模拟电子技术教材十五.docx

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模拟电子技术教材十五

第六章直流稳压电源

学习目标了解直流稳压电源的组成、技术指标，掌握直流稳压电源的分析、设计方法。

    前面介绍了放大器的各种基本电路形式，这些电路都必须使用直流电源来提供能量。

但在实际应用中，除少数情况采用化学电池外，大多数采用交流电网供电。

直流稳压电源的作用就是将交流电转换成稳定的直流电供电子设备使用。

第一节概述

测量仪器、电子计算机、自动控制装置等电子设备中，要求所使用的直流电源电压必须是稳定的。

如果电源电压不稳定会引起测量误差或电路工作不稳定、自动控制误动作等，严重时甚至造成电路无法正常工作，因此了解直流稳压电源的性能指标是十分必要的。

当然，这里指的电压稳定是指变化要小到可以允许的程度，并不是绝对不变。

    一、直流稳压电源的组成

    常用的直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波以及稳压电路组成，如图6-1所示。

图中，电源变压器（又称整流变压器）的作用是改变电网上的交流电压，为整流电路提供所需的交流输入电压；整流的作用则是将交变电压变换为单方向的脉动直流电压；而滤波的作用则是减少整流后的直流电的脉动成分。

由于整流、滤波后所得到的直流电压稳定性能较差，因此还需引入稳压电路。

   二、引起直流稳压电源输出不稳定的主要原因

    1．交流电网输入电压不稳定由于电网供电高峰和低谷期存在，使交流电压在±10%的范围内波动，这将引起整流、滤波后的直流电压按照同样的比例波动。

    2．负载电流变化根据电路分析知识可知，当负载断路时，电源输出电流极大，输出电压为零；当负载开路时，电源输出电流为零，输出电压为最大值。

这就是说，负载电阻的变化也会引起电源输出电压的变化。

在一般情况下，负载阻抗减小时，电源电路的电流就会增大，使电源内阻上的电压降相应增大，从而造成输出端电压减小的现象。

    3．稳压电源本身的器件变化由于老化、环境温度、温度变化等因素的影响而引起其特性参数的变化也会影响稳压电源的稳定性。

    三、直流稳压电源性能指标

    电源的技术指标包括使用指标、非电气指标和性能指标。

使用指标是从功能角度来说明电源的容量大小、输出电压、输出电流、电压调节范围、过电压、过电流保护、效率高低等；非电气指标主要有外观、体积和重量等指标；性能指标则是衡量电源的稳定度、质量高低的重要技术指标。

直流稳压电源的常用性能指标有：

    1．纹波抑制比SR纹波抑制比是反映直流稳压电源抑制交流纹波电压能力的参数，它是指在规定的纹波频率（例如100Hz）下，稳压电路输入纹波电压的峰-峰值ΔUIPP与输出纹波电压的峰-峰值ΔUOPP之比的分贝值。

即

（6-1）

    纹波电压是累加在直流电压上的交流分量，可用示波器的交流输入档来测量，其测量电路如图6-2所示。

测量时，需将示波器的y轴输入灵敏度调到最高灵敏度的位置来观测纹波电压的峰-峰值，其值一般为毫伏级。

    2．稳压系数Sr稳压系数是指在负载不变的条件下，稳压电路输出电压的相对变化量与引起该变化量的输入电压相对变化量的比值。

即

（6-2）

    稳压系数反映了电网电压波动对稳压电路输出电压稳定性的影响，一般Sr为10-2~10-4。

    一般电网电压的波动极限为±10%，即，在这个条件下输出电压的相对变化量称为电压调整率。

    近年来，有些生产厂把规定输入电压变化范围下的输出电压变化量ΔUO（mV）称为线性调整率（如集成三端式稳压电路）。

    3．负载调整系数SI也称电流调整率，其定义为稳压电路在输入电压不变的条件下，输出电压的相对变化量与负载电流变化量之比，即

（6-3）

    该指标反映了负载变化对输出稳定性的影响。

有些生产厂也用IO从零变化到最大时产生的ΔUO（mV）表示。

    4．输出电阻RO其定义为稳压电路输入电压UI不变时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，即

（6-4）

    RO的含义与SI相似。

RO越小，负载变化对输出电压UO的影响越小，表示带负载能力越强，一般RO越＜1Ω。

    除上述技术指标外，还有输出电压随温度变化的温度系数指标等，此处不一一介绍。

第二节单相整流滤波电路

整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电变换为脉动直流电的电路。

根据交流电的相数，整流电路可分为单相整流电路与三相整流电路等，在小功率电路中（1kVA以下）一般采用单相整流，常见的有单相半波、全波和桥式整流。

本节重点讨论单相半波和桥式整流电路。

    一、单相整流电路

    1．单相半波整流电路由整流变压器Tr、整流二极管VD以及负载电阻RL组成，如图6-3（a）所示。

   图6-3（a）中，设电源变压器次级电压u2为

    式中，U2为次级电压的有效值。

    当u2的波形为正半周时，A端为正，B端为负，二极管正向导通，忽略二极管的正向导通压降时，负载电压为uo=u2；当u2为负半周时，A端为负，B端为正，二极管反向截止，电路中电流为零，负载电压uo=0，u2全部加在二极管两端。

