《实用电工电子》模块5直流稳压电源

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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于直流电源之中。

表5-1-1各种整流电路性能比较表

例5-1-2 试设计一台输出电压为24V，输出电流为lA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：

U2?Uo0.45?240.45?53.3(V)

整流二极管承受的最高反向电压为：

UDRM?2U2?1.41?53.3?75.2(V)

流过整流二极管的平均电流为：

ID?Io?1A

因此可选用2CZ12B整流二极管，其最大整流电流为3A，最高反向工作电压为200V。 （2）当采用桥式整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：

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U2?Uo0.9?240.9?26.7(V)

整流二极管承受的最高反向电压为：UDRM?流过整流二极管的平均电流为：ID?122U2?1.41?26.7?37.6(V)

Io?0.5A

因此可选用四只2CZ11A整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为100V。

变压器副边电流有效值为：I2?1.11I0?1.11?1?1.11(A) 变压器的容量为：S?U2I2?26.7?1.11?29.6(VA)

5.2滤波电路

整流电路将交流电转换为直流电，但其中含有大量的交流成分，所以整流电路的后面必须接滤波电路，滤去交流成分，才可以得到比较平滑的输出电压。

滤波电路主要有电容滤波、电感滤波、复式滤波电路(包括LC型、CRC(π型)、CLC型滤波)等多种形式。

最简单的电容滤波电路是在整流电路的直流输出处与负载电阻RL并联一电容器C，利用电容器的充放电作用，使输出电压趋于平滑，电容C起滤波作用。下面以单相半波整流电容滤波电路为例来说明。

1、工作原理

单相半波整流电容滤波电路如图5-2-1(a)所示。假设电路接通时恰恰在u2由负到正过零的时刻，这时二极管VD开始导通，电源u2在向负载RL供电的同时又对电容C充电。如果忽略二极管正向压降，电容电压uC紧随输入电压u2按正弦规律上升至u2的最大值。然后u2继续按正弦规律下降，且u2?uC，使二极管VD截止，而电容C则对负载电阻RL按指数规律放

电。uC降至u2大于uC时，二极管又导通，电容C再次充电……。这样循环下去，u2周期性变化，电容C周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小，如图5-2-1(b)所示。电容C放电的快慢取决于时间常数（?uo就越平坦，平均值也越高。

?RLC）的大小，时间常数越大，电容C放电越慢，输出电压

u2 VD + u1 － + u2 － C + RL + uo － 0 uo π 2π 3π 4πωt 7 0 π 2π 3π 4πωt (a) 电路 (b) 波形 图5-2-1 单相半波整流电容滤波电路及其输出电压波形

单相桥式整流、电容滤波电路的输出电压波形如图5-2-2所示。

图5-2-2单相桥式整流、电容滤波电路的输出电压波形

单相桥式整流、电容滤波电路的输出特性曲线如图5-2-3所示。从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合。

Uo 1.4Uo 0.9Uo Io 0

图5-2-3单相桥式整流、电容滤波电路的输出特性曲线

2、电容滤波的计算

—般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值。 半波：Uo 全波：Uo?U2

(5-2-1) (5-2-2)

?(10~15)1?1.2U2 为了获得较平滑的输出电压，一般要求RL??RLC?(3~5)T2?C，即：

式中T为交流电压的周期。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。

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为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。

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承受的反向电压为最高，为：

UDRM?22U2 (5-2-3)

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?uC?u2?io），

，当负载开路时，

因为滤波电容是隔直通交，它的平均电流为零，故二极管的平均电流仍为负载电流的一半，但由于二极管导通时间缩短，故流过二极管的冲击电流较大。所以在选择二极管时应留有充分的电流余量，通常按平均电流的2~3倍选择二极管。

例5-2-1设计一单相桥式整流、电容滤波电路，要求输出电压U0=36V，已知负载电阻RL=100Ω，交流电源频率为f=50Hz，试计算整流二极管的平均电流、最高反向电压和滤波电容器。

解：(1)流过二极管的平均电流：

ID?12I0?1U0136????0.18A?180(mA) 2RL2100变压器副边电压有效值：

U2?U01.2?361.2?30(V)

整流二极管承受的最高反向电压：

UDRM?2U2?1.41?30?42.3(V)

因此可选择2CZ11B作整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为200V。

(2)滤波电容

放电时间常数：选择??5?T2

T2?5?12f?5?12?50?6??RLC?5??RL?0.05s，则：

C??0.05100?500?10F?500(uF)

5.3 直流稳压电路

将不稳定的直流电压变换成稳定且可调的直流电压的电路称为直流稳压电路。 直流稳压电路按调整器件的工作状态可分为线性稳压电路和开关稳压电路两大类。前者使用起来简单易行，但转换效率低，体积大；后者体积小，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。

