） RL接入（且RLC较大）时 (忽略整流电路内阻) v2 电容通过RL放电， 3 5 0 2 在整流电路电压小 4 ωt 于电容电压时，二 极管截止，整流电 VL 路不为电容充电， vL会逐渐下降。 ωt
RL
vL
二、电感滤波的特点
整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特
性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场
合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁
干扰。
例 单相桥式整流、电容滤波电路如前图所示。已知
220V交流电源频率f=50Hz，要求直流电压 VL=30V，负载电流IL=50mA。求变压器副边电 压v2的有效值，选择整流二极管及滤波电容器。
2V 2
电容滤波 纯电阻负载
0.9V2
0
IL
输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变, VL 和 S 也随之改变。 如: RL 愈小( IL 越大), VL下降多, S 增大。
结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流
较小且负载变动不大的场合。
2 电感滤波
电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L 就构成了电感滤波电路。 L
1. 稳压原理
利用稳压二极管的 反向击穿特性。 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。
IR
VI


VR I L
R
DZ
IZ
RL
Vo
硅稳压二极管稳压电路
当因电网电压升高而使VI↑ 时， 会引起下列变化： VI VI↑→VO↑ →IZ↑ →IR↑ VO↓ VR↑

IR
常用稳压电路 (小功率设备) 稳压管 稳压电路 线性 稳压电路 开关型 稳压电路 效率较高， 目前用的也 比较多，但 因学时有限， 这里不做介 绍。
电路最简单， 但是带负载能 力差，一般只 提供基准电压， 不作为电源使 用。
以下主要讨 论线性稳压 电路。
硅稳压二极管稳压电路
Zener voltage regulator
v2的负半周时：D2 导通，D1截止，理 想情况下，电容C2 的电压充到： 2V2
D1 D2
负载上的电压： v L 2 2V2
§10.2 串联反馈式稳压电路
§10.2.1 稳压电路的主要性能指标
对于任何稳压电路均可以用稳压系数γ和输出电阻 Ro来描述其稳定性：
一、稳压系数 γ
稳压系数γ反映电网电压波动时对稳压电路的影响。 定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与 输入电压的相对变化量之比。 Vo V I
解： （1）变压器副边电压的有效值
取VL=1.2V2 （2）选择整流二极管
I DF 2 IL 2 50mA
V2
30 1 .2
25 V
V RM
2V 2 35 V
（3）选择滤波电容
RL VL IL 0 .6 k Ω
R LC 4 T 2 0 . 04 s
C
桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形
A
D4 v2 B
v2
0 0
D1
D3 D2
RL
v2>0 时 D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路: A D1 RLD3B
t
v2<0 时
D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路: B D2 RLD4A
vL
vD4,vD2

2
3
4
5
输出是脉动的直流电压！
T
a
v2
v2 >0 时，二极管 导通。 忽略二极管正 向压降： vL=v2 v2<0时，二极管 截止,输出电流 为0。
v1
iL
RL
vL
b T v1 D a iL=0 v2 RL vL
vL=0
b
T
D
a v2 RL vL 输出电压波形： vL
2V 2
v1
0 . 45 V 2
主要电路参数
(1) 输出电压平均值（VL）：
Vo VI
稳压系数较小的稳压电路，它的纹波电压一般也较小
二、输出电阻Ro
输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。 定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出 电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效 电路的内阻。
Ro
Vo I o
V I 0
三、温度系数 ST
ST VO T
VI 0 T 0
b
（3）RL接入（且RLC较大）时 (考虑整流电路内阻) v2
RLC越小，输出 电压越低。
0
3

5 4
2
ωt
vL ωt
二、电容滤波电路的特点
(1) 输出电压 VL与放电时间常数 RLC 有关。 RLC 愈大 电容器放电愈慢 VL(平均值)愈大
一般取τ d
ห้องสมุดไป่ตู้
RLC ( 3 5)
v1
v2
RL
vL
电感滤波电路
L
v1
v2
RL
vL
一、滤波原理
对直流分量: XL=0 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XL上。 因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。 当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压 约为： V =0.9V
L 2
L
v1
v2
ID 1 2 I L 0 .45 V2 RL
二极管截止时两端承受的最大反向电压：
VRM 2V 2
例： 在桥式整流电路中，已知变压器副边电压
有效值V2=30V，负载电阻RL=100Ω，求：
（1）输出电压与输出电流平均值各是多少？ 解: 输出电压平均值
V o 0 . 9V 2 0 . 9 30 27 V
输出电流平均值
IL Vo RL 27 100 0 . 27 A
（2）当电网电压波动范围为±10%，二极管 的最大整流平均电流ID与最高反向工作电压 VRM至少应选取多少？
解: 二极管的最大整流平均电流ID应满足
ID IL 2 IL 2 10 % 1 .1 I L 2 0 . 149 A
vD3,vD1
t
vL
0
t
桥式整流电路的主要参数
一、负载上的直流电压与脉动系数
整流输出电压的平均值VL和输出电压的脉动系数S是 衡量整流电路性能的两个主要指标。
1. 整流输出电压平均值（VL）
VL
1 π

