Transcript 第12章直流稳压电源与开关电源

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第12章 直流稳压电源与开关电源
12.1 直流稳压电源
12.2 开关电源
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12.1 直流稳压电源
12.1.1 概述
直流稳压电源的功能：把交流电压变成稳定的大小
合适的直流电压。
直流稳压电源的组成:
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各环节的功能：
（1）电源变压器：将电网供给的交流电压变换为
符合整流需要的电压；
（2）整流电路：将变压器次级交流电压变换为单
向脉动电压；
（3）滤波电路：将单向脉动电压变成比较平滑的
直流电压；
（4）稳压电路：使平滑的直流电压变成恒定的直
流电压，并且当电网电压波动、负载和温度变化时，
维持输出的直流电压稳定。
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12.1.2 滤波电路
正弦交流电经桥式整流电路整流后，输出电压的脉
动仍较大。
滤波原理：滤波电路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。
方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串
联)。
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1. 电容滤波电路（capacitor filter）
单相桥式整流电容滤波电路的结构：
工作原理：
开始时，二极管VD1、VD3导通， u2在给负载RL供
电的同时也给电容器C充电, uC 增加，uo= uC 。
uC达到最大值以后通过RL放电，由于放电时间常
数很大，放电速度慢于u2 ， 当u2 <uC时，四只二极管
全部反向截止，电容通过RL放电，负载中仍有电流，
当电容器放电到2点时， u2的负半周又可使 VD2、
VD4导通，电容器又被充电。
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工作波形
当 RL   ，
负载开路，电容
u2
2U
无放电回路，因此 uo  2U 2
O

t
即U o  1.4U 2 ；当 C  0 ，
uo ,uC 1
电路不接电容，输出电压
2U
2
为桥式整流后的电压
O
t
U o  0.9U 2 。当电容C
不为零，且电路不空载时，输出电压的平均值取决
于放电时间常数的大小。
为了得到比较平直的输出电压
T
一般取τ  RLC  (3  5) (T — 电源电压的周期)
2
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输出电压的平均值为
Uo(AV)  (1.1 ~ 1.4)U 2
近似估算取： Uo = 1. 2 U2
U2
流过负载的电流为 I o  1.2
RL
流过二极管的平均电流为
U2
1
I D  I o  0.6
2
RL
二极管承受的最高反向电压为 U DRM  2 2U
流过二极管的瞬时电流很大：
RLC 越大ＵO 越高，IO 越大整流二极管导通
时间越短 iD 的峰值电流越大。
选管时一般采用硅管，它比锗管更经得起电流的冲击。
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结论
采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较
大，即带负载能力较差。
因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载
电流较小且负载变化不大的场合。
例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源
频率 f=50Hz，负载电阻 RL = 120，要求直流输出
电压Uo=30V，试估算变压器次级电压U2，选择整流
二极管及滤波电容器的大小。
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解：（1）取 U o  1.2U 2
U o 30

V  25V
则 U2 
1.2 1.2
（2）选择整流二极管
Uo
1
ID  Io 
 0.125A
U RM  2U 2  35V
2
2 RL
因此，可以选用二极管2CP21（最大整流电流为
300mA,
最大反向工作电压为100V。）
（3）选择滤波电容，取
  2.5T
2.5T 2.5  20  103
C

