第 19 章

第19章 直流稳压电源

u u u u u t t t t t 电源是生产和实验中的重要能源，许多大功率场合下需要交流电，但电解、电镀及直流电动机需要直流电。而在电子线路和自动控制装置中还需要电压非常稳定的直流电。为了得到直流电，除直流发电机外，更广泛采用的就是半导体直流电源。变压整流滤波稳压负载交流电源半导体直流电源的原理方框图

19.1 整流电路(rectifier circuit) D a Tr u ~ uo R + b u t io uo t 整流电路: 将交流电压变换为单向脉动电压的电路。整流元件是具有单向导电能力的二极管或晶闸管。 19.1.1 单相半波整流电路 i D 电路如图：设变压器副边电压为根据二极管的单向导电性，在二极管加正向电压时导通，负载两端有输出电压；而在加反向电压时二极管截止，负载得不到输出电压。负载的电压波形及电流波形见右下曲线图。

D T a + + io u1 u2 RL uo – – b u2 >0 时: 二极管导通，忽略二极管正向压降， uo=u2 u2<0时: 二极管截止, uo=0 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。

u2 uD t  2 3 D 0 4 T a uo u1 u2 RL uo uD b 单相半波整流电压波形

u Uo t 0 T 整流电压的平均值二极管只在半个周期能够导电，而负载上得到的电压是单一方向，大小随时间而变的(单向脉动电压)。对这种整流的输出电压，常用一个周期的平均值来表示它的大小。其平均值为如果电路负载已知，则整流输出电流的平均值为

uD uD io D T a t  2 0 u1 u2 RL uo UDRM b 二极管上的平均电流： ID = IO 2 U UDRM= 2 承受的最高反向电压: 二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：

i D a D uo Tr b u ~ R 有一单相整流电路,负载电阻为 750,变压器副边电压为20V，例试求Uo，Io及UDRM,并选用二极管。解查二极管参数，选用2AP4(16mA,50V)。为了使用安全此项参数选择应比计算值大一倍左右。

+ + D1 T a – – + + io u1 u2 RL – – u2 uo b D2 全波整流电路原理：变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2 当u2正半周时， D1导通， D2截止。当u2负半周时， D2导通， D1截止。

u2 + D1 t T  2 3 0 4 a – uo + io u1 u2 RL – u2 uo uD1 b D2 uD2 0 ~ ： uD2 = 2u2 单相全波整流电压波形 + 忽略二极管正向压降

D1 uo T a t io u1  0 2 u2 RL u2 uo 1 1 p ( ) p ( ) ò b ò w = w = sinw t d t U u d t 2 U p p o o 2 D2 0 0 2 2 U = = 2 0 . 9 U 2 p 输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io )： Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL

D1 T a io u1 u2 RL u2 uo uD b D2 t = U U  2 0 2 2 DRM 2 1 = I I D o 2 二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：二极管上的平均电流：二极管承受的最高反向电压：

a Tr u u ~ uo ~ uo RL RL b u ~ uo ~ uo RL RL 19.1.2 单相桥式整流电路(bridge rectifier) 单相半波整流电路只利用了电源的半个周期，并且整流电压的脉动较大。为此常采用全波整流电路，最常见的就是单相桥式整流电路。

桥式整流电路的工作情况 a Tr D1 D4 u ~ uo RL u D3 D2 b a Tr t D4 0 u T ~ uo RL D2 Uo b 在变压器副边电压u为正半周时，二极管D1、D3导通，而二极管D2、D4截止；当副边电压u为负半周时，二极管D2、D4导通，而二极管D1、D3截止。

单相桥式整流电路的输出电压： 负载电阻中通过的输出电流：每只二极管中通过的电流仅为输出电流一半：每只二极管承受的最高反向电压：

 +  –  – + ~+~-  u2 uo 集成硅整流桥：

常见的几种整流电路 Io Io U Io U U Uo Uo Uo U uo uo uo t 0 t t 0 0 电路整流电压波形整流电压平均值二极管平均电流二极管反向电压副边电流有效值

19.2 滤波器(filter) D a Tr ~ C RL uC =uo b 整流电路仅将交流电转换成单向脉动的直流电压。这种电压对许多电子设备远达不到要求，往往再加接滤波器以改善电压的脉动程度。 19.2.1 电容滤波器(C滤波器) u t 0 D导通 D截止 D导通 u t 0 D截止 D导通电容滤波器的作用

