《电工电子技术》-第六章

6.1单相半波整流电路

小功率直流电源功率比较小，通常采用单相交流供电，因此，本节只讨论单相整流电路。利用二极管的单向导电作用，可将交流电变为直流电，常用的二极管整流电路有单相半波整流电路和桥式整流电路等。6.1.1工作原理单相半波整流电路如图6-1(a)所示，图中Tr为电源变压器，用来将市电220V的交流电压变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。设V为整流二极管，令它为理想二极管，RL为要求直流供电的负载等效电阻。下一页返回6.1单相半波整流电路设变压器二次电压为。当u2为正半周时，由图6-1(a)可见，二极管V因正偏而导通，流过二极管的电流LD同时流过负载电阻RL，即iO=iD，负载电阻上的电压。当u2为负半周时，二极管因反偏而截止，，因此，输出电压，此时u2全部加在二极管两端，即二极管承受反向电压。

u2、uO、iO、uD波形如图6-1(b)所示，由图可见，负载上得到单方向的脉动电压。由于该电路只在u2的正半周有输出，所以称为半波整流电路。上一页下一页返回6.1单相半波整流电路6.1.2直流电压UO和直流电流IO的计算经过二极管V整流后，加在负载电阻RL上的电压和流过负载电阻RL的电流是脉动的直流电。设UO是输出电压的瞬时值在一周期内的平均值。单相半波整流电路输出电压的平均值UO为

(6.1)整流电流的平均值IO为

(6.2)上一页下一页返回6.1单相半波整流电路

式(6.1)表明，对于半波整流，纯电阻负载R:上所得到的直流电压只有变压器二次电压有效值的0.45倍，如果考虑二极管的正向电压降和变压器的损耗，则U。的数值会更低。另外，对于半波整流电路，变压器和二极管只有半个周期工作，所以电源利用率低，输出的直流成分脉动大，是半波整流电路的缺点。半波整流电路结构简单，使用元件少是其优点。综上所述，它只适用于输出电压要求不高，输出电流较小的场合。上一页返回6.2桥式整流电路

单相半波整流电路的缺点是只利用了交流电源的半个周期，且整流电路的输出电压脉动较大，为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路。桥式整流电路是工程上应用最多的一种形式。

6.2.1工作原理如图6-2(a)所示，图中，V1~V4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流，其简化电路如图6-2(b)所示。

设变压器二次电压，波形如图6-2(a)所示。在u2的正半周，即a点为正，b点为负时，V1和V3承受正向电压而导通，此时有电流流过RL，电流路径为a->V1->RL->V3->b，此时V2和V4因反偏而截止，负载RL上得到一个半波电压，如图6-2(b)中的0一二段所示。若略去二极管的正向压降，则有。下一页返回6.2桥式整流电路

在u2的负半周，即a点为负b点为正时，V1和V3因反偏而截止，V2和V4因正偏而导通，此时有电流流过RL

，电流路径为b->V2->RL->V4->a。这时RL上得到一个与段相同的半波电压如图6-3中的段所示，若略去二极管的正向压降。6.2.2输出直流电压UO和直流电流IO的计算由图6-2(a)可以看出，在交流电压u2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到但方向全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出电压平均值为UO=2x0.45U2=0.9U2上一页下一页返回6.2桥式整流电路

桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，即

ID=0.5IO=UO/(2RL)=0.45U2/RL

在u2的正半周，V1和V3导通时，可将它们看成短路，这样V2和V4就并联在u2上其承受的反向峰值电压为

同理，V2和V4导通时V1和V3截止，其承受的反向峰值电压也为。二极管承受电压的波形如图6-2(b)所示。上一页下一页返回6.2桥式整流电路由以上分析可知，桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压U。提高，脉动成分减小了。将桥式整流电路的四只二极管制作在一起，封装成为一个器件称为整流桥，其外形如图6-4所示。a和b端接交流输出电压，c和d为直流输出端，c端为正极性端、d端为负极性端。上一页返回6.3滤波电路

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分(称为纹波电压)。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。6.3.1电容滤波电路

图6-5(a)所示是在桥式整流电路输出端与负载电阻RL之间并联一个较大电容C,构成电容滤波电路。下一页返回6.3滤波电路设电容两端初始电压为零，并假设在t=0是接通电路，u2为正半周，当u2由零上升时，V1和V3导通，C被充电，同时电流经V1和V3向负载电阻供电。如果忽略二极管正向电压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此，，在u2达到最大值时，uC也达到最大值，如图6-5(b)中a点，然后u2下降，此时uC>u2,V1和V3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数，一般较大，电容电压uC按指数规律缓慢下降。当uo(uC)下降到图6-5(b)中b点后，|u2|>uC,V2和V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充、放电过程，便可得到图6-5(b)所示的输出电压波形，它近似为一锯齿形直流电压。上一页下一页返回6.3滤波电路

