第 7 章 直流电源

7.1 概述 在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。本章所介绍的直流电源为单相小功率电源，它能将频率为50Hz ，有效值为 220V 的单相交流电压转换成为幅值稳定，输出电流为几十毫安以下的直流电压。其方框图及各部分的输出电压波形如图 7-1 所示。

图 7-1 直流稳压电源的组成方框图

电源变压器：把输入（ ui ）的有效值为 220V ，频率为

50Hz 的电网电压变换成所需要的电压 u1 。一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因此需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。

整流电路：把正弦交流电 u1 变成单一方向的脉动电压 u2 。

滤波电路：为了减小电压 u2 的脉动，需通过低通滤波，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅有直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。对电源电压稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压 u3

可以作为供电电源。 稳压电路：交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分

量较小的直流电压，但是当电网电压波动或负载变化时，平均值也将随之变化。因此稳压电路的功能是：使输出直流电压 u4 基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响。从而获得足够高的稳定性。

7.2 整流电路1 ．整流电路的分析方法及其基本参数

单相半波整流电路如图 7-2 所示。以此为例说明整流电路的分析方法。

图 7-2 单相半波整流电路

tSinUu 22 2

在电压 u2 为正半周（设 a 端为正， b 端为负时是正半

周）电流通路如图 7-2 箭头表示。通过负载 RL 的电流 iL 以

及负载电压 uL 的波形如图 7-3 所示。显然，它是单方向的半波脉动波形。

（ 1 ）工作原理

图 7-2 中 Tr 为电源变压器，它的作用是将交流电网电压

u1 变成整流电路要求的交流电压 u2 ， u2 ＝ ， RL

是要求直流供电的负载电阻， VD 为整流二极管，它是整流电路的关键器件，主要是靠它的单向导电性完成整流任务。

tSin2 U2

在电压 u2 的正半周（设 a 端为正， b 端为负时是正半周），二极管导通，电流通路如图 7-2 箭头所示。 在电压 u2 的负半周（ a 端为负， b 端为正时是负半周），

二极管截止， uL ＝ 0 。流过负载 RL 的电流 iL 及负载两端电压

uL 的波形如图 7-3 所示。是单方向的半波脉动波形。

图 7-3 半波整流电路波形图

(2) 主要参数计算 在研究整流电路时，主要考查整流电路输出电压平均值（即负载上的直流电压 UL ）和输出电流平均值（即负载上

的直流电流 IL ）这两项指标。

从图 7-3 （ c ）所示波形可知，当 ωt=0 ～ π 时， ；当 ωt=π ～ 2π 时， 。所以，求解 的平均值 UL ，就是将 0 ～ π 的电压平均在 0 ～ 2π 间隔之中。如图 7-4 所示。

uL

tSinUuL 220Lu

图 7-4 半波整流电路输出电压平均值

0 2 )(sin2

2

1ttdUuL 表达式为：

解得 平均值为：

R

U

R

UI

UU

LL

LL

L

2

2

45.0

45.0

(3) 整流器件的选择 在整流电路中，一般应根据流过二极管电流的平均值和

他所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。 在单相半波整流电路中，二极管的正向平均电流等于负

载电流平均值，即：

二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压，即：

R

UII

L

LD245.0

UU R 2max 2

一般情况下，允许电网电压有 ±10 ％的波动，即电源变压器初级电压为 198 ～ 242V ，因此，在选用二极管时，对于最大整流平均电流 IF 和最高反向工作电压 UR 均应至少留有 10%

的余地，以保证二极管安全工作，即选取

单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。但是，由于它只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大（即脉动大），效率低。因此，这种电路仅适用于负载电流较小，对脉动要求不高的场合。

UU

II

RR

DF

max1.1

1.1

2. 单相桥式整流电路

图 7-5 单相桥式整流电路

为了克服单相半波整流电路的缺点，在实用电路中多采用单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。单相桥式整流电路如图 7-5 （ a ）所示，图（ b ）是它的简便画法。

(1) 工作原理

图 7-5 （ a ）中 RL 负载电阻， Tr 为电源变压器，将 220V

交流电压变成整流电路要求的交流电压 ， ＝ ，四只整流二级管 VD1 ～ VD4 接成电桥的形式，故称桥式整流电路。 在电压 的正半周（设 a 端为正， b 端为负时为正半周）电流通路如图 7-5 （ a ）中实线箭头所示；电压 的负半周，电流通路如图 7-5 （ a ）中虚线箭头所示。通过 RL 的电

