模电课件第十章10教学资料

1、10.1 小功率整流电路小功率整流电路10.1.1 单相桥式整流电路单相桥式整流电路10.1.2 单相半波整流电路单相半波整流电路10.1.3 单相全波整流电路单相全波整流电路10.1.1 单相桥式整流电路(1) (1) 工作原理工作原理 单相桥式整流电路是单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图流的电路，其电路如图10.02（a）所示。）所示。（a）桥式整流电路 （b）波形图图10.02 单相桥式整流电路 在分析整流电路工作原理时，整流电在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为路中的二极管是作为开关运用，具有单向导开关运用，具有单向导电性。

2、电性。根据图根据图10.02(a)的电路图可知：的电路图可知： 当正半周时二极管当正半周时二极管D1、D3导通，在负载导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。电阻上得到正弦波的正半周。 在负载电阻上正负半周经过合成，得到的在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图电路的波形图见图10.02(b)。 当负半周时二极管当负半周时二极管D2、D4导通，在负载导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。电阻上得到正弦波的负半周。 根据图根据图10.02（b）可知，输出电压是单相脉动电）可知，输出电压是单相脉动电压。通常用

3、它的平均值与直流电压等效。压。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压输出平均电压为为（2）参数计算2202LO9 . 022dsin21VVttVVV 流过负载的平均电流为L2L2L9 . 022RVRVIL2L2LD45. 022RVRVII流过二极管的平均电流为2Rmax2VV二极管所承受的最大反向电压 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时谐波分量中的二次谐波幅度最大，谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波最低次谐波的幅值与平均值的比值称为的幅值与平均值的比值称为脉动

4、系数脉动系数S。)4cos1542cos342(22OttVv67. 0322232422VVS（3）单相桥式整流电路的 负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线出电压与负载电流之间的关系曲线)(OOIfV 该曲线如图10.03所示。曲线的斜率代表 了整流电路的内 阻。图10.03 单相桥式整流电路 的负载特性曲线10.1.2单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外，还有单相半波和全波两种形式。单相半波整流电路如图10.04(a)所示，波形图如图10.04(b)所示。(a)电路图 (b)波形图 图10.04 单相

5、半波整流电路 根据图10.04可知，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。负载上输出平均电压为2202LO45. 02)d(sin221VVttVVVL2L2LD45. 02RVRVII流过负载和二极管的平均电流为2Rmax2VV二极管所承受的最大反向电压 单相全波整流电路如单相全波整流电路如图图10.05(a)10.05(a)所示，波形所示，波形图如图图如图10.05(b)10.05(b)所示。所示。10.1.3 单相全波整流电路 (a)电路图 图10.05 单相全波整流电路 (b)波形图 根据图根据图10.05（b）可知，全波整）可知，全波整流电路的输出，与

6、桥式整流电路的输出流电路的输出，与桥式整流电路的输出相同。相同。输出平均电压输出平均电压为为2202LO9 .022)d(sin21VVttVVVL2L2Lo9 . 022RVRVII流过负载的平均电流为2Rmax22VV 二极管所承受的最大反向电压67. 0322232422VVS 单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同。注意，整流电路中的二极管是作为开关运用的。，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，通常对整流电路既有交流量，又有直流量，通常对: 输入（交流）输入（交流）用有效值或最大值；用有效值或最大值； 输出（交直流）输出（交直流）用平均值；用

7、平均值； 整流管正向电流整流管正向电流用平均值；用平均值； 整流管反向电压整流管反向电压用最大值。用最大值。 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样的功率容量条件下，体积可以小较高，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，故广泛应用于直流电源半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。之中。几种滤

8、波电路几种滤波电路10. 2 滤波滤波电路电路（a）电容滤波电路）电容滤波电路（b）电感电容滤波电路（倒）电感电容滤波电路（倒L型）型）（c） 型滤波电路型滤波电路10.2.1 电容滤波电路 (1)滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。 （2）电容滤波电路 现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如图10.06

9、所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图10.06电容滤波电路 当v2到达90时，v2开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载L放电。指数放电起始点的放电速率很大。(3)滤波原理 若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。 图10.07电容滤波波形图 所以，在t1到t2时刻，二极管导电，充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图10.07。 在刚过90时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90时二极管仍然导通。在

10、超过90后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。 需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当L很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图10.08滤波曲线中的2。反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。问题：有无L即空载，此时VC=VL=？图10.08 电容滤波的效果(4)电容滤波的计算 电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上

11、有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：)41 (2L2OLCRTVVV一种是用锯齿波近似表示，即 另一种是在RLC=(35)T/ 2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC610。） （5）外特性 整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流 IO的变化关系曲线如图10.09所示。 图10.09 整流滤波电路的外特性2OLd2O2OL1.22) 53(=0.9=, 02=,=VVTCRVVCVVR *使用条件：2)53(LdTCR名 称VL(空载)VL(带载)二极管反向最大电压每管平均电流半波整流22V245. 0V22VIL

