第5章 直流稳压电源

1. 第5章 直流稳压电源 主要内容： 5.1 整流电路 5.2 滤波电路 5.3 直流稳压电路

2. 目的和要求： 1、掌握直流稳压电路原理和分析方法； 2、掌握整流电路的基本原理； 3、掌握滤波电路的基本原理； 4、掌握直流稳压电路的原理和设计方法； 5、掌握集成稳压器的原理和应用。

3. 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路 u1 u2 u3 u4 uo 直流稳压电源的组成和功能 • 电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。 • 整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。 • 滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。 • 稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压u0的稳定。

4. 5.1 整流电路 整流电路是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式整流等。 目前广泛使用的是桥式整流电路。 为分析简单起见，我们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。

5. 导通 T VD a u1 u2 RL u0 i0 b uo 5.1.1 单相半波整流电路 u2>0:二极管导通 u0=u2 i0=u0 /RL u2<0：二极管截止,输出电流为0。 ui 输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负半周时，二极管D承受反向电压。

6. uo D + + + R u u L u 1 2 o － － －

8. a D D 4 1 + + + + + + R R u u u L u u u L o 1 2 o 1 2 － － － D － － － D 2 3 b (a) (b) 原理电路 简化画法 5.1.2 单相桥式整流电路

9. + T a D4 RL u1 u2 D1 u0 D3 D2 b - 桥式整流电路 u2正半周时电流通路 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。

10. T a D4 RL u1 u2 D1 u0 D3 D2 b + 桥式整流电路 u2负半周时电流通路 - 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。

11. + u2>0 时 D4 u2<0 时 RL D1 u2 u0 D3 D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路: 由+经D1 RLD3- D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路: 由-经D2 RLD4+ D2 - u2 uD3,uD1 输出是脉动的直流电压！ uD4,uD2 uo 桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形

13. 【注意】整流电路中的二极管是作为开关运用的，整流电路既有交流量，又有直流量，通常： 输入（交流）——用有效值或最大值； 输出（交直流）——用平均值； 整流管正向电流——用平均值； 整流管反向电压——用最大值。

14. 二极管反向 每管平均 U ( ) 名 称 带载 O 最大电压 电流 0 . 45 U 2 2 I 半波整流 O 2 0.5 I 桥式整流 0.9 2 O I 半波整流、 2 U U U U U U O 2 2 2 2 2 2 1 . 2 U 2 2 电容滤波 0.5 I 桥式整流、 O 电容滤波

17. 5.2 滤波电路 滤波原理: 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路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, 将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，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。

19. a D4 u1 u1 u2 S D1 u0 D3 C RL D2 b 5.2.1 电容滤波电路 1、RL未接入时 u2 t1 t 充电结束 RL未接入时的波形 设t1时刻接通电源 u0 t 没有电容时的输出波形

20. uo u2 t t 充电时间 放电时间 2、RL接入（且RLC较大）时 a D4 u1 u1 u2 S D1 u0 D3 C RL D2 b 电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。

21. uL t 电容滤波电路的特点： RLC 较大 RLC 较大 1、 UL与RLC的 关系： RLC 愈大 C放电愈慢 UL(平均值)愈大 一般取： (T:电源电压的周期) 近似估算: UL=1.2U2 2、流过二极管瞬时电流很大 整流管导电时间越短  iD的峰值电流越大

22. 3、输出特性(外特性) uo 1.4UO 电容滤波 0.9UO IL 0 输出波形随负载电阻 RL 或 C的变化而改变。 如: RL 愈小( IL越大), Uo下降多。 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。

23. 注意事项 1、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。 2、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)。 3、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：

26. 5.2.2 电感滤波电路 电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L。 直流分量:XL=0 相当于短路,电压大部分降在RL上 谐波分量:f越高，XL 越大,电压大部分降在电感上。 因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。 输出电压平均值: UL=0.9U2

27. L u1 u2 uo RL 电感滤波的特点 优点：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：做复杂、电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。

28. L + + + + u u C C o i - - + + 5.2.3 复合滤波电路 为进一步改善滤波特性，采取多级滤波。 LC滤波电路 CLC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。

29. L + + + + u u C C o i - - + + CLC滤波电路 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。 CRCπ型滤波电路 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。

30. 5.3 直流稳压电路 直流稳压电路: 将负载电流的变化和输入电压的变化，形起的不稳定的直流电压变化，变换成稳定且可调的直流电压的电路 直流稳压电路可分为两大类： 线性稳压电路：使用起来简单易行，但转换效率低，体积大； 串联型稳压电路 — 调整管与负载串联 并联型稳压电路 — 调整管与负载并联 开关稳压电路：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。

31. i I R U z + + + + I I L U Z U U Z Dz u R o i I L - zmin - △I + + I zmax △ U 5.3.1 并联型稳压电路 稳压管稳压电路 稳压原理——利用稳压管的反向击穿特性。 它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，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。适合于负载电流小，输出电压固定的场合。

32. Ui Uo Uo UR IZ I UZ Uo UR I IZ Uo 工作原理： (1) 当输入电压变化时 (2)当负载电压变化时

33. 调整管 + UI  取 样 电 路 比较放大电路 基准电压 5.3.2 串联型稳压电路 特点： 与并联型稳压相比，稳定性高、电压值连续调输出电流大。 电路组成： 取样环节、基准电压、比较放大、调整环节

34. 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。

35. 2、电路工作原理 若输出电压增大时： ↑→ ↑→ ↑→ ↑→ ↓→ ↓→ U U I I U I U ↑ o F B2 C2 C2 B1 CE1 U ↓ o 同理，当Ui或Io变化使Uo降低时，调整过程相反，UCE1将减小使Uo保持基本不变。 该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。

