整流濾波及穩(wěn)壓電路課件

第10章整流濾波及穩(wěn)壓電路10.1單相整流電路10.2濾波電路10.3穩(wěn)壓電路整流濾波及穩(wěn)壓電路

電子電路工作時(shí)都需要直流電源提供能量，電池因使用費(fèi)用高，一般只用于低功耗便攜式的儀器設(shè)備中。本章討論如何把交流電源變換為直流穩(wěn)壓電源，一般直流電源由如下部分組成：

整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)為具有直流電成分的脈動(dòng)直流電。

濾波電路是將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。

穩(wěn)壓電路對(duì)整流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。直流電源的方框圖如圖15.01所示。整流濾波及穩(wěn)壓電路10.1.1單相橋式整流電路10.1.2單相半波整流電路10.1.3單相全波整流電路10.1單相整流電路整流濾波及穩(wěn)壓電路10.1.1單相橋式整流電路(1)工作原理

單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，其電路如圖15.02（a）所示。（a）橋式整流電路（b）波形圖圖15.02單相橋式整流電路整流濾波及穩(wěn)壓電路

在分析整流電路工作原理時(shí)，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦?。根?jù)圖15.02(a)的電路圖可知：

當(dāng)正半周時(shí)二極管D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。

在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖15.02(b)。

當(dāng)負(fù)半周時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。整流濾波及穩(wěn)壓電路

根據(jù)圖15.02（b）可知，輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為（2）參數(shù)計(jì)算

流過負(fù)載的平均電流為流過二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓整流濾波及穩(wěn)壓電路

流過負(fù)載的脈動(dòng)電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動(dòng)電壓做傅里葉分析。此時(shí)諧波分量中的二次諧波幅度最大，最低次諧波的幅值與平均值的比值稱為脈動(dòng)系數(shù)S。整流濾波及穩(wěn)壓電路（3）單相橋式整流電路的

負(fù)載特性曲線

單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線是指輸出電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系曲線該曲線如圖15.03所示。曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。圖15.03單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線整流濾波及穩(wěn)壓電路10.1.2單相半波整流電路

單相整流電路除橋式整流電路外，還有單相半波和全波兩種形式。單相半波整流電路如圖15.04(a)所示，波形圖如圖15.04(b)所示。(a)電路圖(b)波形圖圖15.04單相半波整流電路整流濾波及穩(wěn)壓電路

根據(jù)圖15.04可知，輸出電壓在一個(gè)工頻周期內(nèi)，只是正半周導(dǎo)電，在負(fù)載上得到的是半個(gè)正弦波。負(fù)載上輸出平均電壓為流過負(fù)載和二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓整流濾波及穩(wěn)壓電路

單相全波整流電路如圖15.05(a)所示，波形圖如圖15.05(b)所示。10.1.3單相全波整流電路(a)電路圖圖15.05單相全波整流電路(b)波形圖整流濾波及穩(wěn)壓電路

根據(jù)圖15.05（b）可知，全波整流電路的輸出，與橋式整流電路的輸出相同。輸出平均電壓為流過負(fù)載的平均電流為

二極管所承受的最大反向電壓

單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù)S與單相橋式整流電路相同。整流濾波及穩(wěn)壓電路注意：整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用的。整流電路既有交流量，又有直流量，通常對(duì):

輸入（交流）—用有效值或最大值；

輸出（交直流）—用平均值；

整流管正向電流—用平均值；

整流管反向電壓—用最大值。

單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而半波和全波整流電路中均有直流分量流過。所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣的功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源之中。整流濾波及穩(wěn)壓電路10.2濾波電路10.2.1電容濾波電路10.2.2電感濾波電路整流濾波及穩(wěn)壓電路10.2.1電容濾波電路

(1)濾波的基本概念

濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器C對(duì)直流開路，對(duì)交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。

整流濾波及穩(wěn)壓電路

（2）電容濾波電路現(xiàn)以單相橋式電容濾波整流電路為例來說明。電容濾波電路如圖15.06所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容C。圖15.06電容濾波電路

整流濾波及穩(wěn)壓電路當(dāng)v2到達(dá)90°時(shí)，v2開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載ＲL放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。(3)濾波原理

若電路處于正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時(shí)C相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2

，是正弦形。

圖15.07電容濾波波形圖

所以，在t1到t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，Ｃ充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時(shí)刻二極管關(guān)斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為RLC。電容濾波過程見圖15.07。