Uo 1.4U 电容滤波无电容滤波 0.45U Io 0 电容滤波器输出电压的脉动程度有所改善，但带负载能力较差。在负载不同的情况下，取用输出电流Io愈大输出平均电压Uo愈小。其外特性曲线如右图：采用电容滤波时，输出电压的脉动程与电容器的放电时间常数RLC有关，其值愈大则脉动程度就愈小。一般认为或即可达到要求，此时输出电压Uo由下式估算： (半波) (全波)

电容滤波电路中元件的选择： 由于二极管的导通时间较短，因此通过二极管的的电流峰值较大，应避免电流冲击损坏二极管；由于滤波电容保持有电压输出，应注意二极管截止时所承受的最高反向电压UDRM有所不同，带电容滤波的半波整流电路带电容滤波的桥式整流电路UDRM不变；常用电容器一般在101~103微法，视负载电流大小而定。其耐压值应大于输出电压的最大值，一般大容量电容具有极性。

a D4 u1 u1 S u2 D1 uo D3 C RL D2 b 桥式整流电容滤波电路

uo t u2下降， u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电， uc按指数规律下降，时间常数 = RL C u2上升， u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电， uo= uc u2

D4 u1 u1 S u2 D1 uo D3 C RL D2 b uo u2 t t 只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。二极管中的电流

D4 u1 u1 S u2 D1 uo D3 C RL D2 b u2 uo t t RL接入（且RLC较大）时 (考虑整流电路内阻) 电容充电时，电容电压滞后于u2。 RLC越小，输出电压越低。

一般取 = ³ - (T:电源电压的周期) ) R C ( 5 10 T τ L (c) 二极管承受的最高反向电压电容滤波电路的特点 (a) 输出电压平均值Uo与时间常数 RLC 有关 RLC 愈大 电容器放电愈慢  Uo(平均值)愈大近似估算: Uo=1.2U2 Io= Uo/RL (b) 流过二极管瞬时电流很大 RLC 越大  Uo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

L Tr ~ u C RL 19.2.2 电感电容滤波器(LC滤波器) 要进一步减小输出电压的脉动程度，可在滤波电容之前串入铁心电感线圈L——即LC滤波器。由于电感线圈对整流电流的交流分量具有阻抗，L比RL大得愈多则滤波效果就愈好。电感电容滤波电路一般需要线圈的电感量较大，但其直流电阻也较大，因而会造成输出电压的下降。 LC滤波器适于电流较大、输出电压脉动很小的场合，更适合与高频滤波。

L u C2 C1 RL R u C2 C1 RL 19.2.3 形滤波器如果需要输出电压的脉动更小，可以再加一个滤波电容。 形LC滤波器的效果跟好，但整流二极管的冲击电流较大。 形LC滤波电路由于线圈体大且重，有些情况可用电阻代替电感线圈以构成 形RC滤波器。R愈大滤波效果愈好，但将使输出电压下降，所以适用于负载电流较小、电压脉动很小的场合。 形RC滤波电路

N2 2CZ124 .047F C2 FU2 N1 N3 -24V 3A C1 2000F 50V FU1 1A 交流直流 24V ~220V 实际电源举例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入。

滤波稳压整流交流电压脉动直流电压有波纹的直流电压直流电压 19.3 直流稳压电源稳压电路的作用:

常用稳压电路 (小功率设备) 开关型稳压管线性稳压电路稳压电路稳压电路稳压电源类型: 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。

19.3.1 稳压管稳压电路 Io IZ R ~ DZ Ui Uo C RL 经整流和滤波后，虽脉动程度有了最大改善，但直流电压幅度还会随着电网的波动或负载的变化而变化。稳压管稳压电路最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的。如图采用桥式整流和电容滤波，得到直流电压Ui，再经过限流电阻R和稳压管DZ ，使负载得到一个比较稳定的直流电压。

Io IZ R ~ DZ Ui Uo C RL 电压的稳定过程当电源电压升高时 u↑→Ui↑→Uo↑ →IZ↑ →UR↑ →保持负载电压Uo近似不变。稳压管稳压电路当负载增加时 Io↑→UR↑→Uo↓ →IZ↓ →UR↓ →保持负载电压Uo近似不变。选择稳压管一般规律： UZ=Uo式 IZmax=(1~5)Iomax Ui=(2~3)Uo

稳压电阻的计算 • 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IZ的变化就可引起足够大的VR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VI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IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即

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IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即 (2) 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！

串联稳压电源示意图 串联稳压电源示意图 19.3.3 串联型稳压电路 1. 串联型稳压电源的构成 VO =VI-VR，当VI↑→R↑ →VR↑→在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流IL↑→R↓→VR↓→在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。

串联型稳压电路方框图 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VCE，VCE相当于VR。串联型稳压电源的构成：调整管、放大环节、比较环节、基准电压源

