第 19章

直流稳压电源

电源是生产和实验中的重要能源，许多大功率场合下需要交流电，但电解、电镀及直流电动机需要直流电。而在电子线路和自动控制装置中还需要电压非常稳定的直流电。为了得到直流电，除直流发电机外，更广泛采用的就是半导体直流电源。

交流电源

负载

变压 整流 滤波 稳压

ut

ut

ut

ut

ut

半导体直流电源的原理方框图

19.1 整流电路 (rectifier circuit)

19.1.1 单相半波整流电路 i D

电路如图：设变压器副边电压为

整流电路 : 将交流电压变换为单向脉动电压的电路。整流元件是具有单向导电能力的二极管或晶闸管。

TrD

R

+

a

b

~ u uo

tsin2u

t

tu

uo io

根据二极管的单向导电性，在二极管加正向电压时导通，负载两端有输出电压；而在加反向电压时二极管截止，负载得不到输出电压。负载的电压波形及电流波形见右下曲线图。

二极管导通，忽略二极管正向压降，

uo=u2

u1 u2

aT

b

D

RL uo

为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

二极管截止 , uo=0

+

–

io

+

– u2 >0 时 :

u2<0 时 :

单相半波整流电压波形

u1 u2

aT

b

D

RL uo

uD

u2

uo

uD

t 2 3 40

二极管只在半个周期能够导电，而负载上得到的电压是单一方向，大小随时间而变的 ( 单向脉动电压 ) 。对这种整流的输出电压，常用一个周期的平均值来表示它的大小。其平均值为

整流电压的平均值

U2

t0

u

T

Uo

UU

tdtUUo

45.02

)(sin221

0

如果电路负载已知，则整流输出电流的平均值为

LLo R

U

R

UI 45.00

二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：

u1 u2

aT

b

D

RL uo

uD

iouD

20

t

UDRM

二极管上的平均电流： ID = IO

UDRM=22U承受的最高反向电压 :

i DTr

R

a

b

~ u uo

D例 有一单相整流电路 , 负载电阻为 750, 变压器副边电压为 20V ，试求 Uo ， Io 及 UDRM, 并选用二极

管。

解VUUo 92045.045.0

mAR

UI

L

oo 12

750

9

VUUDRM 2.282022 查二极管参数，选用 2AP4(16mA,50V) 。为了使用安全此项参数选择应比计算值大一倍左右。

全波整流电路

u1 u2

aT

b

D1

RL

uo

D2

u2

io

+

–

+

–

原理：

+

–

+

–

变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压 u2

当 u2 正半周时， D1 导通，

D2 截止。当 u2 负半周时， D2 导通，

D1 截止。

u1 u2

aT

b

D1

RL

uo

D2

u2

io

单相全波整流电压波形u2

uo

uD1

t 2 3 40

uD2

+

–

+

–

0 ~ ：

uD2 = 2u2

+

忽略二极管正向压降

输出电压平均值（ Uo ） , 输出电流平均值（ Io ) ：

u1 u2

aT

b

D1

RL

uo

D2

u2

iouo

20

t

0

1tduU oo

0

1tdsint

22U

Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL

2

2 9.02

UU

2

二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：

u1 u2

aT

b

D1

RL

uo

D2

u2

io二极管上的平均电流：

oD II2

1

uD

20

t

DRM 22U U 2

二极管承受的最高反向电压：

19.1.2 单相桥式整流电路 (bridge rectifier)

单相半波整流电路只利用了电源的半个周期，并且整流电压的脉动较大。为此常采用全波整流电路，最常见的就是单相桥式整流电路。

~ RL

uo~ RL

u uo

a

~

Tr

RL

b

u uo ~ RL

u uo

桥式整流电路的工作情况在变压器副边电压 u 为正半周时，二极管 D1 、 D3 导通，而二极管 D2 、 D4 截止；

uo

a

~

Tr

RL

b

u

D1

D2D3

D4

uo

a

~

Tr

RL

b

u

D2

D4

t0

uU2

TUU

tdtUUo

9.022

)(sin21

0

当副边电压 u 为负半周时，二极管 D2 、 D4 导通，而二极管 D1 、 D3 截止。

Uo

单相桥式整流电路的输出电压：UUo 9.0

负载电阻中通过的输出电流：

LLo R

U

R

UI 9.00

每只二极管中通过的电流仅为输出电流一半：

LD R

UII 45.0

2

10

每只二极管承受的最高反向电压：UUDRM 2

集成硅整流桥：

u2 uo+

–

~+~-

+ –

常见的几种整流电路

U Uo

Io

U Uo

Io U

UoU

Io

整流电压平均值

t0

uo

t0

uo

t0

uo

电 路

整流电压波形

UUo 45.0 UUo 9.0 UUo 9.0

二极管平均电流 oI

2oI

2oI

二极管反向电压 UU 41.12 UU 41.12 UU 83.222

副边电流有效值 oI57.1 oI79.0 oI11.1

19.2 滤波器 (filter)