5.3.1并联型直流稳压电路

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工作原理：输入电压Ui波动时会引起输出电压Uo波动。如Ui升高将引起Uo=UZ随之升高，导致稳压管的电流IZ急剧增加，使得电阻R上的电流I和电压UR迅速增大，UR的增大抵消了Ui增加，从而使Uo基本上保持不变。 Ui↑→U0↑→IZ↑→IR↑→UR↑ Uo↓ 反之，当Ui减小时，UR相应减小，仍可保持Uo基本不变。 当负载电流Io发生变化引起输出电压Uo发生变化时，同样会引起IZ的相应变化，使得Uo保持基本稳定。如当Io增大时，I和UR均会随之增大使得Uo下降，这将导致IZ急剧减小，使I仍维持原有数值保持UR不变，使得Uo得到稳定。 +Ui－I+ UR －RIZDZ+RLIo+Uo－ －UZ图5-3-1并联型直流稳压电路

可见，这种稳压电路中稳压管VDZ起着自动调节作用，电阻R一方面保证稳压管的工作电流不超过最大稳定电流IZM，另一方面还起到电压补偿作用。

5.3.2串联型直流稳压电路

+Ui－R4V1－UBE1+V2+－+UZ－R3UBE2 +UF －R1RPR2RbIoRaRL+Uo－图5-3-2 串联型直流稳压电路

串联型直流稳压电路由采样单元、基准单元、比较放大单元、调整单元4个部分组成。 (1)采样单元。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)基准单元。由稳压二极管VDZ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。

设V2发射结电压UBE2可忽略，则：

UF?UZ?RbRa?RbUo

或：

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Uo?Ra?RbRbUZ

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。

(3)比较放大单元。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)调整单元。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。

当电网电压波动时，若电网电压升高，引起输出电压U0增加时，取样电压UF相应增大，使V2管的基极电流IB2和集电极电流IC2随之增加，V2管的集电极电位UC2下降，因此Vl管的基极电流IB1下降，IC1下降，UCE1增加，U0下降，从而使U0保持基本稳定。 这一自动调压过程可表示如下

Ui↑→Uo↑→UF↑→UBE2↑→IB2↑→IC2↑→UCE2↓→UBE1↓→IB1↓→UCE1↑→Uo↓

若电网电压下降，串联型稳压电路的自动稳压过程则与上述过程相反。 当负载变动时，若负载电阻减小，串联型稳压电路的自动稳压过程为

RL↓→Uo↓→UF↓→UBE2↓→IB2↓→IC2↓→UCE2↑→UBE1↑→IB1↑→UCE1↓→Uo↑

若负载电阻增大，串联型稳压电路的自动稳压过程则与上述过程相反。

【巩固练习】

习 题 五

5-1 设一半波整流电路和一桥式整流电路的输出电压平均值和所带负载大小完全相同，试问两个整流电路中整流二极管的电流平均值和最高反向电压是否相同？

5-2如果要求某一单相桥式整流电路的输出直流电压为36V，直流电流为1.5A，试选择合适的二极管。

5-3欲得到输出直流电压U0=50V，直流电流I 0=160mA的电源，问应采用哪种整流电路？画出电路图，并计算电源变压器的容量（计算U2和I2），选定相应的整流二极管（计算二极管的平均电流ID和承受的最高反向电压UDRM）。

5-4 在图5-1所示电路中，已知RL=8KΩ，直流电压表V2的读数为110V，二极管的正向

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压降忽略不计，求：

(1)直流电流表A的读数；(2)整流电流的最大值；(2)交流电压表V1的读数。

图5-1 习题5-4的图 图5-2 习题5-5的图

5-5图5-2所示电路为单相全波整流电路。已知U2=10V，RL=100Ω。

(1)求负载电阻RL上的电压平均值U0与电流平均值I0，在图中标出u0、i0的实际方向。 (2)如果VD2脱焊，U0、I0各为多少？ (3)如果VD2接反，会出现什么情况？

(4)如果在输出端并接一滤波电解电容，试将它按正确极性画在电路图上，此时输出电压U0约为多少

5-6单相桥式整流、电容滤波电路，已知交流电流f=50Hz，要求输出直流电压和输出直流电流分别为U0=30V，I0=150mA，试选择二极管及滤波电容

5-7在图5-3所示桥式整流电容滤波电路中，U2=20V，RL=40Ω，C=1000uF，试问： (1)正常时U0为多大？

(2)如果电路中有一个二极管开路， U0又为多大？

(3)如果测得U0为下列数值，可能出现了什么故障？①U0=18 V：②U0=28 V：③U0=9 V。

图5-3 习题5-7的图 图5-4 习题5-8的图

5-8 图5-4所示桥式整流电路，设u2?2U2sin(?t)V，试分别画出下列输出电压uAB的波形。

(1) S1、S2、S3打开，S4闭合； (2)S1、S2闭合，S3、S4打开； (3)S1、S4闭合、S2、S4打开； (4) S2、S4闭合、S1、S3打开；

