電子技術(shù)與數(shù)字電路（第二版）04 直流穩(wěn)壓電源

第4章直流穩(wěn)壓電源本章主要內(nèi)容(1)整流電路(2)濾波電路(3)直流穩(wěn)壓電源

將交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓的電子設(shè)備，稱為直流穩(wěn)壓電源。圖4.1所示為直流穩(wěn)壓電源的基本組成框圖，主要由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓4部分組成。圖中各部分的功能如下：

①

電源變壓器：將電網(wǎng)交流電源電壓變換為符合整流電路所需要的電壓。②

整流電路：將交流電壓變換為單向脈動(dòng)電壓。③

濾波電路：減小整流電壓的脈動(dòng)程度，以適應(yīng)負(fù)載的需要。④

穩(wěn)壓電路：在交流電源電壓波動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)時(shí)，使直接輸出電壓穩(wěn)定。圖4.1直流穩(wěn)壓電源的原理框圖4.1整

流

電

路將交流電壓轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)電壓的過程稱為整流，完成這一轉(zhuǎn)換的電路稱為整流電路。最簡(jiǎn)單的整流電路是單相半波整流電路，而應(yīng)用最為廣泛的是單相橋式整流電路。4.1.1單相橋式整流電路工作原理采用全波整流電路，克服了半波整流電路只利用電源電壓半個(gè)周期的缺點(diǎn)，其整流后的電壓脈動(dòng)較小。圖4.2是常見的單相橋式整流電路及其輸出波形。圖中Tr為電源變壓器，它的作用是將市電（220V，50Hz）交流電壓變換為整流所需要的振幅值較低的電壓，有時(shí)也用來起隔離市電電源和整流電路的作用。D1~D4是二極管，起整流作用，故稱為整流二極管，4個(gè)整流二極管構(gòu)成橋式電路。RL為直流用電負(fù)載的電阻。在分析電路的工作原理時(shí)，將二極管當(dāng)做理想二極管來處理。圖4.2單相橋式整流電路單相橋式整流電路的工作情況如下:設(shè)電源變壓器副邊交流電壓為

u2=1.41U2sinωt（4-1）式中U2為副邊交流電壓的有效值。當(dāng)u2為正半周時(shí)，其極性為上正下負(fù)，即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，二極管D1和D3因承受正向電壓而導(dǎo)通，D2和D4因承受反向電壓而截止。此時(shí)電流的通路為a→D1→RL→D3→b，負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)正半波電壓。當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，其極性為上負(fù)下正，即a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，二極管D2和D4因承正向電壓而導(dǎo)通，D1和D3因承受反向電壓而截止。此時(shí)電流的通路為b→D2→RL→D4→a，負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)負(fù)半波電壓。這樣，在u2變化的一個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載電阻RL上始終流過自上而下的電流，其電壓和電流的波形為一全波脈動(dòng)電壓和電流，如圖4.2（b）所示。4.1.2單相橋式整流電路參數(shù)計(jì)算單相橋式整流電路參數(shù)計(jì)算如下:（1）負(fù)載電壓平均值單相橋式整流電壓平均值為：

Uo=1/π∫1.41U2sinωtd(ωt)=[2×

(1.41)/π]U2=0.9U2（4-2）（2）負(fù)載電流平均值流過負(fù)載電阻RL的電流平均值為

Io=Uo/RL=0.9U2/RL（4-3）（3）二極管電流平均值由于橋式整流電路中每個(gè)二極管只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，所以每個(gè)二極管的電流平均值為負(fù)載電流的一半，即

ID=1/2Io=0.45U2/RL（4-4）（4）

二極管反向電壓最大值每個(gè)二極在截止時(shí)承受的最高反向電壓為u2的最大值，即

UDRM=1.41U2

（4-5）上述（3）、（4）兩項(xiàng)參數(shù)說明，橋式整流電路所選用的二極管參數(shù)必須滿足

IFM≥IDUDRM≥1.41U2（5）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U2=Uo/0.9=1.11Uo（4-6）整流變壓器副邊電流有效值為I2=U2/RL=1.11U2/RL=1.11Io（4-7）

