第七章 直流穩(wěn)壓電源

第七章直流穩(wěn)壓電源第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中，主要采用交流電，但是在某些場合，例如電解、電鍍蓄電池的充電、直流電動機等，都需要用直流電源供電。此外，在電子電路和自動控制置中，還需要用電壓非常穩(wěn)定的直流電源。為了得到直流電，除了采用直流發(fā)電機、干電池等直流電源外，目前廣泛采用各種半導(dǎo)體直流電源。如圖7-1所示是半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的原理方框圖，它表示把交流電變換為直流電的過程。圖中各部分的功能如下：（1）整流變壓器：將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。（2）整流電路：將交流電壓變換為單向脈動電壓。（3）濾波電路：減小整流電壓的脈動程度，以適合負載的需要。（4）穩(wěn)壓電路：在交流電源電壓波動或負載變動時，使直流下一頁返回第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路輸出電壓穩(wěn)定。在對直流電壓的穩(wěn)定程度要求較低的電路中，穩(wěn)壓電路也可以不要。本章介紹從交流電變換成直流電所需要的各種電路的基本組成和工作原理，包括整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。7．1整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變換為直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫虼硕O管是構(gòu)成整流電路的核心元件。整流電路按輸入電源相數(shù)可分為單相整流電路和三相整流電路，按輸出波形又可分為半波整流電路、全波整流電路和橋式整流電路等。為了簡單起見，分析計算整流電路時把二極管當(dāng)作理想元件來處理，即認為二極管的正向?qū)娮铻榱?，而反向電阻為無窮大。上一頁返回下一頁第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路

7．1．1單相半波整流電路1．工作原理單相半波整流電路如圖7-2(a)所示。它是最簡單的整流電路，由整流變壓器、整流二極管VD及負載電阻組成。其中u1，u2分別為整流變壓器的原邊和副邊交流電壓。電路的工作情況如下：設(shè)整流變壓器副邊電壓為：當(dāng)u2為正半周時，其極性為上正下負，即a點電位高于b點電位，二極管VD因承受正向電壓而導(dǎo)通，此時有電流流過負載，并且和二極管上的電流相等，即。忽略二極管的電壓降，則負載兩端的輸出電壓等于變壓器副邊電壓，即,輸出電壓的波形與變壓器副邊電壓u2的相同。當(dāng)u2為負半周時，其極性為上負下正，即a點電位低于b點電位，二極管VD因承受反向電壓而截止。此時負載上無電流流過，輸出電壓U=0，變壓器副邊電壓u2全部加在二極管VD上。上一頁返回下一頁第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路綜上所述，在負載電阻得到的是如圖7-2(b)所示的單向脈動電壓。2．參數(shù)計算（l）負載上的電壓平均值和電流平均值。負載上得到的整流電壓雖然是單方向的（極性一定），但其大小是變化的。常用一個周期的平均值來衡量這種單向脈動電壓的大小。單相半波整流電壓的平均值為：（7-1）流過負載電阻RL的電流平均值為：（7-2）（2）整流二極管的電流平均值和承受的最高反向電壓。流經(jīng)二極管的電流平均值就是流經(jīng)負載電阻的電流平均值，即：（7-3）上一頁返回下一頁第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路二極管截止時承受的最高反向電壓就是整流變壓器副邊交流電壓u2的最大值，即：（7-4）根據(jù)和可以選擇合適的整流二極管。例7-1有一單相半波整流電路如圖7-2（a）所示。已知負載電阻=750Ω，變壓器副邊電壓U2=20V,試求、,并選用二極管。解：輸出電壓的平均值為：負載電阻RL的電流平均值為：整流二極管的電流平均值為：二極管承受的最高反向電壓為：查半導(dǎo)體手冊，可以選用型號為2AP4的整流二極管，其最大整流電流為16mA,最高反向工作電壓為50V為了使用安全，二極管的反向工作峰值電壓要選得比大一倍左右。上一頁返回下一頁第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路

