第5單元直流穩壓電源項目一單向整流、濾波電路調試項目二穩壓電源制作調試

相關知識相關知識實訓與仿真

實訓與仿真項目導入

項目導入一、項目導入

很多常用電子儀器或設備都需要用直流電源供電，而電能大多是交流電形式，因此需要將交流電轉換成穩定的直流電。直流穩壓電源的作用是將交流電轉換成功率較小的直流電，它一般由變壓、整流、濾波、穩壓等幾部分組成。變壓器用來將標準交流電壓變為所需的交流電壓值。整流電路用來將交流電壓轉換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩壓電路的作用是輸入交流電源電壓波動和負載變化時，維持輸出直流電壓的穩定。

二、相關知識直流穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路4部分組成。如下圖所示。（一）整流電路

整流電路是利用二極管的單向導電性，將工頻交流電轉換為單向脈動直流電的電路。單向整流電路有半波整流、全波整流、橋式整流。目前廣泛使用的是橋式整流電路。

1．單相半波整流電路圖5-2（a）所示是單相半波整流電路，由電源變壓器T、整流元件VD及負載電阻RL組成。

設變壓器二次的交流電壓為

（1）工作原理。

當u2為正半周時，其極性為上正下負，即a點的電位高于b點，二極管VD承受正向電壓而導通，此時有電流流過負載，并且和二極管上的電流相等，即io=

iD。忽略二極管的電壓降，則負載兩端的輸出電壓等于變壓器二次電壓，即uo=u2，輸出電壓uo的波形與u2相同。

當u2為負半周時，a點的電位低于b點，二極管VD承受反向電壓而截止。此時負載上無電流流過，輸出電壓uo=

0，變壓器二次電壓u2全部加在二極管VD上。

因此，在負載電阻RL上得到的是半波整流電壓uo，其大小是變化的，而且極性一定，即所謂單向脈動電壓。其波形如圖5-2（b）所示。圖5-2單向半波整流電路及其電壓、電流波形（2）參數計算。

負載上的直流電壓平均值是流過負載電阻的電流平均值為

變壓器二次電壓有效值為流過二極管的電流平均值為二極管截止時承受的最高反向電壓就是變壓器二次交流電壓的最大值，即根據ID和UDRM就可以選擇合適的整流元件。例5-1有一單相半波整流電路如圖5-2（a）所示，已知負載電阻RL=750Ω，變壓器二次電壓U2=20V，試求Uo、Io，并選用選擇合適的二極管。

解：負載電壓平均值為

流過負載的電流平均值為：流過每個二極管的電流平均值為

二極管截止時承受的最高反向電壓為：查半導體手冊，二極管可選用2AP4，其最大整流電流為16mA，最高反向工作電壓為50V。為了使用安全，二極管的反向工作峰值電壓要選得比UDRM大一倍左右。

2．單相橋式整流電路

單相半波整流電路的缺點是輸出電壓低、脈動大、電路整流效率低，為了克服這些缺點，常采用單相橋式整流電路。

如圖所示為單相橋式整流電路。它由4個二極管（VD1～VD4）接成橋式電路，VD1陽極與VD4陰極相連，VD2陽極與VD3陰極相連，分別接向在變壓器副邊的a、b兩端；VD1與VD2陰極相連，VD3與VD4陽極相連，分別接在負載的正端與負端，輸出直流電壓。

（1）工作原理當u2為正半周時，a點電位高于b點電位，二極管VD1、VD3承受正向電壓而導通，VD2、VD4承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：a→VD1→RL→VD3→b。當u2為負半周時，b點電位高于a點電位，二極管VD2、VD4承受正向電壓而導通，VD1、VD3承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：b→VD2→RL→VD4→a。負載電阻RL在交流電壓的一周期內都有電流流過，而方向不變，波形圖如圖5-4所示。

