1.2 直流稳压电源

知识点：

① 直流稳压电源的组成。

② 整流、滤波电路的结构、原理以及输出电压的估算。

③ 硅稳压管稳压电路的结构、原理。

④ 线性集成稳压器的类型及应用。

技能点：

① 能设计整流、滤波电路的结构，选择电路的主要参数。

② 会测试整流、滤波电路，能分析常见的电路故障。

③ 会选用三端集成稳压器，构建典型的应用电路。

直流稳压电源是电子电路中应用最广泛的电源，通常由电源变压器、整流器、滤波器和稳压器4部分组成。其组成框图及相关波形如图1-12所示。

其中，电源变压器的作用是提供合适的交流电压；整流器将交流电压变换为脉动的直流电压；滤波器滤除脉动直流电压中的交流成分，输出比较平滑的直流电压；稳压器则使输出电压保持稳定，以适应对电源稳定性要求高的场合。

1.2.1 整流和滤波

1. 整流电路

1）单相整流电路

除了半波整流电路，常用的单相整流电路还有全波整流、桥式整流等类型，下面介绍应用最为广泛的桥式整流电路。

桥式整流电路由4个二极管组成，其常见的几种表示方法如图1-13所示。可以看出，4个二极管是两两串联后再并联，连接成了桥式整流电路；整流桥的接线规律是同极性连接端接负载，异极性连接端接交流电源。

桥式整流电路的仿真电路及相关波形、数据如图1-14所示。按照输出电压uo的参考极性，设。在u2的正半周，a端电位高于b端电位，则VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电流经a→VD1→RL→VD3→b形成回路，在负载RL得到的输出电压uo≈u2（正向电压）；在u2的负半周，b端电位高于a端电位，则VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流经b →VD2→RL→VD4→a形成回路，在负载RL得到的输出电压uo≈-u2（正向电压）。显然，正、负半周的输出电流相同，在整个周期内电路都输出脉动的直流电压。

（1）输出的直流电压和直流电流

显然，桥式整流输出的直流电压是半波整流时的2倍，根据式（1-1），得

输出电流平均值为

其中，U2为输入交流电压u2的有效值。

可以看出，图1-14仿真的结果与根据式（1-2）估算的值存在误差，其原因是式（1-2）忽略了两个整流二极管同时导通的正向压降。

（2）整流二极管的选择

根据整流电路的要求，选择二极管的最大整流平均电流IFM和最高反向工作电压URM。

由于每个二极管只导通半个周期，通过二极管的电流平均值为输出电流的一半，故二极管应满足

二极管截止时所承受的最高反向电压UR为u2的峰值，故使用二极管时要保证：

在实际应用中，通常还要考虑电网电压的波动带来的影响，故上述两式的计算值还要乘以1.1～1.2的系数，以保证电路的可靠工作。

例1.1 已知电网电压为220V，某电子设备要求30V的直流电压，负载电阻为100Ω。若选用图1-14所示的单相桥式整流电路，试问：

① 整流变压器的副边电压有效值U2应为多少？

② 整流二极管的正向平均电流和最大反向电压各为多少？

③ 若电网电压的波动范围为10 %，应该如何选择整流二极管？

④ 若VD1因故开路，则输出电压平均值将变为多少？

⑤ 若VD2短路，会出现何种情况？

解：根据题意及已知，

① 由式（1-2）可得

U2 =UO/0.9=30/0.9V≈33.3V

输出的平均电流为

IO=UO/RL=30/100A=0.3A=300mA

② 根据式（1-4）和式（1-5）可得

整流二极管的正向平均电流

IV=IO/2=300/2 mA=150 mA

最大反向电压

③ 若电网电压的波动范围为10 %，选择二极管应满足：

IFM＞1.1IV=1.1 × 150 mA=165 mA

URM＞1.1UR=1.1 × 47.1V≈51.8V

④ 若VD1因故开路，则在u2的正半周，另外的3只二极管均截止，即负载上仅得到半周电压，电路成为半波整流电路。因此，输出电压仅为正常时的一半，即 UO=15V。

⑤若VD2短路，在u2的正半周电流的流向为a→VD1→VD2→b，由于整流管的导通压降只有0.7V，变压器副边相当于短路，电流剧增，可能损坏变压器和二极管。

应用集成电路技术制作的整流桥堆现在已经广泛应用，其将2个或4个整流管集成在同一芯片上，组成半桥堆或全桥堆，具有体积小、特性一致、使用方便等优点。

一些常见的全桥堆的外形如图1-15所示。

2）三相桥式整流电路

三相桥式整流电路由6个整流二极管分别两两串联后再并联而成，如图1-16（a）所示。在输入的三相电压u2u、u2v、u2w的变化过程中，只有正极与电位最高的一相绕组连接以及负极与电位最低的一相绕组连接的两个二极管维持导通，其余的反偏截止。电路的输出电压是导通的两个二极管所接端线线电压的瞬时值，输出的波形如图1-16（b）所示，输出电压波形比较平直，通过负载RL的电流方向保持不变。