μF  417μF
RL
120
选取 C  417μF
，耐压50V的电解电容。
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2．电感滤波电路（inductance filter）
电路结构
滤波原理
当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生感应电动
势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。
对直流分量: XL=0 ，L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L
上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。
LC滤波适合于负载电阻较小，负载电流较大的场
合。 用于高频时更为合适。
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3.  型滤波器
RC 型滤波器
利用R和C2组成的低通电路，使C1两
端的电压中的大部分交流分量降落 u
在电阻R两端，而电容C2两端的交
流分量较小，从而起到了滤波作用。
R
+
i
C1
C2
+
RL
uo
R 愈大，滤波效果愈好。但R 大将使直流压降增加，
主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小
的场合。
LC 型滤波器
L
由于电感L易于让直流通过，而 u
+
+
u
C
C
R
对交流具有较大的电抗，所以可
更有效地起滤波作用。主要适用
于负载电流较大的场合。
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i
1
2
L
o
12.1.3 稳压电路
交流电经整流和滤波后，输出电压中仍有较小的纹
波，并且会随电网电压的波动和负载的变化而变化。
1．稳压管稳压电路
限流调压
I
UZ
工作原理
U
UO = UZ IR = IO + IZ
设负载RL一定， UI 变化
UI UZ   IZ   IR 
UO 基本不变 IRR  
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稳压电路工作原理
UO = UZ
I R = I O + IZ
设UI一定，负载RL变化
I
UZ
U
RL(IO) IR  UO (UZ )   IZ
UO 基本不变 IR (IRR) 基本不变 
选择稳压管时，一般取
I ZM
UZ  Uo
 (1.5 ~ 5) I oM
U I  (2 ~ 3)U o
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例： 在图12-6所示的稳压二极管稳压电路中，已知负载
，交流电压经整流滤波后得到
电阻 RL 由开路变至 2k 
U I  30V。今要求输出直流电压 U o  10V，试选择合
适的稳压管。
解：当 RL  2k 时
Uo
10
I oM 

A  5mA
3
RL 2 10
应选用2CW59，其参数为
U Z  (10 ~ 11.8)V
I ZM  20mA
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2．串联型稳压电路（series voltage regulator）
电路结构
串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电
路和调整管四部分组成。
调整管
基准
电压
比较
放大
取样
电路
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稳压过程
由电路图可知
R1  R 2
U  UF 
UO
R1  R 2
U   U REF  U Z
R1
U o  U B  (1 
)U Z
R1  R2
当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电
压UO 升高时，有如下稳压过程：
UO
Uf 
UB 
IC 
UCE 
UO
由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。
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3．集成三端稳压器
单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使
用灵活,价格低廉等优点。
最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共
引出端,故称之为三端集成稳压器。
分类:
三
端
稳
压
器
输出正电压
78XX
输出固定电压
输出负电压
79XX
XX两位数字为输出电压值
输出可调电压（1. 25 ~ 37 V 连续可调）
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集成三端稳压器外形及引脚功能:
塑封直插式
三端稳压器
W7800系列稳压器外形
W7900系列稳压器外形
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性能特点
不需要外接元件
内部有过热保护
内部有过流保护
内部有过压保护
调整管设有安全工作区保护
输出电压容差为 4%
输出电压额定值有:
5V、6V、 9V、12V 、 15V、 18V、 24V等 。
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三端固定输出集成稳压器的应用
(1) 输出为固定电压的电路
输出为固定正电压时的接法如图所示。
1
2
W7805
输入与输
+
+
3
出之间的
Ui
Ci
CO
UO 电压不得
1F
低于3V！
0.1~1F
_
_
用来抵消输入端接线
较长时的电感效应，
防止产生自激振荡。
即用以改善波形。
为了瞬时增减负载电流
时，不致引起输出电压
有较大的波动。即用来
改善负载的瞬态响应。
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(2) 同时输出正、负电压的电路
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（3）输出电压扩展电路
1
LM78  
3
2
C1
C2
IQ
UXX: 为稳压器的标称
+
R1
U
UI
输出电压
Uo
R2
U o  (1  )U 
R1
R2
（4）输出电流扩展电路
IC
T
I  :为稳压器的标称
Io
输出电流
I 
R1
1
LM78
UI

3
Uo
2
C1
C2
I o  I C  I 
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12.2 开关电源
串联型稳压电路在稳压过程中，调整管工作在放大状
态，管压降大，消耗的电源能量大，特别是当电网电压
升高时，其高出的整流电压必须全部降在调整管的集电
极和发射极上，这时消耗的能量会更多。其效率低，最
高也只能达到50％左右。
开关型稳压电路的工作原理：
开关管工作在开关状态，当三极管工作在截止状态时，
虽然管子的压降大，但流过管子的电流几乎为零，当管
子工作在饱和状态时，流过管子的电流大，但管压降近
似为零。所以功耗极低，在输出功率相同的情况下，开
关型稳压电源比串联型稳压电源的效率高，一般可达到
85％左右。
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开关电源的电路组成方框图
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开关稳压电源的应用
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