电子技术5直流稳压电源讲解

1.1 单相半波整流电路
u2
D
0
π
+
+
u1
u2
－－
+
RL uo －
uo
(a) 电路
0
π
2π 3π
4π ω t
2π
3π
(b) 波形
4π ω t
当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电 流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io= id。忽略二 极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压， 即uo=u2 ，输出电压uo的波形与u2相同。
u2
u2a
u2b
u2c
u2a
(a) 0
ωt
(b) VD5 VD1 VD1 VD3 VD3 VD5 VD5 VD1 VD1 VD3 二极管 VD4 VD4 VD6 VD6 VD2 VD2 VD4 VD4 VD6 VD6 导通次序 uo
(c)
0
ωt
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9
2 滤波电路
Io
Uo RL

9 750
0.012 (A) 12 (mA)
I D I o 12 (mA)
U DRM 2U 2 2 20 28.2 (V) 查半导体手册，二极管可选用 2AP4，其最大整流电流为 16mA，最高反向工作电压为 50V。为了使用安全，二极管的反 向工作峰值电压要选得比 UDRM 大一倍左右。
仍可保持Uo基本不变。
当负载电流Io发生变化引起输出电压Uo发生变化时，同样会引 起IZ的相应变化，使得Uo保持基本稳定。如当Io增大时，I和UR 均会随之增大使得Uo下降，这将导致IZ急剧减小，使I仍维持原 有数值保持UR不变，使得Uo得到稳定。
3.2 串联型稳压电路
V1 －
+
R4
U+ BE1
R3
3.1 并联型稳压电路
工作原理： 输入电压Ui波动时会引起输出
I + UR －
电压Uo波动。如Ui升高将引起 +
R IZ +
Io +
UO=UZ随之升高，导致稳压管 的电流IZ急剧增加，使得电阻
Ui －
R上的电流I和电压UR迅速增大
DZ
UZ RL Uo
－
－
， 从而使Uo基本上保持不变。反之，当Ui减小时，UR相应减小，
1.2 单相桥式整流电路
a
D4
D1
+
+
++
+
u1 －
u2
－ b
D3
D2
RL uo －
u1 －
u2 －
+ RL uo
－
(a) 原理电路
(b) 简化画法
u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受 正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流 的路径为：a→D1→RL→D3→b。
u2
D
0
π
+
+
+
+
u1 －
u2 C －
RL uo －
uo
(a) 电路
0
π
2π 3π
4π ω t
2π
3π
(b) 波形
4π ω t
假设电路接通时恰恰在 u2 由负到正过零的时刻，这时二 极管 D 开始导通，电源 u2 在向负载 RL 供电的同时又对电容 C 充电。如果忽略二极管正向压降，电容电压 uC 紧随输入电压 u2 按正弦规律上升至 u2 的最大值。然后 u2 继续按正弦规律下 降，且 u 2 uC ，使二极管 D 截止，而电容 C 则对负载电阻
例：试设计一台输出电压为 24V，输出电流为 lA 的直流电 源，电路形式可采用半波整流或全波 整流，试确定两种电路形式
的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。 解 ： （1）当采用半 波整流 电路时 ，变 压器副 边绕组 电压有
效值为：
U2

Uo 0.45

24 0.45
53.3 V
RL 按指数规律放电。uC 降至 u2 大于 uC 时，二极管又导通，电 容 C 再次充电……。这样循环下去，u2 周期性变化，电容 C 周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小。电容 C 放电的快慢取决于时间常数（ RLC ）的大小，时间常数越
大，电容 C 放电越慢，输出电压 uo 就越平坦，平均值也越 高。
单相桥式整流、电容滤波电路的输出特性曲线 如图所示。从图中可见，电容滤波电路的输出 电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载 能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场 合。
Uo 1.4Uo
0.9Uo
0
Io
—般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值。
半波：U o U 2
全波：U o 1.2U 2
a
⊕
D1
+
+
u1
u2
－
－－ b
D3
+ RL uo
－
u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受 正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流 的路径为：b→D2→RL→D4→a。
a D4
u1 b⊕
+
RL uo
D2
－
u2
0
π
2π 3π
4π ω t
iD1
0
π
2π
3π
4π ω t
高反向工作电压为 200V。
取

