第12章直流穩壓電源

12.1直流穩壓電源的組成

12.2整流電路

12.3濾波電路

12.4穩壓管穩壓電路

12.5串聯型直流穩壓電路實驗十五整流、濾波及串聯型穩壓電源本章小結第12章直流穩壓電源任何電子設備都需要用直流電源供電，獲得直流電源的方法較多，如干電池、蓄電池、直流電機等。但比較經濟實用的辦法是將交流電網提供的50Hz、220V的正弦交流電經整流、濾波和穩壓后變換成直流電。對于直流電源的主要要求是：輸出電壓的幅值穩定，即當電網電壓或負載電流波動時能基本保持不變；直流輸出電壓平滑，脈動成分?。唤涣麟娮儞Q成直流電時的轉換效率高。本章主要介紹單相整流電路、各種濾波電路、硅穩壓管穩壓電路以及串聯型直流穩壓電路的工作原理、主要指標等；對于近年來迅速發展起來的集成化穩壓電源以及開關型穩壓電源也將作簡單介紹。12.1直流穩壓電源的組成一般的小功率直流穩壓電源是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路等四個部分組成。其框圖及各部分的輸出波形如圖12.1所示。下面簡要介紹各部分的功能。1.電源變壓器交流電網提供50Hz、220V（單相）或380V（三相）的正弦電壓，但各種電子設備所需直流電壓的幅值卻各不相同。因此，常常需要將電網電壓先經過電源變壓器進行降壓，將220V或380V的交流電變成大小合適的交流電以后在進行交、直流轉換。當然，有的電源不是利用變壓器而是利用其它方法降壓的。2.整流電路整流電路的主要任務是利用二極管的單向導電性，將變壓器副邊輸出的正負交替的正弦交流電壓整流成單方向的脈動電壓。但是，這種單向脈動電壓往往包含著很大的脈動成分，距離理想的直流電壓還差得很遠，故不能直接供給電子設備使用。12.2整流電路整流電路是利用二極管的單向導電性，將正負交替的正弦交流電壓變換成單方向的脈動電壓。在小功率的直流電源中，整流電路的主要形式有單相半波整流電路、單相全波整流電路和單相橋式整流電路。其中，單相橋式整流電路用得最為普遍。12.2.1單相半波整流電路圖12.2（a）所示為單相半波整流電路，它是最簡單的整流電路，由變壓器、二極管和負載電阻組成。u1是變壓器初級線圈的輸入電壓，通常有效值為220V，頻率為50Hz，u2是變壓器次級的輸出電壓（也稱副邊電壓）。一般設u2的波形如圖12.2（b）所示。設二極管為理想二極管，在電壓u2的正半周，二極管D正偏導通，電流iD經二極管流向負載RL，在RL上就得到一個上正下負的電壓；在u2的負半周，二極管D反偏截止，流過負載的電流為0，因而RL上電壓為0。這樣以來，在u2信號的一個周期內，RL上只有半個周期有電流通過，結果在RL兩端得到的輸出電壓uO就是單方向的，且近似為半個周期的正弦波，所以叫“半波整流電路”。半波整流電路中各段電壓、電流的波形如圖12.2（b）所示。12.2.2單相全波整流電路為提高電源的利用率，可將兩個單相半波整流電路合起來組成一個單相全波整流電路。它的指導思想是利用具有中心抽頭的變壓器與兩個二極管配合，使兩個二極管在u2的正半周和負半周輪流導通，而且兩種情況下流過RL的電流保持同一方向，從而使正、負半周在負載上均有輸出電壓。單相全波整流電路的原理圖如圖12.3（a）所示。圖中變壓器的兩個副邊電壓大小相等，同名端如圖所示。在u2的正半周，整流管D1導通，電流iD1經過D1流向負載RL，在RL上產生上正下負的單向脈動電壓，此時D2因承受反向電壓而截止；在u2的負半周，整流管D2導通，電流iD2經過D2流向負載RL，在RL上也產生上正下負的單向脈動電壓，此時D1因承受反向電壓而截止。這樣，在u2的整個周期內，RL上均能得到單方向的直流脈動電壓，故稱之為全波整流電路，其波形如圖12.3（b）所示。由圖12.3（b）所示波形可見，全波整流電路輸出電壓uO的波形所包圍的面積是半波整流電路的兩倍，所以其平均值也是半波整流的兩倍。另外，全波整流輸出波形的脈動成分比半波整流時有所下降。但是，由圖8.3（a）全波整流電路可知，在u2的負半周時，D2導通，D1截止，此時變壓器副邊兩個繞組的電壓全部加到二極管D1的兩端，因此二極管承受的反向電壓較高，其最大值等于。此外，全波整流電路必須采用具有中心抽頭的變壓器，而且每個線圈只有一半時間通過電流，所以變壓器的利用率不高。12.2.3單相橋式整流電路針對單相全波整流電路的缺點，希望仍用只有一個副邊線圈的變壓器，而能達到全波整流的目的。為此，提出了如圖12.4（a）所示的單相橋式整流電路。電路中采用了D1～D4四只二極管，并且接成電橋形式，因此得名。在變壓器副邊電壓u2的正半周，D1、D2導通，D3、D4截止，電流流經D1、RL、D2，在負載RL上產生上正下負的單向脈動電壓。在u2的負半周，D3、D4導通，D1、D2截止，電流流經D3、RL、D4，在負載RL上也產生上正下負的單向脈動電壓。這樣，在u2的整個周期內，負載RL上均能得到直流脈動電壓，這與全波整流電路一樣。它與全波整流電路不同之處是，每個半周均有兩只二極管導通，且由于變壓器副邊只有一個繞組，因而每個二極管截止時所承受的反向電壓u2僅是全波整流電路的一半。所有波形如圖12.4（d）所示。橋式整流電路還可以有其它畫法，如圖12.4（b）、（c）所示。由圖可見，橋式整流電路無需采用具有中心抽頭的變壓器，仍能達到全波整流的目的。而且，整流二極管承受的反向電壓也不高。但是電路中需用四只二極管。

