第 7 章直流电源

第7章直流电源 7.1概述在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。本章所介绍的直流电源为单相小功率电源，它能将频率为50Hz，有效值为220V的单相交流电压转换成为幅值稳定，输出电流为几十毫安以下的直流电压。其方框图及各部分的输出电压波形如图7-1所示。

图7-1 直流稳压电源的组成方框图 电源变压器：把输入（ui）的有效值为220V，频率为50Hz的电网电压变换成所需要的电压u1。一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因此需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。

整流电路：把正弦交流电u1变成单一方向的脉动电压u2。整流电路：把正弦交流电u1变成单一方向的脉动电压u2。滤波电路：为了减小电压u2的脉动，需通过低通滤波，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅有直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。对电源电压稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压u3可以作为供电电源。稳压电路：交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或负载变化时，平均值也将随之变化。因此稳压电路的功能是：使输出直流电压u4基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响。从而获得足够高的稳定性。

7.2整流电路 1．整流电路的分析方法及其基本参数单相半波整流电路如图7-2所示。以此为例说明整流电路的分析方法。图7-2 单相半波整流电路

在电压u2为正半周（设a端为正，b端为负时是正半周）电流通路如图7-2箭头表示。通过负载RL的电流iL以及负载电压uL的波形如图7-3所示。显然，它是单方向的半波脉动波形。在电压u2为正半周（设a端为正，b端为负时是正半周）电流通路如图7-2箭头表示。通过负载RL的电流iL以及负载电压uL的波形如图7-3所示。显然，它是单方向的半波脉动波形。

图7-2中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压u1变成整流电路要求的交流电压u2，u2＝，RL是要求直流供电的负载电阻，VD为整流二极管，它是整流电路的关键器件，主要是靠它的单向导电性完成整流任务。（1）工作原理在电压u2的正半周（设a端为正，b端为负时是正半周），二极管导通，电流通路如图7-2箭头所示。在电压u2的负半周（a端为负，b端为正时是负半周），二极管截止，uL＝0。流过负载RL的电流iL及负载两端电压uL的波形如图7-3所示。是单方向的半波脉动波形。

图7-3 半波整流电路波形图

(2) 主要参数计算 在研究整流电路时，主要考查整流电路输出电压平均值（即负载上的直流电压UL）和输出电流平均值（即负载上的直流电流IL）这两项指标。从图7-3（c）所示波形可知，当ωt=0～π时，；当ωt=π ～ 2π时，。所以，求解的平均值UL，就是将0 ～ π的电压平均在0 ～ 2π间隔之中。如图7-4所示。

图7-4 半波整流电路输出电压平均值 表达式为：解得平均值为：

(3) 整流器件的选择 在整流电路中，一般应根据流过二极管电流的平均值和他所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。在单相半波整流电路中，二极管的正向平均电流等于负载电流平均值，即：二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压，即：

一般情况下，允许电网电压有±10％的波动，即电源变压器初级电压为198～242V，因此，在选用二极管时，对于最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应至少留有10%的余地，以保证二极管安全工作，即选取一般情况下，允许电网电压有±10％的波动，即电源变压器初级电压为198～242V，因此，在选用二极管时，对于最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应至少留有10%的余地，以保证二极管安全工作，即选取单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。但是，由于它只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大（即脉动大），效率低。因此，这种电路仅适用于负载电流较小，对脉动要求不高的场合。

为了克服单相半波整流电路的缺点，在实用电路中多采用单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。单相桥式整流电路如图7-5（a）所示，图（b）是它的简便画法。 2.单相桥式整流电路图7-5 单相桥式整流电路

图7-5（a）中RL负载电阻，Tr为电源变压器，将220V交流电压变成整流电路要求的交流电压 ，＝，四只整流二级管VD1～VD4接成电桥的形式，故称桥式整流电路。在电压的正半周（设a端为正，b端为负时为正半周）电流通路如图7-5（a）中实线箭头所示；电压的负半周，电流通路如图7-5（a）中虚线箭头所示。通过RL的电流iL以及RL上的电压uL的波形如图7-6所示。iL、uL都是单方向的全波脉动波形。 (1) 工作原理

