整流滤波电路的设计

电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高,一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源。一般直流电源由如下部分组成:整流电路是将工频交流电转换为脉动直流电。滤波电路将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。稳压电路采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。直流电源的方框图如图所示。图15.01整流滤波方框图15.1单相整流电路单相桥式整流电路(1)工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图（a）所示。在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图（a）的电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。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。单相桥式整流电路的波形图见图（b）。(2)参数计算根据图（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为（a）桥式整流电路（b）波形图图15.02单相桥式整流电路（动画15-1）（动画15-2）

流过负载的平均电流为流过二极管的平均电流为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。脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。（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出电压与负载电流之间的关系

该曲线如图15.03所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。

单相桥式整流电路的负载特性曲线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单相全波两种形式。单相半波整流电路如图15.04(a)所示，波形图如图15.04(b)所示。根据图可知，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流过负载和二极管的平均电流为(a)电路图(b)波形图图15.04单相半波整流电路二极管所承受的最大反向电压单相全波整流电路单相全波整流电路如图15.05(a)所示，波形图如图15.05(b)所示。(a)电路图(b)波形图图15.05单相全波整流电路根据图（b）可知，全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出相同。输出平均电压为流过负载的平均电流为二极管所承受的最大反向电压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。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量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，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，故广泛应用于直流电源之中。注意，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，通常对输入（交流）——用有效值或最大值；输出（交直流）——用平均值；整流管正向电流——用平均值；整流管反向电压——用最大值。15.2滤波电路电容滤波电路(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整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图15.06电容滤波电路(3)滤波原理若v2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，是正弦波。当v2到达wt=p/2时，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ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过wt=p/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍然导通。在超过wt=p/2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。所以在t2到t3时刻，二极管导电，Ｃ充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图。图15.07电容滤波电路波形需要指出的是，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；反之，RLC减少时，导通角增加。显然。当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图滤波曲线中的2。反之，当ＲL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。

图15.08电容滤波的效果（动画15-3）（动画15-4）

问题：有Ｃ无ＲL即空载，此时VC=VO=？(4)电容滤波电路参数的计算电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即另一种是在RLC=（3~5）的条件下，近似认为VOV2。(5)外特性

整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图所示。图15.09电容滤波外特性曲线

名称VO(空载)VO(带载)二极管反向最大电压每管平均电流半波整流IO全波整流、电容滤波V2*IO桥式整流、电容滤波V2*IO桥式整流、电感滤波V2IO*使用条件：

电感滤波电路利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。桥式整流电感滤波电路如图所示。电感滤波的波形图如图所示。当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将更换经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角都是180°。图15.10电感滤波电路图15.11电感滤波电路波形图（动画15-5）整流滤波电路的输出直流电压与电网电压和负载电流有关。当V2和Io变化时，输出电压Vo也将跟随变化，为了克服这种影响，在整流滤波后面还需要增加稳压电路。

第十六章稳压电路16.1稳压电路概述引起输出电压不稳定的原因

理想的稳压电路输出电阻Ro=0,则Vo与负载RL无关，为了降低Ro,稳定Vo,高质量的稳压电路必须采用深

度电压负反馈以改善电路性能。

引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图。负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。即图16.01稳压电源方框图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的高低。DVI和DIO引起的DVO可用下式表示。(1)稳压系数Sr稳压系数的定义为（2）电压调整率SV电压调整率是特指ΔVI/VI=±10%时的Sr。（3）输出电阻Ro（4）电流调整率SI电流调整率SI的定义是当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。（5）纹波抑制比SripSrip定义为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。（6）输出电压的温度系数ST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。

16.2硅稳压二极管稳压电路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图所示。它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。图16.02硅稳压二极管稳压电路（1）

当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓

这里VO减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。（2）

当负载电流变化时如何稳压负载电流IO的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压=VO增加。这一稳压过程可概括如下：IO↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑

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穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关。稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好。稳压电阻R的作用是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R也是限流电阻。显然，R的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的VR变化，就可达到足够的稳压效果。但R的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加大。稳压电阻的计算如下。（1）当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此计算出来稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即（2）当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出来稳压电阻的最小值。即稳压二极管在使用时，一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！基准源基准源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。基准源也称为参考源。这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个10-6/℃。典型的基准源见下表。基准源型号稳定电压(V)工作电流(mA)电压温度系数(10-6/℃)±1％1.210～100LM136/236/3362.510305.01030TL4312.5～360.4～10050LM3999±±5％105±1mV102/1±0.01％51±0.01％51±0.01％51

