第5章

直流稳压电源

第第 55 章 直流稳压电源章 直流稳压电源

主要内容：

5.1 整流电路

5.2 滤波电路

5.3 直流稳压电路

第5章

直流稳压电源

目的和要求：

1 、掌握直流稳压电路原理和分析方法；

2 、掌握整流电路的基本原理；

3 、掌握滤波电路的基本原理；

4 、掌握直流稳压电路的原理和设计方法；

5 、掌握集成稳压器的原理和应用。

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直流稳压电源

• 电源变压器 : 将交流电网电压 u1 变为合适的交流电压u2 。

• 整流电路 : 将交流电压 u2变为脉动的直流电压 u3 。

• 滤波电路 : 将脉动直流电压 u3转变为平滑的直流电压u4 。• 稳压电路 : 清除电网波动及负载变化的影响 , 保持输出电压 u0的稳定。

直流稳压电源的组成和功能直流稳压电源的组成和功能整

流

电

路

滤

波

电

路

稳

压 电 路

u

1

u

2

u

3

u

4

u

o

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直流稳压电源

5.1 5.1 整流电路整流电路

整流电路是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式整流等。

目前广泛使用的是桥式整流电路。为分析简单起见，我们把二极管当作

理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

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直流稳压电源

u2>0: 二极管导通u0=u2

i0=u0 /RL

u2<0 ：二极管截止 ,输出电流为 0 。

导通

i0u1 u2

a

T

b

VD

RL u0

ui

t

输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负半周时，二极管 D 承受反向电压。

5.1.1 5.1.1 单相半波整流电路单相半波整流电路

t

uo

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直流稳压电源

单 相 半 波 整 流 电 压 的 平 均 值 为 ：

0222o 45.0

2)(sin2

2

1UUttdUU

流 过 负 载 电 阻 R L 的 电 流 平 均 值 为 ：

L

2

L

oo 45.0

R

U

R

UI

流 经 二 极 管 的 电 流 平 均 值 与 负 载 电 流 平 均 值 相 等 ， 即 ：

L

2oD 45.0

R

UII

二 极 管 截 止 时 承 受 的 最 高 反 向 电 压 为 u 2 的 最 大 值 ，

即 ： 22MRM 2 UUU

t

uo+

u2－

+

u1－

D

+

uo－

RL

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直流稳压电源

例 有 一 单 相 半 波 整 流 电 路 ， 如 图 5 - 2 （ a ） 所 示 。 已 知 负载 电 阻 750LR ， 变 压 器 副 边 电 压 V 202 U ， 试 求 U o 、 I o ，

并 选 用 二 极 管 。解

V)( 92045.045.0 2o UU

(mA) 12(A) 012.0750

9

L

oo

R

UI

(mA) 12oD II

(V) 2.282022 2DRM UU

查 半 导 体 手 册 ， 二 极 管 可 选 用 2 A P 4 ， 其 最 大 整 流 电 流 为1 6 m A ， 最 高 反 向 工 作 电 压 为 5 0 V 。 为 了 使 用 安 全 ， 二 极 管 的 反向 工 作 峰 值 电 压 要 选 得 比 U D R M 大 一 倍 左 右 。

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直流稳压电源

5.1.2 5.1.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路

+

u1－

+

u2－

RL

+

uo－

(b) 简化画法

+

u1

－

+

u2

－

D4

D3

D 1

D2

RL

+

uo－

(a) 原理电路

a

b

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直流稳压电源

桥式整流电路

u2 正半周时电流通路+

-

u1 u2

T

D4

D2

D1

D3

RL

u0

a

b

u2 为正半周时， a 点电位高于 b 点电位，二极管 D1、 D3

承受正向电压而导通， D2、 D4 承受反向电压而截止。此时电流的路径为： a→D1→RL→D3→b 。

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直流稳压电源

桥式整流电路

-

u2 负半周时电流通路

+

u0

u1 u2

T

D4

D2

D1

D3

RL

a

b

u2 为负半周时， b 点电位高于 a 点电位，二极管 D2、 D4

承受正向电压而导通， D1、 D3 承受反向电压而截止。此时电流的路径为： b→D2→RL→D4→a 。

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直流稳压电源

u2

D4

D2

D1

D3

RL

u0

+

-

u2

t

t

uD3,uD1

t

uo

t

uD4,uD2

u2>0 时

D1,D3 导通D2,D4 截止电流通路 :

由 +经D1RLD3-

u2<0 时

D2,D4 导通D1,D3 截止电流通路 :

