第十章 直流电源.docx

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第十章直流电源

第十章直流电源

内容引出:

各种电子设备都需要有直流电源供电，而我们日常的用电都是交流电，那么如何把交流电变成电子设备所需要的直流电呢？

这就是本章要讨论的内容。

本章只讨论小功率直流电源。

本章主要内容：

10.1直流电源的组成

10.2单相整流电路

10.3滤波电路

10.4倍压整流电路

10.5稳压电路

本章小结

重点：

1.整流电路的工作原理及元器件参数的计算；

2.电容滤波电路的工作原理及有关计算；

3.稳压电路的工作原理及计算。

难点：

电容滤波电路的工作原理；串联型稳压电路的工作原理。

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10.1直流电源的组成

讲课思路：

直流稳压电源组成→各部分作用。

直流稳压电源组成框图如图10.1所示。

各部分作用：

1.电源变压器

将交流220V电压变换成所需要的电压。

2.整流电路

将交流电变换为单向脉动的直流电。

3.滤波电路

将单向脉动的直流电压中的交流成分滤除。

4.稳压电路

稳定输出的直流电压。

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10.2单相整流电路

讲课思路：

整流原理→几种常用单相整流电路（原理、波形图、指标计算、特点）。

利用二极管的单向导电性，可以将交流电变为单向脉动的直流电。

小功率直流电源是将三相交流电中的一相整流为直流电，称为单相整流。

常用的单相整流电路有：

半波整流、全波整流、桥式整流。

下面分别介绍它们的工作原理。

10.2.1单相半波整流电路

1.电路组成

单相半波整流电路如图10.2所示。

图中：

T——电源变压器；VD——整流二极管；RL——负载

2.工作原理

u2正半周（u2>0），VD导通，uo=u2。

u2负半周（u2<0），VD截止，uo=0。

所以，负载上只有至上而下的电流，其电压的极性始终为上正下负，为直流电压。

3.波形图

设u2=2U2sin⁡ω  t，则各处波形如图10.3所示。

4.参数计算

描述整流电路技术性能的主要参数有以下几个：

（1）输出直流电压Uo

输出直流电压：

输出电压uo在一周内的平均值。

Uo=1T∫0T   uod t=12π∫02π   uod （ω  t）

由uo波形可知

Uo=12π∫0π   2U2sin⁡ω t   d （ω  t）=2πU2=0.45U2

（2）脉动系数S

定义：

S=Uo1mUo

Uo1m——输出电压基波分量最大值，可由傅立叶级数确定。

半波波形的傅立叶级数为

uo（t）=2U2π（1+π2cos⁡ω t+23cos⁡2ω t−215cos⁡4ω t+⋯）

Uo1m=2U22=12U2

∴S=Uo1mUo=U222πU2=π2≈157%，可见，脉动很大。

（3）整流二极管的选择

选管原则：

依据二极管正向平均电流和最大反向峰值电压。

二极管正向平均电流ID=Io=UoRL

二极管最大反向峰值电压URM=2U2

选管时，应满足：

IF≥ID

UR≥URM=2U2

半波整流电路的特点：

优点：

结构结单，使用元件少。

缺点：

①电源利用率低，输出直流电压低；

②输出波形脉动大。

所以，半波整流电路只适合于要求不高的场合。

欲提高电源利用率，减小脉动，可采用全波整流电路。

10.2.2单相全波整流电路

1.电路组成

单相全波整流电路如图10.4所示。

2.工作原理

u2正半周（u2>0），VD1导通，VD2截止，uo=u2。

u2负半周（u2<0），VD2导通，VD1截止，uo=−u2。

3.波形图

4.参数计算

（1）输出直流电压

（2）脉动系数S

全波波形的傅立叶级数为

uo（t）=2U2（2π−43πcos⁡2ω t−415πcos⁡4ω t−435πcos⁡6ω t−⋯）

Uo1m=42U23π

∴S=Uo1mUo=42U23π22πU2=67%

可见，脉动减小了。

（3）整流二极管的选择

二极管正向平均电流ID=12Io=12UoRL

二极管最大反向峰值电压URM=22U2

选管时应满足：

IF≥ID

UR≥URM=22U2

全波整流电路的特点：

优点：

电源利用率高，脉动小。

缺点：