各电压波形如图6-3（b）所示，由图可知，负载上得到的是单相脉动直流电压和电流。

由于输出电压uo仅为电源电压u2的正半波，所以称为半波整流。

    负载上脉动直流电压的大小用平均值Uo来示，根据数学推导有

（6-5）

    通过负载的电流Io为

（6-6）

    二极管与负载串联，因此流经二极管的平均电流为

（6-7）

    此外，由图6-3（b）可知，二极管反向截止时，管子两端承受的最高反向电压就是u2的最大值，即

（6-8）

    在选择二极管时，所选管子的最大整流电流IF和最高反向工作电压URM应大于式（6-7）和式（6-8）的计算值，即

    实际应用中，应根据IF和URM的计算值查阅半导体器件手册，选择合适的二极管型号。

    单相半波整流电路的优点是结构简单，缺点是输出电压脉动大、整流设备利用率低，一般用于电流较小（几十毫安以下）、对脉动要求不高的场合。

    2．单相桥式全波整流电路如图6-4（a）所示，单相桥式全波整流电路由四个整流二极管接成电桥的形式，二极管VD1和VD2的负极接在一起作为输出端的正极，VD3和VD4的正极接在一起作为输出端的负极。

它们相互之间的连接方式以及与电源变压器和负载的连接，必须按照图示方式进行，任何一个二极管的反接均可造成变压器短路烧坏。

图6-4（b）所示为桥式整流电路的简化画法。

    当u2的波形为正半周时，电路中A点电位高于B点电位，二极管VD1、VD3正向导通，VD2、VD4反向截止。

电流的流向为A→VD1→RL→VD3→B，如图中实线箭头所示；当u2的波形为负半周时，二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止,电流的流向为B→VD2→RL→VD4→A，如图中虚线箭头所示。

由此可见，VD1、VD3与VD2、VD4轮流导通半个周期，在整个周期内，负载RL上均有电流流过，并且始终是一个方向，故称为全波整流。

其电压电流波形如图6-5所示。

    由图6-5可见，桥式整流电路的输出电压平均值应为半波整流电路的两倍，因此有

    Io是由VD1、VD3和VD2、VD4各轮流导通半个周期所提供的，所以流过每个整流管的平均电流是流过负载电流的一半，即

（6-13）

    桥式整流电路中，每个二极管承受的最高反向电压与半波整流电路类似，为变压器次级电压u2的最大值，即

（6-14）

    在选择二极管时，所选管子的最大整流电流IF和最高反向工作电压URM应大于式（6-13）和式（6-14）的计算值。

    单相桥式整流电路的直流输出电压较高，输出电压脉动较小，而且电源变压器在正、负半周都有电流供给负载，使变压器得到充分利用，效率较高。

因此，这种电路获得了广泛的应用。

    例6-1有一直流负载RL=20Ω，需要直流电压UO=40V，采用单相桥式整流。

试选择整流二极管。

    解负载直流电流为

    通过二极管的平均电流为

    变压器次级电压有效值为

    二极管承受的最高反向工作电压为

    查阅半导体元器件手册可得，二极管2CZ56C的最大整流电流为3A，大于二极管电流ID；最高反向工作电压为100V，大于二极管承受的最高反向工作电压IDRM，可以满足整流电路的要求（需要安装相应的散热片）。

    3．硅桥堆整流器为了使用方便，半导体生产厂家将桥式整流电路的四个二极管制作成一个整体封装起来，称为桥堆（整流桥），其外形如图6-6所示。

桥堆有四个管脚，标注“~”的两只管脚外接交流电源，标注“+”和“-”的两只管脚分别为整流输出电压的正、负极。

   全波整流电路不但减少了输出电压的脉动程度，而且提高了变压器的利用率，因而得到了广泛的应用。

其中，以桥式全波整流电路应用最为广泛，目前市面上出售的大多数为单相桥式整流器。

在使用中，应注意引脚不能接错，否则可能发生短路，烧坏整流器。

    前面分析的几种整流电路虽然都可以把交流电转换为直流电，但是所得到的输出电压是单相脉动电压。

在某些设备（如电镀、蓄电池充电等）中，这种电压的脉动是允许的。

但是在大多数电子设备中，整流电路中都要加接滤波器，以改善输出电压的脉冲程度。

    二．滤波电路

    整流电路的输出电压为含有多种频率交流成分（纹波）的脉动直流电压。

为减少负载电压中的交流分量，应在负载与整流电路之间接入滤波电路。

滤波电路能滤除交流成分，使输出电压变得平稳，常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波及复式滤波电路，其中电容滤波电路是小功率整流电路中的主要滤波形式。