由 -经D2RLD4+

输出是脉动的直流电压！

桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形

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直流稳压电源

单 相 全 波 整 流 电 压 的 平 均 值 为 ：

0222o 9.0

22)(sin2

1UUttdUU

流 过 负 载 电 阻 R L 的 电 流 平 均 值 为 ：

L

2

L

oo 9.0

R

U

R

UI

流 经 每 个 二 极 管 的 电 流 平 均 值 为 负 载 电 流 的 一 半 ，即 ：

L

2oD 45.0

2

1

R

UII

每 个 二 极 管 在 截 止 时 承 受 的 最 高 反 向 电 压 为 u 2 的最 大 值 ， 即 ：

22MRM 2 UUU

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直流稳压电源

【注意】整流电路中的二极管是作为开关运用的，整流电路既有交流量，又有直流量，通常： 输入（交流）——用有效值或最大值；输出（交直流）——用平均值；整流管正向电流——用平均值；整流管反向电压——用最大值。

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名 称 UO(带载 ) 二极管反向

最大电压

每管平均

电流

半波整流 2

45.0 U 2 IO

桥式整流 0.9 2 0.5 IO

半波整流、

电容滤波

2U 2 2 IO

桥式整流、

电容滤波 2

2.1 U 2 0.5 IO

2U

2U

2U

2U

2U

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例 ： 试 设 计 一 台 输 出 电 压 为 2 4 V ， 输 出 电 流 为 l A 的 直 流 电源 ， 电 路 形 式 可 采 用 半 波 整 流 或 全 波 整 流 ， 试 确 定 两 种 电 路 形 式的 变 压 器 副 边 绕 组 的 电 压 有 效 值 ， 并 选 定 相 应 的 整 流 二 极 管 。

解 ： （ 1 ） 当 采 用 半 波 整 流 电 路 时 ， 变 压 器 副 边 绕 组 电 压 有效 值 为 ：

3.5345.0

24

0.45o

2 U

U V

整 流 二 极 管 承 受 的 最 高 反 向 电 压 为 ：2.753.5341.12 2RM UU V

流 过 整 流 二 极 管 的 平 均 电 流 为 ：1oD II A

因 此 可 选 用 2 C Z 1 2 B 整 流 二 极 管 ， 其 最 大 整 流 电 流 为 3 A ，最 高 反 向 工 作 电 压 为 2 0 0 V 。

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直流稳压电源

（ 2 ） 当 采 用 桥 式 整 流 电 路 时 ， 变 压 器 副 边 绕 组电 压 有 效 值 为 ：

7.269.0

24

0.9o

2 U

U V

整 流 二 极 管 承 受 的 最 高 反 向 电 压 为 ：6.377.2641.12 2RM UU V

流 过 整 流 二 极 管 的 平 均 电 流 为 ：

5.02

1oD II A

因 此 可 选 用 四 只 2 C Z 1 1 A 整 流 二 极 管 ， 其 最 大 整流 电 流 为 1 A ， 最 高 反 向 工 作 电 压 为 1 0 0 V 。

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5.2 5.2 滤波电路滤波电路

滤波原理 :

交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压 ( 或通过电感中的电流 ) 不能突变的特性 , 将电容与负载RL 并联 ( 或将电感与负载 RL 串联 ) ，滤掉整流

电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。

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ω t

u2

0 π 2π 3π 4π

ω t0 π 2π 3π 4π

uo

+u2

－

+uo

－

+u1

－

D

(a) 电路 (b) 波形

C RL+

电容C放电的快慢取决于时间常数（ CRL ）的大小，时间常数越大，

电容C放电越慢，输出电压uo就越平坦，平均值也越高。

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u1 u2u1

a

b

D4

D2

D1

D3

RL

u0

S

C

5.2.1 5.2.1 电容滤波电路电容滤波电路

u2

t充电结束

u0

t

RL 未接入时的波形

没有电容时的输出波形

t1

设 t1 时刻接通电源

1 、 RL 未接入时

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2、 RL 接入（且 RLC 较大）时

u1 u2u1

a

b

D4

D2

D1

D3

RL

u0

S

C

电容通过 RL 放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电， uo 会逐渐下降。

u2

t

uo

t

充电时间

放电时间

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近似估算 : UL=1.2U2

2 、 流过二极管瞬时电流很大

整流管导电时间越短 iD 的峰值电流越大

电容滤波电路的特点：

1 、 UL 与 RLC 的 关系：

RLC 愈大 C 放电愈慢 UL( 平均值 ) 愈大

RLC 较大

一般取： (T: 电源电压的周期 )2T)53(CRL

uL

t

RLC 较大

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输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变。

