第8章直流稳压电源
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2010/12/2
∆Vo |∆T 0 S = I = Vo ∆VI = 0
模拟电子学基础
20
稳压电源的质量指标
温度系数
ST = ∆Vo |∆VI = 0 ∆T ∆Io = 0
V RR = 20 lg IP − P dB V OP − P
纹波抑制比
2010/12/2
模拟电子学基础
21
稳压二极管稳压电路
固定式稳压电路7800、7900系列等 可调式稳压电路LM317、LM117等
2010/12/2
模拟电子学基础
35
常见三端稳压器件外形和框图
（a）金属封装外形图 （b）塑料封装外形图
（c）方框图
2010/12/2
模拟电子学基础
36
固定式三端稳压器件典型应用
2010/12/2
模拟电子学基础
负载电流，取样电路电流和参考电压电 路电流分别为：
T3的电流和功耗
I C 3 =I L + I R 2 + I R 3 =105mA, PC 3 =VCE 3 × I C 3 =1.26W
2010/12/2
模拟电子学基础
34
集成串联稳压器件
从外形上开主要有三个引脚，输入端、 输出端和公共端，固又称三端稳压器件 按照输出电压是否可调可以分为：
2V2
C放电 a c
vC = vL
b
0 D1
π
D2 D4 导 电
2π
D1 D3 导 电
3π
D2 D4 导 电
4π
ωt
D3 导 电
vr
Tr a AC 220V, 50Hz市电 v1 v2 b D4 D3 D1 D2 iD2,D4 iL VL RL iD1,D3
t1
t2
T /2
0
iL iD
0
iD
v iL = L RL
结构
AC 220V, 50Hz市电 ~ v1 Tr ~ D1~D4 稳压电路 v2 + + R IR
IO
+
+ UI
I DZ
iL
UO RL
稳压原理 U ↑→ U (U ) ↑→ I ↑→ I ↑→ U ↑ I O Z Dz R R
UO ↓
2010/12/2
模拟电子学基础
22
稳压稳压性能和参数选择
稳压系数
VL 0.9V2 = RL RL
V2 2 − VL 2 = 0.483 VL
脉动系数、纹波系数
VO1M = S = 0.67 VL
2010/12/2
= Kr
模拟电子学基础
10
整流元件参数的计算
平均整流电流
I= I= = ID4 I= D1 D3 D2 V 1 = I L 0.45 2 2 RL
最大反向电压
2010/12/2
模拟电子学基础
6
整流电路
整流电路的类型
半波整流 全波整流 桥式整流 倍压整流
-
+
+ -
+
+ +
+
2010/12/2
模拟电子学基础
7
单相桥式整流电路
工作原理
利用二极管的单向导电性分析
Tr a AC 220V, 50Hz市电 v1 v2 b D4 D3 D1 D2 iD2,D4 iL VL RL iD1,D3
比较器 vB C
T
ton
−VD
L
toff
t
VREF
A
vT
T
IL
R1
C+
基准电压
三角波 发生器
D
vF
R2
RL
t
VO
控制电路
开关管T 二极管D
LC滤波
取样
2010/12/2
模拟电子学基础
t
42
串联型开关稳压电源的特点
开关转换周期(T)不变，调节占空比可以 调节输出电压，又称脉宽调制(PWM)降 压型(VO<VI)开关稳压电源； 闭环工作时，能够自动调整输出电压； 调节采样电路中的电阻比值可以改变输 出电压；
2010/12/2
U Imin − U Z U Imax − U Z = , Rmin I ZM + I Imin I Z + I Lmax
模拟电子学基础
23
串联型稳压电路
稳压管稳压电路缺点
电流输出电流较小； 输出电压不可调
串联型稳压电路
以稳压管电路为基础； 结合晶体管电流放大作用，增大负载电流 引入深度负反馈，稳定电压； 改变反馈参数，调节输出电压；
VRM = 2V2
保证二极管安全工作并考虑10%的余量
IL 2V2 = = I F 1.1 1.1 2 π RL
2010/12/2
VF = 1.1 2V2
模拟电子学基础
11
例1
已知变压器副边电压有效值 V2 = 30V ，负 载电阻RL = 100Ω，试问：
桥式整流输出电压与电流平均值各多少？ 电网电压波动范围为 ±10%，二极管的最大整 流平均电流 I F 与最高反向工作电压 VF 至少 选取多少？
ωt
θ
θ
θ
θ
ωt
2010/12/2
模拟电子学基础
15
电容滤波电路的特点