三相桥式整流电路输入的交流电压可以是如图1-16（a）所示的三相变压器的次级电压，也可以是三相交流发电机（如汽车交流发电机）输出的交流电压，构建电路时要根据需要选择合适的二极管。

2. 滤波电路

整流电路输出的直流电压包含极大的脉动分量，一般不能直接为电子电路供电，采用滤波电路滤除其中的交流成分，可使输出的电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等形式。

（1）电容滤波电路

在整流电路的输出端，即负载电阻RL两端并联一个电容量较大的电解电容C，则构成了电容滤波电路，如图1-17（a）所示电路，由于滤波电容与负载并联，也称并联滤波电路。

从图1-17可以看出，当u2为正半周时，电源u2通过导通的二极管VD1、VD3向负载RL供电，并同时向电容C充电（将电能存储在电容里，如t1 ～t2），输出电压uo =uC≈u2；uo达峰值后u2减小，当uo≥u2时，VD1、VD3提前截止，电容C通过RL放电，输出电压缓慢下降（如t2 ～t3）；当u2为负半周时，当u2（整流后的）下一个上升周期到来使得 丨u2 丨＞uo时，电源u2又通过导通的VD2、VD4向负载RL供电，同时继续给电容C充电（如t3 ～t4），如此周而复始。电路进入稳态工作后，负载上得到如图1-17（b）中实线所示的近似锯齿的电压波形，与整流输出的脉动直流（虚线）相比，滤波后输出的电压平滑多了。

显然，放电时间常数RLC越大，输出电压越平滑。若负载开路（RL=∞），电容无放电回路，输出电压将保持为u2的峰值不变。

电容滤波电路的输出电压与电容的放电时间常数=RL C有关，应远大于u2的周期T，分析及实验表明，当

时，滤波电路的输出电压可按下式估算，即

显然，整流二极管导通时间缩短了，存在瞬间的浪涌电流，要求二极管允许通过更大的电流，管子参数应满足

在已知负载电阻RL的情况下，根据式（1-6）选择滤波电容C的容量，即

若容量偏小，输出电压UO将下降，一般均选择大容量的电解电容；电容的耐压应大于u2的峰值，同时要考虑电网电压波动的因素，留有足够的余量。

电容滤波电路的输出电压随电网电压而波动，且负载能力较差，仅适用于负载电流较小的场合。

桥式整流电容滤波电路的仿真电路如图1-18（a）所示，调节负载电阻RL，观测电路的输出电压及输出电压的波形，仿真结果如图1-18（b）所示。

例1.2 有一单相桥式整流、电容滤波电路如图1-17（a）所示。已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL =200Ω，要求直流输出电压UO =30V。

① 试选择整流二极管及滤波电容器。

② 若检测到UO为以下数值：22.5V、35V、11.25V，电路中可能是何种故障？

解：根据题意及已知条件，可得：

① 选择整流二极管。流过二极管的电流为

根据式（1-8），二极管应满足

IFM＞2IV=IO=150mA

根据式（1-7），变压器的副边电压有效值为

二极管所承受的最高反向电压为

查手册可知，2CZ53B（IFM=300mA，URM=50V）可满足要求。

选择滤波电容器。根据式（1-9），且T=1/f=0.02s，取

电容耐压应大于，故应选取330μF/50V的电解电容器。

② UO为以下数值时，可能的故障为：

UO=22.5V，即UO=0.9U2，属于单纯的桥式整流状态，可判定为滤波电容开路；

UO=35V，即UO=1.4U2，输出为交流电压的峰值，可断定为负载开路；

UO=11.25V，即UO=0.45U2，属于半波整流的状态，可判定至少有一个二极管开路，滤波电容也开路。

（2）电感滤波电路

电感滤波电路如图1-19所示，滤波电感L与负载串联，又称串联滤波电路。由于电感L对于直流分量的电抗近似为0，故整流输出中的直流分量几乎全部降落在负载RL上；而对于交流分量，电感器L呈现出很大的感抗XL，使交流分量大部分降落在电感L上，从而在输出端得到比较平滑的直流电压，达到滤波的目的。