π
0
v Ldt 0 .9V2
负载上的(平均)电流IL:
IL
0 .9V2 RL
2. 脉动系数和纹波系数
用傅氏级数对桥式整流的输出 vL 分解后可得:
vL 2V2 ( 2 π 4 3π cos 2 t 4 15 cos 4 t 4 35π cos 6 t )
4 2V2 S Vo1m Vo 3π 2 2V2 π 2 3 0 .67
§10.1小功率整流滤波电路
10.1.1 单相整流电路
整流电路的任务：把交流电压转变为脉动的直流 电压。 常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、 桥式和倍压整流等。 为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。
1 单相半波整流(half wave rectifier )电路的 工作原理 D
§10.1.2 滤波电路
交流 电压
整流
脉动 直流电压
滤波
平滑 直流电压
滤波电路的结构特点: 电容与负载 RL 并联，或
电感与负载RL串联。
原理：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。
1 电容滤波电路
(2) 二极管上承受的最高电压： V RM
2V 2
2 单相桥式整流电路的工作原理
T v1
+
D4 v2 D3 D2 D1
v2正半周时 电流通路
RL vL
−
桥式整流电路(bridge rectifier circuit )
− T
v1
v2负半周时电流通路
D4 v2 D3 D2 D1 RL
vL
+
桥式整流电路 整流桥的 简化画法
二极管的最高反向电压VRM应满足
V RM 1 . 1 2V 2 1 . 1 2 30 46 . 7 V
（3）若整流桥中的二极管D1开路或短路，分别 产生什么现象？
T
v1
D4
v2 D1 D3
RL vL
D2
若D1开路，则电路仅能实现半波整流； 若D1短路，则在v2的负半周将变压器的副边电压 全部加在D2上，D2将因电流过大而烧坏，且D2烧 坏后，可能会烧坏变压器。
K
VL VL

V2 VL
2
2

VL
1 1 0.438 0.9
2
二、二极管平均电流与反向峰值电压
平均电流(ID)与反向峰值电压(VRM)是选择整流管的 主要依据。 在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因 此，流过每只整流二极管的平均电流 ID 是负载平均 电流的一半。

VR I L
R
DZ
IZ
RL
Vo
VO V I V R
当因负载电阻减小而使IL↑ 时， 会引起下列变化： IL↑ →IR↑ →VR↑→VO↓ VZ IZ
0
I
IZ IZmax
V
VO↑← VR↓← IR↓← IZ↓ VZ
串联式稳压电路
串联式直流稳压电路的基本形式 + VI IR – IZ + 实际上是射极输出 器，Vo=VZ−VBE 。 VO 但带负载的能力比 稳压管强。 –
电子技术基础 模拟电路部分
第十章
直流稳压电源
第十章 直流稳压电源
regulated power supply
§10.1 小功率整流滤波电路 §10.2 串联反馈式稳压电路
概述
v1
v2 整 流 v3 电 路 滤 波 v4 电 路
稳 压 电 路
vo
负 载
• 电源变压器: 将交流电网电压v1变为合适的交流 电压v2。 • 整流电路: 将交流电压v2变为脉动的直流电压v3。 • 滤波电路: 将脉动直流电压v3转变为平滑的直流 电压v4。 • 稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持 输出电压vo的稳定。
一、滤波原理
以单相桥式整流电容滤波为例进行分析， 其电路如图所示。 a D4 v1 v1 S v2 D1 + vL D3 C – D2 RL b 桥式整流电容滤波电路
a
v1
v1
v2
D4
D1 D3
D2
S
+ C –
vL RL
b （1）RL未接入时(忽略整流电路内阻) v2
0
3 5 4
设t1时刻接 通电容 vL 整流电路为 电容充电
S 1 . 57 VL
纹波系数Kγ ：输出电压中谐波的总有效值和直流分 2 2 2 量之比。 V V V 1
K
L

2
L

VL
VL
1 1 . 985 0 . 45
T v1
D a v2 RL vL
iL
b
整流元件参数的计算
(1) 二极管上的平均电流：
ID IL 0 . 45 V 2 RL
T 2
(T:电源电压的周期)
近似估算:VL=1.2V2。
(2) 流过二极管瞬时电流很大。
RLC 越大 VL越高负载电流的平均值越大 ;
整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大 故一般选管时，取 I DF ( 2~3)
IL 2 ( 2~ 3) 1 VL 2 RL
(3) 输出特性(外特性) vL