《電工與電子技術(shù)》 課件 第11章 直流穩(wěn)壓電源

第11章直流穩(wěn)壓電源11.1單相整流電路11.2濾波電路11.3穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電源本章學(xué)習(xí)直流電源的組成，直流、濾波、穩(wěn)壓電路的功能、工作原理和輸出波形、電壓和電流平均值等參數(shù)的計(jì)算，元器件的選擇等。穩(wěn)壓電路的種類，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成和原理，以及集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用。RL+Uo-+CRVS第11章|

直流穩(wěn)壓電源概述

直流穩(wěn)壓電源的作用就是將電壓較高的交流電轉(zhuǎn)換成電子設(shè)備需要的低壓直流電，其應(yīng)用極為廣泛，包括電子儀器、各種家用電器等，圖11-1所示為部分常用的直流電源。圖11-1

直流電源的應(yīng)用a）實(shí)驗(yàn)室用直流電源b）開關(guān)直流電源c）筆記本電腦電源d）手機(jī)充電器a）b）c）d）

直流穩(wěn)壓電源通常由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，其基本結(jié)構(gòu)和各部分輸出的電壓波形如圖

11-2所示。220V交流降壓脈動(dòng)波直流穩(wěn)定直流變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路圖11-2

直流電源的組成第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.1單相整流電路11.1單相整流電路11.1.1單相半波整流電路

交流電—大小和方向隨時(shí)間做周期性變化

直流電—大小和方向不隨時(shí)間變化。

脈動(dòng)波—大小隨時(shí)間變化，方向不變。

利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電轉(zhuǎn)化脈動(dòng)波，稱為整流。圖11-3a為單相半波整流電路，設(shè)VD為理想二極管，輸入為220V交流電，經(jīng)過變壓器（Tr）降壓后為ui，其表達(dá)式為：輸入電壓正半周（

uI>0，上正、下負(fù)），VD導(dǎo)通，相當(dāng)于短路，如圖11-3b

所示，產(chǎn)生電流iO，在負(fù)載上得到電壓

uO輸入電壓負(fù)半周（uI

<0，上負(fù)、下正），VD截止，相當(dāng)于開路，如圖11-3c所示，uO

為0V。1.單相半波整流電路VDTrRL+uO-+uI-220V+uD-a）TrRL+uO-+uI-iOVD短路輸入正半周b）圖11-3

半波整流電路a）實(shí)際電路b）輸入電壓正半周c）輸入電壓負(fù)半周VD開路輸入負(fù)半周TrRL+uO--uI+c）第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.1單相整流電路

2.

波形分析與參數(shù)計(jì)算

圖

11-4a

所示為變壓器二次電壓，即整流電路輸入電壓ui波形，幅值為

uI

正半周（0~π），二極管導(dǎo)通（相當(dāng)于短路），輸出電壓uO、輸出電流iO、二極管端電壓uD為分別為

ui

負(fù)半周（

π~2π），二極管截止（相當(dāng)于開路），輸出電壓uO、輸出電流iO、二極管端電壓uD為分別為

整流電路的輸出電壓為單向脈動(dòng)波，見圖

11-4b所示。脈動(dòng)波又稱為“脈動(dòng)直流電”，即從交流電轉(zhuǎn)換為平滑直流電的中間過渡波形。脈動(dòng)電壓的幅值與輸入電壓相同，平均值為輸出電流的平均值即二極管通過的平均電流（圖11-4c）：二極管截止時(shí)（圖11-4d）所承受的最高反向電壓為：圖11-4

單相半波整流波形a）輸入電壓b）輸出電壓c）輸出電流d）二極管反向電壓uItπ2π0a）uOtπ2π0b）iOtπ2π0c）uDtπ2π0d）第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.1單相整流電路