12.2.4整流電路的主要參數描述整流電路技術性能的主要參數有以下幾項：整流電路輸出直流電壓（即輸出電壓）及輸出電流的平均值UO（AV）和IO（AV），整流電路輸出電壓的脈動系數S，整流二極管正向平均電流ID（AV）以及整流二極管承受的最大反向峰值電壓URM。現以應用比較廣泛的單相橋式整流電路為例，具體分析上述各項主要參數。1.輸出電壓及輸出電流的平均值輸出直流電壓UO（AV）是整流電路的輸出電壓瞬時值uO在一個周期內的平均值，即由圖12.4（d）可見，在橋式整流電路中(12-1)式中第一項為輸出電壓的平均值，第二項即是其基波成分。由式可見，基波頻率為2w，基波的最大值為因此脈動系數為即橋式整流電路輸出脈動系數為67%。通過比較可知，橋式整流電路的脈動成分雖然比半波整流電路有所下降，但數值仍然比較大。(12-3)3.二極管正向平均電流ID（AV）溫升是決定半導體器件使用極限的一個重要指標，整流二極管的溫升本來應該與通過二極管的電流有效值有關，但是由于平均電流是整流電路的主要工作參數，因此在出廠時已將二極管允許的溫升折算成半波整流電流的平均值，在器件手冊中給出。在橋式整流電路中，二極管D1、D2和D3、D4輪流導通，由圖12.4（d）所示波形圖可以看出，每個整流二極管的平均電流等于輸出電流平均值的一半，即當負載電流平均值已知時，可以根據IO（AV）來選定整流二極管的ID（AV）。在實際選用二極管時，要使得二極管的最大整流電流IF≥ID（AV）。4.二極管最大反向峰值電壓URM每個整流管的最大反向峰值電壓URM是指整流管不導電時，在它兩端出現的最大反向電壓。選管時應注意，二極管的最大反向工作電壓UR≥URM，以免被擊穿。由圖8.4（d）波形容易看出，整流二極管承受的最大反向電壓就是變壓器副邊電壓的最大值，即(12-4)(12-5)例12.1已知交流電壓u1=220V，負載電阻RL=50Ω，采用橋式整流電路，要求輸出電壓UO=24V。試問如何選用二極管？解：先求通過負載的直流電流則二極管的平均電流變壓器次級電壓有效值選管時應滿足因此可選用型號為2CZ54C的二極管，其最大整流電流為500mA，反向工作峰值電壓為100V。URM=U2≈×16.7≈23.6V此時脈動系數為