图7-6 单相桥式整流电路波形图

图中Tr为电源变压器，它的作用是将220V交流电网电压变成整流电路要求的交流电压，RL是负载电阻，四只整流二级管D1～ D2接成电桥的形式，故称桥式整流电路。图7-5（b）是它的简化画法。在电压的正，负半周（设a端为正，b端为负时为正半周）内电流通路用图7-5（a）中实线和虚线箭头表示。通过RL的电流iL以及RL上的电压uL的波形如图7-6所示。显然它们都是单方向的全波脉动波形。

(2)主要参数计算 通过分析可得，负载电阻RL上的直流电压、直流电流分别为：

在桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为：在桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为：（3）整流器件的选择二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压从图7-5（a）看出，在u2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。此时D2、D4所承受的最大反向电压均为u2的最大值，即：

同理，在u2的负半周， D1、D3也承受同样大小的反向电压。考虑到电网电压允许波动±10% ，在实际选用二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电流IF和最高反向工作电压UR分别为： IF ＞1.1ID UR＞1.1URmax 桥式整流电路的优点是：输出电压高，脉动电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，与半波整流电路相同，同时，因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流中得到了广泛的应用。

【例7-1】 在图7-2所示整流电路中，已知变压器副边电压有效值U2=20V，负载电阻RL=10Ω，试问：（1）负载电阻RL上的电压平均值和电流平均值各为多少？（2）电网电压允许波动±10％，二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少？解：（1）RL上电压平均值和流过RL的电流平均值分别为

（2）二极管承受的最大反向电压和流过二极管的平均电流分别为： （2）二极管承受的最大反向电压和流过二极管的平均电流分别为：

【例7-2】在图7-5 所示电路中，已知变压器副边电压有效值U2=20V，负载电阻RL=10Ω。试问：（1）负载电阻RL上的直流电压与直流电流各为多少？（2）电网电压允许波动范围为±10％，二极管的最大整流平均电流IF与最高反向工作电压UR至少应选取多少？解：（1）RL上电压平均值和流过RL的电流平均值分别为：

（2） 二极管的最大整流平均电流IF与最高反向工作电压UR至少应选取多少？

7.3滤波电路 整流电路的输出电压虽然是单一方向，但是脉动较大，含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路及设备的需要。因此，一般在整流后，还需要利用滤波电路将脉冲的直流电压变为平滑的直流电压。滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的滤波电路如图7-7所示。

图7-7 滤波电路的基本形式 图7-7(a)为电容滤波，图(b)称为倒L型（复式）滤波，图(c)称为型（复式）滤波。

图7-8 为桥式整流电容滤波电路。 1．电容滤波电路图7-8 桥式整流电容滤波电路

未接入负载RL（开关S断开）时情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当u2为正半周时， u2通过VD1、VD3向电容C充电； u2为负半周时， u2通过VD2、VD4向电容器C充电，充电时间常数为，其中Ro包括变压器次级绕组的直流电阻和二极管VD的正向电阻，称整流电路内阻。Ro一般很小，电容器很快就能充电到交流电压u2的最大值，充电电压的极性如图7-8所示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压UC）保持在不变，输出为一个恒定的直流电压。如图7-9(a)中ωt<0（即纵坐标左边部分虚线）所示。

接入负载RL（开关S闭合）的情况：设变压器次级电压u2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器C在负载未接入前充满了电，故刚接入负载时u2 <UC，二极管受反向电压作用截止，电容器C经RL放电，放电时间常数为：。因τd一般较大，故电容两端电压UC按指数规律慢慢下降。其输出电压UL=UC，如图7-9(a)的ab段所示。与此同时，交流电压u2按正弦上升。当u2 >UC时，二极管VD1、VD3受正向电压作用而导通，此时u2经VD1、VD3一方面向RL提供电流，另一方面向C充电，电压UC如图7-9(a)的bc段所示，图中bc段上的阴影部分为整流内阻RO上产生的压降，UC随着u2升高到接近最大值。

