10 流稳压电源 团圄 在电子电路中，通常都籍要电压稳定的直流电源 供电。小功率稳压电源的组成可以用图10.0.1表示， 它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。 电源变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 0m。 -220V 50 Hz 交流电网电压 0 o 图10.0.1直流稳压电源结构图和稳压过程 电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值， 然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动 的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从 而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有 ±10%左右的波动)、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤 波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波 动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。 当负载要求功率较大、效率高时，常采用开关稳压电源。 本章首先讨论小功率整流、滤波电路和稳压电路，然后介绍 三端集成稳压器和开关稳压电源的工作原理。 ·485· 10直流稳压电源
10.1 小功率整流滤波电路 10.1.1单相桥式整流电路 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管 的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率(1kW以 下)整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电 路。本节主要研究单相桥式整流电路和滤波电路。对全波整流电路，希望读者 通过习题来掌握。 以下分析整流电路时，为简明起见，二极管用理想模型来处理（见第3章 图3.4.2)，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。 1.工作原理 电路如图10.1.1a所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网 0 ~220V b,3 50 Hz /. 电网v 电压 b (a) Tr 220V 50 Hz R (b) 图10.1.1单相桥式整流电路图 (a)单相桥式整流电路，(b)简化画法 。486· 10 直流稳压电源
电压v,变成整流电路要求的交流电压v2=√2V,sinωt,R是要求直流供电的负 载电阻，四只整流二极管D,~D,接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。 图10.1.1b是它的简化画法。整流桥的D1、D2的连接处称共阴极，用“+” 标记，即电流从此处流出，D,、D,连接处称共阳极，用“一”标记，其他两 点表示接交流电源标记“~” 0 在电源电压v2的正、负半周（设a端为正，b端为负时是正半周）内电流通 路分别用图10.1.1a中实线和虚线箭头表示。 通过负载R,的电流i1以及电压v的波形如图10.1.2所示。显然，它们 都是单方向的全波脉动波形。 2.负载上的直流电压V和直流电流（的计算 用傅里叶级数对图10.1.2中v的波形进行分解后可得 =(-元o2ar-os4o-元os6ur）10.1 4 4 、不 式中恒定分量即为负载电压，的平 0 均值，因此有 V= 2√2V2 =0.9V2 T 2 (10.1.2) 直流电流为 0.9V2 (10.1.3) 由式(10.1.1)看出，最低次谐 波分量的幅值为4√2V2/(3π)，角频 率为电源频率的两倍，即2w。其他√2 交流分量的角频率为4w、6w、…偶 0.9V2 =0.92 次谐波分量。这些谐波分量总称为 0 D D3D2 DD D3D2 D @t 纹波，它叠加于直流分量之上。常 导通 导通导通 导通 用纹波系数K,来表示直流输出电压 图10.1.2单相桥式整流电路 中相对纹波电压的大小，即 电压、电流波形图 =g- K=V (10.1.4) V 式中V,为谐波电压总的有效值，它表示为 Vy=√+4+…=√- 式中V2,V4为二次、四次谐波的有效值。由式(10.1.2)和式(10.1.4)得出桥 ·487● 10.1小功率整流滤波电路
式整流电路的纹波系数K,=√(1/0.9)-1≈0.483。由于1中存在一定的纹 波，故需用滤波电路来滤除纹波电压。 3.整流元件参数的计算 在桥式整流电路中，二极管D,、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以 流经每个二极管的平均电流为 0.45V2 =- (10.1.5) R 二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图10.1.1a看出。在 ,正半周时，D,、D,导通，D2、D4截止。此时D2、D,所承受到的最大反向 电压均为2的最大值，即 VRM=√2V, (10.1.6) 同理，在2的负半周，D、D,也承受同样大小的反向电压。 一般电网电压波动范围为±10%。实际上选用的二极管的最大整流电流 IM和最高反向电压VM应留有大于10%的余量。 桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反 向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压 器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了 颇为广泛的应用。目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51A~G、QL62A~L 等，其中QL62A~L的额定电流为2A,最大反向电压为25~1000V。 10.1.2 滤波电路 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负 载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L,以及 由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图10.1.3所示。 (b) 图10.1.3滤波电路的基本形式 (a)C形滤波电路(b)倒L形滤波电路(c)Ⅱ形滤波电路 由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压 ●488● 10·直流稳压电源