在剛過90°時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過90°時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過90°后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。整流濾波及穩(wěn)壓電路

需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)RLC增加時(shí)，t1點(diǎn)要右移，t2點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時(shí)間加長，導(dǎo)通角減小，見曲線3；反之，RLC減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然，當(dāng)ＲL很小，即IL很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見圖15.08濾波曲線中的2。反之，當(dāng)ＲL很大，即IL很小時(shí)，盡管C較小,RLC仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。問題：有Ｃ無ＲL即空載，此時(shí)VC=VL=？圖15.08電容濾波的效果整流濾波及穩(wěn)壓電路(4)電容濾波的計(jì)算

電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即

另一種是在RLC=(3

5)T/2的條件下，近似認(rèn)為VL=VO=1.2V2。（或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應(yīng)滿足RLC≥6~10。）整流濾波及穩(wěn)壓電路

（5）外特性

整流濾波電路中，輸出直流電壓VL隨負(fù)載電流IO的變化關(guān)系曲線如圖15.09所示。

圖15.09整流濾波電路的外特性整流濾波及穩(wěn)壓電路*使用條件：整流濾波及穩(wěn)壓電路10.2.2電感濾波電路

利用儲(chǔ)能元件電感器Ｌ的電流不能突變的性質(zhì)，把電感Ｌ與整流電路的負(fù)載ＲL相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。

圖15.10電感濾波電路圖15.11波形圖

電感濾波電路如圖15.10所示。電感濾波的波形圖如圖15.11所示。

當(dāng)v2正半周時(shí)，D1、D3導(dǎo)電，電感中的電流將滯后v2。當(dāng)負(fù)半周時(shí)，電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。因橋式電路的對(duì)稱性，和電感中電流的連續(xù)性，四個(gè)二極管D1、D3

；D2、

D4的導(dǎo)通角都是180°。整流濾波及穩(wěn)壓電路10.3穩(wěn)壓電路10.3.1穩(wěn)壓電路概述10.3.2硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路10.3.3線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源10.3.4開關(guān)型穩(wěn)壓電源整流濾波及穩(wěn)壓電路10.3.1穩(wěn)壓電路概述一、引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因二、穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)整流濾波及穩(wěn)壓電路

引起輸出電壓變化的原因是負(fù)載電流的變化和輸入電壓的變化，參見圖16.01。一、引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因負(fù)載電流的變化會(huì)在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，從而使輸入電壓發(fā)生變化。圖16.01穩(wěn)壓電源方框圖即整流濾波及穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)

用穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)去衡量穩(wěn)壓電路性能的高低。

VI和

IO引起的

VO可用下式表示

(1)穩(wěn)壓系數(shù)Sr定義為有時(shí)穩(wěn)壓系數(shù)也用下式定義整流濾波及穩(wěn)壓電路當(dāng)輸出電流從零變化到最大額定值時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化值。（4）電流調(diào)整率SI

(3)輸出電阻Ro

(2)電壓調(diào)整率SV一般特指ΔVi/Vi=±10%時(shí)的Sr整流濾波及穩(wěn)壓電路輸入電壓交流紋波峰峰值與輸出電壓交流紋波峰峰值之比的分貝數(shù)。（6）輸出電壓的溫度系數(shù)ST

如果考慮溫度對(duì)輸出電壓的影響,則輸出電壓是輸入電壓、負(fù)載電流和溫度的函數(shù)（5）紋波抑制比Srip

整流濾波及穩(wěn)壓電路10.3.2硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路一、硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理二、穩(wěn)壓電阻的計(jì)算三、基準(zhǔn)源整流濾波及穩(wěn)壓電路一、硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的電路圖如圖16.02所示。

它是利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性穩(wěn)壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會(huì)引起較小的電壓變化。圖16.02硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路整流濾波及穩(wěn)壓電路(1)當(dāng)輸入電壓變化時(shí)如何穩(wěn)壓根據(jù)電路圖可知

輸入電壓VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：

這里VO減小應(yīng)理解為，由于輸入電壓VI的增加，在穩(wěn)壓二極管的調(diào)節(jié)下，使VO的增加沒有那么大而已。VO還是要增加一點(diǎn)的，這是一個(gè)有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓圖16.02硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路整流濾波及穩(wěn)壓電路(2)當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)如何穩(wěn)壓