S=0.67=67%（2）若改用半波整流電路，則ID（AV）=IO（AV）=300mA

URM=U2≈×33.3≈47.1V

S=1.57=157%12.3濾波電路為了降低整流電路輸出電壓的脈動成分，需要采取由電容或電感等儲能元件組成的濾波電路進行濾波，以得到波形平滑的直流電壓。12.3.1電容濾波電路

1.電路組成及工作原理圖12.5（a）所示為單相橋式整流的電容濾波電路。其中與負載并聯的電容C稱為濾波電容。圖12.5（b）所示為濾波電路的工作波形圖。如前所述，在整流電路不接電容C時，負載RL上的脈動電壓波形如圖12.5（b）中虛線所示。2.濾波電容的選擇由以上分析可知，濾波電容容量的大小直接影響到放電時間常數的大小，從而影響到濾波的效果。從理論上講，濾波電容越大，放電過程越慢，輸出電壓越平滑，平均值也越高。但實際上，大容量的電容體積很大，并將使整流二極管流過更大的沖擊電流。因此在實際電路中，對于全波或橋式整流電路，常根據經驗公式來選擇濾波電容的容量R

LC≥（3～5）（12-6）式中T為電網交流電壓的周期。在上述條件下，輸出電壓平均值

一般選擇幾十至幾千微法的電解電容，其耐壓值應大于。在濾波電容接入電路時，要注意電解電容的極性不能接反。12.4.2電感濾波電路由于電容器具有通高頻、阻低頻的特性，因此用電容濾波時電容是并聯于負載上的。而電感具有通低頻、阻高頻的特性，因而用電感濾波時，必須將電感串聯于負載電路中，利用電感阻止電流變化的特點實現濾波。電感濾波電路如圖12-6所示。為了取得更好的濾波效果，可采用LC濾波電路和π型LC濾波電路，如圖12-7和圖12-8所示。1.電網電壓波動時輸出電壓基本不變假設負載電阻RL不變，當電網電壓升高使UI增大時，輸出電壓UO也將隨之增大。根據穩壓管反向特性，穩壓管兩端電壓的微小增加，將使流過穩壓管的電流IDZ急劇增加，因為IR=IDZ+IO，IDZ增加使IR增大，電阻R上的壓降UR隨之增大，以此來抵消UI的升高，從而使輸出電壓UO基本不變。當電網電壓降低時，UI、IDZ、I及R上電壓的變化與上述過程相反，UO也基本不變?？梢?，在電網電壓變化時，△U≈△UI，從而使得UO穩定。2.負載電阻（電流）變化時輸出電壓基本不變假設輸入電壓UI保持不變，當負載電阻變小，即負載電流IO增大時，造成流過電阻R的電流IR增大，R上壓降也隨之增大，從而使得輸出電壓UO下降。但UO的微小下降將使流過穩壓管的電流IDZ急劇減小，補償IO的增大，從而使IR基本不變，R上壓降也就基本不變，最終使輸出電壓UO基本不變。當IO減小時，IDZ和R上電壓變化與上述過程相反，UO也基本不變。可見，在負載電流變化時，△IDZ≈-△IO，從而使得UO穩定。12.4.2限流電阻的選擇在圖12.9（b）所示的穩壓電路中，限流電阻R是個很重要的元件，其阻值必須選擇合適才能保證穩壓管既能穩壓又不至于損壞。從圖12.9（b）所示電路可知，R中電流12.5串聯型直流穩壓電路12.5.1電路組成及工作原理1.電路組成圖12.10所示是串聯型直流穩壓電路。它由基準電壓源、比較放大電路、調整電路和采樣電路四部分組成。三極管T接成射極輸出器形式，主要起調整作用。因為它與負載RL相串聯，所以這種電路稱為串聯型直流穩壓電源。穩壓管DZ和限流電阻R組成基準電壓源，提供基準電壓UZ。電阻R1、RW和R2組成采樣電路。當輸出電壓變化時，采樣電阻將其變化量的一部分UF送到比較放大電路。運算放大器A組成比較放大電路。采樣電壓UF和基準電壓UZ分別送至運算放大器A的反相輸入端和同相輸入端，進行比較放大，其輸出端與調整管的基極相接，以控制調整管的基極電位。2.工作原理當電網電壓的波動使UI升高或者負載變動使IL減小時，UO應隨之升高，采樣UF也升高，因基準電壓UZ基本不變，它與UF比較放大后，使調整管基極電位降低，調整管的集電極電流減小，集電極-發射極之間電壓增大，從而使輸出電壓UO基本不變。同理，當UI下降或者IL增大時，UO應隨之下降，采用電壓UF也減小，它與基準電壓UZ比較放大后，使調整管基極電位升高，調整管的集電極電流增大，c-e間電壓減小，從而使輸出電壓UO保持基本不變。由此可見，電路的穩壓實質上是通過負反饋使輸出電壓維持穩定的過程。3.輸出電壓的調節范圍改變采樣電路中間電位器RW抽頭的位置，可以調節輸出電壓的大小。設A是理想運放，它工作在線性放大區，故有UF=UZ。從采用電路可知所以當電位器抽頭調至RW的上端時，=RW，此時輸出電壓最小。即當電位器抽頭調至RW的下端時，=0，此時輸出電壓最大。即(12-10)(12-11)12.5.2集成穩壓電路概述

