延安大学：《模拟电子技术基础》课程教学资源（第三版，学习指导）第十章 直流电源

第十章直流电源 本章重点难点 重点:直流稳压电源的组成及各部分的作用,单相桥式整流电路的分析和估算,电容滤 波电路的分析和估算,稳压管稳压电路的分析和限流电阻的估算,串联型稳压电路的分析 和输出电压调节范围的计算,三端稳压器的应用,串联、并联开关型稳压电路的原理及特 难点:各种稳压电路的稳压原理。表现为学生在自己组成稳压管稳压电路时常不接限 流电阻,在分析串联型稳压电路时不能正确判断调整管是否工作在放大状态、不能正确判 断电路是否引入的是负反馈,等等。 二、知识结构 1.直流电源的组成及各部分的作用 2.整流电路 (1)半波整流 输出电压平均值 输出电流平均值 二极管反向电压 二极管电流平均值 脉动系数 (2)桥式整流 同上 3.滤波电路 (1)电容滤波 (2)电感滤波 (3)复式滤波 4稳压二极管稳压电路 (1)稳压原理 (2)元件参数选择 5.串联型稳压电路 (1)稳压原理 (2)元件参数选择 三、知识总结 10.1直流电源的组成及各部分的作用

- 1 - 第十章 直流电源 一、本章重点难点 重点：直流稳压电源的组成及各部分的作用,单相桥式整流电路的分析和估算,电容滤 波电路的分析和估算,稳压管稳压电路的分析和限流电阻的估算,串联型稳压电路的分析 和输出电压调节范围的计算,三端稳压器的应用,串联、并联开关型稳压电路的原理及特 点。 难点：各种稳压电路的稳压原理。表现为学生在自己组成稳压管稳压电路时常不接限 流电阻,在分析串联型稳压电路时不能正确判断调整管是否工作在放大状态、不能正确判 断电路是否引入的是负反馈,等等。 二、知识结构 1. 直流电源的组成及各部分的作用 2. 整流电路 （1）半波整流 输出电压平均值 输出电流平均值 二极管反向电压 二极管电流平均值 脉动系数 （2）桥式整流 同上 3. 滤波电路 （1）电容滤波 （2）电感滤波 （3）复式滤波 4.稳压二极管稳压电路 （1）稳压原理 （2）元件参数选择 5. 串联型稳压电路 （1）稳压原理 （2）元件参数选择 三、知识总结 10.1 直流电源的组成及各部分的作用

3HY。变器 △ 图10.1.1直流稳压电源的方框图 电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2 整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。 滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。 稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。 10.2整流电路 整流电路的任务:把交流电压转变为直流脉动的电压 常见的小功率整流电路,有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。 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 工作原理 FOH 图10.2.1单相半波整流电路 u2>0时,二极管导通。 忽略二极管正向压降 2<0时,二极管截止,输出电流为0。 输出电压波形 5 图10.2.2半波整流电路的波形图

- 2 - 图10.1.1 直流稳压电源的方框图 电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。 整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。 滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。 稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。 10.2 整流电路 整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的电压。 常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。 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。 一、工作原理 图10.2.1 单相半波整流电路 u2 >0 时，二极管导通。 忽略二极管正向压降： uo=u2 u2<0时，二极管截止,输出电流为0。 uo=0 输出电压波形： 图10.2.2 半波整流电路的波形图

、主要参数 (1)输出电压平均值Uo(AV) =2.dm)=y2 =0.45U 2U2 图10.2.3单相半波整流电路输出电压平均值 (2)负载电流的平均值 Uo)0.45 RR (3)二极管电流的平均值 0(n、0.45U2 (4)二极管上承受的反向最高电压 (5)脉动系数S: S定义:整流输出电压的基波峰值UOIM与平均值UO(AV之比。 S U n=√2U2(+1sin0<os2o152cos4om…) O(v) 2 三、二极管的选择

- 3 - 二、主要参数 (1) 输出电压平均值Uo（AV）： 图10.2.3 单相半波整流电路输出电压平均值 (2) 负载电流的平均值： (3) 二极管电流的平均值： (4) 二极管上承受的反向最高电压： (5)脉动系数S： S定义：整流输出电压的基波峰值UO1M与平均值UO(AV)之比。 三、二极管的选择         0 2 2 0.45 2 ( ) 2 1 U U U u d t o o L L O AV O AV R U R U I ( ) 2 ( ) 0.45   L L O AV D AV O AV R U R U I I ( ) 2 ( ) ( ) 0.45    URM  2U2 ( ) 1 O AV O M U U S  cos 4 ) 15 2 cos 2 3 2 sin 2 1 1 2 ( u U2 t t t          1.57 2 2 2 2 2 ( )      U  U U U S O AV OIM L F O AV R U I I  2 ( ) 2  1.1  1.1 1 2 2 UR  1. U

