第10章 直流稳压电源(修改稿)
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第10章 直流稳压电源
前面几章介绍的各种电子电路，通常都需要直流电源来供电，一般电子设备中最常用的直流稳压电源是通过把交流电源经过降压、整流、滤波和稳压电路变换后而获得的。
10.1 直流稳压电源概述
10.1.1 直流稳压电源的组成与分类
直流稳压电源的作用是能够将频率为50Hz、有效值为220V的交流电压转换成输出幅值稳定的直流电压。直流稳压电源是由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4部分组成，如图10.1所示，这四个部分主要的功能介绍如下。
变压器整流电路滤波器稳压电路负载正弦交流电
图 10.1 直流稳压电源的组成
1. 变压器
电网提供的交流电一般是220V，而各种电子设备需要的直流稳压电源幅值各不相同。因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的二次电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。
2. 整流电路
整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，一般是二极管，将正负交替的正弦交流电压整流为单方向的脉动电压。但是，这种单相脉动电压往往包含着很大的脉动成分。
3. 滤波器
滤波器主要由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能地将单相脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。
4. 稳压电路
当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出直流电压的幅值也将随之改变，因此需要采取相应的措施，使输出的直流电压保持稳定。
10.1.2 直流稳压电源的主要指标
直流稳压电源的主要指标分为两种：一种是特性指标，包括输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。这些指标的含义，可简述如下：
1. 特性指标
（1） 输出电压范围
符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。
（2）最大输入－输出电压差
该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入－输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。 （3）最小输入－输出电压差
该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入－输出之间的电压差值。
（4）输出电流调节范围
输出电流范围又称为输出负载电流范围，在这一电流范围内，稳压器应能保证符合指标规范中所给出的指标。
2. 质量指标
（1）稳压系数rS
用输出电压和输入电压的相对变化量之比来表征电源的稳压性能，被称之为稳压系数。按定义可记作
/,(0,0)/oorIIVVSTIVV (10.1.1)
（2）输出电阻oR
在输入电压和温度不变的情况下，输出电压变化量和负载电流变化量之比，定义为输出电阻，记作
ooo,(0,0)IVRTVI (10.1.2)
式中，负号表示OV与OI变化方向相反。
（3）温度系数TS
在输入电压和负载电路均不变的情况下，单位温度变化引起的输出电压变化就是稳压电源的温度系数或称温度漂移，记作
,(0,0)IToVoSVIT (10.1.3)
（4）纹波电压OPV
在额定工作电流的情况下，输出电压中的交流分量值，称为纹波电压。
.10.2 整流电路
将正弦交流电变为脉动直流电的过程叫做整流。利用二极管的单相导电性可以组成整流电路。在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。下面分别介绍单相半波整流电路、单相全波整流电路和单相桥式整流电路的组成、工作原理、工作波形和主要参数。
1.单相半波整流电路
单相半波整流电路如图10.2（a）所示。其中T为变压器，D为整流二极管，设其为理想二极管，即正向导通时电阻为0，反偏时电阻无穷大，LR为负载电阻，2v为变压器副边电压，设222sinvVt，Dv为二极管两端电压，Lv为负载两端电压，Di为流过二极管的电流，Ov为输出电压，Oi为输出电流。
（1）工作原理
当2v处于正半周时，其极性为上正下负，即A点为正，B点为负，此时二极管外加正向电压，处于导通状态，电流方向是从A点经过二极管D，负载电阻LR、回到B点。又因为D为理想二极管，所以20,,ODLODLvvvviiR。
当2v处于负半周时，其极性为下正上负，即B点为正，A点为负，此时二极管外加反相电压，处于截止状态，电路断开，0ODii，所以2v全部加在二极管两端，0Ov，工作波形如图10.2（b）所示。
(2）主要参数
通常用于描述整流电路性能好坏的主要参数为：输出电压平均值()OAVU、输出电流平均值()OAVI、脉动系数S和二极管承受的最大反相电压maxRU。