①变压器副边带中心抽头，输出电压欲提高一倍，变压器副边体积要增大一倍，变压器成本高，制造复杂；

②对二极管反向耐压要求高。

为解决全波整流存在的问题，可采用桥式整流电路。

10.2.3单相桥式整流电路

1.电路组成

单相桥式整流电路如图10.6所示。

2.工作原理

u2正半周（u2>0），VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，uo=u2。

u2负半周（u2<0），VD1、VD3截止，VD2、VD4导通，uo=−u2。

3.波形图

4.参数计算

（1）输出直流电压

（2）脉动系数S=67%

（3）整流二极管正向平均电流ID=12Io=12UoRL

最大反向峰值电压URM=2U2

选管时应满足：

IF≥ID

UR≥URM=22U2

桥式整流电路克服了全波整流电路的缺点，因此桥式整流电路应用最为广泛。

所以有关生产厂家将桥式整流电路直接集成在一片芯片上，称为桥堆。

它只有四个端子，即两个输入端，两个输出端，使用起来很方便。

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10.3滤波电路

讲课思路：

电容滤波（原理、、波形图、特点、适用场合）→其它几种滤波电路（原理、特点、适用场合）。

10.3.1电容滤波电路

1.电路

2.工作原理

设电容原先未充电。

接通电源时，u2处于正半周。

（1）u2在正半周时，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，C充电，此时

uo=uC=u2（C充电）

（2）当u2=2U2时，uC=2U2，u2达到最大值后开始下降，当u2

uo=uC（C放电）

（3）u2变化到负半周时，若|u2|

uo=uC（C放电）

（4）当|u2|>uC时，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，C又充电，此时

uo=uC=u2（C充电）

（5）当u2达到负最大值后，其|u2|下降，当|u2|

uo=uC（C放电）

以后重复上述过程。

3.波形图

4.几点结论

（1）加电容滤波后，输出直流电压Uo提高了。

（2）加电容滤波后，输出直流电压Uo脉动减小了。

（3）脉动大小与电容放电时间常数τ有关。

τ=RLC

RLC越大，τ越大，放电越慢，脉动越小。

为减小脉动，应选择大容量电容，如电解电容，而且负载电阻RL越大，脉动越小。

所以，电容滤波适合于负载电流小的场合。

当电路空载时，Uo波形如图10.10所示。

此时，Uo=2U2，脉动最小，脉动系数S=0。

（4）外特性变差

外特性：

输出电压Uo与输出电流Io之间的关系曲线。

无电容滤波时：

Uo=0.9U2，Uo不随Io变化，外特性硬，特性好。

有电容滤波时：

随着RL↓（Io↑）→放电时间常数τ↓→电容放电快→Uo↓。

此时Uo随Io变化，外特性软，特性差。

当RL→0时，Uo=0.9U2。

上述特性如图10.11所示。

（5）二极管有冲击电流流过。

加电容滤波后，二极管导通时间缩短，导电角<1800，且电容放电越快，导电角越小。

由于输出电压提高了，而二极管导通时间缩短了，所以二极管上有冲击电流通过，如图10.9中所示。

因此必须选择大容量的整流二极管。

5.电容的选择

为获得较好的滤波效果，实际中按下式选择电容

T——电网交流电压的周期

6.输出电压Uo的计算

电容满足选择要求时，输出电压Uo可按下式估算

10.3.2其它型式的滤波电路

1.RC−π型滤波电路

RC−π型滤波电路是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路，如图10.12所示。

滤波过程：

整流输出的直流电压经第一级电容C1滤波后，其交流分量经R电阻降压、电容C2滤波后，脉动进一步减小。

输出电压估算式：

Uo≈1.2U2

缺点：

①电阻R上直流电压，必须提高变压器副边电压；

②整流管冲击电流仍然大；

③由于电阻R上产生压降，所以外特性更软。

它只适合于小电流场合。

为避免直流电压下降，可用电感L代替电阻R，即采用LC−π型滤波电路。

2.LC−π型滤波电路

利用电感对交流分量有降压作用，对直流分量无降压作用，既可减小脉动又可避免输出电压下降，解决了RC−π型滤波电路存在的问题，但它仍然存在外特性软（与电容滤波基本相同）、整流管冲击电流大的缺点。