二极管导通角 θ < π ，流过二极管的瞬时 电流比较大； 负载直流平均电压VL 升高 τ d = RLC 越大， VL 越高； 直流电压 VL 随着负载电流的增加而减少， 当
T τ d ≥ (3 ~ 5) ,VL = (1.1 ~ 1.2)V2 2
2010/12/2
模拟电子学基础
8
单相桥式整流电路
v2
Tr a AC 220V, 50Hz市电 v1 v2 b D4 D1 D3 D2 iD2,D4 iL VL RL iΒιβλιοθήκη Baidu1,D3
2V2
0
π
2π
3π
4π
ωt
iD1 iD 3 iD 2 iD 4 iD1 iD 3 iD 2 iD 4
vL
Tr
~ D1~D4 + iL ~ VL RL
第七章直流稳压电源
张建秋 电子工程系
这一章，我们将做什么？
经过前面的学习，我们已经基本 掌握了模拟电子学的入门知识，本章 的内容就是如何运用这些知识去分析、 掌握实际应用电路中最重要的组成部 分之一——电源
2010/12/2
模拟电子学基础
2
直流稳压电源
电源的重要性 直流稳压电源的基本结构 整流电路 滤波电路 稳压电路
2010/12/2
模拟电子学基础
39
开关型稳压电源的种类
串联（降压）型开关稳压电源 并联（升压）型开关稳压电源 推挽自激式变换型开关稳压电源
2010/12/2
模拟电子学基础
40
串联型开关稳压电源的原理
比较放大器
VI vA
比较器 vB C
VREF
A
vT
T
L
R1
基准电压 三角波 发生器
D
C+
vF
R2
2010/12/2
模拟电子学基础
28
分析
整流电路的输出 = VI (1.1 ~ 1.2)V2 ，取1.2， = VI 1.2 = V2 24V 启动电路 当电路接通后T1的发射极初始电位为零， DZ2提供的电压使得T1导通，T1的发射极电 位上升，当后级正常工作后发射极电位为 参考电压。
2010/12/2
18
稳压电路
经过滤波之后纹波已经比较小，但是仍 然会随着电网电压、负载变化而变化， 所以需要稳压电路 稳压电路的基本类型
稳压二极管稳压电路 串联型稳压电路 开关型稳压电路
2010/12/2
模拟电子学基础
19
稳压电源的质量指标
∂Vo ∂Vo ∂Vo ∆Vo= ∆VI + ∆I o + ∆T = KV ∆VI + Ro ∆I o + ST ∆T ∂VI ∂I o ∂T
2010/12/2
模拟电子学基础
3
电源的重要性
电子电路和设备中一般需要稳定的直流 电源供电，有时甚至需要多个不同的稳 定电压，电源的质量直接影响电路设备 的可靠性
2010/12/2
模拟电子学基础
4
电源输出的典型波形
2010/12/2
模拟电子学基础
5
直流稳压电源的基本结构
将交流电网电压转换为直流电压，为电子电 路提供直流工作电源。
模拟电子学基础
2010/12/2
16
输出电压与电流的关系
纯电阻和具有 电容滤波的桥 式整流电路输 出特性
VL
2V2
0.9V2
IL
2010/12/2
模拟电子学基础
17
电感滤波电路
Tr ~ D1~D 4 L AC 220V, 50Hz市电 ~ v1 v2 + iL VL RL
2010/12/2
模拟电子学基础
2010/12/2
模拟电子学基础
31
例
(3) 计算输出电压的调节范围；
VOmin = 9V , VOmax = 18V
2010/12/2
模拟电子学基础
32
例
(4) 当VO＝12 V, RL＝150Ω，R2＝510Ω时， 计算调整管T3的功耗PC3。
2010/12/2
模拟电子学基础
33
计算
VO VO = = 13.3mA I L = 80mA, I= R3 RL R3 + Rp + R4 VO − VZ1 = I R2 = 11.7mA R2
37
可调式三端稳压器件应用
2010/12/2
模拟电子学基础
38
开关型稳压电路
线性稳压电源的主要缺点是调整管工作在放大 区，负载电流较大时调整管集电极的损耗很大 ，电源效率很低，只有40%~60%，因此还要考 虑散热； 开关型稳压电源的特点：
调整管工作在饱和与截止状态，电源效率高， 75%~95%； 无需散热，体积小，重量轻； 输出电压纹波较大；
输入电压与输出电压之间的关系
输入调整因数、电压调整率和稳压系数
∆Vo / Vo γ= = |∆Io 0 ∆VI / VI ∆T 0 =
∆Vo ∆Vo / Vo = KV |∆Io 0 SV= |∆Io 0 = ∆VI ∆T 0 ∆VI ∆T 0 = =
输出电阻和电流调整率
∆Vo |∆VI 0 K= V = ∆I o ∆T = 0
2010/12/2
模拟电子学基础
24
串联型稳压电路的框图
2010/12/2
