滤波知识及三端稳压07.11.12

图 8.1.2 桥式整流电路 (a) 电路图 (b) 简化电路
图8.1.3桥式整流电路电压、电流波形
这时RL上得到一个与O～π 段相同的半波电压如图 8.1.3(b)中的π ～2π 段所示，若略去二极管的正向压 降，uO ≈-u2 。 由此可见，在交流电压的的整个周期始终有同方 向的电流流过负载电阻RL， 故RL上得到单方向全波脉 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 =2×0.45U2 =0.9U2 (8.1.4) 桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个 周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的 一半，即 U2 (8.1.5) 1 1 UO ID IO 0.45 2 2 RL RL
设变压器二次电压为u2= 2 U2Sinω t。当u2 为正半 周(0≤ω t≤π )时，由图8.1.1(a)可见二极管V 因正 偏而导通，流过二极管的电流 iD 同时流过负载电阻RL 即 iO= iD ，负载电阻上的电压uO=u2 。当u2 为负半周 (π ≤ω t≤2π )时，二极管因反偏而截止，iO ≈0，因 此，输出电压 uO≈0，此时u2全部加在二极管两端，即 二极管承受反向电压 uD≈u2 。 u2、uO、iO、uD波形示于图8.1.1(b)中，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。 半波整流电路输出电压的平均值UO为
由于集成稳压器具有体积小、重量轻、使用方便 和工作可靠等优点，应用越来越广泛。国产集成稳压 器种类很多，主要可以分成两大类。稳压器中调整元 件工作在线性放大状态的称为线性稳压器，调整元件 工作在开关状态的称为开关稳压器。本章先讨论整流 滤波电路的工作原理，然后重点介绍线性和开关稳压 器的工作原理及其应用，最后介绍集成直流稳压电源 的调整与测试方法。
图 8.1.8 倍压整流电路
8.2
线性集成稳压器
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， 均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。
8.1 单相整流滤波电路
小功率直流电源因功率比较小，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。 8.1.1 单相整流电路 一、半波整流电路 单相半波整流电路如图8.1.1(a)所示，图中Tr 为 电源变压器，用来将市电 220V 交流电压变换为整流 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。
一、电容滤波电路
图8.1.5(a)是在桥式整流电路输出端与负载电阻 RL并联一个较大电容 C，构成电容滤波电路。 设电容两端初始电压为零，并假定在t = 0时接通 电路，u2为正半周，当u2由零上升时，V1、V3导通，C 被充电，同时电流经V1、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，uO=uC ≈u2，在u2达到最大值时，uC 也达到最大值，见图8.1.5(b)中a点，然后u2下降，
2 2
1 uOd( t) 2
二、桥式整流电路 为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路， 如图8.1.2所示，图中，V1～V4四个整流二极管接成电 桥形式，故称为桥式整流。 设变压器二次电压u2= 2U2Sinω t，波形如图 8.1.3(a)所示。在的的正半周，即a点为正，b点为负 时，V1、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、V4因 反偏而截止，负载 RL 上得到一个半波电压，如图 8.1.3(b)中的 O～π 段所示。若略去二极管的正向压 降，则 uO ≈u2 。 在u2的负半周，即a 点为负，b点为正时， V1、V3 因反偏而截止，V2、V4正偏而导通，此时有电流流过RL， 电流路径为b →V2→RL→V4→a。
RLC≥(3～5)T/2 (8.1.7) 式中，T 为输入交流电压的周期。此时输出电压的平 均值近似为 UO ≈ 1.2U2 (8.1.8) 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θ <π ，如图8.1.5(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)I0 来选择二极管。
图8.1.5 桥式整流电容滤波电路及其波形 (a) 电路 (b) 电压、电流波形
此时uC >u2，V1、V3截止，电容C 向负载电阻RL 放电， 由于放电时间常数τ =RLC，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8.1.5(b)中 b 点 后，|u2|> uC，V2、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 8.1.5(b)所示输出电压波形，它近似为一锯齿波直流 电压。 由图8.1.5(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τ 就越大，其放电速 度越慢，输出电压就越平滑，UO 就越大。当RL 开路时， UO ≈ U2。为了获得良好的滤波效果，一般取
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图8.1.1 半波整流电路及其波形 (a) 电路图 (b) 波形图