然后，u2又按正弦规律下降。当u2 <UC时，二极管受反向电压作用而截止，电容器C又经RL放电，UC波形如图7-9(a)的cd段。电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上便得到如图7-9(a)所示的一个近似锯齿波的电压UL=UC，使负载电压的波动大为减小。

图7-9 桥式整流电容滤波电路的波形

电容滤波电路的特点： （1）二极管的导通角θ<π。在同样负载RL的情况下，滤波电容的容量越大，滤波效果越好，导通角θ将越小,这对二极管的寿命很不利。（2）负载平均电压UL升高，脉动（交流成分）减小，且RLC越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的脉动成分越小，负载平均电压越高，为了得到平滑的负载电压，一般取

（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。UL随IL的变化关系称为输出特性或外特性，如图7-10所示。（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。UL随IL的变化关系称为输出特性或外特性，如图7-10所示。图7-10 桥式整流电容滤波电路的输出特性

当电容器C数值较大，RL=∞（即空载）时， 。当C=0（即无滤波电容）时，UL=0.9U2，在整流电路的内阻不太大（几欧姆）和放电时间常数满足式时，电容滤波电路的负载电压UL与U2的关系约为：。电容滤波的优点是：电路简单，负载直流电压UL较高，脉动小；它的缺点是：输出特性较差。所以电容滤波适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

【例7-3】 在图7-8所示电路中，开关S合上，要求负载电阻RL上的直流电压UL=15V，负载电流IL=100mA。计算：（1）滤波电容C的大小；（2）考虑到电网电压的波动为±10％，滤波电容C的耐压值。解：（1）负载电阻滤波电容C的容量为： C=(3～5) (3～5) =200～333μF

（2）变压器副边电压有效值为： 电容的耐压值为：实际可选取容量为300μF，耐压为25V的电容做本电路的滤波电容。

2．电感滤波电路 在桥式整流电路和负载电阻RL之间串入一个电感器L，如图7-11所示。利用电感的储能作用可以减小输出电压的脉动，从而得到比较平滑的直流电压。当忽略电感L的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻（不加电感）负载相同，即UL=0.9U2。图7-11 桥式整流电感滤波

电感滤波电路的特点是，整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦。其缺点是由于铁心存在，笨重，体积大，易引起电磁干扰。一般只适用低电压，大电流场合。

7.4稳压电路 虽然经整流、滤波已经将正弦交流电压变成较为平滑的直流电压，但是，当电网电压波动或负载变化时，负载上的电压将发生变化。例如，负载电阻减小，则负载电流增大，由于整流滤波电路内阻的压降增大，使负载上的电压相应减小；又如当电网电压升高时，则整流滤波后输出电压必然增大。为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。

由稳压二极管DZ和限流电阻R所组成的稳定电路是一种最简单的直流稳定电路，如图7-12中虚线框内所示。稳压二极管的伏安特性如图7-13所示。 7.4.1 稳压二极管稳压电路图7-12 稳压二极管组成的稳压电路图7-13 稳压管的伏安特性

在图7-12所示稳压管稳压电路中，当电网电压升高时，UI增大，U0也随之按比例增大，但是，因为U0=UZ，因而，根据稳压管的伏安特性，UZ的增大将使IZ急剧增大，因为，不难看出电压UO将减小。因此，只要参数选择合适，R上的电压增量就可以与UI的增量近似相等，从而使UO基本不变。可简单描述如下： 1．稳压原理电网电压↑→UI↑→UO(UZ) ↑→IZ↑→IR ↑→ IRR↑ U0

当负载电阻RL减小（即IL增大）时，根据 ，会导致IR增加，UO（即UZ）下降，根据稳压管伏安特性，UZ的下降使ID急剧减小，从而使IR随之减小。如果参数选择恰当，则可以使ΔIZ≈-ΔIL，使IR基本不变，从而使UO基本不变。综上所述，在稳压二极管组成的稳压电路中，是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。

限流电阻R的表达式 2．限流电阻的选择（1）当输入电压UI为最大，而负载电流最小（负载开路，即IL=0）时，此时流过稳压管的电流最大，为不损坏管子，流过稳压管子的电流必须小于IZmax，因此限流电阻R应该足够大，即下限值为