【例11-1】單相半波整流電路如圖11-5所示，已知負(fù)載電阻RL=30

，直流電壓表V

讀數(shù)為45V，求：直流電流表A和交流電壓表V1的讀數(shù)。

【例11-2】單相半波整流電路如圖11-5所示，如果負(fù)載電阻和輸出電壓與【例11-1】相同，如何選擇整流二極管VD？

解：直流電壓表V

的讀數(shù)即輸出電壓平均值，直流電流表A

的讀數(shù)即輸出電流平均值，交流電壓表V1的讀數(shù)為變壓器二次電壓有效值，三者關(guān)系為：

解：二極管所通過的平均電流即二極管指標(biāo)之一的“最大整流電流”，根據(jù)最大整流電流和最高反向電壓選擇合適的二極管。VDTrRL+uI-220V+uD-AVV1圖11-5

例11-1、例11-2電路第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.1單相整流電路11.1.2單相全波整流電路

半波整流電路的缺點(diǎn)：只利用了輸入交流電壓的一半，不僅電源效率低，輸出脈動(dòng)波的平均值低（僅0.45U），而且輸出電壓脈動(dòng)較大。實(shí)際應(yīng)用中多采用全波整流電路，全波直流電路包括單相雙半波整流電路和橋式全波整流電路。1.單相雙半波整流電路

雙半波整流電路如圖11-6a所示，可視為上下兩個(gè)具有公共負(fù)載

RL

的單相半波整流電路疊加。Tr為二次側(cè)繞組中心抽頭的變壓器，得到兩個(gè)大小相等、極性相同的電壓

uI1和

uI2，在輸入電壓的正、負(fù)半周內(nèi)，分別作用于上、下兩個(gè)半波整流電路。輸入電壓正半周，uI1和uI2為上正、下負(fù)，VD1導(dǎo)通、VD2截止，產(chǎn)生電流i1流過RL，得到輸出電壓uO1，見圖11-6b所示。輸入電壓負(fù)半周，uI1和uI2為上負(fù)、下正，VD2導(dǎo)通、VD1截止，產(chǎn)生電流i2

流過RL，得到輸出電壓uO2，見圖11-6c

所示。VD1導(dǎo)通i1VD2導(dǎo)通i2圖11-6

單相雙半波整流a）實(shí)際電路b）輸入電壓正半周c）輸入電壓負(fù)半周VD1RL+uI1-+uD1-VD2+uD2-+uI1-Tr220Va）RL+uI1-+uI2-Tr220Vb）RL-uI1+Tr220V-uI2+c）第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.1單相整流電路單相雙半波整流電路的波形與參數(shù)分析

圖

11-7a

所示為變壓器二次電壓uI1和uI2的

波形。

輸入電壓正半周（0~π），VD1導(dǎo)通，電流iO1在負(fù)載上得到電壓uO1，VD2端電壓uD2為ui2和uO1的疊加，即：

輸入電壓負(fù)半周（π~2π），VD2截止，電流iO2在負(fù)載上得到電壓uO2，VD1端電壓uD1為uI1和uO2的疊加，即：

輸出電壓、電流及二極管反向電壓波形見圖

11-7b、c、d所示。

輸出電流平均值:

全波整流輸出電壓平均值為半波整流輸出電壓平均值的2

倍，即:

因兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通，各導(dǎo)通半個(gè)周期，所以二極管輸出電流平均值為IO的一半，即：

這個(gè)電路的缺點(diǎn)是：需要中間抽頭的變壓器，而且二極管承受的最高反向電壓過高，是半波整流的兩倍，即：uI1、

uI2tπ2π0a）uOt0b）iOt0c）uDt0d）圖11-7

單相雙半波整流波形a）輸入電壓b）輸出電壓c）輸出電流d）二極管反向電壓第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.1單相整流電路2.單相橋式整流電路

圖11-8所示電路，四個(gè)二極管（VD1~VD4）組成電橋，所以稱為橋式整流電路。輸入電壓正半周，uI

上正、下負(fù)，VD1和VD3導(dǎo)通、產(chǎn)生電流iO1流過RL，產(chǎn)生輸出電壓uO1，

VD2和VD4截止，承受反向電壓。其參數(shù)為：輸入電壓負(fù)半周，uI

上負(fù)、下正，VD2和VD4

導(dǎo)通、VD1和VD3

截止。產(chǎn)生電流iO2流過RL，得到輸出電壓uO2，見圖11-8c所示。

特點(diǎn)：輸出電壓平均值比較高，二極管承受的最高反向電壓為同時(shí)避免采用中間抽頭的變壓器，所以得到廣泛的應(yīng)用。單相橋式整流電路輸出電壓、電流的波形和參數(shù)與單相雙半波電路的輸出電壓、電流完全相同，即VD1RL+

uO

-Tr220V+uI-VD2VD3VD4圖11-8

橋式全波直流電路VD1導(dǎo)通RLTr220V+uI-VD3導(dǎo)通+

uO1-輸入正半周iO1-

uO1+Tr220V-uI+VD2導(dǎo)通VD4導(dǎo)通RL輸入負(fù)半周iO2第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.1單相整流電路

