原创 跟我学模拟电子电路：直流稳压电源

第一节 学习要求

1．熟悉整流滤波电路的组成及工作原理，能估算电路元器件的参数。

2、掌握串联反馈稳压电路的组成及工作原理、输出电压及电压调节范围的估算。

3．熟悉集成三端稳压器的工作原理及应用。

学习重点：串联反馈稳压电路的工作原理和 集成三端稳压器的应用。

学习难点：稳压电路的应用设计。

　　概述：在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率的稳压电源的组成如下图所示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。

　　直流稳压电源的技术指标特性指标：输入电压、输出电压、输出电流、输出电压范围

　　质量指标：稳压系数、温度系数、输出电阻、纹波电压，它们的定义式为：　

　　其中稳压系数γ的定义是负载固定时输出电压的相对变化量与稳压电路的输入电压的相对变化量之比。温度系数S_T是反映温度变化对输出电压的影响；输出电阻R_O反映负载电流变化对输出电压的影响 ；纹波电压是指稳压电路输出端交流分量的有效值，它表示输出电压的微小波动。可见，上述系数越小，输出电压越稳定。

第二节　小功率整流滤波电路

一、单相整流电路

　　整流电路是小功率直流稳压电路电源的组成部分。其主要功能是利用二极管的单向导电性，将正弦交流电转变成单方向的脉动直流电 　。常用的整流电路有：

1、半波整流电路

　　半波整流就是利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压V_o只有半个周期可以到达负载，造成负载电压V_L是单方向的脉动直流电压。

主要参数：

2、全波整流整流电路

　　利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如下图所示的全波整流电路。从图中可见，正负半周都有电流流过负载，提高了整流效率。

全波整流的特点：

　　输出电压V_O高；脉动小；正负半周都有电流供给负载，因而变压器得到充分利用，效率较高。

主要参数：

3、桥式整流电路

　　桥式整流属于全波整流，它不是利用副边带有中心抽头的变压器,而是用四个二极管接成电桥形式，使在电压V₂的正负半周均有电流流过负载，在负载形成单方向的全波脉动电压。

主要参数：

　　

二、滤波电路

　　从上面的分析可以看出，整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。

1、电容滤波电路

　　图10.5分别是桥式整流电容滤波电路和它的部分波形。这里假设t<0时，电容器C已经充电到交流电压V₂的最大值（如波形图所示）。

　　结论1：由于电容的储能作用，使得输出波形比较平滑，脉动成分降低输出电压的平均值增大。

　　当R_LC的值适当，且整流电路的内阻较小（几欧）时，

　　结论2：从图10.6可看出，滤波电路中二极管的导电角小于180^o　,导电时间缩短。因此，在短暂的导电时间内流过二极管很大的冲击电流，必须选择较大容量的二极管。

　　在纯电阻负载时：

　　有电容滤波时：

　　结论3：电容放电的时间τ=R_LC越大,放电过程越慢，输出电压中脉动（纹波）成分越少，滤波效果越好。一般取τ≥（3～5）T/2，T为电源交流电压的周期。

2、电感滤波电路

　　电感滤波电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用。

　　优点：整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。

　　缺点：存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰,一般只适应于低电压、大电流的场合。

例10.1.1整流滤波电路如图所示，已知V₁是220V交流电源，频率为50Hz，要求直流电压V_L=30V，负载电流I_L=50mA。 试求电源变压器副边电压v₂的有效值，选择整流二极管及滤波电容。

解：(1)变压器副边电压的有效值

　　(2)选择整流二极管流经整流二极管的平均电流为

　　二极管承受的最大反向电压为

　　(3)选择滤波电容

　　因为负载电阻

　　由此得滤波电容

　　考虑到电网电压波动±10%，则电容所承受的最高电压为

因此选用标称值为68mF/50V的电解电容

第三节　串联反馈式稳压电源

一、稳压管稳压电路

　　最简单的稳压电路由稳压管组成如图所示。从稳压管的特性可知,若能使稳压管始终工作在它的稳压区内，则V_O.基本稳定在V_z左右。

　　　 　　　　

　　当电网电压升高时，若要保持输出电压不变，则电阻器R上的压降应增大，即流过R的电流增大。这增大的电流由稳压管容纳，它的工作点将由b点移到C点，由特性曲线可知此时V_o≈V_z基本保持不变。

　　　　　　

　　若负载电阻变小时，要保持输出电压不变， 负载电流要变大。由于V_I保持不变，则流过电阻R的电流不变。此时负载需要增大的电流由稳压管调节出来，它的工作点将由b点移到a点。 所以，稳压管可认为是利用调节流过自身的电流大小 （端电压基本不变）来满足负载电流的改变，并和限流电阻R配合将电流的变化转化为电压的变化以适应电网电压的变化。