如 : RL 愈小 ( IL 越大 ), Uo 下降多。

结论 电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小

且负载变动不大的场合。

3 、 输出特性 (外特性 )uo

电容滤波1.4UO

0.9UO

0IL

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1 、滤波电容 C 一般选择体积小，容量大的电解电容器。应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。2 、加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流（ ic+io)。3 、单相半波整流、电容滤波电路中，二极管承受的反向电压为：

udr=uc+u2

当负载开路时，承受的反向电压为最高，为：

222 UURM

注意事项

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直流稳压电源

例 ： 设 计 一 单 相 桥 式 整 流 、 电 容 滤 波 电 路 。 要 求 输 出 电 压48o U V ， 已 知 负 载 电 阻 100L R Ω ， 交 流 电 源 频 率 为 5 0 H z ， 试 选

择 整 流 二 极 管 和 滤 波 电 容 器 。

解 ： 流 过 整 流 二 极 管 的 平 均 电 流 ：

240A24.0100

48

2

1

2

1

2

1

L

ooD

R

UII m A

变 压 器 副 边 电 压 有 效 值 ：

402.1

48

1.2o

2 U

U V

整 流 二 极 管 承 受 的 最 高 反 向 电 压 ：

4.564041.12 2RM UU V

因 此 可 选 择 2 C Z 1 1 B 作 整 流 二 极 管 ， 其 最 大 整 流 电 流 为 1 A ， 最高 反 向 工 作 电 压 为 2 0 0 V 。

取 05.02

02.05

25L

TCR s ， 则 ：

500F10500100

05.0 6

L

RC

μ F

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直流稳压电源

例 ： 单 相 桥 式 电 容 滤 波 整 流 ， 交 流 电 源 频 率 f = 5 0 H z ， 负 载 电 阻 R L

= 4 0 W ， 要 求 直 流 输 出 电 压 U O = 2 0 V ， 选 择 整 流 二 极 管 及 滤 波 电 容 。

[ 解 ] 1 . 选 二 极 管 ： V 172.1

20

2.1O

2 U

U

电 流 平 均 值 ：

承 受 最 高 反 压 ：

选 二 极 管 应 满 足 ： I F ³ ( 2 ~ 3 ) I D

可 选 ： 2 C Z 5 5 C ( I F = 1 A ， U R M = 1 0 0 V ) 或 1 A 、 1 0 0 V 整 流 桥

2 . 选 滤 波 电 容

s 02.05011 fT s 04.0

24 L

TCR取

F 0001 40

s 0.04

C

可 选 ： 1 0 0 0 m F ， 耐 压 5 0 V 的 电 解 电 容 。

V 242 2RM UU

A0.2540

20

2

1

2

1

2

1

L

OOD

R

UII

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电路结构 : 在桥式整流电路与负载间串入一电感 L。

输出电压平均值 : UL=0.9U2

+

+

+

+4

1

2

3

L

D +

DLu

4

-

R220V

3 2

D

D

1

u 21u

L

谐波分量 : f 越高， XL 越大 , 电压大部分降在电感上。

因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。

直流分量 : XL=0 相当于短路 , 电压大部分降在 RL 上

5.2.2 5.2.2 电感滤波电路电感滤波电路

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电感滤波的特点

优点：整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流 (RL 较小 ) 的场合。

缺点：做复杂、电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。

u2u1 RL

L

uo

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5.2.3 5.2.3 复合滤波电路复合滤波电路

为进一步改善滤波特性，采取多级滤波。

LC 滤波电路

+

++

+

uo

+

-

L

Cu

-i

+

+

++

+

uo

+

-

L

Cu

-i

+

C

LC、 CLCπ 型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。

CLC 滤波电路

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+

+

+

+

u

+ +

u

-i C

-

o

R

C1 2

CRCπ 型滤波电路+

++

+

uo

+

-

L

Cu

-i

+

C

CLC 滤波电路 在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重的电感，构成 CRCπ 型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。

电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。

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5.3 直流稳压电路

直流稳压电路可分为两大类： 线性稳压电路：使用起来简单易行，但转换效率低，体积大； 串联型稳压电路 — 调整管与负载串联 并联型稳压电路 — 调整管与负载并联 开关稳压电路：体积小，转换效率高，但控制电路较复杂。随着自关断电力电子器件和电力集成电路的迅速发展，开关电源已得到越来越广泛的应用。

