第10章直流電源10.1穩壓電源的分類及組成10.2單相整流電路10.3濾波電路10.4穩壓二極管穩壓電路10.5串聯型直流穩壓電路10.6串聯型集成穩壓器10.7開關型直流穩壓電源1.交流穩壓電源的種類及特點常用的交流穩壓電源主要有參數調整型、自耦調整型、大功率補償型、開關型穩壓電源等。10.1.1穩壓電源的分類及特點在工程應用中，通常根據穩壓電源中穩壓器的穩定對象，把穩壓電源分為直流穩壓電源和交流穩壓電源。10.1穩壓電源的分類及組成

2.直流穩壓電源的種類及特點直流穩壓電源輸出直流電壓，可分為化學電源，線性穩壓電源和開關型穩壓電源等。

(1)化學電源我們平常所用的干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池均屬于這一類，這類電源小巧，靈活，但供電能力有限，污染環境。隨著科學技術的發展，又產生了智能化電池；在充電電池材料方面，發現了錳的一種碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、多次充電后仍保持性能良好的環保型充電電池。

(2)線性穩壓電源

優點：穩定性高、紋波小、可靠性高、易做成多路輸出并連續可調的成品。缺點：體積大、較笨重、效率相對較低。線性穩壓電源從輸出值來看可分定點輸出電源、波段開關調整式和電位器連續可調式幾種。

(3)開關型直流穩壓電源

優點：體積小、重量輕、效率高、穩定可靠；

缺點：相對于線性直流穩壓電源的紋波較大。開關型直流穩壓電源主要有交流/直流變換(AC／DC)電源、直流/直流變換(DC／DC)電源、通信電源、電臺電源、模塊電源、特種電源等。整流電路：利用單向導電性的整流元件，將正負交替的正弦交流電壓整流成單方向的脈動電壓。使輸出電壓不受電網電壓波動和負載電阻變化的影響，提高穩定性。電網電壓電源變壓器整流電路濾波器穩壓電路負載電網電壓：220V，50Hz

允許10％的波動。無源低通濾波器濾掉交流成分，減小電壓脈動，使輸出電壓平滑。脈動電壓：電壓大小隨時間作周期變化，但方向保持不變。半波整流、全波整流10.1.2直流穩壓電源的組成10.2單相整流電路作用：交流電壓

→單向脈動的直流電壓常用的整流元件：二極管負載為純阻性；整流二極管為理想二極管；變壓器無損耗，內部壓降為零。理想化處理：1.工作原理當u2為正半周時，當u2為負半周時，D截止，uO=0D導通，uO=u210.2.1單相半波整流電路2、主要參數計算①輸出電壓平均值UO②輸出電流平均值IO③脈動系數S輸出電壓基波的最大值UO1m與其平均值UO之比。為求UO1m，可將波形用傅里葉級數表示。說明半波整流電路的脈動很大，其基波的峰值約為平均值的1.57倍。3、二極管的選擇（1）二極管正向平均電流（2）二極管最大反向峰值電壓選擇二極管的最高反向工作電壓UR

由于允許電網電壓有10%的波動，為了安全起見，選擇二極管時，變壓器二次電壓大約要高出10%，選擇二極管的最大整流電流IF

優點：使用元件少。

缺點：輸出波形脈動大；直流成分??；效率低。例10.2.1

單相半波整流電路如圖所示，已知負載電阻RL=750Ω，變壓器二次電壓的有效值18V，試求(1)輸出電壓的平均值UO、二極管正向平均電流ID、二極管最大反向峰值電壓URM；(2)選擇二極管。輸出電壓的平均值UO解：