根據(jù)以上參數(shù)，可以選擇合適的整流二極管和整流變壓器。例4.1已知負(fù)載電阻RL=30Ω，負(fù)載電壓Uo=24V?，F(xiàn)采用單相橋式整流電路，交流電源電壓為220V。（1）

如何選用整流二極管？（2）

求整流變壓器的變比及容量。解（1）

負(fù)載電流Io=Uo/RL=24V/30Ω=0.8A每個(gè)二極管通過的平均電流ID=1/2Io=0.4A變壓器副邊電壓的有效值為U2=Uo/0.9=24V/0.9=26.67V考慮到變壓器副邊繞組及管子上的壓降，變壓器的副邊電壓大約要高出8%，即為26.67V×1.08=28.8V，所以二極管反向電壓最大值為UDRM=2U2=2×28.8V=40.7V可選用4只型號(hào)為2CZ11A的整流二極管，其最大整流電流為1A，最高反向工作電壓為100V。（2）

變壓器的變比K=220V/40.7V=5.4變壓器副邊電流有效值為I=1.11Io=0.8A×1.11=0.9A變壓器的容量為S=UI=28.8V×0.9A=25.9VA已有封裝成一整體的整流橋模塊產(chǎn)品，具有多種規(guī)格，給使用者帶來很大方便。單相整流橋模塊外形如圖4.3所示。圖4.3單相整流橋外形使用時(shí)，只要將交流電壓接到標(biāo)有“~”的管腳上，從標(biāo)有“+”和“-”的管腳引出的就是整流后的脈動(dòng)電壓。4.2濾

波

電

路在大多數(shù)電子設(shè)備中，都要求脈動(dòng)程度小的平滑直流電壓，所以在整流電路中需加接濾波電路，以改善輸出電壓的脈動(dòng)程度。下面介紹三種常見的濾波電路，即電容濾波電路、電感濾波電路和復(fù)合濾波電路。4.2.1電容濾波電路將整流電路的輸出端與負(fù)載并聯(lián)一個(gè)電容C，就組成一個(gè)簡(jiǎn)單的電容濾波電路，如圖4.4所示。電容濾波電路是根據(jù)電容器兩端電壓在電路狀態(tài)改變時(shí)不能躍變的原理實(shí)現(xiàn)濾波的。圖4.4電容濾波電路如果在單相半波整流電路中不接電容濾波電路，其輸出電壓波形如圖4.5（a）所示，可見輸出電壓存在明顯的電壓脈動(dòng)；加接電容濾波電路之后，輸出電壓波形如圖4.5（b）所示，可見電壓脈動(dòng)明顯減小，逐漸趨于平滑。圖4.5電容濾波器的作用下面簡(jiǎn)單分析電容濾波的基本工作原理。在圖4.4中可以看到，在二極管D導(dǎo)通時(shí)，電源u2在向負(fù)載RL供電的同時(shí)又對(duì)電容C充電。如果忽略二極管正向壓降，則電容電壓uc緊隨輸入電壓u2按正弦規(guī)律上升至u2的最大值，如圖4.5（b）中的Oa段波形所示。此后，u2和uC都開始下降，u2按正弦規(guī)律下降，當(dāng)u2＜uC時(shí)，二極管D因承受反向電壓而截止，電容C對(duì)負(fù)載電阻按指數(shù)規(guī)律放電，負(fù)載中仍有電流，而uC按放電曲線ab段下降。在u2的下一個(gè)正半周內(nèi)，當(dāng)u2＞uC時(shí)，二極管再行導(dǎo)通，電容器再被充電，重復(fù)上述過程。電容器兩端電壓uC即為輸出電壓uo，其波形如圖4.5（b）所示。在空載（RL=∞）和忽略二極管正向壓降的情況下，輸出電壓平均值Uo=1.4U2，U2是圖4.4（a）中變壓器副邊電壓的有效值。但是隨著負(fù)載電阻RL的減?。↖o增大），放電時(shí)間常數(shù)RLC減小，放電加快，Uo下降也就快。整流電路的輸出電壓Uo隨輸出電流Io變化的關(guān)系稱為整流電路的外特性或輸出特性。電阻負(fù)載和電容濾波的外特性曲線如圖4.6所示。由圖4.6可見，電容濾波電路的輸出電壓在負(fù)載變化時(shí)波動(dòng)較大，即外特性較差，或者說電容濾波電路帶負(fù)載能力較差，只適用于負(fù)載輕且變化不大的場(chǎng)合。通常，加濾波電容后，整流電壓?。喊氩ǎ篣o=U2全波：Uo=1.2U2圖4.6電阻負(fù)載和電容濾波的外特性曲線采用電容濾波時(shí)，輸出電壓的脈動(dòng)程度與電容器的放電時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)。RLC大一些，脈動(dòng)就小一些。在采用電容濾波的整流電路中選用二極管和電容器時(shí)應(yīng)注意：