1 UO 2
2 0 0 2UO sin(t)d(t) U2 0.45U2 (8.1.1) 流过二极管的平均电流 ID为 UO U2 ID IO 0.45 RL RL (8.1.2) 二极管承受的反向峰值电压 URM 为 U RM 2U2 (8.1.3) 半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效 率低，输出电压脉动大，因此，它只适用于要求不高 的场合。
图8.1.6 电感滤波电路
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。一般电感滤波电路只用 于低电压、大电流的场合。 2.π 型滤波电路 为了进一步减小负载电压中的纹波可采用图8.1.7 所示π 型 LC 滤波电路。由于电容C1、C2 对交流的容 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π 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。
例8.1.1 单相桥式整流电容滤波电路如图8.1.5(a)所 示，交流电源频率f=5OHz，负载电阻 RL=400，要求输 出电压 U0=2OV。试求变压器二次电压有效值U2，并选 择二极管和滤波电容。 解:由公式(8.1.8)可得 U0 20 U2 17V 1.2 1.2 通过二极管的电流平均值为
T 4 2 4 0.02s 1000 F C RL 2 40
可选取1000μ F耐压为5OV的电解电容器。 二、其他形式滤波电路 1. 电感滤波电路 电路如图8.1.6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 两端， 即U0= 0.9U2。交流分量由于L的感抗远大于负载电阻而
图8.1.7 π 型 LC 滤波电路
复习思考题 8.1.1 桥式整流电容滤波电路如图8.1.5(a)所示，已 知交流电源频率为50Hz, 变压器二次电压有效值 U2=10V，RL=50Ω ，C =2200μ F，试问:(1)输出电压UO 等于多大?(2)RL开路时，UO=?(3)C开路时，UO=?(4)二 极管V1开路时，UO=? 8.1.2 桥式整流电容滤波电路如图8.1.5(a)所示，在 电路中出现下列故障，会出现什么现象?(1)RL短路； (2)V1击穿短路；(3)V1极性接反；(4)四个二极管极性 都接反。 8.1.3 图8.1.8所示为二倍压整流电路，变压器二次电 压u2=U2Sinω t, 设二极管具有理想特性，试分析该电 路的工作原理，求出电容C1、C2上的电压，并标出电容 极性。
8.2.1 串联型稳压电路的工作原理 串联型稳压电路组成框图如图8.2.1(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。 图8.2.1(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，为集成运放A的 同相输入端提供基准电压，R1、R2和RP 组成取样电路， 它将稳压电路的输出电压分压后送到集成运放A 的反相 输入端，集成运放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 UI增大(或 负载电流 IO减小)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
将桥式整流电路的四个二极管制作在一起，封装 成为一个器件就称为整流桥，其外形如图8.1.4所示。 a、b端接交流输入电压，c、d为直流输出端，c 端为 正极性端、d端为负极性端。
图8.1.4 整流桥外形图
8.1.2 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。
图 8.2.1 串联型稳压电路 (a) 框图 (b) 原理电路图
趋势受到抑制，稳定了输出电压。同理，当输入电压 UI 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。 由图8.2.1(b)可得
R 2 UF UO R1 R2 R P
在u2的正半周，V1、V3导通时，可将它们看成短路， 这样V2、V4就并联在u2上，其承受的反向峰值电压为
U RM
2U2
(8.1.6)
同理，V2、V4导通时，V1、V3截止，其承受的反向 峰值电压也为 U RM 2U 2 。二极管承受电压的波形 如图8.1.3(d)所示。
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UO提高，脉动成分减小了。
第 8 章
集成直流稳压电源
引言
电子设备中都需要稳定的直流电源，功率较小的 直流电源大多数都是将5OHz的交流电经过整流、滤波 和稳压后获得。整流电路用来将交流电压变换为单向
脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动 电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压 电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度 变化时，维持输出直流电压的稳定。
1 1 U0 1 20V ID I0 0.25A 2 2 RL 2 40
二极管承受最高反向电压为
URM
2U2
2 17V 24V
因此应选择IF≥(2～3)ID=(0.5～0.75)A；URM > 24V的二极管，查手册可选四只2CZ55C二极管(参数:
IF =1A，URM =100V)或选用lA、100V的整流桥。 根据公式(8.1.7)，取 RLC=4×T/2，因为T=1/f， 故T =1/50=0.O2s，所以