（二十五）【模电】第九章 直流电源

A 直流电源的组成

直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流点转换为直流电。

• （1）负载变化输出电压基本不变。
• （2）电网电压变化输出电压基本不变。

在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动 $\pm10\%$，且负载有一定的变化范围。

B 整流电路

1 对整流电路要研究的问题
（1）电路的工作原理：即二极管工作状态、电路波形的分析。
（2）输出电压和输出电流平均值：即输出脉动直流电压和电流平均值的求解方法。
（3）整流二极管的选择：即二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压的分析。

为了分析问题简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为0.

整流二极管的伏安特性：
理想二极管的正向导通电压为0，即反向电阻为无穷大。

2 单向半波整流电路
（1）工作原理

$u_2$的正半周， $D$导通， $A\rightarrow D\rightarrow R_L \rightarrow B$， $u_0=u_2$。

$u_2$的负半周， $D$截止，承受反向电压为 $u_2$， $u_0=0$

波形：

（2） $U_{o(AV)}$和 $I_{L(AV)}$的估算
已知变压器副边电压有效值为 $U_2$。

（3）二极管的选择

考虑到电网电压波动范围为 $\pm10\%$，二极管的极限参数应满足：

3 单向桥式整流电路

（1）工作原理

$u_2$正半周（ $D_1,D_3$导通， $D_2,D_4处于截止$）： $A\rightarrow D_1 \rightarrow R_L \rightarrow D_3 \rightarrow B, u_o=u_2$。

$u_2$负半周（ $D_1、D_3$截止， $D_2,D_4$导通）： $B\rightarrow D_2\rightarrow R_L\rightarrow D_4\rightarrow A，u_o=-u_2$


集成的桥式整流电路称为整流堆。

（2）输出电压和电流平均值的估算

（3）二极管的选择
考虑到电网电压波动范围为 $\pm 10\%$，二极管的极限参数应满足：

C 滤波电路

C.a 电容滤波电路

1工作原理

$|u_2|>u_c$， $D_1,D_2$导通， $C$充电， $\tau_{充电}$非常小， $U_o=U_2$
$|u_2|<|u_c|$， $D_1-D_4$都截止，C放电， $\tau_{放电}=R_LC$。

滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。

考虑变压器和整流电路的内阻：

$C$越大， $R_L$越大， $\tau_{放电}$将越大，曲线越平滑，脉动越小。

2 二极管的到导通角
无滤波电容时 $\theta=\pi$
有滤波电容时 $\theta<\pi$,且二极管平均电流增大，故其峰值很大。

滤波的效果主要取决于电容的放电时间：

3 $U_{o(AV)}$的估算及电容的选择

当 $R_L$开路时，电容只充电不放电

4 特点
简单易行， $U_{0(AV)}$高， $C$足够大时交流分量较小；适用于负载电流较小且变化较小的场合。

C.b 电感滤波电路

当回路电流减小时，感生电动势的方向阻止电流的减小，从而增大二极管的导通角。
电感对直流分量的电抗为线圈电阻，对交流分量的感抗为 $wL$
直流分量：

交流分量：

C.c 倍压整流电路

分析时的两个要点：设负载开路；电路进入稳态
$u_2$正半周 $C_1$充电： $A\rightarrow D_1\rightarrow C_1 \rightarrow B$，最终：

$u_2$负半周， $u_2$加 $C_1$上电压对 $C_2$充电： $P\rightarrow D_2\rightarrow C_2 \rightarrow A$，最终：

D 稳压管稳压电路

1 稳压电路的性能指标

（1）输出电压
（2）输出电流
（3）稳压系数：表明电网电压波动时电压的稳压性能，在负载电流不变时，输出电压相对变化量与输入电压变化量之比。

（4）输出电阻：表明负载电流变化时电路的稳压性能
。
在电网电压不变时，负载变化引起的输出电压的变化量与输出电流的变化量之比。

（5）纹波电压：测试出输出电压的交流分量。

2 稳压管稳压电路
（1）稳压管的伏安特性和主要参数

稳定电压 $U_Z$：稳压管的击穿电压
稳定电流 $I_Z$：使稳压管工作在稳压状态的最小电流
最大耗散功率 $P_{ZM}$：允许的最大功率， $P_{ZM}=I_{ZM}U_Z$
动态电阻 $r_Z$：工作在稳压状态时， $r_Z=\Delta U/\Delta I$

2 稳压管稳压电路的工作原理

若 $\Delta U_I\approx \Delta U_R$，则 $U_o$基本不变。利用 $R$上的电压变化补偿 $U_I$的波动波动。

若 $\Delta I_{D_Z}\approx. -\Delta I_o$,则 $U_R$基本不变， $U_o$也就基本不变。利用 $I_{D_Z}$的变化来补偿 $I_L$的变化。

限流电阻R：

• 与稳压管配合 $D_Z$调整使 $U_o$基本不变。
• 保证 $D_Z$安全工作。

（3） 稳压管稳压电路的主要性能指标

$R$增大 $U_I$也增大，两者取值矛盾。

（4）特点
简单易行，稳压性好。适用于输出电压固定、暑促电流变化范围较小的场合。

（5）稳压管稳压电路的设计

*

如果求得 $R\in [200,300]$，则应该取接近300欧的，使得 $S_r$小。

E 串联型稳压电路

1 基本调整管稳压电路

为了使稳压管稳压电路输出大电流，需要加晶体管放大电流。

稳压原理：电路引入电压负反馈，稳定输出电压。

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2 具有放大环节的串联型稳压电路

等同于：

引入电压串联负反馈。构成同相比例运算电路。

1 稳压原理：若由于某种原因使 $U_o$增大，则：

2输出电压的调节范围：

3 串联型稳压电路的基本组成及其作用

调整管：是电路的核心， $U_{CE}$随着 $U_I$和负载产生变化以稳定 $U_o$。
基准电压：是 $U_o$的参考电压。
取样电路：对 $U_o$的取样，与基准电压共同决定 $U_o$。
比较放大：将 $U_o$的取样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。

（4）串联型稳压电源中调整管的选择
根据极限参数 $I_{CM}、U_{(BRCEO)、P_{CM}}$选择调整管应考虑电网电压的波动和负载电流的变化。

4 集成稳压器（三端稳压器）
（1）W7800系列

• 简介
  
  输出电压：(W7805)5V、(W7806)6V、(W7809)9V、(W7812)12V、(W7815)15V、(W7818)18V、(W7824)24V七个档次。
  输出电流：1.5A(W7800)、0.5A(W78M00)、0.1A(W78L00)
• 基本应用
  将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路。
  
• 输出电流扩展电路
  为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大。
  
  
  

二极管作用：消除 $U_{BE}$对 $U_o$的影响。

• 输出电压扩展电路
  
  
  

（2）基准电压源三端稳压器W117

输出电压 $U_{REF}=1.25V$，调整端电流只有几微安。

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