直流稳压电路 : 将负载电流的变化和输入电压的变化，形起的不稳定的直流电压变化，变换成稳定且可调的直流电压的电路

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直流稳压电源

稳压管稳压电路5.3.1 5.3.1 并联型稳压电路并联型稳压电路

稳压原理——利用稳压管的反向击穿特性。

i

uUZ

△ I

△U

Izmin

Izmax+

+

+

+

UDzi LR

z

-

o

U

-

++

R

U

I

ZI LI

它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。适合于负载电流小，输出电压固定的场合。

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直流稳压电源

+Ui－

+Uo

－

RLDZ

+UZ

－

R

+ UR －Io

IZ

I工作原理：工作原理：

ZL += III

RiZO == UUUU

IRU i

(1) 当输入电压变化时Ui UZ

Uo

Uo

UR

IIZ

(2)当负载电压变化时

Uo

URUo

IZ I

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5.3.2 5.3.2 串联型稳压电路串联型稳压电路特点：

与并联型稳压相比，稳定性高、电压值连续调输出电流大。电路组成：

取样环节、基准电压、比较放大、调整环节

+

UI

取样电路

调整管

比较放大电路

基准电压

+

Ui

－

IoR1

RL

Ra

R2Rb

R4 R3

RPUBE2

V1

V2

UBE1

+Uo

－UZ

+

－

+

－

－

+

+UF

－

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直流稳压电源

（ 1）取样环节。由 R1、 RP、 R2组成的分压电路构成，它将输出电压 Uo 分出一部分作为取样电压 UF ，送到比较放大环节。（ 2 ）基准电压。由稳压二极管 DZ 和电阻 R3 构成的稳压电路组成，它为电路提供一个稳定的基准电压 UZ ，作为调整、比较的标准。（ 3）比较放大环节。由 V2和 R4 构成的直流放大器组成，其作用是将取样电压 UF 与基准电压 UZ 之差放大后去控制调整管V1。 （ 4 ）调整环节。由工作 在线性 放 大区的 功 率 管 Vl 组成， Vl 的基极电流 IB1 受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流 IC1 和集、射电压 UCEl 改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。

11 、电路的组成及各部分的作、电路的组成及各部分的作用用

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直流稳压电源

22 、电路工作原理、电路工作原理

Uo↑→UF↑→ IB2↑→ IC2↑→UC2↓→ IB1↓→UCE1↑Uo↓

同 理 ， 当 Ui 或 Io 变 化 使 Uo 降 低 时 ， 调 整过程相反， UCE1 将减小使 Uo保持基本不变。该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。

+

Ui

－

IoR1

RL

Ra

R2Rb

R4 R3

RPUBE2

V1

V2

UBE1

+Uo

－UZ

+

－

+

－

－

+

+UF

－

若输出电压增大时：

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直流稳压电源

33 、电路的输出电压、电路的输出电压

设 V 2 发射结电压 U BE2 可忽略，则：

oba

bZF

URR

RUU

或：Z

UR

RRU

b

bao

用电位器 RP即可调节输出电压 UO 的大小，但 UO 必定大于或等于 UZ。

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直流稳压电源

例 : U Z=6V ，R 1= R 2= R P=100 Ω ，则 R a+ R b= R 1+ R 2+ R P=300 Ω，

R b 最大为 200 Ω ，最小为 100 Ω。 求 U o 的范围 （ 9~18V 范围内连续可调）。

如 UZ=6V， R1=R2=RP=100Ω ，则：

Ra+Rb=R1+R2+RP=300Ω，

Rb 最大为 200Ω ，最小为 100Ω。

由此可知输出电压 Uo 在 9~18V范围内连续可调。

第5章

直流稳压电源

+

Ui

－

IoR1

RL

R2

R3

RP

V

+Uo

－UZ

+

－

+UF

－

∞ －+ +

44 、采用集成运算放大器的串联型稳压电路、采用集成运算放大器的串联型稳压电路

其电路组成部分、工作原理及输出电压的计算与前述电路完全相同，唯一不同之处是放大环节采用集成运算放大器而不是晶体管。

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直流稳压电源

5.3.3 5.3.3 集成稳压器集成稳压器

集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。 集成稳压器的种类很多，作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是 3 端式串联型集成稳压器。 3 端式是指稳压器仅有输入端、输出端和公共端 3 个接线端子。如 W78×× 和W79×× 系 列 稳 压 器 。 W78×× 系 列 输 出 正 电 压 有5V、 6V、 8V、 9V、 10V、 12V、 15V、 18V、 24V 等多种，若要获得负输出电压选 W79×× 系列即可。例如 W7805输出 +5 V 电压， W7905 则输出－ 5 V 电压。这类３端稳压器在加装散热器的情况下，输出电流可达 1.5 ～ 2.2A ，最高输入电压为 35V ，最小输入、输出电压差为 2 ～ 3V ，输出电压变化率为 0.1 ％～ 0.2 ％。