流 iL 以及 RL 上的电压 uL 的波形如图 7-6 所示。 iL 、 uL 都是单方向的全波脉动波形。

tSin2 U2 u2u2

u2

u2

图 7-6 单相桥式整流电路波形图

图中 Tr 为电源变压器，它的作用是将 220V 交流电网

电压变成整流电路要求的交流电压， RL 是负载电阻，四只

整流二级管 D1 ～ D2 接成电桥的形式，故称桥式整流电路。图 7-5 （ b ）是它的简化画法。在电压的正，负半周（设 a

端为正， b 端为负时为正半周）内电流通路用图 7-5 （ a ）中实线和虚线箭头表示。通过 RL 的电流 iL 以及 RL 上的电

压 uL 的波形如图 7-6 所示。显然它们都是单方向的全波脉动波形。

(2) 主要参数计算

R

U

R

UI

UU

LL

LL

L

2

2

9.0

9.0

通过分析可得，负载电阻 RL 上的直流电压 、直流电流分别为：

（ 3 ）整流器件的选择

在桥式整流电路中，二极管 D1 、 D3 和 D2 、 D4 是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为：

R

UII

L

LD

2

9.0

2

1 2

二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压从图 7-

5 （ a ）看出，在 u2 正半周时， D1 、 D3 导通， D2 、 D4 截止。

此时 D2 、 D4 所承受的最大反向电压均为 u2 的最大值，即：UU 2maxR 2

同理，在 u2 的负半周， D1 、 D3 也承受同样大小的反向电压。

考虑到电网电压允许波动 ±10% ，在实际选用二极管时，应至少有 10% 的余量，选择最大整流电流 IF 和最高反向工

作电压 UR 分别为：

IF ＞ 1.1ID UR ＞ 1.1URmax

桥式整流电路的优点是：输出电压高，脉动电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，与半波整流电路相同，同时，因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流中得到了广泛的应用。

【例 7-1 】 在图 7-2 所示整流电路中，已知变压器副边电压有效值 U2=20V ，负载电阻 RL=10Ω ，试问：

（ 1 ）负载电阻 RL 上的电压平均值和电流平均值各为多少？

（ 2 ）电网电压允许波动 ±10 ％ ，二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少？

AV

R

UI

VVUU

L

L

L

L

9.010

9

92045.045.0 2

解：（ 1 ） RL 上电压平均值和流过 RL 的电流平均值分别为

（ 2 ）二极管承受的最大反向电压和流过二极管的平均电流分别为：

AAII

VVUU

LD

R

99.09.01.11.1

11.3120414.11.121.1 2

【例 7-2 】 在图 7-5 所示电路中，已知变压器副边电压有效值 U2=20V ，负载电阻 RL=10Ω 。试问：

（ 1 ）负载电阻 RL 上的直流电压与直流电流各为多少？（ 2 ）电网电压允许波动范围为 ±10 ％ ，二极管的最大整流

平均电流 IF与最高反向工作电压 UR 至少应选取多少？

解：（ 1 ） RL 上电压平均值和流过 RL 的电流平均值分别为：

AV

R

UI

VVUU

L

L

L

L

8.110

18

18209.09.0 2

（ 2 ） 二极管的最大整流平均电流 IF与最高反向工作电压

UR 至少应选取多少？

AAI

II

VVUU

LDF

R

99.02

8.11.1

21.11.1

11.3120414.11.121.1 2

7.3 滤波电路

整流电路的输出电压虽然是单一方向，但是脉动较大，含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路及设备的需要。因此，一般在整流后，还需要利用滤波电路将脉冲的直流电压变为平滑的直流电压。

滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器 C ，或与负载串联电感器 L ，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的滤波电路如图 7-7 所示。

图 7-7 滤波电路的基本形式

图 7-7(a) 为电容滤波，图 (b) 称为倒 L 型（复式）滤波，图(c) 称为型（复式）滤波。

1 ．电容滤波电路

图 7-8 桥式整流电容滤波电路

图 7-8 为桥式整流电容滤波电路。

未接入负载 RL （开关 S断开）时情况：设电容器两端初始

电压为零，接入交流电源后，当 u2 为正半周时， u2 通过 VD1 、

VD3 向电容 C充电； u2 为负半周时， u2 通过 VD2 、 VD4 向

电容器 C充电，充电时间常数为 ，其中 Ro包括变压器次级绕组的直流电阻和二极管 VD 的正向电阻，称整流电路内阻。 Ro 一般很小，电容器很快就能充电到交流电压 u2 的最大值 ，充电电压的极性如图 7-8 所示。

