模块5直流稳压电源
学习任务
?了解桥式整流、电容滤波和稳压电路 ?掌握并联、串联型稳压电路的组成和工作原理 ?会安装、测试串联型稳压电源
在工农业生产中，采用的电源主要是交流电。但是在电子线路和自动控制装置中，常常还需要采用电压非常稳定的直流电源。常见的直流电源有蓄电池和干电池，除此之外，目前还广泛地采用各种半导体直流电源。
电子设备中最常用的半导体直流电源是通过把交流电经过整流、滤波和稳压电路变换后而获得的。如图5-1-1所示的就是半导体直流稳压电源的原理方框图。
u1 u2 u3 u4 u5 变压 整流 滤波 稳压 u1 u2 u3 u4 u5
t t t t t 0 0 0 0 0 图5-1-1半导体直流稳压电源的原理方框图
1、电源变压器
电源变压器的作用是将220V的交流电变成合适的交流电以后，再进行交、直流转换。电网上单相交流电的电压有效值为220V，而通常电子电路中需要的直流电压要比此值低。所以，要先利用变压器进行降压。
2、整流电路
整流电路的作用是将经变压器降压后的交流电压变成单向脉动的直流电压。常采用的元件为二极管，经整流电路输出的单向脉动的直流电压幅度变化较大，不能直接供给电子电路使用。
3、滤波电路
滤波电路的作用是滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压。
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常采用的元件有电容和电感。
4、稳压电路
稳压电路的作用是使输出电压不受电网电压的波动和负载大小的影响，维持输出直流电压的稳定。滤波后输出的直流电具有较好的平滑程度，但是，此时的电压值还要受到电网电压波动、负载和温度变化的影响而不稳定。为使输出电压稳定，还需要增加稳压电路部分。下面将分别讨论各部分的组成、工作原理和性能。
5.1整流电路
整流电路的主要有单相半波整流电路、单相全波整流电路和单相桥式整流电路。其中，单相半波整流电路最简单，单相桥式整流电路最普遍。
5.1.1 单相半波整流电路 1、工作原理和输出波形
单相半波整流电路如图5-1-2(a)所示，它由整流变压器、整流二极管VD和要求直流供电的负载等效电阻RL组成。整流变压器，用来将市电220V交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。其中u1、u2分别为整流变压器的原边和副边交流电压。令整流二极管VD为理想二极管。下面分析其工作原理。
a + u1 － + u2 － b 0 π u2 π2π3π4πωt VD 0 RL + uo － uo 2π 3π 4π ωt (a)单相半波整流电路 (b)单相半波整流电路的输入、输出电压波形
图5-1-2 单相半波整流电路及其输入、输出电压波形
设整流变压器副边电压为：u2?2U2sin(?t)，当u2处于正半周时，其极性为上正下负。
即a点电位高于b点，整流二极管VD正向偏置，处于导通状态。此时流过二极管的电流iD同时流过负载RL，即i0?iD。因为整流二极管VD为理想二极管（正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大），所以负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即u0?u2，输出电压u0的波形与变压器副边电压u2相同。
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当u2处于负半周时，其极性为上负下正。即a点电位低于b点，整流二极管VD反向偏置，处于截止状态。此时流过二极管的电流iD=0，输出电流i0?iD也为0，即负载无电流流过，因此，输出电压u0也为0。此时，它所承受的反向电压uD=u2。u2全部加到整流二极管两端，电路的工作波形如图5-1-2(b)所示。
由图可见，由于电路只在u2的正半周有输出，所以称为半波整流电路。半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，理论计算表明其整流效率仅40%左右，输出电压脉动大，因此，它只能用于小功率以及对输出电压波形和整流效率要求不高的设备。
2、参数计算
(1)负载上的电压平均值和电流平均值。输出电压在一个周期内，只有正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。所以负载上输出的平均电压值为：