升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，.就把电场能量释放出 来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L, 当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量存储起来，而当 电流减小时，又把磁场能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平 波作用。 滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电 容器C接在最前面，如图10.1.3a、c所示)和电感输入式（电感器L接在最前 面，如图10.1.3b所示)。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波 电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时仅用一电感器与负载串联）。 本节重点分析小功率整流电源中应用较多的电容滤波电路，然后再简要介绍其 他形式的滤波电路。 1.电容滤波电路 图10.1.4为单相桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波电路时，要 特别注意电容器两端电压。对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电 压作用时才导通，否则便截止。 (+) ~220V 50 Hz 图10.1.4桥式整流、电容滤波电路 负载R未接人（开关S断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接 人交流电源后，当2为正半周时，v2通过D,、D3向电容器C充电；2为负半 周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为 T。=RinC (10.1.7) 式中R包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于R一 般很小，电容器很快就充电到交流电压v2的最大值√2V2,极性如图10.1.4所 示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压vc)保持在 √2V2,输出为一个恒定的直流电压，如图10.1.5中ot<0部分所示。 接入负载R,(开关S合上)的情况：设变压器二次电压v,从0开始上升 (即正半周开始)时接入负载R,，由于电容器在负载未接人前充了电，故刚接 入负载时v2<c,二极管受反向电压作用而截止，电容器C经R,放电，放电 ·489· 10.1小功率整流滤波电路
v2,UL,UC R未接入 R接入后 C放电 C充电 UC=UL 2 2 3少 4元 O ID, ID ID, 导 导 1导！ 电 电 电 电 D ip 8 8 ωt 图10.1.5桥式整流、电容滤波时的电压、电流和纹波电压波形 的时间常数为 Ti=RIC (10.1.8) 因T。一般较大，故电容两端的电压v。按指数规律慢慢下降。其输出电压U= vc,如图10.1.5的ab段所示。与此同时，交流电压v2按正弦规律上升。当2> vc时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时2经二极管D,、D,一方面 向负载R提供电流，·另一方面向电容器C充电[接人负载时的充电时间常数 T。=(R,【Rnt)C≈RC很小]，vc升高将如图10.1.5中的bc段，图中bc段上 的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻R上产生的压降。vc随着交流电压 2升高到最大值√2V2的附近。然后，2又按正弦规律下降。当，<vc时，二极 管受反向电压作用而截止，电容器C又经R,放电，Uc下降，c波形如图10.1.5 中的cd段。电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上便得到如图10.1.5所 示的一个近似锯齿波的电压=vc,使负载电压的波动大为减小。电路的电压、 电流和纹波电压v,波形如图所示。 由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点： ·490· 10直流稳压电源
(1)二极管的导电角0<π，流过二极管的瞬时电流很大，如图10.1.5所 示。电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形 越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器二次电流的有效值12=1.111， 而有电容滤波时 I2=(1.5~2)1 (10.1.9) (2)负载平均电压V升高，纹波（交流成分）减小，且R,C越大，电容放 电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。 为了得到平滑的负载电压，一般取 74=RC≥(3-5)子 (10.1.10) 式中T为电源交流电压的周期。 (3)负载直流电压随负载电流增加(R, 万V2 减小)而减小。V随I的变化关系称为输出 C形滤波 特性或外特性，如图10.1.6所示。 