低频电子线路
（第 2版）
电子工业出版社电机与电气控制第 8章 直 流 电 源主要内容：
直流电源的组成
单相整流电路
单相可控整流电路
滤波电路
晶体管稳压电路
集成稳压器
开关电源低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.1 直流电源的组成
（ 1）电源变压器。将电网提供的交流电压变换到电子线路所需要的交流电压范围，同时还可起到直流电源与电网的隔离作用，可升压也可降压。
（ 2）整流电路。将变压器变换后的交流电压变为单向的脉动直流电压。
（ 3）滤波电路。对整流输出的脉动直流进行平滑处理，使之成为一个含纹波成分很小的直流电压。
（ 4）稳压电路。将滤波输出的直流电压进行调节，以保持输出电压的基本稳定。由于滤波后输出直流电压受温度、负载、
电网电压波动等因素的影响很大，所以要设置稳压电路。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.1 整流电路的基本参数
1．输出直流电压
2．脉动系数 S
3．整流二极管的正向平均电流
4．整流二极管承受的反向峰值电压 URM
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.2 单相半波整流电路
1．电路结构和工作原理
2．负载上的直流电压和电流值的计算
3．二极管的选择低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.3 单相全波整流电路
1．工作原理
2．负载上的直流电压和电流值计算
3．二极管的选择低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.4 单相桥式全波整流电路
1．工作原理
2．负载上直流电压和电流值的计算
3．二极管的选择低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.5 倍压整流电路如图 8.5所示为二倍压整流电路。当电源电压为正半周时，变压器次级上端为正，下端为负，二极管 VD1导通,VD2截止，电容 C1
被充电，其值可充到（ U2为 u2的有效值）。
当电源电压为负半周，变压器次级下端为正，上端为负，二极管
VD1截止,VD2导通，电容 C2被充电，其充电电压系变压器次级电压与电容 C1电压之和。如果电容 C2的容量足够大，则电容 C2上电压可充至，为一般整流电路输出电压的两倍。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
8.3.1 可控硅（晶闸管）简介
1．晶闸管的分类和结构低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
2．晶闸管的工作原理为了说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管等效成由一个 PNP三极管 VT1和一个 NPN三极管 VT2组成，如图 8.8所示。阳极 A相当于 PNP管的发射极，阴极 K相当于 NPN管的发射极，控制极 G既是 VT1的集电极，又是 VT2的基极。
要使晶闸管导通必须同时具备两个条件：
（ 1）阳极和阴极间加正向电压。
（ 2）控制极加上一定幅度的正触发脉冲。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
3．晶闸管的伏安特性
（ 1）正向阻断区。
（ 2）正向导通区。
（ 3）反向阻断区和反向击穿区。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
3．晶闸管的伏安特性
（ 1）正向阻断区
（ 2）正向导通区
（ 3）反向阻断区和反向击穿区
4．晶闸管的主要参数
（ 1）正向阻断峰值电压 UDRM
（ 2）反向阻断峰值电压 URRM
（ 3）额定正向平均电流 IF
（ 4）维持电流 IH
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
8.3.2 单相半波可控整流电路
1．电路及工作原理
2．控制角与导通角
3．输出电压 UL的计算
4．晶闸管承受的最大正、反向电压低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
8.3.3 单相桥式可控整流电路
1．电路与工作原理
2．输出电压 UL计算
3．晶闸管和二极管上承受的最大正、反向电压
4．晶闸管的额定电压和电流选择低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路例 8-1 有一单相桥式可控整流电路，采用图 8.11的电路，
RL= 5?，负载两端的电压平均值 UL=100V，交流电源电压
U=220V，试求：
（ 1）计算晶闸管的导通角；
（ 2）选择晶闸管的额定电压 UT。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路例 8-1 有一单相桥式可控整流电路，采用图 8.11的电路，
RL= 5?，负载两端的电压平均值 UL=100V，交流电源电压
U=220V，试求：
（ 1）计算晶闸管的导通角；
（ 2）选择晶闸管的额定电压 UT。
解：（ 1）计算导通角。输出电压平均值由式（ 8.18）得,UL(AV)=0.45U(1+cosα )
即,100=0.45× 220(1+cosα )
则故 因此导通角为
（ 2）选择晶闸管的额定电压 UT。
取安全系数为 2，则有低频电子线路（第 2版）