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直流稳压电源

5.3.3 5.3.3 集成稳压器集成稳压器

CW7800 系列 (正电源 ) CW7900 系列 (负电源 )

5 V/ 6 V/ 9 V/ 12 V/ 15 V/ 18 V/ 24 V

78、 79 系列的型号命名

输出电流 78L ×× / 79L ×× — 输出电流 100 mA

78M×× / 9M×× — 输出电流 500 mA

78 ×× / 79 ×× — 输出电流 1.5 A

输出电压

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直流稳压电源

CW78051 2 3

UI UOGND

CW79051 2 3

UI UOGND

符号 CW7800+ +21

3

CW7900

1

3

_

2

_

塑料封装 金属封装

11 、外形和管脚排列、外形和管脚排列

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直流稳压电源

一、输出为固定电压的电路

注意：输入与输出端之间的电压不得低于 3V！

+

_

W7800 系列稳压器 基本接线图

Co

W78XX

CIUI

+

_

Uo

1 3

2

0.1~1F 1µF

输出为固定正压时

22 、典型应用电路、典型应用电路

抵消输入长接线的电感效应，防止自激

改善负载的瞬态响应，消除高频噪声

第5章

直流稳压电源

-

+

W7900 系列稳压器 基本接线图

Co

W79XX

CIUI

-

+

Uo

3 2

1

0.1~1F 1µF

输出为固定负压时

注意：输入与输出端之间的电压不得低于 3V！

第5章

直流稳压电源

CO

W78XX

CIUI

+

_

+

_

UO

1 3

2 UXX

UZ

R

DZ

（ 2 ）提高输出电压的电路

UXX : 为W78XX固定输出电压 UO = UXX + UZ

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直流稳压电源

W78××

C1 C2

+

Ui

－

+

Uo

－

12

3

RIR

ICIB

I1I3

I2

Io

（ 3 ）扩大输出电流的电路

图中 I3为稳压器公共端电流，其值很小，可以忽略不计，所以

21 II 粆 ，则可得：

R

UIIIIIIIII BE2R12B2C2o )1()(

式中 β为三极管的电流放大系数。设 10 ， 3.0BEU V，

5.0R Ω， 12I A，则可计算出 5o

I A，可见 Io比 I2扩大了。

电阻 R 的作用是使功率管在输出电流较大 时才能导通。

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直流稳压电源

（ 4 ）能同时输出正、负电压的电路

~24V

~24V~220V

W781511

33

22

2233

11

1 000 F

220

F

0.33 F

0.33 F

0.1 F

+15 +15 VV

15 15 VV

+

+

+

+

1 000 F

0.1 F

220

F

W7915

第5章

直流稳压电源

本章小结本章小结 (1) 、直流稳压电源是由交流电源经过变换得来的，它由整流电路、滤波电路和稳压电路 3部分组成。 (2) 、整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电转换成单向脉动直流电。整流电路有多种。单相桥式整流电路的变压器利用率高，输出电压脉动成分较小，因而在整流功率小于 1kW的场合得到广泛应用。 (3) 、滤波电路的作用是利用储能元件滤去脉动直流电压中的交流成分，使输出电压趋于平滑。采用电容滤波成本低，输出电压平均值较高，但带负载能力差，适用于负载电流较小且负载变化不大的场合。采用电感滤波成本高，带负载能力强，适用于负载电流较大的场合。在要求较高的场合，可采用LC 、 π型、多节 RC等复合滤波电路。

第5章

直流稳压电源

(4) 、稳压电路的作用是输入电压或负载在一定范围内变化时，保证输出电压稳定。对要求不高的小功率稳压电路，可采用并联型硅稳压管稳压电路。要求较高的场合可采用串联型稳压电路。串联型稳压电路是采用电压负反馈来使输出电压得到稳定。由于集成稳压器具有通用性强、精度高、成本低、体积小、重量轻、性能可靠、安装调试方便等优点，因而已基本上取代了由分立元件组成的稳压电路。

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习题五： 5-1 、 3 、 7、 9、 12 、 14