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(5) S1、S2、S4闭合，S3打开； (6) S1、S2、S3、S4全部闭合。

自测题五

1、单相半波整流脉动直流电压平均值为

A、0.45U2 B、0.9U2 C、U2 D、1.2U2 2.、单相桥式整流脉动直流电压平均值为

A、0.45U2 B、0.9U2 C、U2 D、1.2U2 3.、单相桥式整流电容滤波时的输出电压平均值为

A、0.45U2 B、0.9U2 C、U2 D、1.2U2 4.、单相半波整流电容滤波时的输出电压平均值为

A、0.45U2 B、0.9U2 C、U2 D、1.2U2 5、直流稳压电源一般由哪一种组成？

A、整流电路、滤波电路、稳压电路、贮能电路 B、电源变压器、滤波电路、贮能电路、稳压电路 C、滤波电路、整流电路、贮能电路、电源变压器 D、电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路

6、在通常情况下，改变串联型稳压电源的输出幅度是通过调整哪个来实现的

A、调整管的放大倍数 B、比较放大器的放大倍数 C、取样电路中的电位器 D、基准电路的稳压值

7、在串联型稳压电路中，取样电路电阻器的温度系数越小，其输出电压受温度的影响

A、越小 B、越大 C、成正比增大 D、与温度系数无关 8、利用半导体的什么特性可实现整流

A、双向导电 B、稳压 C、贮能 D、单向导电 9、利用电抗元件的什么特性实现滤波

A、单向导电 B、贮能 C、变频 D、电压不能突变 10、串联型直流稳压电路的调整管必须工作在什么状态

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A、导通 B、饱和 C、放大 D、开关 11、单相半波整流电容滤波电路，输出的电压波形是

A、锯齿波 B、尖脉冲 C、脉动直流电 D、正弦交流电 12、用于整流的二极管型号是

A、2AP9 B、2CW14C C、2CZ52B D、2CK84A

【实践项目】

项目7串联稳压电源的安装与测试

一、学习任务

最终目标: 掌握串联稳压电源的安装和调试

促成目标: 1、了解单相桥式整流、电容滤波电路的特性

2、掌握串联型稳压电源主要技术指标的测试方法 3、掌握元件参数的选择方法

二、相关知识

图1是由分立元件组成的串联型稳压电源的电路图。TR为变压器，把220V的正弦电压变化为12V的正弦电压，D1～D4组成桥式整流电路，C1为滤波电容，UC1=1.2U2。T1、T2组成的复合管为调整管，R3和DZ为基准电压，R1、R2、RW为取样网络,T3为比较放大电路。

图1

稳压电源的主要性能指标

1、输出电压U0和输出电压调节范围 U0?R1?RP?R2R2?RP?(UZ?UBE3)调节RW可以改变输出电压U0。

2、输出电阻ro

输出电阻ro定义为，当输入电压Ua（稳压电路输入）保持不变，由于负载变化而引起的

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输出电压变化量与输出电流变化量?Io之比，即

r0??U0?I0|U?常数a

3、稳压系数S（电压调整率）

稳压系数定义为，当负载保持不变，输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即：S＝?U0/U0?U1/U1|R?常数L

由于工程上常把电网电压波动±10％作为极限条件，因此也有将此时输出电压的相对变化?Uo/Uo作为衡量指标，称为电压调整率。 三、预习与思考

1、焊接注意事项

2、输出电压U0的计算方法 3、当电压上升时稳压过程 4、当负载增加时稳压过程

5、接上负载RL与不接负载RL,电压变化是否明显? 6、DZ断路；短路；接反时输出电压变化情况？

7、在桥式整流电路中，能否用双踪示波器同时观察u2和uL波形，为什么？

8、在桥式整流电路中，如果某个二极管发生开路、短路或反接三种情况，将会出现什么问题？

9、怎样提高稳压电源的性能指标（减小S和ro）？ 四、项目设备 名 称 双踪示波器 电子管毫伏表 直流电压表、毫安表 数字万用表 数 量 1 1 1 1 备 注 电路板、电烙铁、变压器、二极管、电解电容、电阻、三极管等 五、项目实施

组织形式：5人为一小组，推选一位组长。 1、安装焊接步骤和方法

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7kgo.html