整流濾波電路63776課件

10整流濾波電路10.1單相整流電路10.2濾波電路電子電路工作時都需要直流電源提供能量，電池因使用費用高，一般只用于低功耗便攜式的儀器設備中。本章討論如何把交流電源變換為直流穩(wěn)壓電源，一般直流電源由如下部分組成：

整流電路是將工頻交流電轉為具有直流電成分的脈動直流電。

濾波電路是將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。

穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用負反饋技術進一步穩(wěn)定直流電壓。直流電源的方框圖如圖10.01所示。10.1.1.1單相橋式整流電路10.1.1.2單相半波整流電路10.1.1.3單相全波整流電路10.1單相整流濾波電路10.1.1單相整流電路

在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關運用，具有單向導電性。根據(jù)圖10.02(a)的電路圖可知：當正半周時二極管D1、D3導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。在負載電阻上正負半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖10.02(b)。當負半周時二極管D2、D4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。（動畫10-1）（動畫10-2）根據(jù)圖10.02（b）可知，輸出電壓是單相脈動電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為（2）參數(shù)計算流過負載的平均電流為流過二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓

流過負載的脈動電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動電壓做傅里葉分析。此時諧波分量中的二次諧波幅度最大，最低次諧波的幅值與平均值的比值稱為脈動系數(shù)S。10.1.1.2單相半波整流電路單相整流電路除橋式整流電路外，還有單相半波和全波兩種形式。單相半波整流電路如圖10.04(a)所示，波形圖如圖10.04(b)所示。(a)電路圖(b)波形圖圖10.04單相半波整流電路根據(jù)圖10.04可知，輸出電壓在一個工頻周期內，只是正半周導電，在負載上得到的是半個正弦波。負載上輸出平均電壓為流過負載和二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓

單相全波整流電路如圖10.05(a)所示，波形圖如圖10.05(b)所示。10.1.1.3單相全波整流電路(a)電路圖圖10.05單相全波整流電路(b)波形圖2/6/2023注意，整流電路中的二極管是作為開關運用的。整流電路既有交流量，又有直流量，通常對:

輸入（交流）—用有效值或最大值；

輸出（交直流）—用平均值；

整流管正向電流—用平均值；

整流管反向電壓—用最大值。單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而半波和全波整流電路中均有直流分量流過。所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣的功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應用于直流電源之中。10.2濾波電路10.2.1電容濾波電路10.2.2電感濾波電路10.1.2.1電容濾波電路

(1)濾波的基本概念

濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應該并聯(lián)在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應與負載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質量。

當v2到達90°時，v2開始下降。先假設二極管關斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負載ＲL放電。指數(shù)放電起始點的放電速率很大。(3)濾波原理

若電路處于正半周，二極管D1、D3導通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時C相當于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2

，是正弦形。

圖10.07電容濾波波形圖

所以，在t1到t2時刻，二極管導電，Ｃ充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時刻二極管關斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為RLC。電容濾波過程見圖10.07。

在剛過90°時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過90°時二極管仍然導通。在超過90°后的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，當剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時，二極管關斷。

需要指出的是，當放電時間常數(shù)RLC增加時，t1點要右移，t2點要左移，二極管關斷時間加長，導通角減小，見曲線3；反之，RLC減少時，導通角增加。顯然，當ＲL很小，即IL很大時，電容濾波的效果不好，見圖10.08濾波曲線中的2。反之，當ＲL很大，即IL很小時，盡管C較小,RLC仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。問題：有Ｃ無ＲL即空載，此時VC=VL=？圖10.08電容濾波的效果(動畫10-3）(動畫10-4）(4)電容濾波的計算

電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即

另一種是在RLC=(35)T/2的條件下，近似認為VL=VO=1.2V2。（或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應滿足RLC≥6~10。）*使用條件：10.1.2.2電感濾波電路

利用儲能元件電感器Ｌ的電流不能突變的性質，把電感Ｌ與整流電路的負載ＲL相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。

圖10.10電感濾波電路圖10.11波形圖電感濾波電路如圖10.10所示。電感濾波的波形圖如圖10.11所示。當v2正半周時，D1、D3導電，電感中的電流將滯后v2。當負半周時，電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。因橋式電路的對稱性，和電感中電流的連續(xù)性，四個二極管D1、D3；D2、D4的導通角都是180°。（動畫10-5）10.2穩(wěn)壓電路10.2.1穩(wěn)壓電路概述10.2.2硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路10.2.3線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源10.2.4開關型穩(wěn)壓電源

引起輸出電壓變化的原因是負載電流的變化和輸入電壓的變化，參見圖16.01。10.2.1.1引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因負載電流的變化會在整流電源的內阻上產(chǎn)生電壓降，從而使輸入電壓發(fā)生變化。圖16.01穩(wěn)壓電源方框圖即10.2.1.2穩(wěn)壓電路的技術指標用穩(wěn)壓電路的技術指標去衡量穩(wěn)壓電路性能的高低。VI和

IO引起的

VO可用下式表示

(1)穩(wěn)壓系數(shù)Sr定義為有時穩(wěn)壓系數(shù)也用下式定義當輸出電流從零變化到最大額定值時，輸出電壓的相對變化值。（4）電流調整率SI

(3)輸出電阻Ro

(2)電壓調整率SV一般特指ΔVi/Vi=±10%時的Sr10.2.2硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路10.2.2.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理10.2.2.2穩(wěn)壓電阻的計算10.2.2.3基準源10.2.2.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的電路圖如圖16.02所示。