整流电路仅将交流电转换成单向脉动的直流电压。这种电压对许多电子设备远达不到要求，往往再加接滤波器以改善电压的脉动程度。

19.2.1 电容滤波器 (C 滤波器 )

TrD

RL

a

b

~

uC =uo

C

t0

u

t0

u

D 截止

D 导通

D 导通

D 截止

D 导通电容滤波器的作用

电容滤波器输出电压的脉动程度有所改善，但带负载能力较差。 在负载不同的情况下，取用输出电流 Io 愈大输出平均电压 U

o 愈小。其外特性曲线如右图：Io

Uo

0

1.4U电容滤波

0.45U 无电容滤波

采用电容滤波时，输出电压的脉动程与电容器的放电时间常数 RLC 有关，其值愈大则脉动程度就愈小。一般认为

2)5~3(T

CRL 或C

RL 1

)15~10(

即可达到要求，此时输出电压 Uo 由下式估算：UUo

UUo 2.1

( 半波 )( 全波 )

电容滤波电路中元件的选择：

由于二极管的导通时间较短，因此通过二极管的的电流峰值较大，应避免电流冲击损坏二极管；由于滤波电容保持有电压输出，应注意二极管截止时所承受的最高反向电压 UDRM 有所不同，带电容滤波的半波整流电路

UUDRM 22

带电容滤波的桥式整流电路 UDRM 不变；

常用电容器一般在 101~103 微法，视负载电流大小而定。其耐压值应大于输出电压的最大值，一般大容量电容具有极性。

a

桥式整流电容滤波电路

u1 u2u1

b

D4

D2

D1

D3

RL

uo

S

C

uo

t

u2 上升， u2 大于电容

上的电压 uc ， u2 对电容充电，

uo= uc u2

u2 下降， u2 小于电容上的电压。

二极管承受反向电压而截止。

电容 C 通过 RL 放电， uc 按指数

规律下降，时间常数 = RL C

u2

t

uo

t

只有整流电路输出电压大于 uc 时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。

二极管中的电流

u1 u2u1

b

D4

D2

D1

D3

RL

uo

S

C

u2

t

uo

t

电容充电时，电容电压滞后于 u2 。

RLC 越小，输出电压越低。

u1 u2u1

b

D4

D2

D1

D3

RL

uo

S

C

RL 接入（且 RLC 较大）时 ( 考虑整流电路内阻 )

一般取 )105( TCRτ L (T: 电源电压的周期 )

近似估算 : Uo=1.2U2 Io= Uo/RL

(b) 流过二极管瞬时电流很大

RLC 越大 Uo 越高负载电流的平均值越大 ;

整流管导电时间越短 iD 的峰值电流越大

电容滤波电路的特点(a) 输出电压 平均值 Uo 与时间常数 RLC 有关

RLC 愈大 电容器放电愈慢 Uo( 平均值 ) 愈大

(c) 二极管承受的最高反向电压

22UU RM

19.2.2 电感电容滤波器 (LC 滤波器 )要进一步减小输出电压的脉动程度，可在滤波电容之前串入铁心电感线圈 L—— 即 LC 滤波器。

~

Tr

RL

u C

L

电感电容滤波电路

由于电感线圈对整流电流的交流分量具有阻抗， L 比RL 大得愈多则滤波效果就愈好。一般需要线圈的电感量较大，但其直流电阻也较大，因而会造成输出电压的下降。

LC 滤波器适于电流较大、输出电压脉动很小的场合，更适合与高频滤波。

19.2.3 形滤波器

形 LC 滤波电路

如果需要输出电压的脉动更小，可以再加一个滤波电容。 形 LC 滤波器的效果跟好，但整流二极管的冲击电流较大。

RL

u C2

L

C1

由于线圈体大且重，有些情况可用电阻代替电感线圈以构成 形 RC 滤波器。R 愈大滤波效果愈好，但将使输出电压下降，所以适用于负载电流较小、电压脉动很小的场合。

形 RC 滤波电路

RL

u C2

R

C1

实际电源举例

-24V

N2

C1

N3N1

3A 2000F 50V

FU2C2

1A

.047F

FU1

2CZ124

直流

交流

24V~220V

如图电源输出电压为 24V ，电流为 1.8A 。变压器副绕组 N3 的电压约为 20V ， C2起抑制高频干扰作用；副绕组 N2 的电压为 5.5V ，供照明指示灯用。