01.0122045.0 100c o s
2
2180
T ≥ 2 2 2 1,4 1 2 2 0 6 2 0 VUU
电机与电气控制
8.4 滤波电路
8.4.1 电容滤波电路
1．电路结构和工作原理如图 8.12所示为单相桥式整流电容滤波电路，负载两端并联的电容为滤波电容，利用电容 C的充放电作用，使负载电压、电流趋于平滑。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.4 滤波电路
8.4.1 电容滤波电路
2．电容滤波特性电容滤波电路的一些特性如下：
（ 1）接入滤波电容后，二极管的导通时间变短，导通角小于
180°,如图 8.13（ c）所示。
（ 2）负载平均电压升高，交流成分减小。
（ 3）电路的放电时间常数越大,C放电过程就越慢，负载上得到的 UL就越平滑。
3．滤波电容的选择由前述可知，电容 C越大，电容放电时间常数越大，负载波形越平滑。一般情况下，桥式整流可按下式来选择 C的大小。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.4 滤波电路例 8-2 桥式整流电容滤波电路，要求输出直流电压 30V，电流 0.5A，试选择滤波电容的规格，并确定最大耐压值。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.4 滤波电路例 8-2 桥式整流电容滤波电路，要求输出直流电压 30V，电流 0.5A，试选择滤波电容的规格，并确定最大耐压值。
解：由式（ 8.21），
式中
，
取电容标称值 1000?F。
由式（ 8.22），
所以可选 1000?F/50V的电解电容器一只。
低频电子线路（第 2版）
L ≥ (3～ 5) 2
TRC
6
L
5 0.02≥ 5 830 10 830 ( F )
2 2 30 / 0.5
TC
R
11 0,0 2 (s)
50T f LL
L
30 6 0 ( )
0.5
UR
I
L2 30 2 5 ( V )
1,2 1,2
UU
电机与电气控制
8.4 滤波电路
8.4.2 电感滤波电路电容滤波在大电流工作时滤波效果较差，当一些电气设备需要脉动小，输出电流大的直流电时，往往采用电感滤波电路，如图 8.14所示。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.4 滤波电路
8.4.3 组合滤波电路为了进一步提高滤波效果，减少输出电压的脉动成分，常将电容滤波和电感滤波组合成复式滤波电路。常用的有 LC滤波器,RC滤波器等，其电路及特点和使用场合归纳在表 8.1
中，以供参考。
LC滤波电路在负载电流较大或较小时均有良好的滤波作用，
也就是说，它对负载的适应性比较强。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.5 晶体管稳压电路
8.5.1 基本串联型稳压电路电路的稳压过程可表示如下。
Uo↑→ UBE↓→ IB↓→ IE↓→ UCE↑→ Uo↓
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.5 晶体管稳压电路
8.5.2 带有放大环节的串联型稳压电路
1．电路组成
（ 1）采样电路
（ 2）基准电压电路
（ 3）比较放大电路
（ 4）电压调整电路低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.5 晶体管稳压电路
8.5.2 带有放大环节的串联型稳压电路
2．稳压过程
Ui↑ → Uo↑ → UBE1↑ → IB1↑ → IC1↑ → UC1↓
Uo↓ ← UCE2↑ ← IC2↓ ← IB2↓ ← UB2↓
3．输出电压电路的输出电压为低频电子线路（第 2版）
)( 1BEZ
2
21
o UUR
RRU
电机与电气控制
8.5 晶体管稳压电路
8.5.3 具有过载保护环节的稳压电路在串联型稳压电路中，负载电流全部流过调整管，当负载短路或过载时，会使调整管电流过大而损坏，为此必须设置过载保护电路。保护电路有限流型和截止型两种，下面仅介绍限流型保护电路，原理电路如图 8.18所示。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.6 集成稳压器
8.6.1 固定三端稳压器低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.6 集成稳压器
8.6.2 可调三端稳压器三端可调式稳压器是在三端固定式稳压器基础上发展起来的一种性能更为优异的集成稳压器件，它除了具备三端固定式稳压器的优点外，可用少量的外接元件，实现大范围的输出电压连续调节（调节范围为 1.2～ 37V），应用更为灵活。其典型产品有输出正电压的 LM117,LM217,LM317系列和输出负电压的 LM137,LM237,LM337系列。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.7 开关电源
8.7.1 概述
1．开关电源的特点
（ 1）效率高。
（ 2）体积小，重量轻。
（ 3）电网电压波动适应能力强。
2．开关电源的分类
（ 1）按控制的方式分类，有脉冲宽度调制型（ PWM），脉冲频率调制型（ PFM），混合调制型。以上 3种方式中，
脉冲宽度调制型（ PWM）用得较多。
（ 2）按是否使用工频变压器来分类，有低压开关稳压电路，
高压开关稳压电路。目前，实际工作中大量使用的，
主要是无工频变压器的开关稳压电路。