負(fù)載電流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：

IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑整流濾波及穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓電阻的計(jì)算

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能與穩(wěn)壓二極管擊穿特性的動(dòng)態(tài)電阻有關(guān)，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關(guān)。穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓電阻R越大，穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)壓電阻R

的作用將穩(wěn)壓二極管電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，從而起到調(diào)節(jié)作用，同時(shí)R也是限流電阻。

顯然R的數(shù)值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化，就可達(dá)到足夠的穩(wěn)壓效果。

但R的數(shù)值越大，就需要較大的輸入電壓VI值，損耗就要加大。整流濾波及穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電阻的計(jì)算如下

當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時(shí)IZ不應(yīng)小于IZmin，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實(shí)際選用的穩(wěn)壓電阻應(yīng)小于最大值。即

當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時(shí)IZ不應(yīng)超過IZmax，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即(1)(2)

穩(wěn)壓二極管在使用時(shí)一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規(guī)定值，否則會(huì)造成損壞！整流濾波及穩(wěn)壓電路三、基準(zhǔn)源基準(zhǔn)源

一般是指擊穿電壓十分穩(wěn)定，電壓溫度系數(shù)經(jīng)過補(bǔ)償了的穩(wěn)壓二極管。也稱為參考源這種穩(wěn)壓二極管采用一種埋層工藝，穩(wěn)壓性能優(yōu)良，有的還加有溫度控制電路，使其溫度系數(shù)可小到幾個(gè)10-6/℃。

型號(hào)穩(wěn)定電壓(V)工作電流(mA)電壓溫度系數(shù)(10

-6/℃)MC14032.5±1％1.210～100.

LM136/236/3362.510305.01030.

TL4312.5～360.4～10050.LM3999±6.95±5％105.AD2710K/L10.000±1mV102/1.MAX6764.096±0.01％516775.000±0.01％5167810.000±0.01％51.典型的基準(zhǔn)源整流濾波及穩(wěn)壓電路10.3.3

線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓二極管的缺點(diǎn)是工作電流較小，穩(wěn)定電壓值不能連續(xù)調(diào)節(jié)。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作電流較大，輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前這種穩(wěn)壓電源已經(jīng)制成單片集成電路，廣泛應(yīng)用在各種電子儀器和電子電路之中。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是損耗較大，效率低。一、線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理二、穩(wěn)壓電路的保護(hù)環(huán)節(jié)三、三端集成穩(wěn)壓器整流濾波及穩(wěn)壓電路一、線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理(1)線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源的工作原理可用圖16.03來說明。

顯然，VO=VI-VR，當(dāng)VI增加時(shí)，R受控制而增加，使VR增加，從而在一定程度上抵消了VI增加對(duì)輸出電壓的影響。若負(fù)載電流IL增加，R受控制而減小，使VR減小，從而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI減小，對(duì)輸出電壓減小的影響。

圖16.03串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖

圖16.03串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖整流濾波及穩(wěn)壓電路

在實(shí)際電路中，可變電阻R是用一個(gè)三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降VCE，VCE相當(dāng)于VR。要想輸出電壓穩(wěn)定，必須按電壓負(fù)反饋電路的模式來構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖16.04所示。它由調(diào)整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓源幾個(gè)部分組成。

圖16.04串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖整流濾波及穩(wěn)壓電路(2)線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理

根據(jù)圖16.04分兩種情況來加以討論。1．輸入電壓變化，負(fù)載電流保持不變

輸入電壓VI的增加，必然會(huì)使輸出電壓VO有所增加，輸出電壓經(jīng)過取樣電路取出一部分信號(hào)Vf與基準(zhǔn)源電壓VREF比較，獲得誤差信號(hào)ΔV。誤差信號(hào)經(jīng)放大后，用VO1去控制調(diào)整管的管壓降VCE增加，從而抵消輸入電壓增加的影響。

VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓整流濾波及穩(wěn)壓電路（動(dòng)畫16-2）2．負(fù)載電流變化，輸入電壓保持不變

負(fù)載電流IL的增加，必然會(huì)使輸入電壓VI有所減小，輸出電壓VO必然有所下降，經(jīng)過取樣電路取出一部分信號(hào)Vf與基準(zhǔn)源電壓VREF比較，獲得的誤差信號(hào)使VO1增加，從而使調(diào)整管的管壓降VCE下降，從而抵消因IL增加，使輸入電壓減小的影響。

IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑3.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算根據(jù)圖16.04可知Vf≈VREF調(diào)節(jié)R2顯然可以改變輸出電壓。（動(dòng)畫16-1）整流濾波及穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓電路的保護(hù)環(huán)節(jié)

串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻很小，如果輸出端短路，則輸出短路電流很大。同時(shí)輸入電壓將全部降落在調(diào)整管上，使調(diào)整管的功耗大大增加，調(diào)整管將因過損耗發(fā)熱而損壞，為此必須對(duì)穩(wěn)壓電源的短路進(jìn)行保護(hù)。過載也會(huì)造成損壞。

保護(hù)的方法反饋保護(hù)型溫度保護(hù)型截流型限流型利用集成電路制造工藝，在調(diào)整管旁制作PN結(jié)溫度傳感器。當(dāng)溫度超標(biāo)時(shí)，啟動(dòng)保護(hù)電路工作，工作原理與反饋保護(hù)型相同。整流濾波及穩(wěn)壓電路截流型限流型

當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，通過保護(hù)電路使調(diào)整管截止，從而限制了短路電流，使之接近為零。截流特性見圖16.05。

是當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，通過電路中取樣電阻的反饋?zhàn)饔?，輸出電流得以限制。限流特性見圖16.06。

圖16.05截流型特性

圖16.06限流型特性整流濾波及穩(wěn)壓電路三、三端集成穩(wěn)壓器(1)概述

將串聯(lián)穩(wěn)壓電源和保護(hù)電路集成在一起就是集成穩(wěn)壓器。早期的集成穩(wěn)壓器外引線較多，現(xiàn)在的集成穩(wěn)壓器只有三個(gè)：輸入端、輸出端和公共端，稱為三端集成穩(wěn)壓器。它的電路符號(hào)見圖16.07，外形如圖16.08所示。

圖16.07集成穩(wěn)壓器符號(hào)要特別注意，不同型號(hào)，不同封裝的集成穩(wěn)壓器，它們?nèi)齻€(gè)電極的位置是不同的，要查手冊確定。圖16.08外形圖

照片整流濾波及穩(wěn)壓電路(2)線性三端集成穩(wěn)壓器的分類三端集成穩(wěn)壓器有如下幾種：1.三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器，國標(biāo)型號(hào)為CW78--/CW78M--/CW78L--2.三端固定負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器，國標(biāo)型號(hào)為CW79--/CW79M--/CW79L--3.三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器，國標(biāo)型號(hào)為CW117--/CW117M--/CW117L-CW217--/CW217M--/CW217L--CW317--/CW317M--/CW317L--4.三端可調(diào)負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器，國標(biāo)型號(hào)為CW137--/CW137M--/CW137L-CW237--/CW237M--CW237L--CW337--/CW337M--/CW337L--5.三端低壓差集成穩(wěn)壓器6.大電流三端集成穩(wěn)壓器

以上1---為軍品級(jí)；2---為工業(yè)品級(jí)；3---為民品級(jí)。

軍品級(jí)為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-55℃～150℃；

工業(yè)品級(jí)為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-25℃～150℃；

民品級(jí)多為塑料封裝，工作溫度范圍0℃～125℃。整流濾波及穩(wěn)壓電路(3)應(yīng)用電路三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖16.09所示。

可調(diào)輸出三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部，在輸出端和公共端之間是1.25

V的參考源，因此輸出電壓可通過電位器調(diào)節(jié)。

16.09應(yīng)用電路(固定)三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖16.10所示。

圖16.10應(yīng)用電路(可調(diào))整流濾波及穩(wěn)壓電路（4）利用三端集成穩(wěn)壓器組成恒流源

圖16.11穩(wěn)壓器做恒流源圖16.12可調(diào)穩(wěn)壓器做恒流源電路

(a)小電流恒流源

(b)大電流恒流源

三端集成穩(wěn)壓器可做恒流源使用,電路見

圖16.11和16.12。整流濾波及穩(wěn)壓電路10.3.4開關(guān)型穩(wěn)壓電源

為解決線性穩(wěn)壓電源功耗較大的缺點(diǎn)，研制了開關(guān)型穩(wěn)壓電源。開關(guān)型穩(wěn)壓電源效率可達(dá)90%以上，造價(jià)低，體積