0d R C

U22

由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器 C 两端的电压 UC ）保持在 不变，输出为一个恒定的直流电压。如图7-9(a) 中 ωt<0 （即纵坐标左边部分虚线）所示。

22U

接入负载 RL （开关 S闭合）的情况：设变压器次级电压 u2

从 0开始上升（即正半周开始）时接入负载 RL ，由于电容器

C 在负载未接入前充满了电，故刚接入负载时 u2 <UC ，二极管受 反向电压作用截止，电容器 C 经 RL放电，放电时间常数为 ： 。

因 τd 一般较大，故电容两端电压 UC按指数规律慢慢下降。其

输出电压 UL=UC ，如图 7-9(a) 的 ab段所示。 与此同时，交流电压 u2按正弦上升。当 u2 >UC 时，二极管 VD1 、

VD3 受正向电压作用而导通，此时 u2 经 VD1 、 VD3 一方面向 RL

提供电流，另一方面向 C充电，电压 UC 如图 7-9(a) 的 bc段所示，

图中 bc段上的阴影部分为整流内阻 RO 上产生的压降， UC 随着

u2升高到接近最大值。

U22

d LR C

然后， u2又按正弦规律下降。当 u2 <UC 时，二极管受反向

电压作用而截止，电容器 C又经 RL放电， UC 波形如图 7-

9(a) 的 cd段。 电容器 C 如此周而复始地进行充放电，负载上便得到如图 7-9(a) 所示的一个近似锯齿波的电压 UL=UC ，使负载电压的波动大为减小。

图 7-9 桥式整流电容滤波电路的波形

电容滤波电路的特点：

（ 1 ）二极管的导通角 θ<π 。在同样负载 RL 的情况下，滤波电容的容量越大，滤波效果越好，导通角 θ将越小 ,这对二极管的寿命很不利。

（ 2 ）负载平均电压 UL升高，脉动（交流成分）减小，且

RLC越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的脉动成分越小，负载平均电压越高，为了得到平滑的负载电压，一般取

2

5~3T

CRLd

（ 3 ）负载直流电压随负载电流增加而减小。 UL 随 IL 的变化关系称为输出特性或外特性，如图 7-10 所示。

图 7-10 桥式整流电容滤波电路的输出特性

当电容器 C 数值较大， RL=∞ （即空载）时， 。

当 C=0 （即无滤波电容）时， UL=0.9U2 ，在整流电路的内阻不太大（几欧姆）和放电时间常数满足式 时，电容滤波电路的负载电压 UL 与 U2 的关系约为： 。

电容滤波的优点是：电路简单，负载直流电压 UL 较高，脉动小；它的缺点是：输出特性较差。所以电容滤波适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

2

T5~3CRLd

UUU L 22 4.12

UU L 22.1

【例 7-3 】 在图 7-8 所示电路中，开关 S 合上，要求负载电阻 RL 上的直流电压 UL=15V ，负载电流 IL=100mA 。计算：

（ 1 ）滤波电容 C的大小；（ 2 ）考虑到电网电压的波动为 ±10 ％ ，滤波电容 C的耐压

值。解：（ 1 ）负载电阻

150

10100

153I

UR

L

LL

滤波电容 C 的容量为：

C=(3 ～ 5) (3 ～ 5) =200 ～333μF

R2 L

TF

1502

02.0

（ 2 ）变压器副边电压有效值为： VVUU

L 5.122.1

15

2.12

电容的耐压值为 ：

VVUU 5.195.1221.121.1 2

实际可选取容量为 300μF ，耐压为 25V 的电容做本电路的滤波电容。

2 ．电感滤波电路

在桥式整流电路和负载电阻 RL 之间串入一个电感器 L ，如图 7-11 所示。利用电感的储能作用可以减小输出电压的脉动，从而得到比较平滑的直流电压。当忽略电感 L 的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻（不加电感）负载相同，即UL=0.9U2 。

图 7-11 桥式整流电感滤波

电感滤波电路的特点是，整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦。其缺点是由于铁心存在，笨重，体积大，易引起电磁干扰。一般只适用低电压，大电流场合。