①

加入濾波電容后，二極管導(dǎo)通時(shí)間縮短很多，且在短時(shí)間內(nèi)承受較大的沖擊電流（iC+io），容易損壞二極管，所以在選管時(shí)應(yīng)留有較寬的裕量。②

在單相半波整流電容濾波電路中，二極管所承受的最大反向電壓為UDRM≈2×1.41U2，即電源電壓最大值（1.41U2）的兩倍。這是由于電源電壓u2=-U2m時(shí)，電容器上還有一個(gè)略小于U2m的電壓存在所造成的。③

在單相橋式整流電容濾波電路中，二極管所承受的最大反向電壓與沒有電容濾波時(shí)一樣，即為UDRM=1.41U2。④

電容器的容量C可按下式估算：

RLC≥(3~5)T/2（4-8）式中，T為交流電壓的周期。工頻交流T=0.02秒。濾波電容C一般應(yīng)選擇體積小、容量大的電解電容，使用時(shí)要注意電解電容有正、負(fù)極性，正極必須接高電位端。電容濾波電路一般用于要求輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且變化也較小的場(chǎng)合。例4.2

在單相橋式整流電容濾波電路中，已知負(fù)載電阻RL=100Ω，交流電源頻率f=50Hz，要求輸出電壓Uo=120V，試選擇整流二極管及濾波電容器。解（a）

選擇整流二極管。流過二極管的電流為ID=1/2Io=1/2(Uo/RL)=1/2×120/100=0.6(A)變壓器副邊電壓的有效值為U2=Uo/1.2=120/1.2=100(V)二極管所承受的最高反向電壓為UDRM=1.41U2=1.41×100=141(V)因此可選用整流二極管2CZ11B，其最大整流電流為1A，最高反向電壓為200V。（b）

選擇濾波電容器。RLC=5×T/2=5×1/50/2=0.05(S)C=0.05/RL=0.05/100=500×10-6(F)=500μF4.2.2電感濾波電路電感濾波電路如圖4.7所示，它是在整流電路與負(fù)載電阻RL之間串聯(lián)一個(gè)電感器L。交流電壓u2經(jīng)橋式整流后變成脈動(dòng)直流電壓，其中既含有直流分量，又含有各次諧波的交流分量。電感L的感抗XL=ωL。對(duì)于直流分量，XL=0，電感相當(dāng)于短路，所以直流分量基本上都降在負(fù)載電阻RL上；對(duì)于交流分量，諧波頻率越高，感抗越大，所以交流分量大部分降在電感L上。這樣，在電路的輸出端即可得到較平滑的直流電壓波形。圖4.7單相橋式整流電感濾波電路采用電感濾波，電感越大，濾波效果越好，但由于電感線圈本身電阻的存在，使得在減小電壓脈動(dòng)的同時(shí)，也使輸出電壓平均值Uo有所下降，因此電感濾波的輸出電壓沒有電容濾波高。電感濾波一般只適用于負(fù)載電壓較低、電流較大以及負(fù)載變化較大的場(chǎng)合。另外，它的工藝制作復(fù)雜，體積大，且容易產(chǎn)生電磁干擾。4.2.3復(fù)合濾波電路為了得到更好的濾波效果，還可以將電容濾波和電感濾波混合使用，即組成復(fù)合濾波電路。圖4.8（a）所示的π型濾波電路（也稱CLC濾波電路）就是其中的一種。由于電感線圈體積大、制作復(fù)雜，所以當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，經(jīng)常采用電阻代替笨重的電感，電路如圖4.8（b）所示，稱為CRC濾波電路。因?yàn)镃2的容抗較小，所以脈動(dòng)電壓的交流分量較多地降落在電阻R上，而較少地降落在負(fù)載上，從而使輸出電壓脈動(dòng)減小。但由于電阻對(duì)交、直流信號(hào)均有壓降和功率損耗，所以這種電路只適用于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合。圖4.8復(fù)合濾波電路