模拟电子学基础
25
电路结构和工作原理
VI
运放处于深度 负反馈，根据 虚短虚开：
VREF R2 ' = VO R1 '+ R2 '
R
VREF
A
VB VO
Rp
VF R1 DZ R2
基准电压 比较放大
RL
调整管 取样
26
2010/12/2
0
ωt
AC 220V, 50Hz市电 v1 v2
vL
2V2 0.9V2
VL = 0.9V2
0
2010/12/2
D1 D3 D2 D4 D1 D3D2 D4
ωt
9
模拟电子学基础
负载上的直流电压和直流电流
负载上的电压和电流
VL IL =
π∫
1
π
0
2V2 sin ωt dωt =
2 2
π
V2 ≈ 0.9V2
2010/12/2
模拟电子学基础
43
并联型开关稳压电源的原理
VI +
ton
toff
L
+ vL − iL
+ vD −
iO
+
iT vDS
D
+ C
iC
RL vO
−
44
T
2010/12/2
模拟电子学基础
并联型开关稳压电源的波形
vG
T
L称为升压电感，二极管 为续流二极管，fk=1/T为 转换频率
模拟电子学基础
工作原理
最大负载电流： I Lmax = (1 + β )( I Zmax − I Z ) 电路结构特点
调整管与负载串联串联型稳压电源 调整管工作在线性区线性稳压电源
2010/12/2
模拟电子学基础
27
例
(1) 设变压器二次电压的有效值V2＝20 V， 求VI＝？说明电路中T1、R1、DZ2的作用；
RL
控制电路
2010/12/2
开关管T 二极管D
模拟电子学基础
LC滤波
取样
41
串联型开关稳压电源的波形
v A , vT , vB
toff ton t (VI − VCES ) + (−VD ) ≈ VI on = VO T T T
输出电压平均值 占空比
ton T
比较放大器
vA 0
t
q=
VI
VI vA
= VL 0.9 = V2 27V = , I L 27 /100 = 0.27 A
I F > 1.1
2010/12/2
IL 42.5V = 0.15 A, VF > 1.1 2V2 = 2
模拟电子学基础
12
桥式整流电路实现正负电源
Tr a AC 220V, 50Hz市电 v1 v2 b
2010/12/2
∆U O / U O rZ U I Sr = ≈ ∆U I / U I R + rZ U Z
电路参数选择
U O , I Lmin , I Lmax ( RLmax , RLmin ) U I = (2 ~ 3)U O UZ = U O , I ZM − I Z > I Lmax − I Lmin , I ZM ≥ I Lmax + I Z Rmax
模拟电子学基础
29
例
(2) 当VZ1＝6 V，VBE＝0.7 V，电位器RP箭 头在中间位置，不接负载电阻RL时，试计 算A、B、C、D、E点的电位和VCE3的值；
2010/12/2
模拟电子学基础
30
计算
各点电位
= 24V V= V A I VB = VO ≈ 12V = = V V V= 6V C D Z1 VE = VO + 2VBE = 13.4V VCE 3 = VA − VO = 12V
模拟电子学基础
13
滤波电路
为了进一步滤除纹波 电压需要用到滤波电路， 一般用电抗元件组成 常见的滤波电路
C型滤波电路 倒L型滤波电路 Π型滤波电路
2010/12/2
+
+
+
+
14
模拟电子学基础
电容滤波电路
RL未接入
v2 , vL , vC
RL 接入
C充电 e d
电容滤波 电路
v2 = 2V2 sin ωt
∆Vo |∆T 0 S = I = Vo ∆VI = 0
模拟电子学基础
20
稳压电源的质量指标
温度系数
ST = ∆Vo |∆VI = 0 ∆T ∆Io = 0
V RR = 20 lg IP − P dB V OP − P
纹波抑制比
2010/12/2
模拟电子学基础
21
稳压二极管稳压电路
固定式稳压电路7800、7900系列等 可调式稳压电路LM317、LM117等
2010/12/2
模拟电子学基础
35
常见三端稳压器件外形和框图
（a）金属封装外形图 （b）塑料封装外形图
（c）方框图
2010/12/2
模拟电子学基础
36
固定式三端稳压器件典型应用
2010/12/2
模拟电子学基础
负载电流，取样电路电流和参考电压电 路电流分别为：
T3的电流和功耗
I C 3 =I L + I R 2 + I R 3 =105mA, PC 3 =VCE 3 × I C 3 =1.26W
2010/12/2
模拟电子学基础
34
集成串联稳压器件