    1．电容滤波电路电容滤波电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。

图6-7（a）所示为单相桥式整流电容滤波电路，与负载并联的是一个大容量滤波电容C。

（1）工作原理图6-7（b）中，虚线为变压器次级电压u2经桥式整流后输出电压的波形。

当u2为正半周上升时，VD1、VD3导通，u2一方面经VD1、VD3对电容C开始充电，另一方面向负载RL提供电流，忽略二极管的正向导通电压，有uo=uC≈u2。

随着u2的增大，负载电压逐渐上升，直至接近u2的最大值，如图6-7（b）所示的b点。

当u2从b点开始下降时，u2<    uC，VD1、VD3受反偏作用而截止，电容C向RL放电。

由于放电时间常数一般较大，因此电容电压uC缓慢下降。

与此同时，u2按照正弦规律变化，当u2的电压值大于uC时，如图7-68所示的d点所示，VD2、VD4导通，电容C再次被充电，输出电压也就随之增大，以后电容器重复上述充、放电过程，得到图6-7（b）所示的输出电压波形。

可见，接入电容滤波后，负载上的电压不仅变得平滑，脉动程度大为减小，而且输出电压的平均值也增大了。

（2）参数计算根据以上分析可以看出，电容放电时间越慢，输出电压越平滑，其平均值UO越大。

工程上，为了获得良好的滤波效果，一般取

（6-15）

    式中，T为交流电源的周期。

此时输出电压的平均值UO近似为

（6-16）

    当负载RL开路时，输出电压为

（6-17）

    选择滤波电容时，其电容量可以由式（6-15）确定，耐压值则应大于它实际工作时所承受的最大电压，一般取（1.5~2）U2。

    在桥式整流电路中，流过每个二极管的平均电流为负载电流的一半，即

（6-18）

    由于二极管仅在电容充电时才导通，且时间常数RLC越大，导通时间越短，因此二极管在较短的导通时间内将流过一个较大的冲击电流。

为保证安全可靠地工作，所选二极管的最大整流电流IFM应留有充分的裕量，一般取。

    在桥式整流电容滤波电路中，流过变压器二次绕组的电流是非正弦波，其有效值可按下面的公式估算：

（6-19）

    （3）输出特性输出电压UO与输出电流IO之间的关系曲线称为输出特性或外特性。

桥式整流电容滤波电路的输出特性曲线如图6-8所示。

由图可见，该电路的输出电压随着输出电流的增大而明显降低，即电路带负载能力差。

所以，电容滤波电路一般用于负载电流较小（即RL较大）且变化不大的场合。

    总之，电容滤波电路的优点是电路简单，输出直流电压较高；缺点是输出电压受负载变化影响较大。

    2．电感滤波电路电感滤波主要利用电感中的电流不能突变的特点，使输出电流波形比较平滑，从而达到使输出电压的波形也比较平滑的目的，故电感线圈应与负载串联。

图6-8（a）（b）所示分别为桥式整流电感滤波电路图及滤波输出电压波形图。

    我们知道，通过电感的电流是不能突变的，因此用一个大电感与负载串联时,流过负载的电流也就不能突变，电流平滑，输出电压的波形也就平稳了。

其实质是因为电感对交流呈现很大的阻抗，频率愈高，感抗越大，则交流成分绝大部分降到了电感上,若忽略导线电阻，电感对直流没有压降，即直流均落在负载上，达到了滤波目的。

在这种电路中，输出电压中的交流成分（纹波）是整流电路输出电压的交流成分经感抗XL和负载RL分压的结果，在XL>>RL时，可以获得良好的滤波效果，即频率越高，L越大，RL越小，则滤波效果越好。

    由于滤波电感与负载串联，因此桥式整流电感滤波电路的输出电压平均值Uo一般小于桥式整流电路输出电压的平均值，如果忽略电感线圈的铜阻，则Uo≈0.9U2。

虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击，但为了获得较大的L值，多采用铁芯电感，其体积大、笨重，且输出电压的平均值Uo较低。

   可见，电感滤波适用于负载电流较大以及负载变化较大的场合，在小型电子设备中较少采用。

    3．复式滤波电路为了进一步减小输出电压的脉动程度，可以用电容和铁芯电感组成各种形式的复式滤波电路。

如图6-9、6-10所示分别为电感型LC滤波电路和Π型滤波电路。

电路中，整流输出电压中的交流成分绝大部分降落在电感上，电容C又对交流接近于短路，故输出电压中交流成分很少，几乎是一个平滑的直流电压。