RLC

5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱT 2
5
0.02 2

0.05 s，则：
C 0.05 500 106 F 500 μ F
RL 100
2.2 电感滤波电路
+
+
u1
u2
－－
L
+ RL uo
－
电感滤波适用于负载电流较大的场合。它的缺点是 制作复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。
为了获得较平滑的输出电压，一般要求 RL

(10
~ 15) 1
C
，即：


RLC

(3
~
5)
T 2
式中 T 为交流电压的周期。滤波电容 C 一般选择体积小，容量大的电
解电容器。应 注意，普通 电解电容 器有正、 负极性，使 用时正极 必须接高
电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。
加入滤波电容 以后，二 极管导通时 间缩短， 且在短时 间内承受较 大的 冲击电流（ iC io ），为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。
U2

Uo 0.9

24 0.9

26.7
V
整流二极管承受的最高反向电压为：
UDRM = 2U2 = 1.41? 26.7 37.6 V 流过整流二极管的平均电流为：
ID

1 2
Io
0.5 A
因此可选用四只 2CZ11A 整流二极管，其最大整
流电流为 1 A，最高反向工作电压为 100V。
1.3 三相桥式整流电路
－ u2a + VD1 VD3
VD5
io
a
－ u2b + － u2c +
+ b
uo
c
－
VD2
VD4
VD6
0～t1期间，c点电位最高，b点电位最低，VD5和VD4 导通。负载上的电压uo就是线电压ucb。电流通路为：
c→VD5→RL→VD4→b t1～t2期间，a点电位最高，b点电位仍然最低，VD1和 VD4导通，负载电压uo为线电压uab，电流通路为：
0
π
2π 3π
4π ω t
2π
3π
(b) 波形
4π ω t
单相半波整流电压的平均值为：
Uo

1
2


0
2U 2 sin td (t)
2

U2

0.45U 2
流过负载电阻 RL 的电流平均值为：
Io
Uo RL
0.45 U 2 RL
流经二极管的电流平均值与负载电流平均值相等，即：
ID
iD2
0
π
2π
3π
4π ω t
uo
0
π
2π
3π
4π ω t
单相全波整流电压的平均值为：
1
Uo



0
2U 2 sin td (t) 2
2
U2
0.9U 2
流过负载电阻 RL 的电流平均值为：
Io
Uo RL
0.9 U 2 RL
流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，
即：
ID

1 2
Io

0.45 U 2 RL
每个二极管在截止时承受的最高反向电压为 u2 的
最大值，即：
UDRM = U2M = 2U2
整流变压器副边电压有效值为：
U2

Uo 0.9
1.11U o
整流变压器副边电流有效值为：
I2
U2 RL
1.11U 2 RL
1.11I o
由以上计算，可以选择整流二极管和整流变压器。
a→VD1→RL→VD4→b 同理，在t2～t3期间， a点电位最高，c点电位最低， 于是二极管VD1和VD6导通，负载电压uo为线电压uac ，电流通路为：
a→VD1→RL→VD6→c 依此类推，共阴极连接的3个二极管VD1、VD3、VD5 在t1、t3、t5等时 刻 导通 ；共 阳极 连接 的 3 个 二 极管 VD2、VD4、VD6 在 t2、t4、t6 等 时 刻 导 通 。 每 个 二 极 管导通1/3周期。
整流二极管承受的最高反向电压为：
UDRM = 2U2 = 1.41? 53.3 75.2 V 流过整流二极管的平均电流为：
ID Io 1A 因此可选用 2CZ12B 整流二极管，其最大整流电流为 3 A， 最高反向工作电压为 200V。
（2）当采用桥式整流电路时，变压器副边绕组电 压有效值为：
整流电路可以将交流电转换为直流 电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、 蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。 但许多电子设备需要平稳的直流电源。这 种电源中的整流电路后面还需加滤波电路 将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出 电压。滤波通常是利用电容或电感的能量 存储功能来实现的。
2.1 电容滤波电路
u2
D
0
π
+
+
u1
u2
－－
+
RL uo －
uo
(a) 电路
0
π
2π 3π
4π ω t
2π
3π
(b) 波形
4π ω t
当u2为负半周时，二极管D承受反向电压而截止。此时负 载上无电流流过，输出电压uo=0，变压器副边电压u2全部 加在二极管D上。
u2
D
0
π
+
+
u1
u2
－－
+
RL uo －
uo
(a) 电路
单相 半波 整流 、电 容滤 波电 路中 ，二 极管 承受 的反 向电 压为 uDR uC u2 ，当负载开路时，承受的反向电压为最高，为：
UDRM = 2 2U2
例 ： 设 计 一单 相 桥 式整 流 、 电容 滤 波 电路 。 要 求输 出 电 压 U o 48 V，已知负载电阻 RL 100 Ω ，交流电源频率为 50Hz，试选 择整流二极管和滤波电容器。
解： 流过整流二极管的平均电流：
ID