UO?12???02U2sin(?t)d(?t)?2?U2?0.45U2 (5-1-1)
流过负载和二极管的平均电流为
ID?IO?UORL?0.45U2RL (5-1-2)
(2)二极管截止时承受的最高反向电压就是整流变压器副边交流电压u2的最大值，即:
UDRM?U2M?2U2 (5-1-3)
根据ID和UDRM就可以选择合适的整流二极管。为了使用安全，二极管的反向工作峰值电压要选得比UDRM大一倍左右
例5-1-1有一个单相半波整流电路，如图5-1-2(a)所示。已知负载电阻RL=750Ω，变压器副边电压U2=20V，试求Uo、Io，并选用二极管。
解:
UO?0.45U2?0.45?20?9(V)IO?UORL?9750?0.012(A)?12(mA)
ID?IO?12(mA)UDRM?2U2?2?20?28.2(V)查半导体手册，二极管可选用2AP4，其最大整流电流为16mA，最高反向工作电压为50V。
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5.1.2单相桥式整流电路 1、工作原理和输出波形
单相桥式整流电路如图5-1-3(a)所示。图中四只整流二极管VD1、VD2、VD3、VD4接成电桥形式，故称为桥式整流。图5-1-3(b)所示为单相桥式整流电路的一种简便画法。
+ u1 － a VD4 + u 2 － VD3 b VD1 + RL uo － + u1 － + u2 － RL + uo － VD2 (b) 简化画法 (a) 原理电路 图5-1-3单相桥式整流电路 设整流变压器副边电压为：u2?2U2sin(?t)，当u2处于正半周时，其极性为上正下负，
即a点电位高于b点电位，整流二极管VD1、VD3正向偏置，处于导通状态，整流二极管VD2、VD4反向偏置，处于截止状态。此时整流电路中的电流从a端开始，流经二极管VD1至负载RL，然后经过二极管VD3至b端，再经变压器,最后又回到a端形成回路，此时，负载RL上的输出电压u0?u2，极性为上正下负。
+u1－a⊕+u2－－VD3bVD1+RLuo－+u1－a－VD4+u2－⊕bVD2+RLuo－图5-1-4单相桥式整流电路 (a)正半周时电流的通路； (b)负半周时电流的通路
当u2处于负半周时，其极性为上负下正，即a点电位低于b点电位，整流二极管VD2、VD4正向偏置，处于导通状态，整流二极管VD1、VD3反向偏置，处于截止状态。此时整流电路中的电流从b端开始，经二极管VD2流经负载RL，然后经过二极管VD4至a端，再经变压器,最后又回到b端形成回路，因此，负载RL上也同样产生一个上正下负的输出电压，此时，输出电压u0??u2。其工作波形图和单相全波整流电路相同。
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u2
0 iD1 π 2π 3π 4πωt
0 iD2 π 2π 3π 4πωt 0 uo π 2π 3π 4πωt 0 π 2π 3π 4πωt 图5-1-5 单相桥式整流电路的波形
由上可知，对于单相全波整流和单相桥式整流，无论电压u2是在正半周还是在负半周，负载电阻RL上都有相同方向的电流流过，负载电阻RL得到的是单向脉动电压。
2、参数计算
(1)输出平均电压为：
UO?1???02U2sin(?t)d(?t)?22?U2?0.9U2 (5-1-4)
(2)流过负载和二极管的电流平均值为：IO?UORL?0.9U2RL (5-1-5)
桥式整流电路中，由于每只二极管只导通半个周期，所以流过每只二极管的平均电流都为负载电流的一半。即：
ID?12IO?0.45U2RL (5-1-6)
每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值.即：
UDRM?U2M?2U2 (5-1-7)
对几种整流电路进行比较。由表5-1-1可见，半被整流电路的输出电压相对较低。两管全波整流电路则需要变压器的副边绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受的最高反向电压相对较大。桥式整流电路输出电压高，整流二极管所承受的最高反向电压较低，同时因整流变压器在正负半周内部有电流供给负载，整流变压器效率较高。在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用
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