直流 24V 电池的极性可任意接入。

稳压电路的作用 :

交流电压

脉动直流电压

整流 滤波 有波纹的直流电压

稳压 直流电压

19.3 直流稳压电源

稳压电源类型 :

以下主要讨论线性稳压电路。

稳压管稳压电路

开关型稳压电路

线性稳压电路

常用稳压电路( 小功率设备 )

电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。

效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。

19.3.1 稳压管稳压电路

RL

UiDZ

R

C~ Uo

IZ

Io

经整流和滤波后，虽脉动程度有了最大改善，但直流电压幅度还会随着电网的波动或负载的变化而变化。最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的。如图采用桥式整流和电容滤波，得到直流电压 Ui ，再经过限流电阻 R 和稳压管 DZ ，使负载得到一个比较稳定的直流电压。

稳压管稳压电路

RL

UiDZ

R

C~ Uo

IZ

Io

稳压管稳压电路

电压的稳定过程

选择稳压管一般规律： UZ=Uo 式 IZmax=(1~5)Iomax

Ui=(2~3)Uo

u↑→ Ui↑→ Uo ↑ →

IZ ↑ → UR ↑ → 保持负载电压 Uo近似不变。

当电源电压升高时

当负载 增加时Io↑→ UR↑→ Uo ↓ → IZ ↓ → UR ↓ → 保持负载电压 Uo

近似不变。

稳压电阻的计算

稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻 R 越大，稳压性能越好。

稳压电阻 R 的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时 R 也是限流电阻。

显然 R 的数值越大，较小 IZ 的变化就可引起足够大的 VR 变化，就可达到足够的稳压效果。 但 R 的数值越大，就需要较大的输入电压 VI 值，损耗就要加大。

稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻 R的阻值大小有关。

稳压电阻的计算如下 当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时 IZ 不应小于 IZmin ，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即

LmaxZmin

ZIminmax =

II

VVR

(1)

稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不

能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！

LminZmax

ZImaxmin =

II

VVR

maxmin < RRR

当输入电压最大，负载电流最小时，流过 稳压二极管的电流最大。此时 IZ 不应超过 IZmax ，由 此可计算出稳压电阻的最小值。即

(2)

1. 串联型稳压电源的构成 VO =VI-VR ，当 VI↑→R↑ →VR↑→ 在一定程度上抵消了 VI 增加对输出电压的影响。若负载电流 IL↑→R↓→VR↓→ 在一定程度上抵消了因 IL 增加，使 VI 减小，对输出电压减小的影响。

串联稳压电源示意图 串联稳压电源示意图

19.3.3 串联型稳压电路

在实际电路中，可变电阻 R 是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降 VCE ， VCE 相当于 VR 。

串联型稳压电路方框图

串联型稳压电源的构成：调整管、放大环节、比较环节、基准电压源

2. 工作原理

1 ．输入电压变化时

VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓

实质：电压负反馈

2 ．负载电流变化时

IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑

Q

vCE/V

iC/mA

Q`

3. 输出电压调节范围的计算

REF23

21O )

"

'+(1= V

RR

RRV

可见，调节 R2 可以改变输出电压。

根据“虚短”

Vf≈VREF

oVo321

32f = VFV

RRR

RRV

V

REF

V

fo F

V

F

VV

T1 调整管

R3 、 T2 比较放大

R1 、 RW 、 R2 采样电阻

R 、 UZ 基准电压

4. 分立元件组成的串联式稳压电源

R3T1

T2

UZ

R

RW1

RW2

R1

RW

R2

RL UO

+

_

+

_

UI

UB2

稳压管稳压电路结构虽简单，但稳压效果不够理想，一般只适用于负载较小的情况。为提高稳压效果常采用代放大环节的串联型晶体管稳压电路。

RL

UO

DZ

C~

R1

UZ R2

R1

R2U1

R4 R3

T1

T2

Io

变

压整 流

滤

波

调整环节

基准电压

采样环节

放大环节

利用变压器将电网电压变换成所需幅度的交流电压；桥式整流电路将交流电变成直流电；电容式滤波使直流电的脉动成分进一步减小。

采样环节 ：由 R1 、 R2 及 R

p组成的电阻分压器，将输出电压的一部分

送到放大环节。电位器可调节输出电压。

op

f URRR

RRU

21

'22

基准 电压：由稳压管 DZ 和R3 构 成 ， 稳 压管 两 端 的 直 流电压 UZ 是稳定性 较 高 的 直 流电 压 。作为调整 和 比 较 的标准。

放大环节：由晶体管 T2 构成 的 直 流 放 大电 路 ， 其 输 入电 压 是 采样电压 与基准 电 压之 差 ， 放 大后控制调整管。R4 是 其 负载电阻。