1 2
Io
1 Uo 2 RL
1 48 0.24A 240 mA 2 100
变压器副边电压有效值：
U2

Uo 1.2

48 1.2

40
V
整流二极管承受的最高反向电压：
UDRM = 2U2 = 1.41? 40 56.4 V
因此可选择 2CZ11B 作整流二极管，其最大整流电流为 1 A，最
R1
Io Ra
+
Ui －
V2
+ －
UBE2 + RP
UZ+－
UF －
R2
RL Rb
Uo －
(1)电路的组成及各部分的作用
1）取样环节。由R1、RP、R2组成的分压电路构成，它 将输出电压Uo分出一部分作为取样电压UF，送到比较放 大环节。 2）基准电压。由稳压二极管DZ和电阻R3构成的稳压电 路组成，它为电路提供一个稳定的基准电压UZ，作为调 整、比较的标准。 3）比较放大环节。由V2和R4构成的直流放大器组成， 其作用是将取样电压UF与基准电压UZ之差放大后去控制 调整管V1。 4）调整环节。由工作在线性放大区的功率管Vl组成， Vl的基极电流IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变 又可使集电极电流IC1和集、射电压UCEl改变，从而达到 自动调整稳定输出电压的目的。
直流稳压电源
学习要点
熟悉单相整流电路的组成、输出电压 和电流的波形、直流电压平均值与交 流电压有效值之间的关系，并能初步 选用整流器件
了解滤波电路的作用，尤其是电容滤 波电路的工作原理
了解并联型稳压电路和串联型稳压电 路的组成和工作原理
了解集成稳压电源的应用和使用方法
直流稳压电源
1 整流电路 2 滤波电路 3 直流稳压电路
1 整流电路
直流稳压电源的组成：
变压
整流
滤波
u1
u2
u3
u4
稳压 u5
u1
u2
u3
u4
u5
t
t
t
t
t
0
0
0
0
0
1 整流电路
利用具有单向导电性能的整流元件如 二极管等，将交流电转换成单向脉动直流 电的电路称为整流电路。整流电路按输入 电源相数可分为单相整流电路和三相整流 电路，按输出波形又可分为半波整流电路 和全波整流电路。目前广泛使用的是桥式 整流电路。

Io

0.45 U 2 RL
二极管截止时承受的最高反向电压为 u2 的最大值，即：
U DRM = U2M = 2U2
例 有一单相半波整流电路，如前所示。已知负载电阻 RL 750 ，变压器副边电压U 2 20 V ，试求 Uo、Io ，并选 用二极管。
解
U o 0.45U 2 0.45 20 9 (V)
2.3 复合滤波电路
L
L
R
C
C
C
C
C
(a) LC 滤波电路 (b) CLC 滤波电路 (c) CRC 滤波电路
LC、CLCπ型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压 脉动较小的场合。在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重 的电感，构成CRCπ型滤波电路，同样可以获得脉动很小的 输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只 适用于负载电流较小的场合。
3 直流稳压电路
将不稳定的直流电压变换成稳定且可 调的直流电压的电路称为直流稳压电路。
直流稳压电路按调整器件的工作状态 可分为线性稳压电路和开关稳压电路两大 类。前者使用起来简单易行，但转换效率 低，体积大；后者体积小，转换效率高， 但控制电路较复杂。随着自关断电力电子 器件和电力集成电路的迅速发展，开关电 源已得到越来越广泛的应用。