由图6-6(b)可见，整流电路接入滤波电容后，不仅使输出电压变得平滑、纹波显著减小，同时输出电压的平均值也增大了。输出电压平均值UO的大小与滤波电容C及负载电阻RL的大小有关，C的容量一定时，RL越大，C的放电时间常数就越大，其放电速度就越慢，输出电压也就越平滑，UO就越大。当RL开路时，。为了获得良好的滤波效果，一般取

RLC>=(3~5)T/2其中:T为输入交流电压的周期。此时输出电压的平均值近似为上一页下一页返回6.3滤波电路

在整流电路采用电容滤波后，只有当|u2|>uC时二极管才导通，故二极管的导通时间缩短，一个周期的导通角，如图6-5(b)所示。由于电容C充电的瞬时电流很大，形成了浪涌电流，容易损坏二极管，故在选择二极管时，必须留有足够的电流裕量。一般可按(2~3)IO来选择二极管。6.3.2其他形式滤波电器

1.电感滤波电路电路如图6-6所示，电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。从整流电路输出的电压中，其直流分量由于电感近似于短路而全部加到负载RL的两端，即UO=0.9U2。交流分量由于L的感抗远大于负载电阻而大部分降在电感L上，负载RL上只有很小的交流电压达到了滤除交流分量的目的。上一页下一页返回6.3滤波电路有时为了进一步减小交流电压，还可以在电感线圈的后面与负载RL并接一个滤波电容。一般电感滤波电路只用于低电压、大电流的场合。

2.型滤波电路为了进一步减小负载电压中的纹波可采用图6-7所示的型LC滤波电路。由于电容C1和C2对于交流的容抗很小，而电感L对交流阻抗很大，因此，负载RL上的纹波电压很小。若负载电流较小时，也可用电阻代替电感组成型RC滤波电路。由于电阻要消耗功率，所以，此时电源的损耗功率较大，电源效率降低如图6-8所示。上一页返回6.4稳压电路

线性集成稳压器中，由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而得到广泛应用。三端式稳压器有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，采用串联型稳压电路，所以本节先介绍串联型稳压电路的基本工作原理，然后再讨论三端集成稳压器。6.4.1串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路组成如图6-9(a)所示，它由调整管、取样电路、基准电压和比较放大电路等部分组成。由于调整管与负载串联，故称为串联型稳压电路。下一页返回6.4稳压电路图6-9(b)所示为串联型稳压电路的原理电路图。图中，V1为调整管，它工作在线性放大区，故又称为线性稳压电路。R3和稳压管V2组成基准电压源，为集成运算放大器A的反向输入端，集成放大器A构成比较放大电路，用来对取样电压与基准电压的差值进行放大。当输入电压U1增大(或负载电流IO减小)而引起输出电压UO增加时，取样电压UF随之增大，UZ与UF的差值减小，经A放大后使调整管的基极电压UB1减小，集电极IC1减小，管压降UCE增大，输出电压UO减小，从而使得稳压电路的输出电压上升趋势受到抑制，稳定了输出电压。同理，当输入电压U1减小或负载电流IO增大引起UO减小时，电路将产生与上述相反的稳压过程，亦将维持输出电压基本不变。上一页下一页返回6.4稳压电路由图6-9(b)可得由于，所以稳压电路输出电压UO等于由此可见，通过调节电位器RP的动端，即可调节输出电压UO的大小。上一页下一页返回6.4稳压电路6.4.2三端固定输出集成稳压器三端固定输出集成稳压通用产品有CW7800系列(正电源)和CW7900系列(负电源)。输出电压由具体型号中的后两个数字代表，有SV,6V,12V,15V,18V,24V等档次。其额定输出电流以78或(79)后面所加字母来区分。L表示0.1A,M表示0.5A，无字母表示1.5A。例如，CW7805表示输出电压为+5V，额定输出电流为1.5A。

图6-10所示为CW7800和CW7900系列塑料封装和金属封装三端集成稳压的外形及引脚排列。上一页下一页返回6.4稳压电路1.内部电路结构

如图6-11所示是CW7800系列集成稳压器的内部组成。由图可知，除增加了一级启动电路外，其余部分与上面所述串联稳压电路完全一样，其基准电源的稳定性更高，保护电路更完善。