从外形上开主要有三个引脚，输入端、 输出端和公共端，固又称三端稳压器件 按照输出电压是否可调可以分为：
2V2
C放电 a c
vC = vL
b
0 D1
π
D2 D4 导 电
2π
D1 D3 导 电
3π
D2 D4 导 电
4π
ωt
D3 导 电
vr
Tr a AC 220V, 50Hz市电 v1 v2 b D4 D3 D1 D2 iD2,D4 iL VL RL iD1,D3
t1
t2
T /2
0
iL iD
0
iD
v iL = L RL
结构
AC 220V, 50Hz市电 ~ v1 Tr ~ D1~D4 稳压电路 v2 + + R IR
IO
+
+ UI
I DZ
iL
UO RL
稳压原理 U ↑→ U (U ) ↑→ I ↑→ I ↑→ U ↑ I O Z Dz R R
UO ↓
2010/12/2
模拟电子学基础
22
稳压稳压性能和参数选择
稳压系数
VL 0.9V2 = RL RL
V2 2 − VL 2 = 0.483 VL
脉动系数、纹波系数
VO1M = S = 0.67 VL
2010/12/2
= Kr
模拟电子学基础
10
整流元件参数的计算
平均整流电流
I= I= = ID4 I= D1 D3 D2 V 1 = I L 0.45 2 2 RL
最大反向电压
2010/12/2
模拟电子学基础
6
整流电路
整流电路的类型
半波整流 全波整流 桥式整流 倍压整流
-
+
+ -
+
+ +
+
2010/12/2
模拟电子学基础
7
单相桥式整流电路
工作原理
利用二极管的单向导电性分析
Tr a AC 220V, 50Hz市电 v1 v2 b D4 D3 D1 D2 iD2,D4 iL VL RL iD1,D3
比较器 vB C
T
ton
−VD
L
toff
t
VREF
A
vT
T
IL
R1
C+
基准电压
三角波 发生器
D
vF
R2
RL
t
VO
控制电路
开关管T 二极管D
LC滤波
取样
2010/12/2
模拟电子学基础
t
42
串联型开关稳压电源的特点
开关转换周期(T)不变，调节占空比可以 调节输出电压，又称脉宽调制(PWM)降 压型(VO<VI)开关稳压电源； 闭环工作时，能够自动调整输出电压； 调节采样电路中的电阻比值可以改变输 出电压；
2010/12/2
U Imin − U Z U Imax − U Z = , Rmin I ZM + I Imin I Z + I Lmax
模拟电子学基础
23
串联型稳压电路
稳压管稳压电路缺点
电流输出电流较小； 输出电压不可调
串联型稳压电路
以稳压管电路为基础； 结合晶体管电流放大作用，增大负载电流 引入深度负反馈，稳定电压； 改变反馈参数，调节输出电压；
VRM = 2V2
保证二极管安全工作并考虑10%的余量
IL 2V2 = = I F 1.1 1.1 2 π RL
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VF = 1.1 2V2
模拟电子学基础
11
例1
已知变压器副边电压有效值 V2 = 30V ，负 载电阻RL = 100Ω，试问：
桥式整流输出电压与电流平均值各多少？ 电网电压波动范围为 ±10%，二极管的最大整 流平均电流 I F 与最高反向工作电压 VF 至少 选取多少？
ωt
θ
θ
θ
θ
ωt
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模拟电子学基础
15
电容滤波电路的特点
二极管导通角 θ < π ，流过二极管的瞬时 电流比较大； 负载直流平均电压VL 升高 τ d = RLC 越大， VL 越高； 直流电压 VL 随着负载电流的增加而减少， 当
T τ d ≥ (3 ~ 5) ,VL = (1.1 ~ 1.2)V2 2
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单相桥式整流电路
v2
Tr a AC 220V, 50Hz市电 v1 v2 b D4 D1 D3 D2 iD2,D4 iL VL RL iΒιβλιοθήκη Baidu1,D3
2V2
0
π
2π
3π
4π
ωt
iD1 iD 3 iD 2 iD 4 iD1 iD 3 iD 2 iD 4
vL
Tr
~ D1~D4 + iL ~ VL RL
第七章直流稳压电源
张建秋 电子工程系
这一章，我们将做什么？
经过前面的学习，我们已经基本 掌握了模拟电子学的入门知识，本章 的内容就是如何运用这些知识去分析、 掌握实际应用电路中最重要的组成部 分之一——电源