由于电感器串接于负载与整流输出端之间，电感滤波电路输出电压的最大值接近整流电路的输出电压，即UO=0.9U2。电感滤波电路适用于大电流、低电压的场合。

（3）复式滤波电路

复式滤波电路将各种滤波电路的优点组合，进一步减小输出电压的脉动成分，从而改善了滤波的效果。常用的有LC滤波器、RC滤波器、π型LC滤波器、π型RC滤波器等，如图1-20所示。

1.2.2 稳压电路

整流滤波电路的输出电压虽然比较平滑，但会随交流电源电压、负载的变化而波动，不能满足要求稳定直流电压供电的场合，所以，在滤波电路之后必须接入稳压电路。常见的有硅稳压管稳压电路、集成线性稳压电路和开关型稳压电路。

1. 硅稳压管稳压电路

硅稳压管组成的稳压电路的仿真电路如图1-21所示。一般要求整流滤波后所得到的直流输入电压UI=（2～3）UZ，R为限流电阻，稳压管VZ与负载RL并联（该电路又称并联型稳压电路）。稳压管工作在反向击穿状态，显然输出电压UO=UI-UR=UZ。

当稳压电路的输入电压UI升高（或负载电阻RL增大），使输出电压UO升高时，稳压管VZ两端电压UZ上升，通过稳压管的电流IZ将迅速增大，流过R的电流IR随之增大，导致R上的压降UR增大，从而使输出电压 UO下降，保持了输出电压 UO的相对稳定。即有以下过程：

UI↑（或RL↑）→UO↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO↓

同理分析，当稳压电路的输入电压UI下降（或负载电阻RL减小），使输出电压UO下降时，将有以下过程：

UI↓（或RL↓）→UO↓→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑

由此可见，不管是何种原因使输出电压UO发生微小的变化，都会使稳压管的电流IZ产生很大变化，通过限流电阻 R 的电压调整作用，使输出电压 UO基本不变，实现稳压功能。

按图1-21所示电路进行仿真，分别观测不同的交流输入（切换J1）、不同的输出电流（调节负载电阻RL）等状态下电路的输出电压。

受到最大稳定电流IZmax的限制，稳压管应用电路能输出的电流比较小，负载能力较差，稳压的精度较低，而且只能输出固定的电压值，限流电阻的接入又使电路的损耗增大，故其仅适用于输出电压不用调节，负载电流小，稳压要求不高的场合。目前广泛应用的是各种集成线性稳压电路。

2. 集成线性稳压电路

集成线性稳压电路的基本组成框图如图1-22所示，其将调整电路、比较放大电路、基准电路、取样电路等主要环节以及启动电路、保护电路集成在一块芯片上并封装而成，其中的核心调整电路（为大功率晶体管，工作在线性状态）串联在输入电压与负载之间，故又称线性串联型集成稳压电路。

串联型集成线性稳压电路（简称集成稳压器）按输出电压是否可调分为固定式和可调式，按输出电压的极性分为正电压稳压器和负电压稳压器，按电路管脚又可分为三端和多端稳压器，下面介绍常用的三端集成稳压器。

（1）三端固定式集成稳压器

① 简介。

三端固定式集成稳压器常见的外形及管脚功能如图1-23所示，电路只有输入端、输出端及公共端三个管脚，其中图1-23（b）、图1-23（c）的管脚排序是从顶部往下看。从图1-23（e）、图1-23（f）所示的管脚功能可看出，管脚的序号表示了接入电位的高低，1端为最高。

固定输出的三端稳压器的输出电压由具体型号的后两位数字表示，常用的有± 5V、± 6V、± 9V、± 12V、± 15V、± 18V和± 24V等品种，W78 × ×系列输出正电压，W79 × ×系列输出负电压。电路的额定输出电流以78（79）后面的字母来区分：L表示0.1A，M表示0.5A，无字母则表示为1.5A。如CW78M05表示其稳定电压为5V，额定输出电流为0.5A；CW7805则表示稳定电压为5V，额定输出电流为1.5A。公共端对地的静态电流IQ约8mA。

② 基本应用电路。

输出固定正电压的三端稳压器的仿真电路如图1-24所示，C1为整流滤波电容，C2、C4分别用于消自激和改善负载的瞬态响应，在输出端再并接一个大容量的电解电容C3，可适用于负载电流变化较大的场合。调节负载电阻RL，观察输出电流的变化时输出电压的状态。