12、全波整流电容滤波22V1.2V2*222V0.5IL桥式整流电容滤波22V1.2V2*22V0.5IL桥式整流电感滤波22V0.9V222V0.5IL10.2.2 电感滤波电路 利用储能元件电感器利用储能元件电感器的电流不能突的电流不能突变的性质，把电感变的性质，把电感与整流电路的负载与整流电路的负载L相串联，也可以起到滤波的作用。相串联，也可以起到滤波的作用。 图10.10 电感滤波电路 图10.11 波形图 电感滤波电路如图10.10所示。电感滤波的波形图如图10.11所示。 当当v2正半周时，正半周时，D1、D3导电，导电，电感中的电流将滞后电感中的电流将滞后v2。当负半周时，。当负半周

13、时，电感中的电流将经由电感中的电流将经由D2、D4提供。因提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管连续性，四个二极管D1、D3 ； D2、 D4的导通角都是的导通角都是180。10.3 10.3 并联型稳压电路并联型稳压电路一、 引起输出电压不稳定的原因二、 稳压电路的技术指标 引起输出电压变化的原因是引起输出电压变化的原因是负载电流的变化负载电流的变化和和输输入电压的变化，入电压的变化，参见参见图图10.0110.01。一、一、 引起输出电压不稳定的原因引起输出电压不稳定的原因负载电流的变化会负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，在整

14、流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。从而使输入电压发生变化。图图10.0110.01稳压电源方框图稳压电源方框图),(=OIOIVfV即二、稳压电路的技术指标二、稳压电路的技术指标 用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。的高低。 VI和和 IO引起的引起的 VO可用下式表示可用下式表示 (1)(1)稳压系数稳压系数Sr0=IOIOrO=IVVVVS定义为定义为OoIrOOOIIOOIRVSIIVVVVV有时稳压系数也用下式定义0=IIOOrO/=IVVVVS当输出电流从零变化到最大额定值时，当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的

15、相对变化值。输出电压的相对变化值。（4 4）电流调整率）电流调整率SI%100=0=OOIIVVVS (3)(3)输出电阻输出电阻Ro0=OOoI=VIVR%1001=0=IOOVOIVVVS (2)(2)电压调整率电压调整率SV一般特指一般特指V Vi i/ /V Vi i= =10%10%时的时的Sr输入电压交流纹波峰峰值与输出电压输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。交流纹波峰峰值之比的分贝数。（6 6）输出电压的温度系数）输出电压的温度系数ST%1001=0=0,=OOTIOVITVVS 如果考虑温度对输出电压的影响, 则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数)

16、,(=OIOTIVfV（5 5）纹波抑制比）纹波抑制比Srip p-opp-iprip20lg=VVS10.3 10.3 并联式稳压电路并联式稳压电路10.3.1 10.3.1 硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的原理10.3.2 10.3.2 稳压电阻的计算稳压电阻的计算10.3.3 10.3.3 基准源基准源10.3.1 10.3.1 硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的电路图如硅稳压二极管稳压电路的电路图如图图10.0210.02所示。所示。 它是利用稳压二极它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性压的，由于

17、反向特性陡直，较大的电流变陡直，较大的电流变化，只会引起较小的化，只会引起较小的电压变化。电压变化。图图10.02 10.02 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路(1) (1) 当输入电压变化时如何稳压当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知根据电路图可知ZLR+=IIIRIVVVVVRIRIZO= 输入电压输入电压VI的增加，必然引起的增加，必然引起VO的增加，即的增加，即VZ增增加，从而使加，从而使IZ增加，增加，IR增加，使增加，使VR增加，从而使输出增加，从而使输出电压电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：减小。这一稳压过程可概括如下： 这里这里VO减小应理解为，由于输入电压减小应

18、理解为，由于输入电压VI的增加，的增加，在稳压二极管的调节下，使在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而的增加没有那么大而已。已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。VIVOVZIZIRVRVO图图10.02 10.02 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路(2) (2) 当负载电流变化时如何稳压当负载电流变化时如何稳压 负载电流负载电流IL的增加，必然引起的增加，必然引起IR的增加，即的增加，即VR增增加，从而使加，从而使VZ=VO减小，减小，IZ减小。减小。IZ的减小必然使的减小必然使IR减减小，小，VR减小，从而使输出电压减小，从

19、而使输出电压VO增加。这一稳压过程增加。这一稳压过程可概括如下：可概括如下： ILIRVRVZ（VO）IZIRVRVO10.3.210.3.2稳压电阻的计算稳压电阻的计算 稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击 穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关。的阻值大小有关。稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大越大，稳压性能越好。稳压性能越好。稳压电阻稳压电阻R 的作用的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时从

20、而起到调节作用，同时R也是限流电阻。也是限流电阻。 显然显然R 的数值越大，较小的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的变化就可引起足够大的的VR变化，就可达到足够的稳压效果。变化，就可达到足够的稳压效果。 但但R 的数值越大，就需要较大的输入电压的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损值，损耗就要加大。耗就要加大。稳压电阻的计算如下稳压电阻的计算如下 当当输入电压最小，负载电流最大输入电压最小，负载电流最大时，流过稳时，流过稳压二极管的电流最小。此时压二极管的电流最小。此时I IZ Z不应小于不应小于I IZminZmin，由此可计算出由此可计算出稳压电阻的最大值稳压电阻的最大值，实际选