它也只适合于小电流场合。

输出电压估算式：

Uo≈1.2U2

如果需要大电流输出，或输出电流变化范围大，则可采用L滤波或LC滤波电路。

3.L滤波电路

L滤波电路如图10.14所示。

L对直流无降压作用，对交流有降压作用。

L越大（对交流降压作用越强），RL越小（输出交流分量越小），滤波效果越好，所以，它适合于负载电流大的场合。

由于电感对电流的变化有阻碍作用，所以电流的波形比较平滑，避免了过大的冲击电流。

输出电压估算：

Uo≈0.9U2

4.LC滤波电路

为进一步改善滤波效果，可采用LC滤波电路，如图10.15所示。

负载电阻较大（电流较小）时：

负载上交流分量小，滤波效果好；

负载电阻较小（电流较大）时：

电容放电慢，滤波效果也好；

所以，LC滤波电路对负载适应能力强，特别适合于电流变化范围大的场合。

输出电压估算式：

Uo≈0.9U2

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10.4倍压整流电路

讲课思路：

倍压整流电路的引出→倍压整流电路的原理→多倍压整流电路。

为了得到高的直流电压，采用上述各种电路时，必须提高变压器副边电压U2，这样势必造成变压器体积增大，并且对二极管和电容的耐压要求也提高。

为此，可以采用倍压整流电路。

实现倍压整流的方法：

利用二极管的导引作用，将直流电压分别存在多个电容器上，并将这些电压按照相同的极性串连起来，从而得到较高的直流电压。

10.4.1二倍压整流电路

二倍压整流电路如图10.16所示。

工作原理：

u2在正半周时：

VD1导通，VD2截止，电容C1充电至2U2；

u2在负半周时：

VD2导通，VD1截止，电容C2充电至2U2；

∴输出直流电压Uo=22U2——二倍压

实际上，电容C1、C2会通过负载RL放电，所以输出电压Uo略低于22U2，并且有脉动。

显然，负载电阻RL越大（负载电流越小），输出电压下降得越少，脉动也越小，所以，倍压整流电路适合于要求输出直流电压高，负载电流小的场合。

10.4.2多倍压整流电路

按相同的原理，将多个电容串起来，并用二极管作导引，分别给它们充电，就可得到多倍压输出。

如图10.17所示。

u2第一个周期正半周：

VD1导通，C1充电至2U2；

u2第一个周期负半周：

VD2导通，C2充电至22U2；

u2第二个周期正半周：

VD3导通，C3充电至22U2；

u2第二个周期负半周：

VD4导通，C4充电至22U2；依此类推。

把负载接到有关电容组的两端，就可以得到多倍压直流输出。

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10.5稳压电路

讲课思路：

直流电压不稳定的因素→稳压电路的主要指标→稳压管稳压电路（稳压原理、限流电阻的选择）→串联型稳压电路（电路的引出、组成、稳压原理、输出调节范围、保护电路）→集成稳压器（应用电路）→开关型稳压电路（引出、特点、分类、原理）。