圖5-4單相橋式整流電路的電壓和電流波形（2）參數計算負載上的直流電壓平均值為

流過負載電阻的電流平均值為：流經每個二極管的電流平均值為負載電流的一半，即

每個二極管在截止時承受的最高反向電壓為u2的最大值

根據ID和UDRM就可以選擇二極管的型號。整流變壓器副邊二次電壓有效值為

整流變壓器副邊二次電流有效值為電源變壓器的容量。考慮到二極管的正向壓降和變壓器的損耗，在實際電路中S與U2應增大10%～20%。例5-2試設計一臺輸出電壓為24V，輸出電流為lA的直流電源，且該電源采用單相橋式整流電路。試計算：（1）變壓器副邊二次繞組電壓和電流的有效值，（2）選擇二極管的型號。

解：（1）變壓器副邊二次繞組電壓有效值為

整流變壓器副邊二次電流有效值為：（2）整流二極管承受的最高反向電壓為流過每個整流二極管的平均電流為因此可選用四4只2CZ52B整流二極管，其最大整流電流為1A，最高反向工作電壓為50V。

（二）濾波電路

所謂濾波，就是濾掉脈動直流電的交流成分，保留其直流成分。濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現濾波。

1．電容濾波電路圖5-5所示為單相橋式整流電容濾波電路。圖5-5單相橋式整流電容濾波電路

設電容兩端初始電壓為零，接通電源后，當u2為正半周時，a點電位高于b點電位，VD1、VD3承受正向電壓而導通，C被充電，同時電流經VD1、VD3向負載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內阻，因此uo=

uC≈u2，在u2達到最大值時，uC也達到最大值，如圖5-6中Oa段所示。然后u2下降，此時，uC>u2，VD1、VD3截止，電容C向負載電阻RL放電，電容電壓uC按指數規律逐漸下降，如圖5-6中ab段所示。

圖5-6單相橋式整流電容濾波電路電壓和電流波形

當u2為負半周時，uC下降，|u2|上升，當|u2|>uC時，VD2、VD4導通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復上述充放電過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓。

為了獲得較平滑的輸出電壓，通常選取

～

～

~

式中，為電容通過負載放電的時間常數；T為交流電壓的周期。

加入濾波電容以后，輸出直流電壓的波形平滑得多了，而且輸出直流電壓的平均值也提高了。，其值接近于變壓器副邊二次電壓的幅值，一般按1.2U2計算.即

由圖5-6可見，二極管導通時間縮短，通過二極管的電流是周期性的脈沖電流iD。由于電容C的充電，流過二極管的瞬時電流可能很大，二極管要經受得住一定的電流沖擊。為了保證二極管的安全，選管時應放寬裕量。單相半波整流、電容濾波電路中，二極管承受的反向電壓為，當負載開路時，承受的反向電壓為最高，為

單相橋式整流電容濾波電路中，二極管承受的反向電壓與沒有電容濾波時一樣，為

電容濾波的優點是電路簡單，輸出電壓Uo較高，

其缺點是負載變動時對輸出電壓影響較大，負載電流增大時脈動變大，二極管導通時間變短，在導通期間流過較大的沖擊電流。因此電容濾波適用于負載電流小、負載變動小的場合。

例5-3設計一單相橋式整流電容濾波電路，要求輸出電壓，已知負載電阻，交流電源頻率為50Hz，試選擇整流二極管和濾波電容器。解：流過整流二極管的平均電流為變壓器二次電壓有效值為整流二極管承受的最高反向電壓因此可選擇2CZ11B作整流二極管，其最大整流電流為1A，最高反向工作電壓為200V.

取

則

2．電感濾波電路

電感濾波電路如圖5-7所示，即在整流電路與負載電阻之間串聯一個電感器L。由于在電流變化時電感線圈中將產生自感電動勢來阻礙電流的變化，當流過電感L的電流增大時，電感產生的自感電動勢阻礙電流的增加；當電流減小時，自感電動勢則阻礙電流的減小。這樣，經電感濾波后，輸出電流和電壓的波形也可以變得平滑，脈動減小。顯然，L越大，濾波效果越好。忽略電感線圈的電阻，電感濾波電路的輸出電壓平均值與橋式整流電路相同，即