① 输出电压平均值()OAVV。输出电压在一个周期内的平均值，即：
πO(AV)2220122sind()0.452ππVVttVV (10.2.1)
② 输出电流平均值()OAVI。输出电流在一个周期内的平均值，即：
()2()LL0.45OAVOAVVVIRR (10.2.2)
在图10.2所示的单相半波整流电路中，由于二极管D和负载电阻串联，所以流过二极管的电流平均值与输出电流平均值相等，即
()2()()0.45OAVDAVOAVLLVVIIRR (10.2.3)
③ 脉动系数S。脉动系数S是用于衡量整流电路输出电压平滑程度的参数，其定义为整流输出电压的基波峰值1OMV与输出电压平均值()OAVV之比。如图10.2（b）所示，输出电压Ov为非正弦周期信号，其傅里叶展开式为
21122(sincos)23OVVtt (10.2.4)
由式（10.2.1）可得：
2122OMVV (10.2.5)
所以：
12()2221.5722OMOAVVVSVV (10.2.6)
④ 二极管承受的最大反相电压maxRV。图10.2（a）所示的电路中，当2v处于负半周时，二极管D外加反向电压，二极管所承受的最大反向电压就是变压器副边电压2v的最大值，即
max22RVV (10.2.7)
+_+_1v2v+_+_DvOvOiDDiTLRAB~220V
50Hz (a) 电路图
tttt2uDiOuDu22U23LRU2222U22U
4 (b) 波形图
图10-2 单相半波整流电路
半波整流电路的优点是结构简单，使用的元件少。但也有明显缺点：输出波形脉动大、直流成分比较低、变压器有半个周期不导电、利用率低。往往此种电路只用在输出电流较小，要求不高的场合。
2.单相全波整流电路
单相全波整流电路如图10.3（a）所示。其中T为变压器，D1、D2为整流二极管，设其为理想二极管，LR为负载电阻，1v为变压器原边电压，2v为变压器副边电压，设222sinvVt，12DDv、v为二极管两端电压，1Di、2Di为流过二极管的电流，Ov为输出电压，Oi为输出电流。
(1)工作原理
单相全波整流电路的原理是利用中间抽头变压器和两个二极管，获取正、负半周信号。当输入波形在正半周时，变压器次级电压极性A点“正”B点“负”，二极管D1导通，D2截止，负载LR上得到由上至下的电流；当输入波形在负半周时，变压器次级电压极性A点“负”B点“正”，二极管D2导通，D1截止，负载LR上仍然得到由上至下的电流，由此利用了负半周的信号，使整流效率提高。 ~220V50Hz1vABLROv+_+_+_1Dv2DvOi2v2v+_1D2DrT （a）电路图
tttt2v1Di2Diov22V2322LVR 422LVR
22V (b) 波形图
图10.3 单相全波整流
(2）主要参数
① 输出电压平均值()oAVU。
全波整流电路的整流输出电压是半波整流电路的两倍，因此有：
22220.9OVVV (10.2.8)
② 输出电流平均值()OAVI。 ()2()LL0.9OAVOAVVVIRR (10.2.9)
③ 脉动系数S。全波整流电路输出电压Ov为非正弦周期信号，其傅里叶展开式为：
2244(2cos2cos)315ouUtt (10.2.10)
基波频率为2，基波最大值是12423OmUU，则脉动系数为：
1224230.6722OmOUUSUU (10.2.11)
（4）二极管承受的最大反相电压maxRU。在正半周VD1导通，VD2此时承受的反相电压为222U，同理负半周，VD2导通，VD1承受的反相电压也为222U。
全波整流的优点是整流效率比半波整流提高了，缺点是整流二极管的耐压要求提高了，并且需要中间抽头变压器。
3单相桥式整流电路
为了提高电源利用率，降低输出电压的脉动，引入单相桥式整流电路，如图10-4 (a)所示。其中T为变压器，VD1、VD2、VD3、VD4为整流二极管，并设它们均为理想二极管，LR为负载电阻，1u为变压器原边电压，2u为变压器副边电压，设222sinuUt，Ou为输出电压，Oi为输出电流。
1）工作原理
当2u处于正半周时，其极性为上正下负，即A点为正，B点为负，此时二极管VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，电流方向是从A点经过二极管VD1、负载电阻LR、二极管VD3回到B点，又因为VD1和VD3均为理想二极管，所以2ouu，ooLiuR，且oi是从上至下流经负载电阻LR。
当2u处于负半周时，其极性为下正上负，即B点为正，A点为负，此时二极管VD2和VD4导通，VD1和VD3截止，电流方向是从B点经过二极管VD2、负载电阻LR、二极管VD4回到A点，又因为VD2和VD4均为理想二极管，所以2ouu，ooLiuR，且oi仍是从上至下流经负载电阻LR的。可见，在2u的整个周期内，VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通，所以整个周期都有同一方向的电流流过负载电阻LR，即能够在负载电阻LR获得单相脉动的直流电，其工作波形如图10-4（b）所示。
+_+_1u2uVD1VD3VD2VD4oiLR+_T~220V50HzABou （a）