启动电路是集成稳压器中的一个特殊环节，它的作用是在U1加入后，帮助稳压器快速建立输出电压UO。调整电路由复合管构成。取样电路由内部电阻分压器构成，分压比是固定的，所以输出电压是固定的。CW7800系列稳压器中设有比较完善的保护电路，主要用来保护调整管。它具有过流、过压和热保护功能。上一页下一页返回6.4稳压电路当输出过流或短路时，流过保护电路动作以限制调整管C,E之间的压降超过一定值后，过压保护电路动作，自动降低调整管的电流，以限制调整管的功耗，使之处于安全工作区内。过热保护电路是集成稳压器独特的保护措施，当芯片温度较低时，过热保护电路不起作用，当芯片温度上升到最大允许值时，保护电路将迫使输出电流减小，芯片功耗随之减小，从而可避免稳压器因过热而损坏。

2.应用电路

(1)基本应用电路

图6-12所示为CW7800系列集成稳压器的基本应用电路。由于输出电压决定于集成稳压器，所以图6-12所示输出电压为12V，最大输出电流为1.5A。上一页下一页返回6.4稳压电路为使电路正常工作，要求输入电压U1比输出电压UO至少大2.5~3V。输入端电容C，用以抵消输入较长接线的电感效应，以防止自激震荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰。一般为0.1~11000uF。输出端电容C2和C3用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。V是保护二极管，用来防止在输入端短路时输出电容C3所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。CW7900系列的接线与CW7800系列基本相同。(2)提高输出电压的电路电路如图6-13所示，图中IQ为稳压器的静态工作电流，一般为5mA，最大可达8mA;UXX为稳压器的标称输出电压，要求I1=UXX/R1>=5IQ。整个稳压器的输出电压UO由图可得上一页下一页返回6.4稳压电路若忽略IQ的影响，则有

由此可见，提高R2与R1的比值，可提高UO。这种接法的缺点是，当输入电压变化时，IQ也变化，将降低稳压器的精度。

3.输出正、负电压的电路

图6-14所示为采用CW7815和CW7915三端稳压器各一块组成的具有同时输出+15V,-15V电压的稳压电路。上一页下一页返回6.4稳压电路4.恒流源电路集成稳压器输出端串人阻值合适的电阻，就可以构成输出恒定电流的电源，如图6-15所示。图中，RL为输出负载电阻，电源输入电压U1=10V,CW7805为金属封装，输出电压U23=5V，因此由图6-15所示可求得向RL输出的电流IO为

IO=U23/R+IQ其中:IQ是稳压器的静态工作电流，由于它受U1及温度变化的影响，所以只有当U23/R>>IQ时，输出电流IO才比较稳定。由图6-15可知，U23/R=5V/10Ω-0.5A，显然比IQ大得多，故，受In的影响很小。上一页下一页返回6.4稳压电路6.4.3三端可调输出集成稳压器三端可调输出集成稳压器是在三端固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，集成片的输入电流几乎全部流到输出端，而流到公共端的电流非常小，因此可以用少量的外元件方便地组成精密可调的稳压器，应用更为灵活。典型产品CW117/CW217/CW317系列为正电压输出，负电源系列有CW117/CW217/CW317，它们的工作温度分别为-5~150oC、-25~150oC,0~125oC。根据输出电流的大小，每个系列又分为L型系列(IO<=0.1A),M型(IO<=0.5A)。如果不标M或L的则表示该器件IO<=1.5A。CW17及CW137系列塑料直插式封装引脚排列如图6-16所示。上一页下一页返回6.4稳压电路

CW117系列的原理框图如图6-17所示。基准电路有专门的引出端子ADJ，称为电压调整端。因所有放大器和偏置电路的静态工作电流都流到稳压器的输出端，所以没有单独引出接地端。当输入电压在2~40V范围内变化时，电路均能正常工作，输出端与调整端之间的电压等于基准电压1.25V。基准电路的工作电流IF很小，约为50μA，由一恒流特性很好的恒流源提供，所以它的大小不受供电电压的影响，非常稳定。可以看出，如果将调整端直接接地，在电路正常工作时，输出电压就等于基准电压1.25V。上一页下一页返回6.4稳压电路图6-18所示为三端可调输出集成稳压器基本应用电路，V1用于防止输入短路时C4上存储的电荷产生很大的电流反向流人稳压器使之损坏。V2用于防止输出短路时C2通过调整端放电而损坏稳压器。C2用于减小处处纹波电压。R1.RP构成取样电路，这样，就构成串联型稳压电路，调节RP可改变取样比，即可调节输出电压UO的大小。该电路的输出电压UO为由于，可以略去，又因为UREF=1.25V，所以可见，当R2=0时，UO=1.25V，当R2=2.2kΩ时，。上一页下一页返回6.4稳压电路考虑到器件内部电路绝大部分的静态工作电流IQ由输出端流出，为保证负载开路时电路工作正常，必须正确选择电阻R1