7.1.2單相橋式整流電路單相半波整流的缺點是只利用了電源電壓的半個周期，同時整流電壓的脈動較大。為了克服這些缺點，常采用全波整流電路，其中最常用的是單相橋式整流電路。1．工作原理單相橋式整流電路是由4個整流二極管接成電橋的形式構(gòu)成的，如圖7-3(a)所示。圖7-3(b）所示為單相橋式整流電路的一種簡便畫法。單相橋式整流電路的工作情況如下：設(shè)整流變壓器副邊電壓為：當(dāng)為正半周時，其極性為上正下負，即a點電位高于b點電位，二極管V1，V3因承受正向電壓而導(dǎo)通，V2，V4因承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：，如圖7-4（a）所示。上一頁返回下一頁第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路當(dāng)為負半周時，其極性為上負下正，即a點電位低于b點電位，二極管V2，V4因承受正向電壓而導(dǎo)通，V1，V3因承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：，如圖7-4（b）所示?？梢姛o論電壓是在正半周還是在負半周，負載電阻上都有相同方向的電流流過，因此在負載電阻得到的是單向脈動電壓和電流。忽略二極管導(dǎo)通時的正向壓降，則單相橋式整流電路的波形如圖7-5所示。2．參數(shù)計算(1)負載上的電壓平均值和電流平均值。單相全波整流電壓的平均值為：（7-5）流過負載電阻的電流平均值為：（7-6）上一頁返回下一頁第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路(2)整流二極管的電流平均值和承受的最高反向電壓。因為橋式整流電路中每兩個二極管串聯(lián)導(dǎo)通半個周期，所以流經(jīng)每個二極管的電流平均值為負載電流的一半，即：（7-7）每個二極管在截止時承受的最高反向電壓為的最大值，即：（7-8）(3)整流變壓器副邊電壓有效值和電流有效值。整流變壓器副邊電壓有效值為：

整流變壓器副邊電流有效值為：

由以上計算，可以選擇整流二極管和整流變壓器。除了用分立組件組成橋式整流電路外，現(xiàn)在半導(dǎo)體器件廠已將上一頁返回下一頁第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路整流二極管封裝在一起，制造成單相整流橋和三相整流橋模塊，這些模塊只有輸入交流和輸出直流引腳，減少了接線，提高了電路工作的可靠性，使用起來非常方便。單相整流橋模塊的外形和實物接線圖如圖7-6所示。例7-2試設(shè)計一臺輸出電壓為24V，輸出電流為１Ａ的直流電源，電路形式可以采用半波整流或橋式整流，試確定兩種電路形式的變壓器副邊電壓有效值，并選定相應(yīng)的整流二極管。解(1)當(dāng)采用半波整流電路時，變壓器副邊電壓有效值為：

整流的二極管承受的最高反向電流為：

流過整流二極管的平均電流為：

上一頁返回下一頁第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．1整流電路因此，可以選用型號為2CZ12B的整流二極管，其最大整流電流為3Ａ，最高反向工作電壓為200V。(2)當(dāng)采用橋式整流電路時，變壓器副邊電壓有效值為：

整流二極管承受的最高反向電壓為：

流過整流二極管的平均電流為：

因此，可以選用4只型號為2CZ11A整流二極管，其最大整流電流為，最高反向工作電壓為100V。變壓器副邊電流有效值為：變壓器的容量為：上一頁返回第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．2濾波電路整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但脈動較大，在某些應(yīng)用中如電鍍、蓄電池充電等可以直接使用脈動直流電源。但許多電子設(shè)備需要平穩(wěn)的直流電源。這種電源中的整流電路后面還需要加濾波電路將交流成分濾除，以得到比較平滑的輸出電壓。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲功能來實現(xiàn)的。7.2.1電容濾波電路最簡單的電容濾波電路是在整流電路的直流輸出側(cè)負載電阻兩端并聯(lián)一電容器C，利用電容器的端電壓在電路狀態(tài)改變時不能突變的原理，使輸出電壓趨于平滑。1．工作原理如圖7-7(a)所示為單相半波整流電容濾波電路，其工作原理如下：設(shè)整流變壓器副邊電壓為：假設(shè)電路接通時恰恰在由負到正過零的時刻，這時二極管V開始導(dǎo)返回下一頁第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．2濾波電路通，電源在向負載供電的同時又對電容C充電。如果忽略二極管正向壓降，電容電壓緊隨輸入電壓按正弦規(guī)律上升至的最大值。隨后和都開始下降，按正弦規(guī)律下降當(dāng)<時，二極管V因承受反向電壓而截止，而電容則對負載電阻按指數(shù)規(guī)律放電，負載中仍有電流。在的下一個正半周內(nèi)，當(dāng)降至大于時，二極管又導(dǎo)通，電容C再次充電。這樣循環(huán)下去，周期性地變化，電容周而復(fù)始地充電和放電。電容兩端的電壓即為輸出電壓其波形如圖7-7(ｂ)所示，可見輸出電壓的脈動大為減小，并且電壓較高。橋式整流電容濾波電路與半波整流電容濾波電路的工作原理一樣，不同之處在于，在的一個周期里，電路中總有二極管導(dǎo)通，電容經(jīng)歷兩次充放電過程，因此輸出電壓更加平滑。其原理電路和工作波形分別如圖7-8（a)、(b）所示。2．參數(shù)計算一般常用如下經(jīng)驗公式估算電容濾波時的輸出電壓平均值，即：上一頁返回下一頁第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．2濾波電路半波：（7-9）全波：（7-10）采用電容濾波時，輸出電壓的脈動程度與電容器的放電時間常數(shù)有關(guān)，時間常數(shù)大，脈動就小。為了獲得較平滑的輸出電壓，選擇電容時一般要求：（半波）（7-11）（橋式）（7-12）式中，為交流電壓的周期。濾波電容一般選擇體積小、容量大的電解電容器。應(yīng)注意，普通電解電容器有正、負極性，使用時正極必須接高電位端，如果接反會造成電解電容器的損壞。加入濾波電容以后，二極管導(dǎo)通時間縮短，導(dǎo)通角小于，且在短時間內(nèi)承受較大的沖擊電流，容易使二極管損壞。為了保證二極管的安全，選管時應(yīng)放寬裕量。上一頁返回下一頁第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．2濾波電路單相半波整流電容濾波電路中，二極管承受的反向電壓為。當(dāng)負載開路時，二極管承受的反向電壓最高為：單相橋式整流電容濾波電路中，二極管承受的反向電壓與沒有電容濾波時一樣，為：。例7-3設(shè)計一單相橋式整流電容濾波電路。要求輸出電壓=48V，己知負載電阻，交流電源頻率為，試選擇整流二極管和濾波電容器。解：流過整流二極管的平均電流為：變壓器副邊電壓有效值為：整流二極管承受的最高反向電壓為：因此，可以選擇型號為2CZ11B的整流二極管，其最大整流電流為1A，最高反向工作電壓為200V。?。簞t上一頁返回下一頁第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．2濾波電路