36. R b = = U U U F Z o + R R a b + R R a b = U U o Z R b 3、电路的输出电压 设V 2发射结电压U BE2可忽略，则： 或： 用电位器RP即可调节输出电压UO的大小，但UO必定大于或等于UZ。

37. : 例 U Z=6V R 1= R 2= R P=100 R a+ R b= R 1+ R 2+ R P=300 ， Ω，则 Ω， R b 200 100 U o 9~18V 最大为 Ω，最小为 Ω。 求 的范围 （ 范 围内连续可调）。 如UZ=6V，R1=R2=RP=100Ω，则： Ra+Rb=R1+R2+RP=300Ω， Rb最大为200Ω，最小为100Ω。 由此可知输出电压Uo在9~18V范围内连续可调。

38. 4、采用集成运算放大器的串联型稳压电路 其电路组成部分、工作原理及输出电压的计算与前述电路完全相同，唯一不同之处是放大环节采用集成运算放大器而不是晶体管。

39. 5.3.3 集成稳压器 集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。 集成稳压器的种类很多，作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是3端式串联型集成稳压器。3端式是指稳压器仅有输入端、输出端和公共端3个接线端子。如W78××和W79××系列稳压器。W78××系列输出正电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多种，若要获得负输出电压选W79××系列即可。例如W7805输出+5 V电压，W7905则输出－5 V电压。这类３端稳压器在加装散热器的情况下，输出电流可达1.5～2.2A，最高输入电压为35V，最小输入、输出电压差为2～3V，输出电压变化率为0.1％～0.2％。

40. 5.3.3 集成稳压器 78、79 系列的型号命名 CW7800 系列(正电源) CW7900 系列(负电源) 5 V/ 6 V/ 9 V/ 12 V/ 15 V/ 18 V/ 24 V 输出电压 78L ×× / 79L ×× — 输出电流 100 mA 输出电流 78M×× / 9M×× — 输出电流 500 mA 78 ×× / 79 ×× — 输出电流 1.5 A

41. _ _ CW7900 3 2 1 + + CW7800 1 2 3 CW7905 1 2 3 1、外形和管脚排列 塑料封装 金属封装 CW7805 1 2 3 UI UO GND UI UO GND 符号

42. 1 3 W78XX + _ + _ 2 UI CI Co Uo 0.1~1F 1µF W7800系列稳压器 基本接线图 2、典型应用电路 一、输出为固定电压的电路 改善负载的瞬态响应，消除高频噪声 输出为固定正压时 抵消输入 长接线的 电感效应， 防止自激 注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！

43. 3 2 W79XX - + - + 1 UI CI Co Uo 0.1~1F 1µF W7900系列稳压器 基本接线图 输出为固定负压时 注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！

44. 1 3 W78XX + _ + _ UXX 2 R UI CI CO UO DZ UZ （2）提高输出电压的电路 UXX : 为W78XX固定输出电压 UO = UXX + UZ

45. 粆 I I 1 2 U BE = + = + b = + b - = + b + b I I I I I I ( I I ) ( 1 ) I o 2 C 2 B 2 1 R 2 R = - b = U 0 . 3 10 BE = = = I 1 I 5 R 0 . 5 2 o （3）扩大输出电流的电路 I 图中 为稳压器公共端电流，其值很小，可以忽略不计，所以 3 ，则可得： V 式中β为三极管的电流放大系数。设 ， ， A A I I Ω， ，则可计算出 ，可见 比 扩大了。 o 2 R 电阻 的作用是使功率管在输出电流较大 时才能导通。

46. 1 000 F 1 2 W7815 + + +15 V 3 220 F 0.1 F 0.33 F ~24V + + 0.33 F 0.1 F ~220V 220 F ~24V 1 15 V W7915 3 2 1 000 F （4）能同时输出正、负电压的电路

47. 本章小结 (1)、直流稳压电源是由交流电源经过变换得来的，它由整流电路、滤波电路和稳压电路3部分组成。 (2)、整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电转换成单向脉动直流电。整流电路有多种。单相桥式整流电路的变压器利用率高，输出电压脉动成分较小，因而在整流功率小于1kW的场合得到广泛应用。 (3)、滤波电路的作用是利用储能元件滤去脉动直流电压中的交流成分，使输出电压趋于平滑。采用电容滤波成本低，输出电压平均值较高，但带负载能力差，适用于负载电流较小且负载变化不大的场合。采用电感滤波成本高，带负载能力强，适用于负载电流较大的场合。在要求较高的场合，可采用LC、π型、多节RC等复合滤波电路。

48. (4)、稳压电路的作用是输入电压或负载在一定范围内变化时，保证输出电压稳定。对要求不高的小功率稳压电路，可采用并联型硅稳压管稳压电路。要求较高的场合可采用串联型稳压电路。串联型稳压电路是采用电压负反馈来使输出电压得到稳定。由于集成稳压器具有通用性强、精度高、成本低、体积小、重量轻、性能可靠、安装调试方便等优点，因而已基本上取代了由分立元件组成的稳压电路。(4)、稳压电路的作用是输入电压或负载在一定范围内变化时，保证输出电压稳定。对要求不高的小功率稳压电路，可采用并联型硅稳压管稳压电路。要求较高的场合可采用串联型稳压电路。串联型稳压电路是采用电压负反馈来使输出电压得到稳定。由于集成稳压器具有通用性强、精度高、成本低、体积小、重量轻、性能可靠、安装调试方便等优点，因而已基本上取代了由分立元件组成的稳压电路。

49. 本章作业 习题五：5-1、3、7、9、12、14