（ 3）按激励的方式分类，有自激式和他激式。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.7 开关电源
8.7.2 开关电源的组成和工作原理一个串联式开关电源的组成如图 8.23所示。图中包括开关调整管、滤波电路、脉冲调制电路、
比较放大器、基准电压和采样电路等各个组成部分。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.7 开关电源
8.7.2 开关电源的组成和工作原理当 uB为高电平时，调整管饱和导通，
此时发射极电流 iE流过电感和负载电阻，一方面向负载提供输出电压，同时将能量储存在电感的磁场中。由于三极管 VT饱和导通，因此其发射极电位,Ui为直流输入电压。 uE的极性为上正下负，则二极管 VD被反向偏置，
不能导通，故此时二极管不起作用。
当 uB为低电平时，调整管截止,iE=0。
但电感具有维持流过电流不变的特性，
此时将储存的能量释放出来，在电感上产生的反电势使电流通过负载和二极管继续流通，因此二极管 VD称为续流二极管。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.7 开关电源
8.7.3 开关电源的质量指标
（ 1）输出电压精度
（ 2）电压调整率 SV
（ 3）负载调整率
（ 4）温度系数 ST
（ 5）输出纹波电压
（ 6）转换效率。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.7 开关电源
8.7.4 实用的开关电源
1．用 UC3842组成的开关电源
（ 1） UC3842特性与工作原理。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.7 开关电源
（ 2） UC3842组成的开关电源。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.7 开关电源
2．用 TOPSwitch组成的开关电源
（ 1） TOPSwitch特点。
TOPSwitch是一种三端式脉宽调制（ PWM）开关电源集成组件，它将振荡器、脉宽调制电路、比较放大器、基准电压和开关调整管集成在同一块芯片上，如图 8.28所示。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.7 开关电源
（ 2） TOPSwitch的典型应用电路。如图 8.29所示是用单片开关电源芯片 TOPSwitch构成的开关电源电路。
低频电子线路（第 2版）
（第 2版）
电子工业出版社电机与电气控制第 8章 直 流 电 源主要内容：
直流电源的组成
单相整流电路
单相可控整流电路
滤波电路
晶体管稳压电路
集成稳压器
开关电源低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.1 直流电源的组成
（ 1）电源变压器。将电网提供的交流电压变换到电子线路所需要的交流电压范围，同时还可起到直流电源与电网的隔离作用，可升压也可降压。
（ 2）整流电路。将变压器变换后的交流电压变为单向的脉动直流电压。
（ 3）滤波电路。对整流输出的脉动直流进行平滑处理，使之成为一个含纹波成分很小的直流电压。
（ 4）稳压电路。将滤波输出的直流电压进行调节，以保持输出电压的基本稳定。由于滤波后输出直流电压受温度、负载、
电网电压波动等因素的影响很大，所以要设置稳压电路。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.1 整流电路的基本参数
1．输出直流电压
2．脉动系数 S
3．整流二极管的正向平均电流
4．整流二极管承受的反向峰值电压 URM
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.2 单相半波整流电路
1．电路结构和工作原理
2．负载上的直流电压和电流值的计算
3．二极管的选择低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.3 单相全波整流电路
1．工作原理
2．负载上的直流电压和电流值计算
3．二极管的选择低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.4 单相桥式全波整流电路
1．工作原理
2．负载上直流电压和电流值的计算
3．二极管的选择低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.2 单相整流电路
8.2.5 倍压整流电路如图 8.5所示为二倍压整流电路。当电源电压为正半周时，变压器次级上端为正，下端为负，二极管 VD1导通,VD2截止，电容 C1
被充电，其值可充到（ U2为 u2的有效值）。
当电源电压为负半周，变压器次级下端为正，上端为负，二极管
VD1截止,VD2导通，电容 C2被充电，其充电电压系变压器次级电压与电容 C1电压之和。如果电容 C2的容量足够大，则电容 C2上电压可充至，为一般整流电路输出电压的两倍。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
8.3.1 可控硅（晶闸管）简介
1．晶闸管的分类和结构低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
2．晶闸管的工作原理为了说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管等效成由一个 PNP三极管 VT1和一个 NPN三极管 VT2组成，如图 8.8所示。阳极 A相当于 PNP管的发射极，阴极 K相当于 NPN管的发射极，控制极 G既是 VT1的集电极，又是 VT2的基极。