10.2.2单相桥式整流电路 单相桥式整流电路的组成 - DA D -3H 计R0 (b) 图10.2.5单相桥式整流电路的习惯画法 、工作原理 u2>0时,D1l,D3导通,D2,D4截止。电流通路:A→D→RL→>D3→B u<0时,D2,D4导通,D1,D3截止。电流通路:B→D2→RL→D4→A 输出是脉动的直流电压 202,tip4 图10.2.6单相桥式整流电路的波形图 、主要参数 1.整流输出电压平均值Uo(AV) 0.92 2.输出电流平均值Io(AV) O(AD) 2√2U20.9U R R RL

- 4 - 10.2.2 单相桥式整流电路 一、单相桥式整流电路的组成 图10.2.5 单相桥式整流电路的习惯画法 二、工作原理 u2>0 时，D1,D3导通，D2,D4截止。电流通路:A  D1RLD3B u2<0 时，D2,D4导通，D1,D3截止。电流通路:B  D2RLD4A 输出是脉动的直流电压 图10.2.6 单相桥式整流电路的波形图 三、主要参数 1. 整流输出电压平均值Uo（AV） 2. 输出电流平均值Io（AV） L L L O AV O AV R U R U R U I ( ) 2 2 ( ) 2 2 0.9            0 2 2 0.9 2 2 ( ) 1 U U U u d t o o

3.二极管电流的平均值ID(AV) 0.45U 4.反向峰值电压 2 RI 二极管截止时两端承受的最大反向电压 U 2U2 5.脉动系数S √2U2 Im 3I 2 ≈067 四、二极管的选择 Illo TR §10.3滤波电路 滤波电路的结构特点:电容与负载RL并联,或电感与负载RL串联。 原理:利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整 流电路输出电压中的交流成份,保留其直流成份,达到平滑输出电压波形的目的 10.3.1电容滤波电路 、滤波原理 以单相桥式整流电容滤波为例进行分析,其电路如图所示, 图10.3.1单相桥式整流电容滤波电路及稳态时的波形分析

- 5 - 3.二极管电流的平均值ID（AV） 4.反向峰值电压 二极管截止时两端承受的最大反向电压： 5. 脉动系数S 四、二极管的选择 §10.3 滤波电路 滤波电路的结构特点: 电容与负载RL并联，或电感与负载RL串联。 原理：利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整 流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。 10.3.1 电容滤波电路 一、滤波原理 以单相桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。 图10.3.1 单相桥式整流电容滤波电路及稳态时的波形分析 L O AV D AV R I U I ( ) 2 ( ) 0.45 2   2 URM  2U 0 67 3 2 2 2 3 4 2 2 2 1 . π U π U U U S o o m     L O AV F R I U I  ( ) 2 2 1.1 2 1.1   2 UR  1.1 2U

1.RL未接入时(忽略整流电路内阻) l 2.RL接入(且RC较大)时(忽略整流电路内阻) 如图图10.3.1(c) 、输出电压平均值 R,C 图10.3.3电容滤波电路输出电压平均值的分析 O(AV) U2(1 4R, C Uo,=√2U2 当R2C=(3~5)T/2 Uoay)≈1.202 、脉动系数 S 4R,C 4C)4R2C-74R2C

- 6 - 1. RL未接入时(忽略整流电路内阻) 2. RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻) 如图图10.3.1（c） 二、输出电压平均值 图10.3.3 电容滤波电路输出电压平均值的分析 当 当 三、脉动系数 uo t uo t ) 4 2 (1 ( ) 2 R C T U U L O AV   RL  ( ) 2 UO AV  2U R C (3 ~ 5)T 2 L  ( ) 2 UO AV  1.2U 1 4 1 4 ) 4 (1 4 max max        T R C T R C T R C T U U R C T S L L L O O L

四、整流二极管的导通角 图10.3.4电容滤波电路中二极管的电流和导通角 可见,采用电容滤波时,整流管的导通角较小 五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性 R1C减小 0.9U 图10.3.5电容滤波电路的输出特性和滤波特性 输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,Uo和S也随之改变 如:RL愈小(L1越大),Uo下降多,S增大。 结论:电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电流较小且负载变动不大的场合。 10.3.3其它形式的滤波电路 、电感滤波电路 电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。 D-D 220V 图10.3.8单相桥式整流电感滤波电路 、滤波原理