（2）当输入电压UI为最小，而负载电流为最大时（2）当输入电压UI为最小，而负载电流为最大时此时流过稳压管的电流最小，为了保证稳压管工作在击穿区（即稳压区），IZ值不得小于IZmin，因此限流电阻R不得过大，即上限值为：限流电阻R的取值范围应为：式中：

【例7-4】稳压管稳压电路如图7-12所示。负载RL由开路变化到2kΩ，输入直流电压UI=30V，要求输出直流电压UL=12V，试选择稳压管DZ和限流电阻R。【例7-4】稳压管稳压电路如图7-12所示。负载RL由开路变化到2kΩ，输入直流电压UI=30V，要求输出直流电压UL=12V，试选择稳压管DZ和限流电阻R。解：（1）选择稳压管根据输出电压UL=12V的要求，负载电流最大值为查晶体管手册，可选稳压管2CW5，其主要指标为；VZ=11.5V ～ 14V，IZmin=5mA，PZ=0.28W，所以通常为了留有余地，一般要求流过稳压管的最大稳压电流IZmax比最大负载电流ILmax大2倍以上，可见2CW5是满足要求的。

（2）选择限流电阻R 假定输入直流电压UI的变化范围是±10％，那么UImax=1.1UI=33V，UImin=0.9UI=27V。当输入电压UI最高时，限流电阻的功耗最大为因此，R可选1/2W，1.2KΩ的电阻。

串联型稳压电路的结构如图7-14 所示。 7.4.2串联型稳压电路的工作原理图7-14 串联稳压电路的结构

图7-14由基准环节、比较放大、调整和取样四部分组成。UI是整流滤波电路的输出电压，VT为调整管；A为比较放大电路；稳压管VDZ与限流电阻R串联所构成的稳压电路为基准环节，UREF为基准电压；R1、R2、RW组成反馈网络，为反映输出电压变化的取样环节。图7-14由基准环节、比较放大、调整和取样四部分组成。UI是整流滤波电路的输出电压，VT为调整管；A为比较放大电路；稳压管VDZ与限流电阻R串联所构成的稳压电路为基准环节，UREF为基准电压；R1、R2、RW组成反馈网络，为反映输出电压变化的取样环节。这种稳压电路的主要回路是起调整作用的晶体管VT与负载RL串联，故称为串联型稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经过比较放大电路（A）放大后去控制调整管VT的c-e极间电压降，从而达到稳定输出电压UO的目的。

稳压原理可简述如下： 当输入电压UI增加（或负载电流IO减小）时，导致输出电压UO增加，随之反馈电压也增加，（FU= 为反馈系数）。UF与基准电压UREF相比较，其差值电压，经比较放大电路放大后使UB和IC减小，调整管T的c-e极间电压UCE增大，使UO减小，从而维持UO基本稳定。同理，当输入电压UI减小（或负载电流IO增加）时，也能使出电压UO基本保持不变。

从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。调整管T连接成电压跟随器。因而可得：从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。调整管T连接成电压跟随器。因而可得：或在深度负反馈条件下，|1+AUFU|>>1时，可得：上式表明，输出电压UO与基准电压UREF近似成正比，与反馈系数FU成反比。当UREF及FU确定后，UO也就确定了，因此它是设计稳压电路的基本关系式。

【例7-5】稳压电路如图7-14所示，稳压管的UZ=4V，R1=R2=200Ω，RW=600Ω，求输出电压UO的调节范围。【例7-5】稳压电路如图7-14所示，稳压管的UZ=4V，R1=R2=200Ω，RW=600Ω，求输出电压UO的调节范围。解：当电位器滑至最高处时，，当电位器滑至最低处时，，输出电压UO的调节范围是5V～20V。

7.4.3集成稳压电路 随着半导体集成电路工艺的迅速发展，现在已能把串联反馈式稳压电路中的调整管、比较放大电路、基准电压源等集成在一块硅片内，构成线性集成稳压组件，它具有体积小，重量轻，使用方便可靠等一系列优点，因而得到广泛应用。下面主要介绍三端集成稳压器CW78××系列和CW79××系列。三端集成稳压器有三个端子，分别是输入端、输出端和接地端。

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