　　存在问题：电网电压不变时，负载电流的变化范围就是I_Z的调节范围（几十mA），这就限制了负载电流I₀的变化范围。 怎样才能扩大I_O的变化范围？

二、串联反馈稳压电路

　　射极输出电路（ 如图10.13 ）的输入是固定值的V_Z ，因而输出电压V_O=V_Z-V_BE也为固定值。当电网电压波动时，由于V_Z基本不变，所以V_O也基本不变，V_I的变化由V_CE调节，因此三极管被称为调整管。当R_L变化引起I_O的变化时，只要△I_Z在稳压管的正常范围内， V_Z就基本保持不变。即V_O基本恒定。

　　该电路输出电流的变化可扩大为（1+β）△I_Z， 因此称为扩流型稳压二极管电路；由于三极管与负载是串联的关系， 因此电路也称为串联型稳压电路。

　　为了改进稳压性能和使输出电压可随意调节， 可引入深负反馈使输出电阻降低，引入可随意调节放大倍数的放大器以改变输出电压。

下面分几个方面进行分析：

电路组成：

　　如图10.14所示的电路是由运放组成的串联反馈稳压电路。 它由基准电压、比较放大、调整管和取样电路四部分构成。

稳压过程：

稳压范围：

　　可见，该稳压电路输出电压的调整范围取决于R₁/R₂。

三、三端集成稳压电路

1、三端固定式集成稳压器的封装和引脚功能

　　以7800系列和7900系列为例,其封装形式和引脚功能如图所示。应用时必须注意引脚功能，不能接错,否则电路将不能正常工作，甚至损坏集成电路。

2、三端可调式集成稳压器的封装和引脚功能

　　电路结构、外接元件（以LM317为例）、外形封装和引脚功能如下图所示。应用时必须注意引脚功能，不能接错,否则电路将不能正常工作，甚至损坏集成电路。

四、三端集成稳压器的应用

1、三端固定式典型应用

　　典型应用电路如图10.18所示。图中C₁、C₂用于频率补偿，防止自激振荡和抑制高频干扰；C₃采用电解电容， 以减少电源引入的低频干扰对输出电压的影响；D是保护二极管，当输入端短路时，给C₃一个放电的通路，防止C₃两端电压激穿调整管的发射结。　

　　该电路要求：

2、扩大输出电流的应用电路

　　需要大于0.1A的输出电流时， 可以采用其他型号的集成电路或使用如右图所示的扩流电路。该电路的输出电流I₀=I₀₁+I₀₂

　　该电路具有过流保护功能， 正常工作时，T₂、T₃截止；当I_O过流时，I_O1增大， 限流电阻R₃的压降增大使T₃、T₂相继导通， T₁的V_BE降低，限制了T₁的I_C1，保护T₁不致因过流而损坏。

3、三端可调式集成稳压器的典型应用电路

　　这类稳压器是依靠外接电阻来调节输出电压的,为保证输出电压的精度和稳定性，要选择精度高的电阻,同时电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线上产生误差电压。 图所示为三端可调式稳压器的典型应用电路，其输出电压为:

LM317的V_REF=1.2V，I_adj=50mA，由于I_adj<1，所以

4、三端可调双电源稳压电路

　　图10.20是由LMl17和LM137组成的正、负输出电压可调的稳压器。电路中的V_REF=V₃₁(或V₂₁)=1.2V，R₁和R_1'=(120~240)Ω,为保证空载情况下输出电压稳定，R₂和R_2'不宜高于240Ω。 R₂和R_2'的大小根据输出电压调节范围确定。该电路输入电压们分别为±25V，则输出电压可调范围±(1.2V~20V)。

5、并联扩流型稳压电源

　　图10.21为并联扩流的稳压电路，它是用两个可调式稳压器LM317组成 。输人电压V_I=25V， 输出电流I₀=I_O1+I_O2=3A， 输出电压可调范围为(1.2V~22V )。 电路中的集成运放741是用来平衡两稳压器的输出电流的。如LM317-1输出电流I_o1大于LM317-2输出电流I_O2时，电阻R₁上的电压降增加，运放的同相端电位V_P(=V_I-I₁R₁)降低，运放输出端电压V_AO降低，通过调整端adj1使输出电压V_o下降，输出电流I_O1减小，恢复平衡 ；反之亦然。改变电阻R₅可调节输出电压的数值。