(1)UO、IO、ID輸出電流的平均值IO二極管正向平均值ID二極管的最大反向峰值電壓URM

二極管的最高反向工作電壓UR

二極管的最大整流電流IF（2）選擇二極管（最大整流電流16mA，最高反向工作電壓50V）二極管選2AP41、工作原理10.2.2單相橋式整流電路

u2

正半周，Va>Vb，二極管

D1、D3

導通，D2、D4

截止。uD2uD4

－uouDttRLu2iouo1234ab+–+–

－u2uD2uD4RLu2iouo1234ab+–+–u2

正半周，Va>Vb，二極管1、3導通，2、4截止。

u2負半周，Va<Vb，二極管2、4導通，1、3截止。uouDttuD1uD3

－

－u22、主要參數計算①輸出電壓平均值

UO②輸出電流平均值

IOuO的周期為π③

脈動系數S說明基波的峰值約為平均值的0.67倍，所以橋式整流電路的脈動比單相半波整流電路小很多。用傅立葉級數將輸出電壓uO展開為3、二極管的選擇①二極管正向平均電流②二極管最大反向峰值電壓二極管的導通時間是RL的一半，所以D上的平均電流只有RL上的一半。與半波整流相同選擇二極管的最高反向工作電壓UR

由于允許電網電壓有10%的波動，為了安全起見，選擇二極管時，變壓器二次電壓大約要高出10%。選擇二極管的最大整流電流IF

橋式整流電路：優點：輸出電壓高，變壓器利用率高，脈動小，對二極管參數要求與半波整流相同。缺點：使用二極管數量多，整流電路內阻大，損耗較大。半波整流電路：優點：使用二極管數量少。缺點：輸出電壓低，波形脈動大，效率低。例10.2.2

單相橋式整流電路如圖所示，已知負載電阻RL=100Ω，負載電壓UO=27V，試求(1)變壓器二次電壓的有效值U2、二極管正向平均電流ID、二極管最大反向峰值電壓URM

；(2)若二極管VD1斷開，則會出現什么現象？變壓器二次電壓的有效值U2解：(1)U2、ID、URM輸出電流的平均值IO二極管正向平均值ID二極管的反向電壓最大值URM

若二極管VD1開路，電路變為半波整流，如變壓器二次電壓的有效值不變，輸出電壓的平均值為13.5V，僅為原來的一半。（2）若二極管VD1斷開，則會出現什么現象？

如果D2或D4接反則正半周時，二極管D1、D4或D2、D3導通，電流經D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。

如果D2或D4因擊穿燒壞而短路uo+_~u+_RLD4D2D1D3例：如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路，后果又如何？

則正半周時，情況與D2或D4接反類似。單相整流電路的主要參數作用：脈動的直流電壓→平滑的直流電壓主要元件元件：電容、電感（能夠存儲一部分能量，再逐漸釋放。）10.3濾波電路10.3.1電容濾波電路1.單相半波整流電容濾波電路(1)電路組成abcuOωt0ππ2da~cc~dD導通，uC

按正弦規律變化。D截止，uC

按指數規律變化(放電)。(2)工作原理uO=uC濾波效果取決于放電時間，RLC越大，uO越平滑。(3)參數估算

RLC

越大

電容器放電越慢

輸出電壓的平均值Uo

越大，波形越平滑。在實際工作中，一般取T為電網交流電壓的周期②電容器耐壓當RL∞(IO=0)時，，脈動系數S=0。①輸出電壓的脈動與放電時間常數RLC有關

（T=0.02S）當C＝0時，UO最小為0.45U2。當滿足式RLC≥(3~5)T/2的關系，并且整流電路的內阻不太大時，輸出電壓的平均值UO與U2的關系約為當C一定，RL=∞(負載開路)時，UO最大為③輸出電壓平均值UO

UO與IO之間的關系曲線稱為外特性，與無電容濾波時比較，輸出電壓UO隨負載的變化而變，外特性較差，帶負載能力較差。RL減小，

IO增加，脈動成分增加，UO減小。因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負載電流較小且負載變化較小的場合。(4)二極管的導通角未加濾波電容前，二極管導通角：加濾波電容后，二極管只在電容充電時導通，導通角：RLC

越大濾波效果越好IO增大放電時間增長越小大沖擊電流充電須選用大容量整流二極管二極管的最大反向峰值電壓abcuOωt0ππ2da~cc~dD1、D3導通，uC

按正弦規律變化。D1、D3截止，uC

按指數規律變化(放電)。2.單相橋式整流電容濾波電路(2)當

RL=

時：當

時：（常用）

當

C=0

時：(1)RLC

越大

輸出電壓的平均值UO越大，波形越平滑。（T=0.02S）參數計算：(3)電容器耐壓(4)二極管的最大反向峰值電壓1.工作原理直流分量:

XL=0，L相當于短路，電壓大部分降在RL上。諧波分量:

f

越高，XL越大，電壓大部分降在L上。因此，在負載上得到比較平滑的直流電壓。當流過L的電流發生變化時，線圈中產生自感電勢阻礙電流的變化,使負載電流和電壓的脈動減小。10.3.2電感濾波電路2.輸出直流電壓整流電路輸出電壓直流分量UO'（即整流電路輸出電壓的平均值）：整流UO'=0.45U2，

橋式整流UO'=0.9U2。忽略線圈電阻，則此電感濾波電路輸出電壓的平均值為可以看出，在電感線圈不變的情況下，負載電阻RL越小(負載電流越大)，輸出電壓的交流分量越小，脈動越小。因此電感濾波電路適用于負載電流較大的場合。電感濾波電路輸出電壓的交流分量為

整流電路輸出電壓交流分量ua：LC-

型濾波電路10.3.3其它形式的濾波電路RC-

型濾波電路LC濾波電路1.LC濾波電路所以輸出電壓脈動成分比僅用電感濾波時更小。電路中輸出電壓的交流分量在在電感濾波的基礎上，在RL上并聯濾波電容C構成。

和之間分壓得到。2.LC-

濾波電路由于輸入端接了電容，輸出的直流電壓均值比LC濾波電路的高些，因此提高了輸出直流電壓。由于在電容C1兩端所得到的已較平滑的輸出電壓，再經過電感L和電容C2進行濾波，使輸出電壓的脈動大大減小，波形更加平滑，所以，LCπ型濾波器的濾波性能比LC濾波更好，輸出電壓也高，在各種電子設備中得到了廣泛應用。在電容濾波的基礎上再加一級LC濾波，就可以構成LCπ型濾波電路。3.RC-

濾波電路經電容Cl

濾波后，較小的脈動電壓又被R衰減，再經C2濾波，使濾波效果更好。同時也應注意到，整流管沖擊電流比較大，電流流過電阻時，會有直流分量的壓降，所以RCπ型濾波一般適用于輸出電流小且負載較穩定的場合。當負載電流較小時，為了使濾波電路結構簡單、經濟，常常采用RCπ型濾波電路。各種濾波電路的性能比較序號

性能類型UO適用場合整流管的沖擊電流外特性1電容濾波

1.2U2小電流大軟2RC-

型濾波

1.2U2小電流大更軟3LC-

型濾波

1.2U2小電流大軟4電感濾波0.9U2大電流小硬5LC濾波0.9U2適應性較強小硬例：在圖示電路中，已知變壓器副邊電壓有效值U2為10V，（T為電網電壓周期）。求輸出電壓平均值UO(AV)

的數值在下列情況下，分別是多少？（1）正常情況；（2）電容虛焊時；（3）負載電阻開路時；（4）一只整流管和濾波電容同時開路時；（5）一只整流管開路時。12V9V14V4.5V10V10.4.1電路組成及工作原理1.電路組成輸入電壓UI是整流濾波后的電壓，經限流電阻R和穩壓管VDZ組成穩壓電路接到負載電阻上，因其穩壓管VDZ與負載電阻RL并聯，此電路也叫并聯型穩壓電路。這種電路主要用于對穩壓要求不高的場合。10.4穩壓管穩壓電路UZ2.工作原理(1)RL不變，