4.3直流穩(wěn)壓電路經(jīng)變壓、整流和濾波后得到的直流電壓往往受交流電源波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，穩(wěn)壓性能較差，一般不能直接用于電子電路中，還需要在整流濾波后增加穩(wěn)壓電路，以獲得性能良好的直流電壓。常用的穩(wěn)壓電路有穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以及開關(guān)型穩(wěn)壓電路三種。這里重點(diǎn)介紹前兩種穩(wěn)壓電路。4.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路是一種比較簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路。如圖4.9所示，這種穩(wěn)壓電路是由穩(wěn)壓管與適當(dāng)數(shù)值的限流電阻R配合而成的。圖4.9穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

圖中UI為整流濾波電路的輸出電壓，也就是穩(wěn)壓電路的輸入電壓。Uo為穩(wěn)壓電路的輸出電壓，也就是負(fù)載電阻RL兩端的電壓，它等于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ，因穩(wěn)壓管與負(fù)載并聯(lián)，所以又稱為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。由圖4.9可得Uo=UI-RIR=UI-R(IZ+Io)（4-9）當(dāng)電源電壓波動(dòng)或者負(fù)載電流發(fā)生變化而引起Uo變化時(shí)，該電路的穩(wěn)壓過程為：

只要Uo略有增加，IZ便會(huì)顯著增加，IR隨之增加，RIR同時(shí)增加，從而使Uo自動(dòng)降低，近似保持不變。如果Uo降低，則穩(wěn)壓過程與上述相反。這種穩(wěn)壓電路中的穩(wěn)壓管DZ起著自動(dòng)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工作電流IZmax，另一方面還起到電壓補(bǔ)償作用。選擇穩(wěn)壓管時(shí)，相關(guān)參數(shù)一般?。?/p>

UZ=Uo（4-10）IZmax=(1.5~3)Iomax（4-11）UI=(2~3)Uo（4-12）式中，Iomax為負(fù)載電流Io的最大值。選取限流電阻R時(shí)，應(yīng)滿足兩種極端情況：

①

當(dāng)整流濾波后的電壓為最高值UImax，負(fù)載電流為最小值Iomin，此時(shí)流過穩(wěn)壓管的電流最大，但應(yīng)小于穩(wěn)壓管的最大工作電流IZmax，即（UImax-Uo）/R-Iomin＜IZmax得R＞（UImax-Uo）/（IZmax+Iomin

）

（4-13）②

當(dāng)整流濾波后的電壓為最小值UImin，負(fù)載電流為最大值Iomax，此時(shí)流過穩(wěn)壓管的電流最小，但應(yīng)大于穩(wěn)壓管的最小工作電流IZmin，即（UImin-Uo）/R-Iomax＞IZmin得R＜（UImin-Uo）/（IZmin+Iomax

）

（4-14）綜合以上①和②，可得限流電阻阻值應(yīng)滿足的關(guān)系式為（UImax-Uo）/（IZmax+Iomin）＜R＜（UImin-Uo）/（IZmin+Iomax

)