。根据内部电路设计IQ=5mA。由于器件参数的分散性，实际应用中可选用IQ=10mA，这样R1的值定为取标称值120Ω。若R1取值太大，会有一部分电流不能从输出端流出，影响内部电路正常工作，使输出电压偏高。如果负载固定，R1也可取大些，只要保证I+IO>=10mAmA即可。

图6-19所示为由CW317组成的输出电压0~30V连续可调的稳压电路。图中R3和V组成稳压电路，使A点电位为-1.25V，这样，当R2=0时，UA电位与UREF相抵消，便可使UO=0V。上一页返回6.5开关电源简介

串联型稳压电路的输出电压稳定度高，输出电压可调，线路简单，工作可靠，所以得到了广泛的应用。但其在稳压过程中，调整管在放大状态，管压降大，消耗的电源能量大，特别是当电网电压升高时，其高出的整流电压必须全部降在调整管的集电极和发射极上，这时消耗的能量会更多。综上所述，串联型稳压电路的效率极低，最高也只能达到50%左右。下一页返回6.5开关电源简介但开关型稳压电源却能克服串联型稳压电路的缺点。在开关型稳压电路中，其开关工作在开关状态时，管子在截止和饱和两种状态下交替工作，由三极管的知识可知，当三极管工作在截止状态时，虽然管子的压降大，但流过管子的电流几乎为零;当管子工作在饱和状态时，流过管子的电流大，但管子压降近似为零。所以当调整管工作在开关状态时，本身的功率极低，在输出功率相同的情况下，开关型稳压电源比串联型稳压电源的效率高，一般可达85%左右。由于其自身消耗小，有时连散热片都不用，再则开关电源一般都没有笨重的工频变压器，这些都极大地降低了它的重量和体积。上一页下一页返回6.5开关电源简介

开关型稳压电路的种类繁多，如图6-20所示的就是一种开关电源的原理图，开关调整管一般由大功率三极管组成，在开关脉冲的作用下，使开关饱和导通或截止，开关脉冲的宽窄控制着调整管的导通与截止的时间比例，当调整管导通时间长，截止时间短时，输出的直流电压高，反之，则输出直流电压低。LC滤波器是将调整管输出的断续脉冲电压变成比较平滑的直流电压，然后向负载输出。比较放大器将采样电压与基准电压比较，差值电压送至脉宽调制器电路，变成脉冲控制信号去控制调整导管导通与截止时间的长短。为了帮助理解开关电源的工作原理，现以一个常用的开关电源为例来说明。上一页下一页返回6.5开关电源简介图6-21所示的是一个串联型开关稳压电源，此电源广泛用于彩色电视机的电源中。下面介绍其工作原理。

1.振荡过程

220V的电网电压经桥式整流，电容滤波后，在电容C1上得到300V的脉冲直流电压，此电源一路经开关变压器的T的P1~P2绕组加到开关管V1的集电极上，一路经启动电阻R1加到V1的基极，是开关管导通，P1~P2绕组内有电流流过，由于开关变压器的藕合作用，在开关变压器的F2~F3绕组中，会产生感应电压，此感应电压经过C2和R2也加到了V1的基极，由于是正反馈。上一页下一页返回6.5开关电源简介所以V1迅速地由导通状态进入到饱和状态，随着开关管基极正反馈支路上电容C2的充电，开关管基极电流逐渐减小，开关管退出饱和状态，F2~F3绕组产生反向感应电压在正反馈支路的作用下，V1迅速进入截止状态。开关管截止时，电容C2放电，放电通路为C2->F2~F3绕组->V4->R2->C2

。在C2放电到一定程度，开关管又在启动电阻的作用下，开始新的振荡周期。开关电源的振荡频率由C2支路的充放电时间常数确定。V1的导通时间越长，开关电源的输出电压就越高。反之，输出电压就越低。二极管V5为续流二极管，它在V1截止期间导通，为开关变压器储存的能量向负载释放提供通路，其通路为:开关变压器T的F3