当R=0,即空载时C值一定，T:= 0.9'2 ∞，有 纯电阻负载 Vo=√2V2≈1.4V2 当C=0,即无电容时 Vo=0.9V2 (10.1.11) 图10.1.6纯电阻R,和具有电容 在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间 滤波的桥式整流电路的输出特性 常数满足式(10.1.10)的关系时，电容滤波电 路的负载电压V与V2的关系约为 V=(1.1~1.2)V2 (10.1.12) 总之，电容滤波电路简单，负载直流电压V,较高，纹波也较小，它的缺 点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。 2.电感滤波电路 在桥式整流电路和负载电阻R,之间串人一个电感器L,如图10.1.7所 示。当通过电感线圈的电流增加时，电感线圈产生自感电势（左“+”右“-”） 阻止电流增加，同时将一部分电能转化为磁场能量储存于电感中；当电流减小 时，自感电势（左“一”右“+”）阻止电流减小，同时将电感中的磁场能量释放 出来，以补偿电流的减小。此时整流二极管D依然导电，导电角日增大，使 日=π，利用电感的储能作用可以减小输出电压和电流的纹波，从而得到比较 平滑的直流。当忽略电感器L的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻（不 加电感)负载相同，如忽略L的直流电阻上的压降，即V=0.9V2。 电感滤波的特点是，整流管的导电角较大（电感L的反电势使整流管导电 ·491● 10.1小功率整流滤波电路
~220V 50 Hz 图10.1.7桥式整流、电感滤波电路 角增大)，无峰值电流，输出特性比较平坦。其缺点是由于铁心的存在，笨 重、体积大，易引起电磁干扰。一般只适用于低电压、大电流场合。 此外，为了进一步减小负载电压中的纹波，电感后面可再接一电容或前后 各接一电容而构成倒L形滤波电路或RC-Π型滤波电路如图10.1.3b、c所 示。其性能和应用场合分别与电感滤波电路或电容滤波电路相似。 例10.1.1单相桥式整流、电容滤波电路如图10.1.4所示。已知交流电 源电压为220V,交流电源频率f=50Hz,要求直流电压V,=30V,负载电流 I1=50mA。试求电源变压器二次电压v2的有效值；选择整流二极管及滤波电 容器。 解：(1)变压器二次电压有效值 由式(10.1.12)，取V=1.2V2,则 V2= 30V=25V 1.2 (2)选择整流二极管 流经二极管的平均电流 ,=2=分 ×50mA=25mA 二极管承受的最大反向电压 VM=V2V2≈35V 因此，可选用2CZ51D整流二极管（其允许最大电流1=50mA,最大反向电压 VM=100V),也可选用硅桥堆QL-I型(1=50mA,VM=100V)。 (3)选择滤波电容器 负载电阻 y=30kn=0.6k0 RL= = 50 由式(10.1.10)，取RC=4× 之=27=2×0s=0.04s由此得滤波 电容 ●492◆ 10直流稳压电源
C=0.04s=004s≈66.7μF R 6002 若考虑电网电压波动±10%，测电容器承受的最高电压为 VcM=√2V2×1.1=(1.4×25×1.1)V=38.5V 选用标称值为100uF/50V的电解电容器。 *10.1.3倍压整流电路 利用滤波电容对电荷的存储作用，当负载电流很小时，由多个电容和二极 管可以获得几倍于变压器二次电压的直流电压，具有这种功能的整流电路称为 倍压整流电路。 图10.1.8所示为二倍压整流电路，变压器二次电压u2=√2V,sinωt,当 2处于正半周(a端为正，b端为负)时，D,导通、D2截止，2向电容器C,充 电，电压极性为右正左负，峰值电压可达√2V,；当v2处于负半周(a端为负，b 端为正)时，D,截止，D2导通，2+Vc,(电容器C:两端电压)向电容器C2充 电，电压极性为右正左负，峰值电压为2√2V2,即V。=V。,=2√2V2,故图 10.1.8为二倍压整流电路。这是因为当电路接的负载电阻R很大（负载电流 小)时，C2的放电时间常数T=R,C,>T(电源电压周期)，C2两端电压在一 个周期内下降很小，输出电压V。为变压器二次电压峰值的两倍。利用同样的 原理可实现所需电源电压倍数的输出电压。分析此类电路时假设电路空 载(R=∞)。 ~220V 50 Hz 图10.1.8倍压整流电路 通常该电路中的二极管承受的最大反向电压VM大于2√2V2。C,的耐压大 于√2V2,C,的耐压应大于2√2V2。倍压整流电路一般用于高电压、小电流（几 毫安以下)和负载变化不大的直流电源中。 ·493· 10.1小功率整流滤波电路
复习思考题 10.1.1整流二极管的反向电阻不够大，而正向电阻较大时，对整流效果会产生什么 影响？ 10.1.2电路如图10.1.1所示，试分析该电路出现下述故障时，电路会出现什么现 象。(1)二极管D,的正负极性接反；(2)D,击穿短路；(3)D,开路。 10.1.3在整流滤波电路中，采用滤波电路的主要目的是什么？就其结构而言，滤波 电路有电容输入式和电感输入式两种，各有什么特点？各应用于何种场合？ 图10.1.4、图10.1.7和图10.1.3b、c各属于何种滤波电路？ 10.1.4.电路如图10.1.4所示，电路中2的有效值V2=20V。(1)电路中R,和C增 大时，输出电压是增大还是减小？为什么？(2)在RC=(3~5)子时，输出 电压V与V2的近似关系如何？（3)若将二极管D,和负载电阻R分别断开， 各对V有什么影响？(4)若C断开时，V=? 10.2 串联反馈式稳压电路 10.2.1稳压电源的质量指标 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、 输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输 出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、电压调整率、电流调整率、输出电 阻、温度系数及纹波电压等。这些质量指标的含义，可简述如下： 由于输出直流电压V。随输入直流电压V(即整流滤波电路的输出电压，其数值 可近似认为与交流电源电压成正比)、输出电流I。和环境温度T(℃)的变动而变 动，即输出电压V。=f(V,1。,T),因而输出电压变化量的一般式可表示为 △V。=aVAV+ aT 或 △Vo=KAV,+R.AI。+S,△T 式中的三个系数分别定义如下： 输入调整因数 。494· 10直流稳压电源