隨著集成技術的發展，穩壓電路也迅速實現集成化。從20世紀60年代末開始，集成穩壓器已經成為模擬集成電路的一個重要組成部分。目前已能大量生產各種型號的單片集成穩壓電路。集成穩壓電路體積小，使用調整方便，性能穩定，而且成本低，因此應用日益廣泛。集成穩壓電路的工作原理與分立元件的穩壓電路是相同的。它的內部結構同樣包括有基準電壓源、比較放大器、調整電路、采樣電路和保護電路等部分。它是通過各種工藝將元器件集中制作在一塊小硅片上，封裝后把整個穩壓電路變成了一個部件，即集成電路。它以一個單體的形式參與電路工作，因此使用起來靈活方便。集成穩壓電路的類型很多。按其內部的工作方式可分為串聯型、并聯型、開關型；按其外部特性可分為三端固定式、三端可調式、多端固定式、多端可調式、正電壓輸出式、負電壓輸出式；按其型號分類又有CW78系列、CW79系列、W2系列、WA7系列、WB7系列、FW5系列等。1.固定輸出電壓電路圖12-11（a）所示電路是W7800系列作為固定輸出時的典型接線圖。為了保證穩壓器正常工作，最小輸入輸出電壓差至少為2～3V；輸入端的電容Ci一般取0.1～1μF，其作用是在輸入線較長時抵消其感應效應，防止產生自激振蕩；輸出端的Co是為了消除電路的高頻噪聲，改善負載瞬態響應，一般取0.1μF。如果需要負電源時，可采用圖12-11（b）所示的應用電路。2.提高輸出電壓的電路目前，三端穩壓器的最高輸出電壓是24V。當需要大于24V的輸出電壓時，可采用圖12-12所示的電路提高輸出電壓。圖中VXX是三端穩壓器的標稱輸出電壓；IZ是組件的穩態電流，約為幾mA；外接電阻R1上的電壓是VXX；R2接在穩壓器公共端3和電源公共端之間。按圖示接法的輸出電壓為(12-12)3．具有正負電壓輸出的穩壓電源當需要正負電壓同時輸出時，可用一塊W7800正壓單片穩壓器和一塊W7900負壓單片穩壓器連接成圖12-13所示的電路。這兩塊穩壓器有一個公共接地端，并共用整流電路。