- 7 - 四、整流二极管的导通角 图10.3.4 电容滤波电路中二极管的电流和导通角 可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。 五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性 图10.3.5 电容滤波电路的输出特性和滤波特性 输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变, Uo 和S 也随之改变。 如: RL愈小( IL 越大), Uo下降多, S增大。 结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。 10.3.3 其它形式的滤波电路 一、电感滤波电路 电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。 图10.3.8 单相桥式整流电感滤波电路 1、滤波原理

对直流分量:X1=0相当于短路,电压大部分降在RL上。 对谐波分量:f越高,X越大,电压大部分降在X1上 因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。 o4m)=09U2 2、电感滤波的特点 整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比较平坦,适用于低电压大电流(R较 小)的场合。缺点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰 电感滤波后的输出电压平均值为 R R UOAV)R+RL D(AV)R+RL 0.9U 输出电压的交流分量为 R R, √(oL)2+R 、复式滤波电路 图10.3.9复式滤波电路 、各种滤波电路的比较(见表10.3.1) §10.4稳压二极管稳压电路 10.4.1稳压管稳压电路的组成 D,D 计一 太R[ 稳压电°)9U2 图10.4.1稳压二极管组成的稳压电路

- 8 - 对直流分量: XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。 对谐波分量:f 越高,XL越大,电压大部分降在XL上。 因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。 2、电感滤波的特点 整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较 小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。 电感滤波后的输出电压平均值为 输出电压的交流分量为 二、复式滤波电路 图10.3.9 复式滤波电路 三、各种滤波电路的比较（见表10.3.1） §10.4 稳压二极管稳压电路 10.4.1 稳压管稳压电路的组成 图10.4.1 稳压二极管组成的稳压电路 ( ) 2 Uo AV  0.9U     π o AV o . U U u d t π U 0 2 2 ( ) 0 9 1 2 2       π o AV o . U U u d t π U 0 2 2 ( ) 0 9 1 2 2   ( ) ( ) 2 0.9U R R R U R R R U L L D AV L L O AV       d L d L L o u L R u L R R u      ( ) 2 2 

图10.4.2稳压管的伏安特性 1n≤l 10.4.2稳压原理 电网电压变化时的稳压过程 负载变化时的稳压过程: 10.4.3稳压管稳压电路的性能指标 稳压系数Sr 稳压系数Sr反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时,输出电压 的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。 输出电阻Ro 输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变 化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。 图10.4.3稳压管稳压电路的交流等效电路

- 9 - 图10.4.2 稳压管的伏安特性 10.4.2 稳压原理 电网电压变化时的稳压过程： 负载变化时的稳压过程： 10.4.3 稳压管稳压电路的性能指标 一、稳压系数 Sr 稳压系数Sr反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压 的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。 二、输出电阻Ro 输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变 化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。 图10.4.3 稳压管稳压电路的交流等效电路 UI  UR UO R D L I I I Z   Z D ZM I I I Z   I I o o r U U U U S    常数    UI o o o I U R

∥/R △U1R+r2∥R2R+rz 10.4.4电路参数的选择 选择元件要求知道:输出电压U0,负载电流IL的最小值 ILmin和最大值 ILmax(或 RMax 和 RLmin),输入电压UI的波动范围(一般为±10%)。 稳压电路输入电压UI的选择 2.稳压管的选择 U=U 2y-1z>lomax -lL 1m> 3.限流电阻R的选择 z≤lb≤la R mx≥12 R R R Rmn≤R≤Rn §10.5串联型稳压电路 10.5.1串联型稳压电路的工作原理 、基本调整管电路

- 10 - 10.4.4 电路参数的选择 选择元件要求知道：输出电压UO，负载电流IL的最小值ILmin和最大值ILmax(或RLmax 和RLmin),输入电压UI的波动范围（一般为±10％）。 1.稳压电路输入电压UI的选择 2.稳压管的选择 3.限流电阻R的选择 §10.5串联型稳压电路 10.5.1串联型稳压电路的工作原理 一、基本调整管电路 Z Z Z L Z L I o R r r R r R r R U U       // // Z I Z Z o I I o r U U R r r U U U U S        UI UO  (2 ~ 3) D L I I Z    UZ  UO ZM Z L max L min I  I  I  I ZM L Z I  I  I max Z D ZM I I I Z   R U U I I Z R   Z R L I  I  I              max Im max max Im Z L in Z L Z in Z I I U U R I I R U U              min Im min min Im ZM L ax Z L ZM ax Z I I U U R I I R U U Rmin  R  Rmax