當負載改變時，對輸出電壓的影響較小。因此，電感濾波適用于負載電流較大、負載變動較大的場合。由于電感量大時體積也大，在小型電子設備中很少采用電感濾波方式。

圖5-7電感濾波電路3．復合濾波電路

單一的電容濾波或電感濾波的效果可能不夠理想，在對濾波的效果要求很高的情況下，應采用復合濾波。常用的復合濾波有LC濾波、型LC濾波、型RC濾波等幾種。

圖5-8（a）所示是LC濾波電路，它由電感濾波和電容濾波組成。脈動直流電首先經過電感濾波，濾掉大部分交流分量，即使有小部分交流分量通過電感，再經過電容濾波，也可得到很平滑的直流電，負載上的交流分量很小。圖5-8（b）所示是型LC濾波電路，可看成是電容濾波和LC濾波電路的組合，因此濾波效果更好，在負載上的電壓更平滑。由于型LC濾波電路輸入端接有電容，在通電瞬間因電容器充電會產生較大的沖擊電流，所以一般取C1＜C2，以減小浪涌電流。

在負載電流較小的情況下，常用電阻代替電感，構成型RC濾波電路。電阻對直流和交流呈現相同的阻抗，但若與電容配合適當，則可起到濾波作用。項目二穩壓電源制作調試

二、相關知識所謂穩壓電路，就是當電網電壓波動或負載發生變化時，能使輸出電壓穩定的電路。目前在中小功率設備中應用較廣泛的穩壓電路有兩種：一種是用硅穩壓管并聯組成的并聯型穩壓電路；另一種是用三極管或集成電路組成的串聯型穩壓電路。（一）并聯型穩壓電路

用硅穩壓二極管并聯組成的并聯型穩壓電路的電路圖如圖

電阻的作用；電阻R一方面用來限制電流，使穩壓管電流IZ不超過允許值，另一方面還利用它兩端電壓的升降使輸出電壓Uo趨于穩定。

穩壓管的作用；穩壓管反向并聯在負載兩端，工作在反向擊穿區，由于穩壓管反向特性陡直，即使流過穩壓管的電流有較大的變化，其兩端的電壓也基本保持不變。引起輸出電壓不穩的主要原因有交流電源電壓的波動和負載電流的變化。Ui=IR+Uo。I=IZ+Io。

若負載不變，當交流電源電壓增時的穩壓過程：電源電壓↑→

↑→→Ui↑→Uo↑→UZ↑→IZ↑↑→I

=

IZ+Io↑↑→UR↑↑→Uo↓→穩定。

若電源電壓不變，整流濾波后的輸出電壓Ui不變，負載減小時的穩壓過程：↓→Io↑→I=IZ+Io↑→UR↑→Uo↓→IZ↓↓→I

=

IZ+Io↓↓→UR↓→Uo↑→穩定可見，這種穩壓電路中穩壓管起著自動調節的作用。（二）串聯型穩壓電路

串聯型穩壓電路如圖5-15所示，整個電路由4部分組成。

圖5-15串聯型穩壓電路

（1）取樣環節。取樣環節由R1、RP、R2組成的分壓電路構成，它將輸出電壓Uo分出一部分作為取樣電壓Uf，送到比較放大環節。

（2）基準電壓環節。基準電壓環節由穩壓二極管VZ和電阻R3構成的穩壓電路組成，穩定的基準電壓UZ作為調整、比較的標準。設VT2發射結電壓UBE2可忽略，則

（3）比較放大環節。直流放大環節由VT2和R4構成的直流放大電路組成，其作用是將取樣電壓Uf與基準電壓UZ之差放大后去控制調整管VT1。

或

（4）調整環節。調整環節由工作在線性放大區的功率管VT1組成，VT1的基極電流IB1受比較放大電路輸出的控制，它的改變又可使集電極電流IC1和集—射電壓UCE1改變，從而達到自動調整穩定輸出電壓的目的。工作原理：當輸入電壓Ui或輸出電流Io變化引起輸出電壓Uo增加時，取樣電壓Uf相應增大，使VT2的基極電流IB2和集電極電流IC2隨之增加，VT2的集電極電位UC2下降，因此VTl管的基極電流IB1下降，IC1下降，UCE1增加，Uo下降，從而使Uo保持基本穩定。