整流電橋的簡化畫法及集成化

圖11-9a

所示的整流電橋，根據(jù)其四個(gè)二極管的方向，可以用圖11-9b所示的簡化畫法代替。

【例11-3】單相橋式全波整流電路如圖11-11所示，已知負(fù)載電阻RL=12

，負(fù)載電壓UO=18V，交流電壓為220V，如何選用二極管和變壓器的變比？

解：輸入電壓正半周，VD1和VD3導(dǎo)通，產(chǎn)生電流i1；輸入電壓

負(fù)半周，VD2和VD4導(dǎo)通，產(chǎn)生電流i2，在負(fù)載上得到全波電壓，其參數(shù)為：

查晶體管手冊，可以選擇2CZ55B，最大整流電流1A，最高反向工作電壓50V

將4

個(gè)二極管集成在一個(gè)硅片上，只引出兩個(gè)交流電壓輸入端和兩個(gè)直流輸出端，即集成化的整流電橋，如圖11-10所示，中間為交流輸入，兩端為直流輸出。圖11-10

集成整流電橋RL+uO-Tr220V+uI-圖11-11

例11-3電路VD4VD1VD2VD3圖11-9

整流電橋的簡化畫法a）整流電橋b）簡化畫法a）

b）第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.2濾波電路11.2.1電容濾波電路

整流電路的輸出是單向脈動(dòng)波，除直流分量外，還包括交流分量。對電子儀器和自動(dòng)控制設(shè)備來說，這樣的整流電壓不宜用做直流電源，因此，必須在整流電路的輸出端加上濾波電路，濾去其中的交流成分，成為平滑的、接近于理想的直流電壓，常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復(fù)合濾波。圖11-12為在半波整流路接電容濾波C（電容值較大的電解電容），圖11-13為輸入和輸出電壓波形。

rD為二極管導(dǎo)通電阻，阻值很小，所以充電很快；

當(dāng)uI下降時(shí)，二極管截止，電容向負(fù)載放電，放電時(shí)間常數(shù)為當(dāng)uI

上升時(shí)，二極管導(dǎo)通，電容充電，充電時(shí)間常數(shù)為直到下個(gè)周期輸入上升再次充電，在C上得到近似直流的電壓半波整流濾波電路輸出電壓平均值為VDTrRL+uO-+uI-220V+uD-+C電容濾波圖11-12

半波整流電容濾波uit0a）圖11-13

電容濾波波形a）輸入電壓波形b）輸出電壓波形uOtπ2π0b）充電放電放電充電第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.2濾波電路通過半波和全波整流濾波電路的比較，得出以下結(jié)論：

全波整流濾波充電頻率更高（半個(gè)周期一次），所以電壓平均值更高。

放電時(shí)間常數(shù)越大，波形越平滑，越接近理想直流，一般要求：

RL+uO-Tr380V+uI-圖11-14

橋式整流濾波電路+C2rD為兩個(gè)二極管導(dǎo)通電阻，充電很快；

當(dāng)ui下降時(shí)，電容向負(fù)載放電，放電很慢，其時(shí)間常數(shù)為因?yàn)槭侨ㄕ鳎园雮€(gè)周期后輸入上升再次充電，在C上得到近似直流的電壓。見圖11-15所示。全波整流濾波電路輸出電壓平均值為：當(dāng)ui上升時(shí)，兩個(gè)二極管導(dǎo)通，電容充電，充電時(shí)間常數(shù)為圖11-14為橋式全波整流電路接電容C濾波器。圖11-16為不同時(shí)間常數(shù)下虛擬示波器顯示的濾波電路輸出波形，當(dāng)RLC=2.5T