用一个78系列的三端集成稳压器和一个对称的79系列的三端集成稳压器连接，可同时输出正、负对称的电压，适用于要求对称电源供电的场合。同时输出正、负电压电源的仿真电路如图1-25所示，分别调节正、负电压端的负载电阻，观察输出电压的状态。

（2）三端可调式集成稳压器

可调输出的三端集成稳压器按输出电压分为正电压输出CW317（CW117、CW217）和负电压输出CW337（CW137、CW237）两大类，它除了具备三端固定式稳压器的优点外，还实现了输出电压的连续可调。其输出电压调节范围约为±（1.25～37）V，输出电流可达1.5A，最小负载电流为5mA。其内部结构及常见的塑封外形、管脚功能如图1-26所示。输出端UO与调整端ADJ之间的基准电压UREF=1.25V，调整端的静态电流IQ为50μA。

图1-27所示是可调输出三端集成稳压器CW317的基本应用电路，其中的UI为经整流滤波后的输入电压；VD1是为了防止输出端因故短路时，C3向稳压器内部放电而损坏集成稳压器；VD2则是为了防止输入端短路时，C2向内部放电而损坏集成稳压器；电阻R1与电位器RP构成取样电路。

因调整端静态电流为IQ=50μA（可忽略），故输出电压为

为使稳压器在空载时也能正常工作，一般取IR =UREF/R1 =5～10mA，故R1（=UREF/IR）取值应为120～240Ω，RP取值则根据式（1-10）来估算。

按图1-27所示电路的参数，R1 =240Ω、RP =6.8kΩ，即RP 的调节范围为0～6.8kΩ，根据式（1-10），则电路输出的最小电压为（RP=0时）

输出的最大电压为（RP=6.8kΩ时）

三端可调稳压电源仿真电路如图1-28所示。按图示连接交流电源、测试仪表，分别观测不同的交流输入（切换J1）、不同的输出电流（调节负载电阻RL）等状态下电路的输出电压，调节RP观测电路输出电压的范围。

（3）使用三端集成稳压器的注意事项

① 三端集成稳压器的输入、输出和接地端不能接错，否则容易损坏稳压器。由于不同资料对三端稳压器管脚序号的定义有差异，其应用电路的标注也有不同，在分析、应用过程中必须特别注意。

② 三端集成稳压器通常给出的最小输入、输出电压差约为2V，在实际应用中，特别是考虑电网电压波动、负载变化等因素，应使该电压差保持为4～6V，否则可能导致输出电压不稳定。但若该压差过高，将会使稳压器损耗过大、过热，故在要求调压范围较宽、输出电流较大的使用场合，建议采取两挡交流输入，以减少低压大电流输出时的电路损耗。

③ 在工作电流较大的应用中，三端集成稳压器应有良好的散热条件，要安装足够大的散热器。否则稳压器将温升过高，稳压性能变差，甚至损坏电路。

④ 若要将多片稳压器并联使用以增大输出电流，应采用同一厂家（最好是同一批号）的产品，以保证参数的一致性，通常要在每片电路的输出端串接一个二极管将各个稳压器隔离，防止由于输出电压的差异而形成回流损坏稳压器。计算输出电流时要留有足够的余量，采取降额使用，有利于提高电路工作的可靠性。

3. 开关型稳压电路

串联型集成线性稳压电源管耗大，电源效率较低（约30 %），为了散热，还必须安装较大的散热器，使电路的结构增大。而开关型稳压电源的调整管工作在开关状态，管耗很小，电源效率可高达80 % ～90 %，可以不用降压变压器，直接引入电网电压，所以电源体积小，重量轻，广泛应用于计算机、通信及各种音像设备中。

开关稳压电源结构框图如图1-29（a）所示，共由取样、比较、基准、开关时间控制器、开关调整管和滤波（储能）六部分组成。开关调整管是大功率开关晶体管，在开关脉冲的控制下，将整流滤波后输入的电压UI转换为矩形波USO，通过滤波（储能）电路滤除脉动分量，使矩形波变为稳定的直流电压UO。

电路的控制原理如图1-29（b）所示，稳压电路输入电压为UI，设开关管的导通（闭合）时间为Ton，截止（断开）时间为Toff，工作周期为T=Ton +Toff，则矩形脉冲电压的平均值为

式中，Ton/T称为矩形脉冲占空比，上式表明，改变占空比即可调节输出电压UO的大小。显然，通过控制开关管通、断的时间比例，改变USO矩形波的相对脉宽，即可控制输出电压的高低，实现稳压控制。

开关型稳压电源根据输入电压、开关管与负载的连接方式，可分为串联型和并联型。有兴趣的读者可查阅有关的资料。