7.4 稳压电路

虽然经整流、滤波已经将正弦交流电压变成较为平滑的直流电压，但是，当电网电压波动或负载变化时，负载上的电压将发生变化。例如，负载电阻减小，则负载电流增大，由于整流滤波电路内阻的压降增大，使负载上的电压相应减小；又如当电网电压升高时，则整流滤波后输出电压必然增大。为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。

7.4.1 稳压二极管稳压电路

由稳压二极管 DZ 和限流电阻 R所组成的稳定电路是一种最简单的直流稳定电路，如图 7-12 中虚线框内所示。稳压二极管的伏安特性如图 7-13 所示。

图 7-12 稳压二极管组成的稳压电路

图 7-13 稳压管的伏安特性

1 ．稳压原理

在图 7-12 所示稳压管稳压电路中，当电网电压升高时， UI

增大， U0 也随之按比例增大，但是，因为 U0=UZ ，因而，根

据稳压管的伏安特性， UZ 的增大将使 IZ急剧增大，因为 ，

不难看出电压 UO 将减小。因此，只要参数选择合适， R

上的电压增量就可以与 UI 的增量近似相等，从而使 UO 基本不变。可简单描述如下：电网电压↑ → UI↑ → UO(UZ) ↑→ IZ↑→ IR ↑→ IRR↑

RIUU RIO III LZR

U0

当负载电阻 RL 减小（即 IL增大）时，根据 ，会

导致 IR增加， UO （即 UZ ）下降，根据稳压管伏安特

性， UZ 的下降使 ID急剧减小，从而使 IR 随之减小。如果参

数选择恰当，则可以使 ΔIZ≈-ΔIL ，使 IR 基本不变，从而使

UO 基本不变。 综上所述，在稳压二极管组成的稳压电路中，是利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻 R上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。

III LZR

RIUU RIO

2 ．限流电阻的选择

限流电阻 R的表达式II

UURLZ

ZI

（ 1 ）当输入电压 UI 为最大，而负载电流最小（负载开路，

即 IL=0 ）时，此时流过稳压管的电流最大，为不损坏管子，

流过稳压管子的电流必须小于 IZmax ，因此限流电阻 R应该足够大，即下限值为

I

UUR

Z

Zax

max

Immin

（ 2 ）当输入电压 UI 为最小，而负载电流为最大时 此时流过稳压管的电流最小，为了保证稳压管工作在击穿区（即稳压区）， IZ 值不得小于 IZmin ，因此限流电阻 R不得过大，即上限值为：

II

UUR

LZ

Zin

maxmin

Immax

限流电阻 R的取值范围应为：式中：

maxmin RRR

R

UI

L

ZL

min

max

【例 7-4】稳压管稳压电路如图 7-12 所示。负载 RL 由开路

变化到 2kΩ ，输入直流电压 UI=30V ，要求输出直流电压

UL=12V ，试选择稳压管 DZ 和限流电阻 R。解：（ 1 ）选择稳压管 根据输出电压 UL=12V 的要求，负载电流最大值为

查晶体管手册，可选稳压管 2CW5 ，其主要指标为；VZ=11.5V ～ 14V ， IZmin=5mA ， PZ=0.28W ， 所以

通常为了留有余地，一般要求流过稳压管的最大稳压电流IZmax比最大负载电流 ILmax 大 2倍以上，可见 2CW5 是满足要求的。

mAk

V

R

UI

L

LL 6

2

12max

mAV

W

V

PI

Z

ZZ 23

12

28.0max

（ 2 ）选择限流电阻 R

假定输入直流电压 UI 的变化范围是 ±10 ％，那么

UImax=1.1UI=33V ， UImin=0.9UI=27V 。

k

mA

VV

I

UUR

Z

Lax 91.023

1233

max

Immin

KmA

VV

II

UUR

L Z

Lin 3.156

1227

max max

Immax

W

RUU Lax 37.0

102.11233

3

22Im

当输入电压 UI 最高时，限流电阻的功耗最大为

因此， R 可选 1/2W ， 1.2KΩ 的电阻。

7.4.2 串联型稳压电路的工作原理

串联型稳压电路的结构如图 7-14 所示。

图 7-14 串联稳压电路的结构

图 7-14 由基准环节、比较放大、调整和取样四部分组成。 UI 是整流滤波电路的输出电压， VT 为调整管； A 为比

较放大电路；稳压管 VDZ与限流电阻 R串联所构成的稳压电

路为基准环节， UREF 为基准电压； R1 、 R2 、 RW组成反馈网络，为反映输出电压变化的取样环节。 这种稳压电路的主要回路是起调整作用的晶体管 VT

与负载 RL 串联，故称为串联型稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经过比较放大电路（ A ）放大后去控制调整管 VT 的 c-e 极间电压降，从而达到稳定输出电压 UO 的目的。