（4-15）

限流電阻R的額定功率可迭為PR=(2~3)(UImax-Uo)2/R（4-16）

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路使用元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出電流受穩(wěn)壓管最大電流的限制，又不能任意調(diào)節(jié)輸出電壓，所以只適用于輸出電壓不需要調(diào)節(jié)、負(fù)載電流較小的應(yīng)用場(chǎng)合。例4.3

如圖4.9所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，已知負(fù)載電阻由開路變到2kΩ，整流濾波后的電壓UI=30V，輸出電壓Uo=10V，假定電網(wǎng)電壓變化±5%，試選取穩(wěn)壓二極管和限流電阻R。解根據(jù)輸出電壓Uo=10V的要求，負(fù)載電流的最大值為Iomax=Uo/RL=10/2=5(mA)根據(jù)關(guān)系式IZmax=（1.5~3）Iomax，選取系數(shù)為2，得IZmax=2Iomax=2×5=10(mA)

UZ=Uo=10V查器件手冊(cè)，選擇穩(wěn)壓管2CW18，其穩(wěn)定電壓UZ=(10~12)V，最小工作電流IZmin=5mA，最大工作電流IZmax=20mA。由于電網(wǎng)電壓變化±5%，所以UI也變化±5%，則UImax=30×105%=31.5VUImin=30×95%=28.5V由限流電阻阻值應(yīng)滿足的關(guān)系式［（4-15）式］，可得(31.5-10)/(20+0)kΩ＜R＜(28.5-10)/(5+5)kΩ1.08kΩ＜R＜1.85kΩ選取標(biāo)稱值R=1.2kΩ。限流電阻的額定功率可選為PR=2×(31.5-10)2

/1.2×103=0.77(W)所以，選取限流電阻R為1.2kΩ，1W。

4.3.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.電路的組成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成如圖4.10所示。圖4.10串聯(lián)型穩(wěn)壓電路該電路由如下4部分組成：

（1）取樣環(huán)節(jié)。由R1、R2、RP組成的分壓電路構(gòu)成。它將輸出電壓Uo分出一部分作為取樣電壓Uf，送到比較放大環(huán)節(jié)。（2）

基準(zhǔn)電壓。由穩(wěn)壓管DZ和R3構(gòu)成的穩(wěn)壓電路組成。它為電路提供一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓UZ，作為比較、調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)。（3）比較放大電路。由晶體管T1和電阻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)UZ之差放大后去控制調(diào)整管T2。R4既是T1的負(fù)載電阻，又是調(diào)整管T2的基極偏流電阻。（4）調(diào)整環(huán)節(jié)。由工作在放大區(qū)的功率管T2組成，比較放大電路的輸出信號(hào)控制T2的基極電流IB2，從而改變集電極電流IC2和集射電壓UCE2，達(dá)到調(diào)整輸出電壓Uo的目的。2.穩(wěn)壓原理當(dāng)輸入電壓UI或輸出電流Io變化引起輸出電壓Uo增加時(shí)，取樣電壓Uf相應(yīng)增大，使T1管的基極電流IB1和集電極電流IC1隨之增加，集電極電壓UCE1下降。因此T2的基極電流IB2減小，IC2減小，UCE2增大，輸出電壓Uo下降，最終使之保持穩(wěn)定。上述穩(wěn)壓過程可表示如下：

當(dāng)UI或Io變化使Uo降低時(shí)，調(diào)整過程相反。UCE2將減小，最終使Uo基本保持不變。從上述調(diào)整過程來看，圖4.10所示的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是依靠電壓負(fù)反饋來穩(wěn)定輸出電壓的。3.輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍通過調(diào)整電位器RP，可對(duì)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。假定流過R2的電流比IB1大得多，即可略去IB1的分流作用，則T1管基極對(duì)地電位為UB1=[(R2+RP2)/(R1+RP+R2)]·Uo得Uo=[(R1+RP+R2)/(R2+RP2)]UB1

=[(R1+RP+R2)/(R2+RP2)](UZ+UBE1)