16.3线性串联型稳压电源稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压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大、效率低。线性串联型稳压电路的工作原理(1)线性串联型稳压电源的构成线性串联型稳压电源的工作原理可以用图加以说明。图16.03串联稳压电源示意图显然，VO=VI-VR，当VI增加时，R受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流IL增加，R受控制而减小，使VR减小，从而在一定程度上抵消了因IL增加（或VI减小）对输出电压的影响。在实际电路中，可变电阻R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所示。它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源几个部分组成。图16.04串联型稳压电路方框图(2)线性串联型稳压电源的工作原理根据图，分两种情况来加以讨论。1．输入电压变化，负载电流保持不变输入电压VI的增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号VF与基准源电压VREF比较，获得误差信号ΔV。误差信号经放大后，用VO1去控制调整管的管压降VCE增加，从而抵消输入电压增加的影响。VI↑→VO↑→VF↑→VO1↓→VCE↑→VO↓

2．负载电流变化，输入电压保持不变负载电流IL的增加，必然会使输入电压VI有所减小，输出电压VO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号VF与基准电压源VREF比较，获得的误差信号ΔV。经放大后使VO1增加，从而使调整管的管压降VCE下降，从而抵消因IL增加使输入电压减小的影响。IL↑→VI↓→VO↓→VF↓→VO1↑→VCE↓→VO↑

3．输出电压调节范围的计算根据图16.04可知VF≈VREF

VF=Vo(R2''+R3)/(R1+R2+R3)=nVo其中n为取样系数，n=(R2''+R3)/(R1+R2+R3)所以，

Vo=VREF/n

调节R2显然可以改变输出电压。（动画16-1）（动画16-2）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。过载也会造成损坏。保护的方法有反馈保护型和温度保护型两种。反馈保护型又分截流型和限流型两种，它们的保护特性如图和图所示。温度保护型是利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器，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。图16.05截流型特性图16.06限流型特性截流型是当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零。截流特性如图所示。限流型是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，使输出电流得以限制。限流特性如图所示。三端集成稳压器(1)概述将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个外引线：输入端、输出端和公共端。它的电路符号如图16.07所示，外形如图16.08所示。要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。

图16.07集成稳压器符号图16.08外形图(2)线性三端集成稳压器的分类三端集成稳压器有如下几种：1.三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78--/CW78M--/CW78L--2.三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79--/CW79M--/CW79L--3.三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117--/CW117M--/CW117L--CW217--/CW217M--/CW217L--CW317--/CW317M--/CW317L--4.三端可调负输出集成稳压器，国标型号为CW137--/CW137M--/CW137L--CW237--/CW237M--CW237L--CW337--/CW337M--/CW337L--5.三端低压差集成稳压器6.大电流三端集成稳压器以上1——为军品级；2——为工业品级；3——为民品级。军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55℃～150℃工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25℃～150℃民品级多为塑料封装，工作温度范围0℃～125℃

(3)应用电路三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图所示,三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图所示。图16.09三端固定输出稳压器应用电路图16.10三端可调输出稳压器应用电路可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。

(4)利用三端集成稳压器组成恒流源三端集成稳压器可做恒流源使用，电路如图所示。

图16.11稳压器作恒流源

16.4开关型稳压电源为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型稳压电源。开关型稳压电源效率可达90%以上，造价低，体积小。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大，用于小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。开关型稳压电路的工作原理开关型稳压电源的原理可用图的电路加以说明。它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。图16.13开关型稳压电源原理图三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制调整管的通断。当调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管D即可起到这个作用，有利于保护调整管。根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，（输出波形中电位水平高于高电平最小值的部分，对方波而言，相当方波存在的部分）。对应调整管的导通时间为ton；反之为低电平，（输出波形中电位水平低于低电平最大值的部分，对方波而言，相当方波不存在的部分）。对应调整管的截止时间为toff。为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出VF减小，比较器方波输出toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。各点波形见图。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量。于是有

q称为占空比，方波高电平的时间占整个周期的百分比。在输入电压一定时，输出电压与占空比成正比，可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比）来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制（PWM）。图16.14开关电源波形图由以上分析可以得出如下结论：1．

调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高；2．

调整管在开关状态下工作，为得到直流输出，必须在输出端加滤波器；3．

可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；4．

在许多场合可以省去电源变压器；5．

由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减小。集成开关型稳压器(1)开关稳压电源概述集成开关稳压器，一般有两大类型。一类是包括调整管在内的集成开关稳压器;另一类称为开关电源控制器，它不包括调整管。开关电源控制器实际上就是一个脉冲宽度调制（PWM）控制器，经常也用于其它脉宽调制场合。典型的开关电源控制器和开关电源见下表。型号电源范围/V最大输出电流/A内部参考源/V输出级形式TL4947～400.25推挽SG35248～350.15推挽SG35258～350.55推挽～3511.23表中前三个是开关电源控制器，后一个是单片开关电源稳压器。(2)开关稳压电源控制器SG3524利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。SG3524是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图所示。它的内部包括误差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出三极管等环节。