稳压原理可简述如下： 当输入电压 UI增加（或负载电流 IO 减小）时，导致输出

电压 UO增加，随之反馈电压 也增加，

（ FU=

为反馈系数）。 UF与基准电压 UREF 相比较，其差值

电压，经比较放大电路放大后使 UB 和 IC 减小，调整管 T 的 c-

e 极间电压 UCE增大，使 UO 减小，从而维持 UO 基本稳定。

UFRR

RUU OU

OF

21

2

RRR

21

2

同理，当输入电压 UI 减小（或负载电流 IO增加）时，也能

使出电压 UO 基本保持不变。

从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。调整管 T连接成电压跟随器。因而可得： 或 UUFUAU OOUREFUB

FAA

UUUU

UREFO 1

在深度负反馈条件下， |1+AUFU|>>1 时，可得：

RR

UF

UU

2

1REF

U

REFO 1

上式表明，输出电压 UO与基准电压 UREF近似成正比，与

反馈系数 FU 成反比。当 UREF 及 FU确定后， UO 也就确定了，因此它是设计稳压电路的基本关系式。

【 例 7-5 】 稳 压 电 路 如 图 7-14 所 示 ， 稳 压 管 的UZ=4V ， R1=R2=200Ω ， RW=600Ω ，求输出电压 UO 的调节范围。解：当电位器滑至最高处时， ，

当电位器滑至最低处时， ，

输出电压 UO 的调节范围是 5V ～ 20V 。

8001R

8002R

VVR

RUU ZO 5

800

200141

2

1

2001R

2002R

VVR

RUU ZO 20

200

800141

2

1

7.4.3 集成稳压电路 随着半导体集成电路工艺的迅速发展，现在已能把串联反馈式稳压电路中的调整管、比较放大电路、基准电压源等集成在一块硅片内，构成线性集成稳压组件，它具有体积小，重量轻，使用方便可靠等一系列优点，因而得到广泛应用。下面主要介绍三端集成稳压器 CW78××系列和 CW79××系列。三端集成稳压器有三个端子，分别是输入端、输出端和接地端。

1 ．三端集成稳压器件的主要参数

（ 1 ）最大输入电压 UImax ：保证稳压器安全工作时所允许的最大输入电压。

（ 2 ）最小输入电压 UImin ：保证稳压器正常工作时所需要的最小输入电压。

（ 3 ）输出电压 UO 。

（ 4 ）最大输出电流 IOmax ：保证稳压器安全工作时所允许的最大输出电流。

（ 5 ）电压调整率（ %V ）：它的含义为： ，它反映了当输入电压 UI每变化 1V 时，输出电压相对变化量

ΔUO/Uo 的百分数。此值越小，稳压性能越好。

%100U

U/U

I

oo

I 0o

2 ．三端集成稳压器的应用 CW78××系列和 CW79××系列是应用最广泛的三端稳压器件。 C ：表示国标产品； W ：表示稳压器； 78系列输出固定正电压、 79系列输出固定负电压； ×× （两位数字）：表示输出电压值（例如 CW7805 是输出正 5V 的器件， CW7912

是输出负 12V 的器件），可根据需要选用。

（ 1 ）基本应用电路 基本应用电路如图 7-15 所示。图 7-15(a) 为 CW78××系列作固定输出时的典型接线图。图 7-15(b) 为 CW79××系列作固定输出时的典型接线图。电容 C1 是在输入线较长时抵消其电感

效应，以防止产生自激震荡； C2 是为了消除电路的高频噪声，改善负载的瞬态响应。

图 7-15 基本应用电路

（ 2 ）输出电压可调的稳压电路 如图 7-16 所示，为利用三端稳压器构成的输出电压可调的稳压电路。

图 7-16 输出电压可调的稳压电路

图 7-16 中的 UXX 是三端集成稳压器的标称电压； IW 是它

的静态电流，输出电压 UO 等于 R1 上电压与 R2 上电压之和，所以输出电压为：

改变 R2 滑动端位置，可调节 UO 的大小。

RIUU 2W1

2XXO R

R1