UI升高UIUOIZURUO=UI-

URUO基本不變(2)UI

不變，RL

減小RLILURUOIZIR=IL+IZUO基本不變UZ1.穩壓系數Sr10.4.2穩壓電路的主要指標

Sr反映電網電壓波動對穩壓電路的影響。其值越小，說明穩壓電路的穩壓性能越好。rz為穩壓管的動態電阻估算Sr的等效電路：當rZ

<<RL，rZ

<<R時，穩壓電路還有許多其他指標：電壓調整率、電流調整率、紋波抑制比、輸出電壓的溫度系數等。

2.輸出電阻Ro反映穩壓電路受負載變化的影響。其值越小，說明穩壓電路的穩壓性能越好。10.4.3穩壓電路中限流電阻R的選擇

IZ減少到IZmin以下，失去穩壓作用；

IZ增大到IZmax以上，造成損壞。Oui

(1)當電網電壓最小，負載電流最大時，流過穩壓管的電流IZ最小，此時IZ不應小于IZmin，即得

(2)當電網電壓最大，負載電流最小時，流過穩壓管的電流IZ最大，此時IZ不應大于IZmax，即得

電路如圖所示，設穩壓管的穩壓值UZ＝6V，IZmax＝40mA，IZmin＝5mA，UImax＝15V，UImin＝12V，ILmax＝20mA，ILmin＝10mA，試求（1）限流電阻R（2）當IZ由IZmax變IZmin時，UZ的變化量為0.3V，求輸出電阻RO和穩壓系數Sr例10.4.1解：因此限流電阻R可取200Ω。（1）限流電阻R

（2）當IZ由IZmax變IZmin時，UZ的變化量為0.3V，求輸出電阻RO和穩壓系數Sr解：穩壓管的動態電阻

輸出電阻估算穩壓系數時，取穩壓系數10.5.1串聯型直流穩壓電路的組成1.調整電路2.采樣電路4.比較放大電路3.基準電壓電路10.5串聯型直流穩壓電路10.5.2串聯型直流穩壓電路的穩壓原理集成運放兩輸入端電位UO

UF

UB

UO

IC

UCE

UI

或IL

→設集成運放放大倍數為A，則輸出端電位穩壓原理：10.5.3串聯型直流穩壓電路的參數計算1.輸出電壓UO及其可調節范圍因虛短，則即：當R2滑至最上端時，當R2

的滑至最下端時，2.調整管的選擇(1)集電極最大允許電流ICM(2)集電極和發射極之間的最大允許電壓U(BR)CEO(3)集電極最大允許耗散功率PCM練習：在如圖所示串聯型穩壓電源中，已知電容C1取值滿足RC1＝(3～5)T/2，三極管的︱UBE︱均為0.7V，R2的滑動端在中點。UA＝

V，UM

＝

V。103610.6.1基準電壓源基準電壓UREF1.穩壓管基準電壓源VDZ具有正溫度系數。即溫度升高時，穩壓值UZ增大。UREF=UZ該基準電壓源適用于要求較低的穩壓電路。

UZ一般在6～7.5V之間。10.6串聯型集成穩壓器2.有溫度補償的基準電壓源基準電壓為：UREF＝UZ+UBE2穩壓管VDZ的穩定電壓是UZ，具有正溫度系數，而VT2的發射結正向偏置時具有負溫度系數，即在基極電流基本不變的情況下，溫度升高時，UBE2減小。當溫度變化時，UZ與UBE2變化相反，互相抵消，使UREF變化很小，所以該電路有溫度補償的作用。電路中VT1接成射極輸出器，VTl、VDZ和VT2構成電壓負反饋，進一步提高UREF的穩定性，且使輸出電阻較小。3.帶隙基準電壓源采用穩壓管基準電壓源提供的基準電壓值都比較高，噪聲也較大，為了獲得只有溫度補償的低基準電壓的基準電壓源，可采用帶隙基準電壓源。1.限流型保護電路調整管保護電路正常工作時IL不超過額定值，R4的壓降很小，VT2截止。當IL超過某一值后，R4的壓降增大，VT2導通，限制VT1中的基極電流，保護調整管。10.6.2保護電路+UR-+UR1

-2.截流型保護電路IO

UR

UBE2

T2導通

IB1

IO

UO

UR1

UBE2

IO

10.6.3三端固定式輸出集成穩壓器及其應用XX兩位數字為輸出電壓值輸出固定電壓輸出正電壓78XX輸出負電壓79XX1.W7800/W7900系列的外形及引腳2.接線圖0.33F0.1F輸入與輸出之間的電壓不得低于2V，一般取3～5V。使用時只需在其輸入端和輸出端與公共端之間各并聯一個電容即可。COW78XXCIUI+_+_UO123