电子设备通常需要稳定的直流电源供电，但经整流、滤波所得的直流电压不稳定，主要表现在两个方面：

1.  电网波动时，输出直流电压要随之而变；

2.  负载变化时，输出直流电压要随之而变。

所以，整流滤波后的直流电压还不能直接送给负载使用，还必须经过稳压环节稳压。

10.5.1稳压电路的主要指标

1.稳压系数S

定义：

S=ΔUoUoΔUiUi|RL=C

S反映了电网波动时，稳压电路保持输出电压稳定的能力。

S越小，电网波动时，稳压电路的稳压性能越好。

2．内阻ro

定义：

ro=ΔUoΔIo|Ui=C

ro反映了负载变化时，稳压电路保持输出电压稳定的能力。

ro越小，负载变化时，稳压电路的稳压性能越好。

此外，还有其它几个指标：

电压调整率：

指当电网电压变化10%时，输出电压的相对变化量。

最大纹波电压：

指在输出端存在的50Hz或100Hz交流分量的有效值或峰-峰值。

温度系数：

指电网电压和负载都不变时，由于温度变化引起的输出电压漂移。

常用的稳压电路有稳压管稳压电路和串联型直流稳压电路。

下面分别介绍。

10.5.2硅稳压管稳压电路

1.硅稳压管的伏安特性

硅稳压管的伏安特性如图10.18所示。

稳压管处于反向击穿状态时，电流在较大范围内变化，电压变化却很小，利用这个特点可以进行稳压。

2.电路组成和稳压原理

硅稳压管稳压电路如图10.19所示。

稳压原理：

（1）Ui不变，RL变化时

同理，可分析RL↑的情况。

（2）RL不变，Ui变化时

同理，可分析Ui↓的情况。

3.稳压系数和内阻的计算

（1）稳压系数S的计算

稳压系数可根据图10.20所示等效电路估算。

由图可知：

ΔUo=rz//RL（rz//RL）+RΔUi

当满足条件rz<

∴S=ΔUoUoΔUiUi≈rzR⋅UiUo

显然，rz越小，R越大，则S越小，电网波动时，稳压性能越好。

（2）内阻ro的计算

内阻ro可根据图10.21所示等效电路估算。

由图可得：

ro=rz//R≈rz

4.限流电阻的选择

由稳压管反向击穿特性可知：

a.欲使稳压管具有稳压性能，则流过稳压管的电流Iz>Izmin⁡，否则稳压性能变差；

b.欲保证稳压管安全可靠地工作，则流过稳压管的电流Iz

即应保证：

Izmin⁡

可通过选择合适的限流电阻R满足上述条件。

∴限流电阻R选择的原则:

Izmin⁡

（1）当Ui=Uimax，Io=Iomin⁡时，Iz值最大，此时应保证Iz

即Uimax⁡−UzR−Iomin⁡

∴R>Uimax⁡−UzIzmax⁡+Iomin⁡

（2）当Ui=Uimin，Io=Iomax⁡时，Iz值最小，此时应保证Iz>Izmin。

即Uimin⁡−UzR−Iomax⁡>Izmin⁡

∴R

式中：

Izmin——取稳压管稳定电流计算

Izmax⁡=PzUz

Pz——稳压管额定功耗

10.5.3串联型直流稳压电路

1.电路的引出

用一可变电阻与负载串联稳压进行稳压，如图10.22所示。

当Uo↓   时，调节可变电阻R↓→   UR↓→Uo↑

当Uo↑   时，调节可变电阻R↑→   UR↑→Uo↓

可见，当输出电压变化时，通过调节可变电阻R，使R作也相同的变化，就可以稳定输出电压。

但是，上述人工调节不现实，不能满足实际的需要。

所以，不能用可变电阻器稳压。

那么，是否有一种器件其阻值能自动调节呢？

三极管集电极与发射极之间的电阻RCE就可以随基极电流IB自动变化，该特点可由三极管输出特性曲线看出，如图10.23所示。

由图可知：

IB=IB1时，工作在Q1点，此时RCE1=UCE1IC1

IB=IB2时，工作在Q2点，此时RCE2=UCE2IC2

IB=IB3时，工作在Q3点，此时RCE3=UCE3IC3……

显然，随着IB的不同，工作点Q的位置不同，RCE值也不同。

所以RCE是随IB变化的，IB越大，RCE越小。

若让IB随稳压电路输出电压Uo作相反的变化，则三极管可以自动稳定输出电压Uo。

图10.24所示为简单串联型稳压电路。

图中：

VT——调整管，作可变电阻，用于稳定输出电压；

R、VDz——基准电路，用于提供基准电压Uz。

调整管与负载串联——串联型稳压电路

由图可知：

UBE=Uz−Uo

稳压过程：

设输出电压Uo由于电网波动或负载变化而增大，则

Uo↑→UBE↓→IB↓→RCE↑→UCE↑→Uo↓

该电路存在的问题：

a.输出电压不能调节；

b.稳压性能较差。

因为它是靠偏差ΔUBE=Uz−ΔUo来调节的，对输出电压的变化不敏感，因此稳压性能较差。

为解决上述电路存在的问题，可采用图10.25所示的串联型稳压电路。

2.串联型直流稳压电路

（1）电路的组成

图10.25所示为串联型稳压电路。

电路由四部分组成：

VT——调整管，稳定输出电压；

R、VDz——基准电路，用于提供基准电压Uz；

R1、R2、R3——取样电路，将输出电压变化量的一部分送到放大电路输入端；

A——放大电路（其输入电压UId=Uz−UF），将输出电压变化量进行放大，提高稳压性能。

（2）稳压过程

设由于电网波动或负载变化造成输出电压Uo增大，则

Uo↑→UF↑→UId↓→UBE↓→IB↓→RCE↑→UCE↑→Uo↓

（3）输出电压调节范围

该电路输出电压可调。

输出电压调节范围确定如下：

由图10.25可得：

U−=UF=R″2+R3R1+R2+R3Uo

而U+=Uz

根据“虚短”U−=U+，则

Uz=UF=R″2+R3R1+R2+R3Uo

∴Uo=R1+R2+R3R″2+R3Uz

当R2滑动触头调至最上端时，R′2=0  、R″2=R2，Uo=Uomin⁡，此时

Uomin=R1+R2+R3R2+R3Uz

当R2滑动触头调至最下端时，R′2=R2  、R″2=0，Uo=Uomax⁡，此时

Uomax=R1+R2+R3R3Uz

3.稳压电路的过载保护

稳压电路工作时，如果输出端过载或短路，则调整管的电流急剧增大，会造成调整管损坏，所以必须采取保护措施。

下面介绍两种常用的保护电路。

（1）限流型保护电路

限流型保护电路如图10.26所示。

图中：

VT2——保护元件；

R4——检测电阻，检测过电流，阻值很小，一般为1Ω左右。

正常时，Io较小→R4上的电压很小→VT2截止，保护电路不动作；

过载时，Io较大→R4上的电压较大→VT2导通→VT2分流→调整管IB↓，起到保护作用。

（2）截流型保护电路

截流型保护电路如图10.27所示。

图中：

虚框内——保护电路；

R4——检测电阻。

正常时，Io较小→R4上的电压很小→UB2

过载时，Io较大→R4上的电压较大→VT2导通→VT2分流→IB1↓，引起下述正反馈：

正反馈→IC2↑↑→VT2饱和→输出电压Uo=Uces2+UR8−IoR4−UBE1→Uo↓

Uo↓→调整管功率损耗↓——起到保护作用。

此时由于Uo很小，所以Ui大部分将在调整管上，所以选择调整管时，应使

U（BR）CEO>Uimax

在截流型保护电路中，一旦故障排除，则引入如下正反馈：

UR4↓→UB2↓→IC2↓→IB1↓→Uo↑→UE2↑→UBE2↓→IC2↓

正反馈使VT1和VT2迅速恢复到原来的数值。

10.5.4集成稳压器

随着集成技术的发展，稳压电路也迅速实现集成化。

目前已能大量生产各种型号的单片集成稳压电路。

集成稳压器具有体积小，可靠性高、温度特性好等优点，而且使用灵活、价格低廉，被广泛应用于仪器、仪表、及其他各种电子设备中。

特别是三端集成稳压器，只有三个端子，即输入端、输出端和公共端，基本上不需外接元件，而且内部有限流保护、过热保护和过压保护，使用安全、方便。

三端集成稳压器分类：

固定输出：

输出直流电压是固定不变的几个电压等级。

它又分为正输出和负输出两大类。

可调输出：

通过外接电阻和电位器使输出电压在某一个范围内连续可调。

本节介绍固定输出三端集成稳压器（W78××和W79××系列）。

1.W78××和