2010/12/2
模拟电子学基础
2
直流稳压电源
电源的重要性 直流稳压电源的基本结构 整流电路 滤波电路 稳压电路
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模拟电子学基础
39
开关型稳压电源的种类
串联（降压）型开关稳压电源 并联（升压）型开关稳压电源 推挽自激式变换型开关稳压电源
2010/12/2
模拟电子学基础
40
串联型开关稳压电源的原理
比较放大器
VI vA
比较器 vB C
VREF
A
vT
T
L
R1
基准电压 三角波 发生器
D
C+
vF
R2
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模拟电子学基础
28
分析
整流电路的输出 = VI (1.1 ~ 1.2)V2 ，取1.2， = VI 1.2 = V2 24V 启动电路 当电路接通后T1的发射极初始电位为零， DZ2提供的电压使得T1导通，T1的发射极电 位上升，当后级正常工作后发射极电位为 参考电压。
2010/12/2
18
稳压电路
经过滤波之后纹波已经比较小，但是仍 然会随着电网电压、负载变化而变化， 所以需要稳压电路 稳压电路的基本类型
稳压二极管稳压电路 串联型稳压电路 开关型稳压电路
2010/12/2
模拟电子学基础
19
稳压电源的质量指标
∂Vo ∂Vo ∂Vo ∆Vo= ∆VI + ∆I o + ∆T = KV ∆VI + Ro ∆I o + ST ∆T ∂VI ∂I o ∂T
2010/12/2
模拟电子学基础
3
电源的重要性
电子电路和设备中一般需要稳定的直流 电源供电，有时甚至需要多个不同的稳 定电压，电源的质量直接影响电路设备 的可靠性
2010/12/2
模拟电子学基础
4
电源输出的典型波形
2010/12/2
模拟电子学基础
5
直流稳压电源的基本结构
将交流电网电压转换为直流电压，为电子电 路提供直流工作电源。
模拟电子学基础
2010/12/2
16
输出电压与电流的关系
纯电阻和具有 电容滤波的桥 式整流电路输 出特性
VL
2V2
0.9V2
IL
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模拟电子学基础
17
电感滤波电路
Tr ~ D1~D 4 L AC 220V, 50Hz市电 ~ v1 v2 + iL VL RL
2010/12/2
模拟电子学基础
2010/12/2
模拟电子学基础
31
例
(3) 计算输出电压的调节范围；
VOmin = 9V , VOmax = 18V
2010/12/2
模拟电子学基础
32
例
(4) 当VO＝12 V, RL＝150Ω，R2＝510Ω时， 计算调整管T3的功耗PC3。
2010/12/2
模拟电子学基础
33
计算
VO VO = = 13.3mA I L = 80mA, I= R3 RL R3 + Rp + R4 VO − VZ1 = I R2 = 11.7mA R2
37
可调式三端稳压器件应用
2010/12/2
模拟电子学基础
38
开关型稳压电路
线性稳压电源的主要缺点是调整管工作在放大 区，负载电流较大时调整管集电极的损耗很大 ，电源效率很低，只有40%~60%，因此还要考 虑散热； 开关型稳压电源的特点：
调整管工作在饱和与截止状态，电源效率高， 75%~95%； 无需散热，体积小，重量轻； 输出电压纹波较大；
输入电压与输出电压之间的关系
输入调整因数、电压调整率和稳压系数
∆Vo / Vo γ= = |∆Io 0 ∆VI / VI ∆T 0 =
∆Vo ∆Vo / Vo = KV |∆Io 0 SV= |∆Io 0 = ∆VI ∆T 0 ∆VI ∆T 0 = =
输出电阻和电流调整率
∆Vo |∆VI 0 K= V = ∆I o ∆T = 0
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模拟电子学基础
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串联型稳压电路的框图
2010/12/2
模拟电子学基础
25
电路结构和工作原理
VI
运放处于深度 负反馈，根据 虚短虚开：
VREF R2 ' = VO R1 '+ R2 '
R
VREF
A
VB VO
Rp
VF R1 DZ R2
基准电压 比较放大
RL
调整管 取样
26
2010/12/2
0
ωt
AC 220V, 50Hz市电 v1 v2
vL
2V2 0.9V2