要使晶闸管导通必须同时具备两个条件：
（ 1）阳极和阴极间加正向电压。
（ 2）控制极加上一定幅度的正触发脉冲。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
3．晶闸管的伏安特性
（ 1）正向阻断区。
（ 2）正向导通区。
（ 3）反向阻断区和反向击穿区。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
3．晶闸管的伏安特性
（ 1）正向阻断区
（ 2）正向导通区
（ 3）反向阻断区和反向击穿区
4．晶闸管的主要参数
（ 1）正向阻断峰值电压 UDRM
（ 2）反向阻断峰值电压 URRM
（ 3）额定正向平均电流 IF
（ 4）维持电流 IH
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
8.3.2 单相半波可控整流电路
1．电路及工作原理
2．控制角与导通角
3．输出电压 UL的计算
4．晶闸管承受的最大正、反向电压低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路
8.3.3 单相桥式可控整流电路
1．电路与工作原理
2．输出电压 UL计算
3．晶闸管和二极管上承受的最大正、反向电压
4．晶闸管的额定电压和电流选择低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路例 8-1 有一单相桥式可控整流电路，采用图 8.11的电路，
RL= 5?，负载两端的电压平均值 UL=100V，交流电源电压
U=220V，试求：
（ 1）计算晶闸管的导通角；
（ 2）选择晶闸管的额定电压 UT。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.3 单相可控整流电路例 8-1 有一单相桥式可控整流电路，采用图 8.11的电路，
RL= 5?，负载两端的电压平均值 UL=100V，交流电源电压
U=220V，试求：
（ 1）计算晶闸管的导通角；
（ 2）选择晶闸管的额定电压 UT。
解：（ 1）计算导通角。输出电压平均值由式（ 8.18）得,UL(AV)=0.45U(1+cosα )
即,100=0.45× 220(1+cosα )
则故 因此导通角为
（ 2）选择晶闸管的额定电压 UT。
取安全系数为 2，则有低频电子线路（第 2版）
01.0122045.0 100c o s
2
2180
T ≥ 2 2 2 1,4 1 2 2 0 6 2 0 VUU
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8.4 滤波电路
8.4.1 电容滤波电路
1．电路结构和工作原理如图 8.12所示为单相桥式整流电容滤波电路，负载两端并联的电容为滤波电容，利用电容 C的充放电作用，使负载电压、电流趋于平滑。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.4 滤波电路
8.4.1 电容滤波电路
2．电容滤波特性电容滤波电路的一些特性如下：
（ 1）接入滤波电容后，二极管的导通时间变短，导通角小于
180°,如图 8.13（ c）所示。
（ 2）负载平均电压升高，交流成分减小。
（ 3）电路的放电时间常数越大,C放电过程就越慢，负载上得到的 UL就越平滑。
3．滤波电容的选择由前述可知，电容 C越大，电容放电时间常数越大，负载波形越平滑。一般情况下，桥式整流可按下式来选择 C的大小。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.4 滤波电路例 8-2 桥式整流电容滤波电路，要求输出直流电压 30V，电流 0.5A，试选择滤波电容的规格，并确定最大耐压值。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
8.4 滤波电路例 8-2 桥式整流电容滤波电路，要求输出直流电压 30V，电流 0.5A，试选择滤波电容的规格，并确定最大耐压值。
解：由式（ 8.21），
式中
，
取电容标称值 1000?F。
由式（ 8.22），
所以可选 1000?F/50V的电解电容器一只。
低频电子线路（第 2版）
L ≥ (3～ 5) 2
TRC
6
L
5 0.02≥ 5 830 10 830 ( F )
2 2 30 / 0.5
TC
R
11 0,0 2 (s)
50T f LL
L
30 6 0 ( )
0.5
UR
I
L2 30 2 5 ( V )
1,2 1,2
UU
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8.4 滤波电路
8.4.2 电感滤波电路电容滤波在大电流工作时滤波效果较差，当一些电气设备需要脉动小，输出电流大的直流电时，往往采用电感滤波电路，如图 8.14所示。
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电机与电气控制
8.4 滤波电路
8.4.3 组合滤波电路为了进一步提高滤波效果，减少输出电压的脉动成分，常将电容滤波和电感滤波组合成复式滤波电路。常用的有 LC滤波器,RC滤波器等，其电路及特点和使用场合归纳在表 8.1
中，以供参考。
LC滤波电路在负载电流较大或较小时均有良好的滤波作用，
也就是说，它对负载的适应性比较强。