21、用的，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即稳压电阻应小于最大值。即LmaxZminZIminmax=IIVVR 当当输入电压最大，负载电流最小输入电压最大，负载电流最小时，流过时，流过 稳压二极管的电流最大。此时稳压二极管的电流最大。此时I IZ Z不应超过不应超过I IZmaxZmax，由，由 此可计算出此可计算出稳压电阻的最小值稳压电阻的最小值。即。即LminZmaxZImaxmin=IIVVRmaxminRRR(1)(1)(2)(2) 稳压二极管在使用时稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！否则会造成损

22、坏！10.3.3 10.3.3 基准源基准源基准源基准源 一般是指击穿电压十分稳定，电压一般是指击穿电压十分稳定，电压温度系数经过补偿了的稳压二极管温度系数经过补偿了的稳压二极管。也称为参考源也称为参考源这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个1010-6-6/。 型号型号 稳定电压稳定电压(V) 工作电流工作电流(mA) 电压温度系数电压温度系数(10 -6/ ) MC1403 2.51 1.2 10100 . LM136/236/336 2.5 1

23、0 30 5.0 10 30 . TL431 2.536 0.4100 50 . LM3999 6.955 10 5 . AD2710K/L 10.0001mV 10 2/1 . MAX676 4.0960.01 5 1 677 5.0000.01 5 1 678 10.0000.01 5 1 .典型的基准源典型的基准源10.4 线性串联型稳压电源线性串联型稳压电源 稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳

24、压出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大，效率低。大，效率低。10.4.1 线性串联型稳压电路的工作原理10.4.2 稳压电路的保护环节10.4.3 三端集成稳压器10.4.1 10.4.1 线性串联型稳压电路的工作原理线性串联型稳压电路的工作原理(1) (1) 线性串联型稳压电源的构成线性串联型稳压电源的构成线性串联稳压电源的工作原理可用图线性串联稳压电源的工作原理可用图10.0310.03

25、来说明。来说明。 显然，显然，VO =VI- -VR，当，当VI增加时，增加时，R 受控制而增加，受控制而增加，使使VR增加，从而在一定程增加，从而在一定程度上抵消了度上抵消了VI增加对输出电增加对输出电压的影响。若负载电流压的影响。若负载电流IL增增加，加，R受控制而减小，使受控制而减小，使VR减小，从而在一定程度上抵减小，从而在一定程度上抵消了因消了因IL增加，使增加，使VI减小，减小，对输出电压减小的影响。对输出电压减小的影响。 图图16.03 16.03 串联稳压电源串联稳压电源 示意图示意图 图图10.03 10.03 串联稳压电源串联稳压电源 示意图示意图 在实际电路中，可变电阻R

26、是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图10.04所示。它由调整管、比较放大环节、取样环节、基准电压调整管、比较放大环节、取样环节、基准电压源源几个部分组成。 图图10.04 10.04 串联型稳压电路方框图串联型稳压电路方框图(2) (2) 线性串联型稳压电源的工作原理线性串联型稳压电源的工作原理 根据图根据图10.0410.04分分两种情况两种情况来加以讨论。来加以讨论。1 1输入电压变化，输入电压变化，负载电流保持不变负载电流保持不变 输入电压输入电

27、压VI的增加，必然会使输出电压的增加，必然会使输出电压VO有所增有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号加，输出电压经过取样电路取出一部分信号Vf与基准与基准源电压源电压VREF比较，获得误差信号比较，获得误差信号V。误差信号经放。误差信号经放大后，用大后，用VO1去控制调整管的管压降去控制调整管的管压降VCE增加，从而增加，从而抵消输入电压增加的影响。抵消输入电压增加的影响。 VIVOVfVO1VCEVO2 2负载电流变化，输入电压保持不变负载电流变化，输入电压保持不变 负载电流负载电流IL的增加，使输出电压的增加，使输出电压VO必然有所下降，必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号经过

28、取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压与基准源电压VREF比较，获得的误差信号使比较，获得的误差信号使VO1增加，从而使调整管的增加，从而使调整管的管压降管压降VCE下降，从而抵消因下降，从而抵消因IL增加，使输入电压减增加，使输入电压减小的影响。小的影响。 ILVOVfVO1VCEVO3.3.输出电压调节范围的计算输出电压调节范围的计算根据图根据图10.0410.04可知可知VfVREFREF2321O1O)+(1=VRRRRVV调节调节R2显然可以改变输出电压。显然可以改变输出电压。串联型稳压电路的方框图(四个基本组成部分）10.4.2 稳压电路的保护环节 串联型稳压电源的内阻很小，如果输

29、出端短路，串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。过载也会造成损坏。 保护的方法保护的方法反馈保护型反馈保护型温度保护型温度保护型截流型截流型限流型限流型利用集成电路制造工艺，利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作在调整管旁制作PN结温度传感器。结温度传感器。当温度超标时，启动保护电路工作，当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。工作原理与反馈保护型相同。10.4.3 10.4.3 三端集成稳压器三端集成稳压器(1)(1)概述概述 将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。早期的集成稳压器