時(shí)電壓已經(jīng)比較理想。RLC=1.0TRLC=1.5TRLC=2.5T圖11-16

不同時(shí)間常數(shù)下濾波電路輸出波形uo=uCtT/20放電放電放電充電充電充電圖11-15

橋式整流濾波電路輸出波形T電容濾波第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.2濾波電路11.2.2電感濾波電路

電感濾波電路如圖11-17所示，即在整流電路與負(fù)載電阻之間串聯(lián)濾波電感

L，由于在電流變化時(shí)電感線圈中將產(chǎn)生自感電動(dòng)勢來阻止電流的變化，使電流脈動(dòng)趨于平緩，起到濾波作用。

電感濾波適用于負(fù)載電流較大的場合，缺點(diǎn)是制作復(fù)雜、體積大、笨重且存在電磁干擾。11.2.3復(fù)合濾波電路

為了滿足較高的濾波要求，常釆用電容和電感共同組成的

π型復(fù)合濾波電路，其電路形式如圖11-18a所示，這種濾波電路適用于負(fù)載電流較大、要求輸出電壓脈動(dòng)較小的場合。

在負(fù)載較輕時(shí)，經(jīng)常釆用電阻替代笨重的電感，構(gòu)成如圖11-178b所示的濾波電路，同樣可以獲得脈動(dòng)很小的輸出電壓，但電阻對交、直流均有壓降和功率損耗，故只適用于負(fù)載電流較小的場合。電感濾波RL+uO-Tr220V+uI-b）RCRC

復(fù)合濾波+C+C圖11-18橋式整流復(fù)合濾波電路a）LC復(fù)合濾波b）RC復(fù)合濾波RL+uO-Tr220V+uI-圖11-16橋式整流電感濾波電路LRL+uO-Tr220V+uI-a）LCLC復(fù)合濾波+C+C第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

11.3穩(wěn)壓電路

交流電經(jīng)整流、濾波以后得到直流電壓，但由于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定（允許波動(dòng)10%）及負(fù)載的變化，使輸出電壓不穩(wěn)定。當(dāng)輸出電壓的穩(wěn)定性不能滿足負(fù)載要求時(shí)，就應(yīng)該增加穩(wěn)壓電路，保證輸出電壓基本穩(wěn)定。

圖11-19所示為橋式整流電容濾波穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓部分工作原理見第8章：8.3.3

穩(wěn)壓管的基本應(yīng)用【例11-4】圖11-19所示電路，要求輸出為10V，已知RL=10Ω，試選擇穩(wěn)壓管、濾波電容、整流電橋及變壓器變比。解：UO=UZ=10V，查手冊，可選2CW58，其穩(wěn)定電壓UZ為（9.2~10.5）V濾波電容的選擇有兩個(gè)指標(biāo)：耐壓>2UC=50V，電容值為：要求穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸入電壓為輸出電壓的（2~3）倍，如果選擇2.5倍，則電容電壓UC為2.5x10=25VRL+UO-Tr220V/50Hz+uI-圖11-19

橋式電容整流濾波穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路+CRVS穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路+UZ-UC第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.3穩(wěn)壓電路11.3.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

圖11-20所示電路，利用串聯(lián)在輸入和輸出之間的晶體管（VT2）作為電壓調(diào)節(jié)器件，所以稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，其關(guān)系為：

電路分為五個(gè)部分：

（1）采樣環(huán)節(jié)：由R1、RP、R2組成，采樣電壓UF為：

（2）基準(zhǔn)環(huán)節(jié)：穩(wěn)壓管VS的穩(wěn)定電壓，即基準(zhǔn)電壓UZ

（3）比較放大：晶體管VT2

（4）調(diào)整環(huán)節(jié)：晶體管VT1當(dāng)輸入電壓變化、通過輸出電壓和采樣電壓的變化，與基準(zhǔn)電壓比較，通過VT2，調(diào)節(jié)VT1的UCE1，補(bǔ)償U(kuò)I