例12-3試應用集成穩壓器設計一個能固定輸出±5V電壓的直流穩壓電源。解：（1）因所要設計的直流穩壓電源是固定式輸出，且輸出既有正電壓也有負電壓，故可選擇三端固定式集成穩壓器（如W7800系列或W7900系列）。通過查閱手冊可知W7805集成穩壓器可輸出+5V直流電壓、W7905集成穩壓器可輸出-5V直流電壓，可以選用。（2）集成穩壓器W7800系列（正電源）和W7900系列（負電源）的典型應用電路如圖12-14所示。圖中輸入端電容C3、C4主要用來改善輸入電壓的紋波，一般為零點幾μF，可選0.33μF。輸出端電容C5、C6用來消除電路中可能存在的高頻噪聲，即改善負載的瞬態響應，可選0.1μF。W7805的輸入電壓為7～30V，W7905的輸入電壓為-7～-25V，可以均按輸入電壓大小為12V設計。交流輸入電壓U1（220V/50Hz）經降壓、整流、濾波（濾波電容C1=C2=2200μF）后，分別供給12V大小的電壓，該電壓是變壓器副邊總電壓平均值的一半，即（U2/2）×0.9=12V，因此U2=12/0.45≈26.6V。由此可選擇變壓器邊壓比n=U1：U2=220：26.6≈8：1。實驗十五整流、濾波及串聯型穩壓電源一、實驗目的1、了解單相橋式整流電路的工作原理。2、了解電容濾波電路的作用。3、了解基本穩壓管穩壓電路的工作原理。4、掌握串聯型穩壓電源的工作原理及技術指標的測試方法。二、實驗儀器及設備1、直流電壓表；2、直流毫伏表；3、交流毫伏表；4、示波器；5、100W單相調壓器；6、TB型模擬電路實驗儀及③號實驗模板。三、實驗原理及步驟1、整流、濾波電路橋式整流電路如實驗圖12-1所示。利用二極管的單向導電性，將交流電變成單方向脈動的直流電。（1）在實驗儀上用③號實驗模板按實驗圖12-1連好線，然后接通實驗模板及實驗儀電源。（2）接通電源后，用示波器觀察整流前后的波形及任一個二極管兩端的電壓波形。（3）改變負載電阻RL，觀察Ud的變化（波形及電壓值），描出外特性曲線。Ud為輸出電壓，Id為負載電流，通過測出RL值計算而得。2、基本穩壓管穩壓電路（1）按照實驗圖12-2，在橋式整流電路的輸出端按實驗圖12-2接線，連接成基本穩壓管穩壓電路。（2）用萬用表測出穩壓電路輸出電壓Ud和UW。（3）接入負載電阻RL并改變RL，用萬用表測出UW的變化。（4）當RL斷開和RL=80Ω時，計算通過穩壓管2CW的穩定電流值各為多少？并檢驗是否滿足穩壓管的穩定電壓的條件。注：（1）穩定電流通過測量穩壓電阻R1可得；（2）2CW：最大耗散功率0.5W；最大工作電流83mA穩定電壓5.8～6.2V預習要求：（1）如果去掉濾波電容C和負載開路，直流電壓等于多少？（2）如何選擇二極管的反向耐壓值？（3）了解穩壓管的穩壓原理。3、串聯型穩壓電源串聯型穩壓電源的實驗原理圖如實驗圖12-3所示，其中的整流部分是單相橋式整流、電容濾波電路，穩壓部分為串聯型穩壓電路。它由調整管T1、T2，比較放大器T4、R1，取樣電路R7、R8、RW，基準電壓R5、DW和過流保護電路T3及電阻R3、R4、R6等組成。（1）按照實驗圖12-3在③號實驗模板上，熟悉各元件安裝位置。接線無誤方可通電。（2）測量穩壓電路輸出電壓Udo的調節范圍。（3）接負載電阻RL，調節電位器RP，觀察輸出電壓是否可以改變。輸出電壓可調時，測量Udo的最大值和最小值及對應的穩壓電路的輸入電壓Udi和調整管T1的管壓降UCE1，將測得的結果記入實驗表12-1中。（4）測量穩壓電路的外特性將輸入220V電源用調壓器調節，將調壓器調至220V（實測值），空載時調RP使Udo=10V，然后接入負載電阻RL（負載電阻在整流輸出后，由510Ω2W電阻和470Ω1W電位器組成）。改變負載電阻，測量相應的Udo，記入實驗表12-2中。（5）測量穩壓電源電壓調整率SV及電流調整率SI①電壓調整率SV的測試當負載不變而輸入電壓Ui變化時，維持輸出電壓不變的能