7.2.2電感濾波電路電感濾波電路如圖7-9所示，即在整流電路與負載電阻之間串聯(lián)一個電感器L。交流電壓經(jīng)全波整流后變成脈動直流電壓，其中既含有各次諧波的交流分量，又含有直流分量。電感L的感抗對于直流分量，，電感相當(dāng)于短路，所以直流分量基本上都降在電阻上；對于交流分量，諧波頻率越高，感抗越大，因而交流分量大部分降在電感L上。這樣，在輸出端即可得到較平滑的電壓波形。與電容濾波相比，電感濾波的特點是：（1）二極管的導(dǎo)電角較大（大于），是因為電感L的反電動勢使二極管導(dǎo)電角增大），峰值電流很小，輸出特性較平坦。（2）輸出電壓沒有電容濾波的高。當(dāng)忽略電感線圈的電阻時，輸出的直流電壓與不加電感時一樣，為。負載改變時，對輸出電壓的影響也較小。上一頁返回第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．3直流穩(wěn)壓電路

7．3．1并聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時，即使流過穩(wěn)壓管的電流有較大的變化，其兩端的電壓卻基本保持不變。利用這一特點，將穩(wěn)壓管與負載電阻并聯(lián)，并使其工作在反向擊穿區(qū)，就能在一定的條件下保證負載上的電壓基本不變，從而起到穩(wěn)定電壓的作用。根據(jù)上述原理構(gòu)成的并聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路如圖7-10所示，其中穩(wěn)壓管反向并聯(lián)在負載電阻兩端，電阻R起限流和分壓作用。穩(wěn)壓電路的輸入電壓來自整流濾波電路的輸出電壓。并聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的工作原理如下：當(dāng)輸入電壓波動時，會引起輸出電壓波動。如升高將引起隨之升高，這會導(dǎo)致穩(wěn)壓管的電流急劇增加，因此電阻R上的電流和電壓也跟著迅速增大，的增大抵消了的增加，從而使輸出電壓基本上保持不變。這一自動調(diào)壓過程可表示如下：

返回下一頁第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．3直流穩(wěn)壓電路反之，當(dāng)小時，相應(yīng)減小，仍可保持基本不變。當(dāng)負載電流變化引起輸出電壓發(fā)生變化時，同樣會引起的相應(yīng)變化，使得保持基本穩(wěn)定。如當(dāng)增大時，和均會隨之增大而使下降，這將導(dǎo)致急劇減小，使仍維持原有數(shù)值，保持不變，從而使得到穩(wěn)定?？梢?，這種穩(wěn)壓電路中穩(wěn)壓管起著自動調(diào)節(jié)的作用，電阻R一方面保證穩(wěn)壓管的工作電流不超過最大穩(wěn)定電流；另一方面還起到電壓補償作用。選擇穩(wěn)壓管時，一般?。海?-13）式中，為負載電流的最大值。