图16.15SG3524的内部方框图SG3524构成开关稳压电源的典型电路如图所示。3524从11和14脚输出在时间上互相错开的两路控制信号，其开关频率由6和7脚外接的R5和C2决定。1和2脚是内部运算放大器的输入端，R1和R2构成反馈回路。16脚是基准源，由R3和R4给误差运算放大器提供一个与反馈信号比较的给定电压。V3和V4是或非门的输出，只要或非门的输入端有高电平，它的输出即为低电平。V3和V4的输出由V2、CP、Q或决定。因Q和只能有一个是高电平，T2和T1不可能同时导通。T1和T2只能按推挽方式工作，轮流交替导通。图16.16开关稳压电源应用电路SG3524电路控制过程的波形如图所示。锯齿波由振荡器提供，V1是误差放大器的输出，它们一起加到比较器上。V2是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱动T'触发器，CP、Q和V2的或非是V3，决定T1的通断。CP、和V2的或非是V4，决定T2的通断。由于Q和等宽，加上V2的存在，所以V3和V4这两路信号之间有一定的死区，以保证T1和T2管不会同时导通。当V1降低时，V2加宽，T1和T2的宽度变窄，导通时间减小。反之，当V1增加时，T1和T2的导通时间增加。图16.17SG3524的波形图(3)SG3524构成的开关稳压电源现在来讨论3524构成的开关稳压电源的工作原理，原理电路图如图所示，内部结构如图所示。设负载电流加大，Vo下降，反馈电压减小，误差放大器的输出V1增加，T1和T2的导通时间增加，输出电压Vo增加。反之，当Vo增加时，反馈电压增加，V１输出减小，T1和T2的导通时间减小，输出电压Vo减小。当三极管的电流过大时，电阻R9上的压降增加到使限流运算放大器的输出为低，即V1在大大下降，使T1和T2关断。SG3524的10脚也有保护功能，当10脚加高电平时，可以强迫V1下降，T1和T2关断。10脚与4脚可实现双重保护。由于SG3524可在较高的频率下工作，T1和T2应选用高频开关管。变压器应采用高频变压器，滤波电感和滤波电容都可以选用较小的数值。第十七章功率放大电路17.1概述功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使输出信号电压大；输出信号电流大；放大电路的输出电阻与负载匹配。电压放大器一般工作在甲类，三极管360°导电，其输出功率由功率三角形确定。甲类放大的效率不高，理论上不超过25%。（调图）功率放大电路必须考虑效率问题。为了降低静态时的工作电流，三极管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态。此时虽降低了静态工作电流，但又产生了失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用。推挽电路和互补对称电路较好地解决了乙类工作状态下的失真问题17.2乙类互补功率放大电路三极管的工作状态三极管根据导通时间可分为如下四个状态，如图所示。图17.01三极管的四种工作状态乙类互补功率放大电路的工作原理（1）电路组成乙类互补功率放大电路如图所示。它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。图17.02乙类互补功率放大电路（2）工作原理当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。当输入信号处于负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周、一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。如图17.03(a)所示。(a)波形图(动画17-1)(b)交越失真(动画17-2)图17.03乙类互补功率放大电路波形的合成严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真如图17.03所示。为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图所示。(a)利用二极管提供偏置电压(b)利用三极管恒压源提供偏置图17.04甲乙类互补功率放大电路

图（a）T2,T3基级之间的电压VBB=VBE*(R1+R2)/R2。

图(b)VBB=VD1+VD2，一般设置在1.1伏左右。（3）参数计算1．最大不失真输出功率Pomax设互补功率放大电路为乙类工作状态，输入为正弦波。忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为2．电源功率PV直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。显然PV近似与电源电压的平方成比例。3．三极管的管耗PT电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然将PT画成曲线，如图所示。显然，管耗与输出幅度有关，显然管耗与输出幅度有关，图中画阴影线的部分即代表管耗，PT与Vom成非线性关系，有一个最大值。可用PT对Vom求导的办法找出这个最大值。PTmax发生在VomVCC处，将VomVCC代入PT表达式，可得PTmax为对一只三极管图17.05乙类互补功率放大电路的管耗4．效率η当Vom=VCC时效率最大，η=π/4=