3.W7800的應用(1)基本應用電路二極管VD起輸入短路保護作用，若輸入端短路時，使CO通過二極管放電，以便保護集成穩壓器內部調整管。(2)正、負輸出的穩壓電路(3)提高輸出電壓忽略(4)擴大輸出電流的穩壓電路三端集成穩壓器的最大輸出電流IOmax

Io

IBIR(5)輸出電壓可調的穩壓電路集成運放的輸出電壓UA穩壓電路的輸出電壓UO其輸出電壓的范圍為RL+CUO+–+–u2例：電路如圖所示,設變壓器副繞組電壓的有效值為15V，求：輸出電壓Uo為多大？UO=0.9U2=13.5VUO=1.2U2=18VUO=15VW7815C1C210.6.4三端可調輸出集成穩壓器及其應用1.三端可調輸出穩壓器的特點及管腳三端可調式集成穩壓器有輸出為正電壓的CW117、CW317等系列和輸出為負電壓的CWl37、CW337等系列。ADJ改變ADJ端的電位，可以達到調節輸出電壓的目的。2．應用電路(1)一般應用電路

LM317輸出端和調整端ADJ之間的基準電壓是1.25V，輸出電壓的可調范圍為1.25V～37V。調整端電流很小，忽略。(2)加保護電路

VD1：輸入短路保護作用。若輸入端短路時，使CO通過二極管放電，以便保護集成穩壓器內部的調整管。

VD2：提供一個放電回路，保護穩壓器。為減小RP上的波紋電壓，可并聯一個10uF的電容C。(3)擴大輸出電流的電路擴大輸出電流可用兩種方法實現，一是外接大功率管，二是并聯集成穩壓器。①外接PNP大功率三極管②并聯擴大輸出電流的穩壓電路輸入電壓UI=25V，輸出電流為1.5A電路輸出電流為IO=IO1+IO2=3A輸出電壓為前面介紹的穩壓電路，包括分立元件組成的串聯型直流穩壓電路及集成穩壓器均屬于線性穩壓電路，這是由于其中的調整管總是工作在線性放大區。線性穩壓電路的優點是結構簡單，調整方便，輸出電壓脈動較小。但是這種穩壓電路的主要缺點是效率低，一般只有20％—40％。由于調整管消耗的功率較大，有時需要在調整管上安裝散熱器，致使電源的體積和重量增大，比較笨重。而開關型穩壓電路則克服了上述缺點，因而它的應用日益廣泛。10.7開關型直流穩壓電源效率高(70%—95%)、體積小、重量輕、對電網電壓的要求不高；控制電路比較復雜、輸出電壓中紋波和噪聲成分較大。1.開關型穩壓電路的特點10.7.1開關型穩壓電路的特點和分類

2.開關型穩壓電路的分類

(1)按開關管與負載的連接方式分：串聯型和并聯型；

(2)按開關器件的激勵方式分：自激式和他激式；

(3)按穩壓的控制方式分：脈沖寬度調制型(PWM)、脈沖頻率調制型(PFM)和混合調制(即脈寬－頻率調制)型。

(4)按開關管的連接和工作方式分：單端式、推挽式、半橋式和全橋式；

(5)按開關管的類型分：晶體管、VMOS管和晶閘管。10.7.2串聯開關型穩壓電路的組成和工作原理

1.組成

(1)采樣電路(2)調整電路(3)比較放大電路(4)基準電源電路(5)控制電路(6)濾波電路2.工作原理當ut

<uA

時，uB=+UOPP，調整管VT飽和導通，L存儲能量，C充電；當ut>uA

時，uB=-UOPP，調整管VT截止，L釋放能量，其感應電動勢使D導通。uE

=UI-UCES，uE

=-UD，VD截止。VD導通。當ut

<uA

時，uB=+UOPP，當ut>uA

時，uB=-UOPP，調整管處于開關狀態，發射極電位是高低交替的脈沖波形，經LC濾波電路后，負載上得到較平滑的輸出電壓。uE

=UI-UCES，uE

=-UD，——脈沖波形的占空比。3.輸出電壓的估算對