7．3．2串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路雖很簡單，但受穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流的限制，上一頁返回下一頁第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．3直流穩(wěn)壓電路負載電流不能太大。另外，輸出電壓不可調(diào)且穩(wěn)定性也不夠理想。若要獲得穩(wěn)定性高且連續(xù)可調(diào)的輸出直流電壓，可以采用由三極管或集成運算放大器所組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的基本原理圖如圖7-11所示。整個電路由4部分組成：（1）取樣環(huán)節(jié)。由R1，RP，R2組成的分壓電路構(gòu)成。它將輸出電壓分出一部分作為取樣電壓送到比較放大環(huán)節(jié)。（2）基準(zhǔn)電壓。由穩(wěn)壓二極管和電阻R3構(gòu)成的穩(wěn)壓電路組成。它為電路提供一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，作為調(diào)整、比較的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)V2發(fā)射結(jié)電壓可以忽略，則：或（7-14）用電位器RP即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，但必定大于或等于。上一頁返回下一頁第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．3直流穩(wěn)壓電路（3）比較放大環(huán)節(jié)。由V2和R4構(gòu)成的直流放大電路組成。其作用是將取樣電壓Uf與基準(zhǔn)電壓Uz之差放大后去控制調(diào)整管V1。（4）調(diào)整環(huán)節(jié)。由工作在線性放大區(qū)的功率管V1組成。V1的基極電流IB1受比較放大電路輸出的控制，它的改變又可使集電極電流IC1和集、射電壓UCE1改變，從而達到自動調(diào)整穩(wěn)定輸出電壓的目的。電路的工作原理如下：當(dāng)輸入電壓UI或輸出電流IO變化引起輸出電壓UO增加時，取樣電壓UI相應(yīng)增大，使V2管的基極電流IB2和集電極電流IC2隨之增加，V2管的集電極電位UC2下降，因此V1管的基極電流IB1下降，IC1下降，UCB1增加，UO下降，從而使UO保持基本穩(wěn)定。這一自動調(diào)壓過程可以表示如下：

同理，當(dāng)UI或IO變化使UO降低調(diào)整過程相反，UCE1將減小使UO上一頁返回下一頁第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．3直流穩(wěn)壓電路保持基本不變。從上述調(diào)整過程可以看出，該電路是依靠電壓負反饋來穩(wěn)定輸出電壓的。比較放大環(huán)節(jié)也可采用集成運算放大器，如圖7-12所示。7．3．3線性集成穩(wěn)壓器由分立組件組成的直流穩(wěn)壓電路需要外接不少組件，因而體積大，使用不便。集成穩(wěn)壓器是將穩(wěn)壓電路的主要組件甚至全部組件制作在一塊硅基片上的集成電路，因而具有體積小、使用方便、工作可靠等特點。集成穩(wěn)壓器的種類很多，作為小功率的直流穩(wěn)壓電源，應(yīng)用最為普遍的是三端式串聯(lián)型集成穩(wěn)壓器。三端式是指穩(wěn)壓器僅有輸入端、輸出端和公共端3個接線端子。如圖7-13所示為W78XX和W79XX系列穩(wěn)壓器的外形和管腳排列圖。W78XX系列輸出正電壓有5V，6V，8V，9V，10V，12V，15V，18V和24V等多種。若要獲得負輸出電壓選W79XX系列即可。例如W7805輸出+5V電壓，上一頁返回下一頁第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．3直流穩(wěn)壓電路W7905則輸出－5V電壓。這類三端穩(wěn)壓器在加裝散熱器的情況下，輸出電流可達1.5A～2.2A，最高輸入電壓為35V，最小輸入、輸出電壓之差為2V～3V，輸出電壓變化率為0.1%～0.2％。下面介紹幾種三端式串聯(lián)型集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路：三端穩(wěn)壓器可以用最簡單的形式接入電路中使用。如圖7-14(a)所示為W78XX系列的基本應(yīng)用電路，從變壓器輸出的交流電壓經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生的直流電壓從1，3兩端輸入，從2，3兩端輸出的是穩(wěn)定的直流電壓。當(dāng)穩(wěn)壓器遠離整流濾波電路時，接入電容C1以抵消較長線路的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。電容C2的接入是為了減小電路的高頻噪聲。C1一般取0.1～1μF，C2取1μF。當(dāng)需要負電源時，應(yīng)選用W79XX系列的產(chǎn)品。如圖7-14(b)所示為W79XX系列的基本應(yīng)用電路，C1，C2的選取和連接方法上一頁返回下一頁第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7．3直流穩(wěn)壓電路與W78XX系列相同，只是輸入和輸出均為負電壓，且從3，1兩端輸入，從2，1兩端輸出。圖7-15所示為三端可調(diào)式正電壓輸出的穩(wěn)壓電路，輸入電壓范圍為2~40V，輸出電壓可在1．25～37Ｖ之間調(diào)整。圖中U1為整流濾波后的電壓，R1、RP用來調(diào)整輸出電壓。若忽略調(diào)整端的電流（調(diào)整電流很小，約為50），則R1與RP近似為串聯(lián)，輸出電壓可用下式表示。