调整环节：由工作于放大状态的功率管T1 构成。其基极电流受放大环节控制，并由射极输出直流电压。

RL

UO

DZ

C~

R1

UZ R2

R1

R2U1

R4 R3

T1

T2

Io

串联型稳压电源自动调节 电压过程：

Uo↑→ UBE2↑ →IB2 ↑→ IC2 ↑→ UCE2 ↓

Uo↓← UCE1↑← IC1 ↓← IB1 ↓← UBE1 ↓

从调整过程看，串联型稳压电源是一种串联电压负反馈电路。

输出电压的确定和调节范围

因为：OU2BEZ UU 22W RR

21 WRRR

222

21BEZ

W

WO UU

RR

RRRU

所以：22

21Z

W

W URR

RRR

忽略 UBE2

R3T1

T2

UZ

R

RW1

RW2

R1

RW

R2

RL UO

+

_

+

_

UI

UB2

例： UI=18V ， UZ=4V ， R1=R2=RW=4.7k ，求输出电压的调节范围。

R3T1

T2

UZ

R

RW1

RW2

R1

RW

R2

RL UO

+

_

+

_

UI

UB2

2

21Z

W

WOmin U

RR

RRRU

4=6V4.74.7 4.7

4.7 4.7

2

21Z

WOmax U

R

RRRU

4=12V4.74.7

4.74.7

用运算放大器做比较放大环节的串联型稳压电源：

RL

UO

DZ

R1

UZ R2

R1

R2U1

R3

TIo

+ +

–

19.3.4 集成稳压电源 稳压电源的应用场合相当广泛，但分立件串联型稳压电源及由运放构成的稳压电源结构比较复杂，还要注意加接保护电路。因此，单片集成稳压电源应运而生并且得到广泛应用。基本 可以做到免调试，且体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉。一、简单的集成稳压电源

RLUO

DZ

RF

UZ

R2

+U

R

++

–R1

RLUO

DZ

RF

UZ

R2

+U

R

++

–R1

ZF

o UR

RU

1

ZF

o UR

RU )1(

1

二、单片集成稳压电源 目前最普遍应用的单片稳压电源是 W7800系列和 W7900系列。其内部电路是在串联型晶体管稳压电路的基础 上构成的。只有三个引出端：输入端 1 、输出端 2 和公共端 3 (俗称三端集成稳压器 ) 。1. 外形图和主要参数

1 2

31 23

W7815

9824

型 号 W7805 W7809 W7812 W7815

Uo (V) 5 9 12 15

UiMax(V) 35

ΔUMin 2~3Iom (A) 2.2

Ro (Ω) 0.03~0.15

输 出 电 压 固 定 的 三 端 集 成 稳 压 器 （正电压 78 、负电压 79 ）

恒流源

基准电压电路

调整电路

比较放大

减流保护

过热保护

启动电路

取样电路

R4T1

T4

T2 T3

T5

DZ1 DZ2

R3

R2

R1

VREF

T14 T13

D2

D1

R5

R7

R6

T6

T7

T8

T9 T12

T10T11

R8

R9R10

R11

R12

R13

R14

R15

DZ3

DZ4

VF

VO

VI1

2

3

IO

1端 : 输入端2端 : 公共端3端 : 输出端

W7800 系列稳压器外形及典型接线图

12

3

+

_

W7805

UI

+

_

Uo

1 3

2

CI

0.1~1F

Co

1µF

+10V +5V

注意：输入与输出端 之间的电压不 得低于 3V ！

2. 典型应用电路

1端 : 公共端2端 : 输入端3端 : 输出端

W7900 系列稳压器外形及典型接线图

12

3

–

+

W7905

UI

–

+

Uo

2 3

1

CI

0.1~1F

Co

1µF

-10V -5V

3. 正负电源的实用电路

~

C Ci Co

W78151 3

2

+15V

+ ++

Ci

Co

W7915

1

32 –15V

+ ++

1000F

1000F

0.33F

0.33F

1F

1F

220V

24V

24V

DZ

UZ

UCi

Co

W78

1 3

2Ui Uo

+

–

+

–

+ +

R

4. 三端稳压器的扩展应用电路

提高输出电压的应用电路输出电压为

Zo UUU

扩大输出电流的电路

W78

Ci CoUi Uo

R I2

IC

IB

IR I1

一般 I3 很小，则

CBE

BR

I

R

UIIII 12

IQ

R1

R2

输出电压可调的稳压电路

I1

I2

11 R

UI XX

012 III

220 RIUU XX 21

)( RIR

UU Q

XXXX

21

2 )1( RIUR

RQXX