2.工作原理 实质：电压负反馈 1．输入电压变化时 VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓ 2．负载电流变化时 IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑

3.输出电压调节范围的计算 根据“虚短” Vf≈VREF 可见，调节R2可以改变输出电压。

T1 + _ T1调整管 R1、 RW、R2采样电阻 + _ R3 R1 R RW1 T2 RW RL UI UO RW2 UB2 R2 UZ R、 UZ基准电压 R3、 T2比较放大 4. 分立元件组成的串联式稳压电源

Io T1 R1 R4 R3 R1 T2 UO ~ R2 U1 RL C UZ R2 DZ 调整环节：由工作于放大状态的功率管T1构成。其基极电流受放大环节控制，并由射极输出直流电压。利用变压器将电网电压变换成所需幅度的交流电压；桥式整流电路将交流电变成直流电；电容式滤波使直流电的脉动成分进一步减小。采样环节：由R1、R2及Rp组成的电阻分压器，将输出电压的一部分送到放大环节。电位器可调节输出电压。基准电压：由稳压管DZ和R3构成，稳压管两端的直流电压UZ是稳定性较高的直流电压。作为调整和比较的标准。放大环节：由晶体管T2构成的直流放大电路，其输入电压是采样电压与基准电压之差，放大后控制调整管。 R4是其负载电阻。稳压管稳压电路结构虽简单，但稳压效果不够理想，一般只适用于负载较小的情况。为提高稳压效果常采用代放大环节的串联型晶体管稳压电路。变压滤波整流调整环节放大环节基准电压采样环节

Io T1 R1 R4 R3 R1 T2 UO ~ R2 U1 RL C UZ R2 DZ 串联型稳压电源自动调节电压过程： Uo↑→ UBE2↑ →IB2 ↑→ IC2↑→ UCE2↓ Uo↓← UCE1↑← IC1↓← IB1↓← UBE1↓ 从调整过程看，串联型稳压电源是一种串联电压负反馈电路。

T1 + _ + _ R3 R1 R RW1 T2 RW RL UI UO RW2 UB2 R2 UZ + + R R R + ( ) R R = + 1 2 W U U U + + R R R 因为： W 2 2 O Z BE 2 = + + 1 2 W U U U R R O Z BE 2 W 2 2 + + R R R = 1 2 W U Z + R R 所以： W 2 2 忽略UBE2 输出电压的确定和调节范围

T1 + _ + _ R3 R1 R RW1 T2 RW RL UI UO RW2 UB2 R2 UZ + + 4.7 4.7 4.7 = 4=6V + 4.7 4.7 + + R R R = 1 2 W U U Omin Z + + + R R R + + R R 4.7 4.7 4.7 = 1 2 W W 2 U U = 4=12V Omax Z 4.7 R 2 例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k，求输出电压的调节范围。

Io T R1 R3  – UO + + U1 RL UZ R2 DZ R1 R2 用运算放大器做比较放大环节的串联型稳压电源：

  – – +U RF +U RF + + + + R R R1 R1 UZ DZ UO UO R2 RL R2 RL UZ DZ 19.3.4 集成稳压电源稳压电源的应用场合相当广泛，但分立件串联型稳压电源及由运放构成的稳压电源结构比较复杂，还要注意加接保护电路。因此，单片集成稳压电源应运而生并且得到广泛应用。基本可以做到免调试，且体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉。一、简单的集成稳压电源

型号 W7805 W7809 W7812 W7815 Uo (V) 5 9 12 15 UiMax(V) 35 W7815 ΔUMin 9824 2~3 1 2 Iom (A) 2.2 Ro (Ω) 0.03~0.15 3 3 2 1 二、单片集成稳压电源目前最普遍应用的单片稳压电源是W7800系列和W7900系列。其内部电路是在串联型晶体管稳压电路的基础上构成的。只有三个引出端：输入端1、输出端 2 和公共端 3 (俗称三端集成稳压器)。 1. 外形图和主要参数

输出电压固定的三端集成稳压器（正电压 78  、负电压 79 ）调整电路减流保护恒流源启动电路取样电路比较放大基准电压电路过热保护

1 3 W7805 2 + _ + _ UI CI Co Uo 0.1~1F 1µF 3 2 1 2. 典型应用电路 W7800系列稳压器外形及典型接线图 +10V +5V 注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！ 1端: 输入端 2端: 公共端 3端: 输出端

2 3 W7905 1 – + – + UI CI Co Uo 0.1~1F 1µF 3 2 1 W7900系列稳压器外形及典型接线图 -10V -5V 1端: 公共端 2端: 输入端 3端: 输出端

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