的變化，保證了輸出電壓

的基本穩(wěn)定。

設(shè)輸入電壓因波動(dòng)而增加，有如下自動(dòng)穩(wěn)壓過程：圖11-20

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路VSR3R1R2RPR4VT1VT2RL第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.3穩(wěn)壓電路

【例11-5】圖11-21為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的采樣部分，已知：求：

（1）輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍

（2）輸入電壓Ui=25V且波動(dòng)10%，如果要求調(diào)整管VT1的

UCE1在5V~20V范圍內(nèi)，通過計(jì)算判斷是否符合要求？R1R2RP圖11-21

采樣電路第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.3穩(wěn)壓電路11.3.3集成穩(wěn)壓電路

將串聯(lián)型穩(wěn)壓電路集成化，即利用半導(dǎo)體集成工藝把全部元件集中制作在一小片硅片上，就構(gòu)成集成穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器又分為固定輸出和可調(diào)輸出兩種。

1.三端固定式集成穩(wěn)壓器

常用的三端固定式集成穩(wěn)壓器78XX和79XX系列，其符號(hào)和外形見圖11-22所示，其中1為輸入端、2

為輸出端、3

為公共端。

W78XX系列：輸出正電壓，XX即輸出電壓值。

如W7805：輸出為+

5V

W7812，輸出為+12VW79XX系列：輸出為負(fù)電壓，XX即輸出電壓值。

如W7905，輸出為-5V

W7912，輸出為-

12VW78XX123123圖11-22

三端固定式集成穩(wěn)壓器a）常見外形b）符號(hào)a）b）第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.3穩(wěn)壓電路（1）基本應(yīng)用

圖11-23為三端固定式集成穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用，如果要求輸出穩(wěn)定電壓為15V，則選擇W7815，兩端可加小容量電容，其中電容

Ci用于消除輸入端引線過長時(shí)的電感效應(yīng)，防止自激振蕩的產(chǎn)生，一般在（0.1~1）μF之間；電容

Co用來改善穩(wěn)壓器在負(fù)載電流瞬時(shí)變動(dòng)時(shí)，引起的輸出電壓波動(dòng)，可選擇

1μF。

為保證調(diào)整晶體管工作在線性區(qū)，對輸入和輸出間電壓差（即調(diào)整管的UCE1

）有最低和最高的要求，查手冊：W7815最高輸入電壓為35V，輸入與輸出間最低電壓差為2V，一般設(shè)為5V。所以，UIMAX=35V，UIMIN=15+2=17V（2）擴(kuò)大輸出的應(yīng)用

如果要求輸出電壓超過三端集成穩(wěn)壓器的規(guī)定值時(shí)，可以通過外接穩(wěn)壓管電路提高輸出電壓。圖11-24所示電路中，輸出電壓為W7805的輸出（5V）與穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ之和，實(shí)現(xiàn)輸出超過5V的穩(wěn)定電壓。W7815123CiCo+UO-+UI-圖11-23

三端固定式集成穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用圖11-24

W78XX系列擴(kuò)大輸出電壓的應(yīng)用W7805123CiCo+UO-+UI-即：輸入電壓UI在17V~35V之間時(shí)，W7815

可以保證輸出電壓穩(wěn)定在15V左右。第11章|

直流穩(wěn)壓電源11.3穩(wěn)壓電路（3）輸出電壓可調(diào)的電路圖11-25所示電路，運(yùn)算放大器工作在電壓跟隨器的狀態(tài)，所以圖11-25W78XX系列實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的電路123Ci+Ui-R1R2RP∞++-W78XX【例11-6】設(shè)集成穩(wěn)壓器為W7812，R1=R2=4kΩ、

RP

=2kΩ，則：（4）輸出正、負(fù)電壓的電路圖11-26所示電路，將W7812和W7912組合連接，同時(shí)得到±12V的輸出電壓。圖11-26

W78XX和W79XX系列實(shí)現(xiàn)正、負(fù)電壓輸出的電路W7812W7912220V+ui1-+12V-+-12V-+ui2-++C1C2CoCo輸入正半周，ui1上正下負(fù)，電流→C1

→W7812→地→返回。輸出為+12V；ui2

上正下負(fù)，電流→地→C2

→W7912→返回，輸出-1