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