同理，當Ui或Io變化使Uo降低時，調整過程相反，UCE1將減小使Uo基本保持不變。

（三）線性集成穩壓器

集成穩壓器是目前性能較為良好的集成穩壓器件，它可以分為固定輸出和可變輸出兩種。固定輸出集成穩壓器有78系列和79系列兩大系列。78系列輸出為正電壓，輸出正電壓有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多種；79系列輸出為負電壓。三端穩壓器在加裝散熱器的情況下，輸出電流可達1.5～2.2A，最高輸入電壓為35V，最小輸入、輸出電壓差為2～3V，輸出電壓變化率為0.1%～0.2%。

三端集成穩壓器外形圖

電路符號

集成穩壓器的引腳與排列。

1．基本電路三端集成穩壓器可以用最簡單的形式接入電路中使用。圖5-20（a）所示為W78××系列的應用電路，從變壓器輸出的交流電壓經整流濾波后產生的直流電壓從1、3兩端輸入，從2、3輸出的是穩定的直流電壓。當穩壓器遠離整流濾波電路時，接入電容C1以抵消較長電路的電感響應，防止產生自激振蕩。電容C2的接入是為了減小電路的高頻噪聲。C1一般取0.331μF，C2取0.1μF。

圖5-20三端集成穩壓器基本接線圖2．提高輸出電壓的電路

當負載所需電壓高于現有三端穩壓器的輸出電壓時，可采用升壓電路來提高輸出電壓，其電路如圖5-21所示。顯然電路的輸出電壓Uo高于W78××的固定輸出電壓U××。

圖5-21提高輸出電壓的電路

3．擴大輸出電流的電路三端集成穩壓器的輸出電流有一定的限制，如1.5A、0.5A、0.1A等。當負載所需電流大于現有三端穩壓器的輸出電流時，可以通過外接功率管的方法來擴大輸出電流，其電路如圖5-22所示。

圖5-22擴大輸出電流的電路

4．輸出正負電源的電路將W78××和W79××系列穩壓器組成如圖5-23所示電路，可以輸出正負電壓。圖5-23可輸出正負電壓的電路（四）開關穩壓電路

1．開關型穩壓電路的特點和分類開關型穩壓電路主要有以下幾個方面的特點（1）效率高。（2）體積小、重量輕。（3）對電網電壓的要求不高。（4）調整管的控制電路比較復雜。（5）輸出電壓中紋波和噪聲成分較大。

開關型穩壓電路的分類

（1）按控制的方式分，開關型穩壓電路有脈沖寬度調制型（PWM）、脈沖頻率調制型（PFM）和混合調制型3種；（2）按是否使用工頻變壓器分，有低壓開關穩壓電路和高壓開關穩壓電路兩種；（3）按激勵的方式分，有自激式和他激式；（4）按所用開關調整管的種類分，有雙極型三極管、MOS場效應管和晶閘管開關電路等。類型很多，可以按不同的方法來分類。2．開關型穩壓電路的組成和工作原理

如圖5-24所示為一個串聯式開關型穩壓電路的框圖，其包括開關調整管、濾波電路、脈沖調制電路、比較放大器、基準電壓和采樣電路等幾個組成部分。圖5-24串聯式開關型穩壓電路的組成框圖

圖5-25所示為一個最簡單的開關型穩壓電路示意圖，電路的控制方式采用脈沖寬度調制式。圖5-25脈沖寬度調制式開關型穩壓電路示意圖

工作原理如下：當ut＞uA時，比較器輸出高電平，uB=+UOM。當ut＜uA時，比較器輸出低電平，uB=－UOM。故調整管VT的基極電壓uB成為高、低電平交替的脈沖波形。uB為高電平時，調整管飽和導通，此時發射極電流iE流過電感和負載電阻，一方面向負載提供輸出電壓，另一方面將能量儲存在電感的磁場中。由于三極管VT飽和導通，因此其發射極電位uE為

式中，Ui為直流輸入電壓，UCES為三極管的飽和管壓降。uE的極性為上正下負，故二極管VD被反向偏置，不能導通，此時二極管不起作用。

當uB為低電平時，調整管截止，但電感具有維持流過電流不變的特性，此時將儲存的能量釋放出來，在電感上產生的反電勢使電流通過負載和二極管繼續流通，因此，二極管VD稱為續流二極管。此時調整管發射極的電位uE為uE=－UD

式中，UD為二極管的正向導通電壓。

可見調整管處于開關工作