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8.5 晶体管稳压电路
8.5.1 基本串联型稳压电路电路的稳压过程可表示如下。
Uo↑→ UBE↓→ IB↓→ IE↓→ UCE↑→ Uo↓
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8.5 晶体管稳压电路
8.5.2 带有放大环节的串联型稳压电路
1．电路组成
（ 1）采样电路
（ 2）基准电压电路
（ 3）比较放大电路
（ 4）电压调整电路低频电子线路（第 2版）
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8.5 晶体管稳压电路
8.5.2 带有放大环节的串联型稳压电路
2．稳压过程
Ui↑ → Uo↑ → UBE1↑ → IB1↑ → IC1↑ → UC1↓
Uo↓ ← UCE2↑ ← IC2↓ ← IB2↓ ← UB2↓
3．输出电压电路的输出电压为低频电子线路（第 2版）
)( 1BEZ
2
21
o UUR
RRU
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8.5 晶体管稳压电路
8.5.3 具有过载保护环节的稳压电路在串联型稳压电路中，负载电流全部流过调整管，当负载短路或过载时，会使调整管电流过大而损坏，为此必须设置过载保护电路。保护电路有限流型和截止型两种，下面仅介绍限流型保护电路，原理电路如图 8.18所示。
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8.6 集成稳压器
8.6.1 固定三端稳压器低频电子线路（第 2版）
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8.6 集成稳压器
8.6.2 可调三端稳压器三端可调式稳压器是在三端固定式稳压器基础上发展起来的一种性能更为优异的集成稳压器件，它除了具备三端固定式稳压器的优点外，可用少量的外接元件，实现大范围的输出电压连续调节（调节范围为 1.2～ 37V），应用更为灵活。其典型产品有输出正电压的 LM117,LM217,LM317系列和输出负电压的 LM137,LM237,LM337系列。
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8.7 开关电源
8.7.1 概述
1．开关电源的特点
（ 1）效率高。
（ 2）体积小，重量轻。
（ 3）电网电压波动适应能力强。
2．开关电源的分类
（ 1）按控制的方式分类，有脉冲宽度调制型（ PWM），脉冲频率调制型（ PFM），混合调制型。以上 3种方式中，
脉冲宽度调制型（ PWM）用得较多。
（ 2）按是否使用工频变压器来分类，有低压开关稳压电路，
高压开关稳压电路。目前，实际工作中大量使用的，
主要是无工频变压器的开关稳压电路。
（ 3）按激励的方式分类，有自激式和他激式。
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电机与电气控制
8.7 开关电源
8.7.2 开关电源的组成和工作原理一个串联式开关电源的组成如图 8.23所示。图中包括开关调整管、滤波电路、脉冲调制电路、
比较放大器、基准电压和采样电路等各个组成部分。
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8.7 开关电源
8.7.2 开关电源的组成和工作原理当 uB为高电平时，调整管饱和导通，
此时发射极电流 iE流过电感和负载电阻，一方面向负载提供输出电压，同时将能量储存在电感的磁场中。由于三极管 VT饱和导通，因此其发射极电位,Ui为直流输入电压。 uE的极性为上正下负，则二极管 VD被反向偏置，
不能导通，故此时二极管不起作用。
当 uB为低电平时，调整管截止,iE=0。
但电感具有维持流过电流不变的特性，
此时将储存的能量释放出来，在电感上产生的反电势使电流通过负载和二极管继续流通，因此二极管 VD称为续流二极管。
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8.7 开关电源
8.7.3 开关电源的质量指标
（ 1）输出电压精度
（ 2）电压调整率 SV
（ 3）负载调整率
（ 4）温度系数 ST
（ 5）输出纹波电压
（ 6）转换效率。
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8.7.4 实用的开关电源
1．用 UC3842组成的开关电源
（ 1） UC3842特性与工作原理。
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（ 2） UC3842组成的开关电源。
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8.7 开关电源
2．用 TOPSwitch组成的开关电源
（ 1） TOPSwitch特点。
TOPSwitch是一种三端式脉宽调制（ PWM）开关电源集成组件，它将振荡器、脉宽调制电路、比较放大器、基准电压和开关调整管集成在同一块芯片上，如图 8.28所示。
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（ 2） TOPSwitch的典型应用电路。如图 8.29所示是用单片开关电源芯片 TOPSwitch构成的开关电源电路。
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