VL = 0.9V2
0
2010/12/2
D1 D3 D2 D4 D1 D3D2 D4
ωt
9
模拟电子学基础
负载上的直流电压和直流电流
负载上的电压和电流
VL IL =
π∫
1
π
0
2V2 sin ωt dωt =
2 2
π
V2 ≈ 0.9V2
2010/12/2
模拟电子学基础
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并联型开关稳压电源的原理
VI +
ton
toff
L
+ vL − iL
+ vD −
iO
+
iT vDS
D
+ C
iC
RL vO
−
44
T
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模拟电子学基础
并联型开关稳压电源的波形
vG
T
L称为升压电感，二极管 为续流二极管，fk=1/T为 转换频率
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工作原理
最大负载电流： I Lmax = (1 + β )( I Zmax − I Z ) 电路结构特点
调整管与负载串联串联型稳压电源 调整管工作在线性区线性稳压电源
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27
例
(1) 设变压器二次电压的有效值V2＝20 V， 求VI＝？说明电路中T1、R1、DZ2的作用；
RL
控制电路
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开关管T 二极管D
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LC滤波
取样
41
串联型开关稳压电源的波形
v A , vT , vB
toff ton t (VI − VCES ) + (−VD ) ≈ VI on = VO T T T
输出电压平均值 占空比
ton T
比较放大器
vA 0
t
q=
VI
VI vA
= VL 0.9 = V2 27V = , I L 27 /100 = 0.27 A
I F > 1.1
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IL 42.5V = 0.15 A, VF > 1.1 2V2 = 2
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桥式整流电路实现正负电源
Tr a AC 220V, 50Hz市电 v1 v2 b
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∆U O / U O rZ U I Sr = ≈ ∆U I / U I R + rZ U Z
电路参数选择
U O , I Lmin , I Lmax ( RLmax , RLmin ) U I = (2 ~ 3)U O UZ = U O , I ZM − I Z > I Lmax − I Lmin , I ZM ≥ I Lmax + I Z Rmax
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29
例
(2) 当VZ1＝6 V，VBE＝0.7 V，电位器RP箭 头在中间位置，不接负载电阻RL时，试计 算A、B、C、D、E点的电位和VCE3的值；
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计算
各点电位
= 24V V= V A I VB = VO ≈ 12V = = V V V= 6V C D Z1 VE = VO + 2VBE = 13.4V VCE 3 = VA − VO = 12V
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滤波电路
为了进一步滤除纹波 电压需要用到滤波电路， 一般用电抗元件组成 常见的滤波电路
C型滤波电路 倒L型滤波电路 Π型滤波电路
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+
+
+
+
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模拟电子学基础
电容滤波电路
RL未接入
v2 , vL , vC
RL 接入
C充电 e d
电容滤波 电路
v2 = 2V2 sin ωt