它是利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性穩(wěn)壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化。圖16.02硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(1)當輸入電壓變化時如何穩(wěn)壓根據(jù)電路圖可知

輸入電壓VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：這里VO減小應理解為，由于輸入電壓VI的增加，在穩(wěn)壓二極管的調節(jié)下，使VO的增加沒有那么大而已。VO還是要增加一點的，這是一個有差調節(jié)系統(tǒng)。VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓圖16.02硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(2)當負載電流變化時如何穩(wěn)壓

負載電流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：

IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑10.2.2.2穩(wěn)壓電阻的計算穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能與穩(wěn)壓二極管擊穿特性的動態(tài)電阻有關，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關。穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓電阻R越大，穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)壓電阻R

的作用將穩(wěn)壓二極管電流的變化轉換為電壓的變化，從而起到調節(jié)作用，同時R也是限流電阻。

顯然R的數(shù)值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化，就可達到足夠的穩(wěn)壓效果。但R的數(shù)值越大，就需要較大的輸入電壓VI值，損耗就要加大。穩(wěn)壓電阻的計算如下

當輸入電壓最小，負載電流最大時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時IZ不應小于IZmin，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實際選用的穩(wěn)壓電阻應小于最大值。即

當輸入電壓最大，負載電流最小時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時IZ不應超過IZmax，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即(1)(2)穩(wěn)壓二極管在使用時一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規(guī)定值，否則會造成損壞！10.2.2.3基準源基準源一般是指擊穿電壓十分穩(wěn)定，電壓溫度系數(shù)經(jīng)過補償了的穩(wěn)壓二極管。也稱為參考源這種穩(wěn)壓二極管采用一種埋層工藝，穩(wěn)壓性能優(yōu)良，有的還加有溫度控制電路，使其溫度系數(shù)可小到幾個10-6/℃。

型號穩(wěn)定電壓(V)工作電流(mA)電壓溫度系數(shù)(10

-6/℃)MC14032.5±1％1.210～100.

LM136/236/3362.510305.01030.

TL4312.5～360.4～10050.LM3999±6.95±5％105.AD2710K/L10.000±1mV102/1.MAX6764.096±0.01％516775.000±0.01％5167810.000±0.01％51.典型的基準源10.2.3線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓二極管的缺點是工作電流較小，穩(wěn)定電壓值不能連續(xù)調節(jié)。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作電流較大，輸出電壓一般可連續(xù)調節(jié)，穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前這種穩(wěn)壓電源已經(jīng)制成單片集成電路，廣泛應用在各種電子儀器和電子電路之中。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的缺點是損耗較大，效率低。10.2.3.1

線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理10.2.3.2

穩(wěn)壓電路的保護環(huán)節(jié)10.2.3.3

三端集成穩(wěn)壓器10.2.3.1線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理(1)線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構成線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源的工作原理可用圖16.03來說明。

顯然，VO=VI-VR，當VI增加時，R受控制而增加，使VR增加，從而在一定程度上抵消了VI增加對輸出電壓的影響。若負載電流IL增加，R受控制而減小，使VR減小，從而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI減小，對輸出電壓減小的影響。圖16.03串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖圖16.03串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖

在實際電路中，可變電阻R是用一個三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降VCE，VCE相當于VR。要想輸出電壓穩(wěn)定，必須按電壓負反饋電路的模式來構成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖16.04所示。它由調整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準電壓源幾個部分組成。

圖16.04串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖(2)線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理

根據(jù)圖16.04分兩種情況來加以討論。1．輸入電壓變化，負載電流保持不變

輸入電壓VI的增加，必然會使輸出電壓VO有所增加，輸出電壓經(jīng)過取樣電路取出一部分信號Vf與基準源電壓VREF比較，獲得誤差信號ΔV。誤差信號經(jīng)放大后，用VO1去控制調整管的管壓降VCE增加，從而抵消輸入電壓增加的影響。

VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓（動畫16-2）2．負載電流變化，輸入電壓保持不變

負載電流IL的增加，必然會使輸入電壓VI有所減小，輸出電壓VO必然有所下降，經(jīng)過取樣電路取出一部分信號Vf與基準源電壓VREF比較，獲得的誤差信號使VO1增加，從而使調整管的管壓降VCE下降，從而抵消因IL增加，使輸入電壓減小的影響。IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑3.輸出電壓調節(jié)范圍的計算根據(jù)圖16.04可知Vf≈VREF調節(jié)R2顯然可以改變輸出電壓。（動畫16-1）10.2.3.2

穩(wěn)壓電路的保護環(huán)節(jié)

串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的內阻很小，如果輸出端短路，則輸出短路電流很大。同時輸入電壓將全部降落在調整管上，使調整管的功耗大大增加，調整管將因過損耗發(fā)熱而損壞，為此必須對穩(wěn)壓電源的短路進行保護。過載也會造成損壞。保護的方法反饋保護型溫度保護型截流型限流型利用集成電路制造工藝，在調整管旁制作PN結溫度傳感器。當溫度超標時，啟動保護電路工作，工作原理與反饋保護型相同。截流型限流型當發(fā)生短路時，通過保護電路使調整管截止，從而限制了短路電流，使之接近為零。截流特性見圖16.05。是當發(fā)生短路時，通過電路中取樣電阻的反饋作用，輸出電流得以限制。限流特性見圖16.06。

圖16.05截流型特性

圖16.06限流型特性10.2.3.3三端集成穩(wěn)壓器(1)概述

將串聯(lián)穩(wěn)壓電源和保護電路集成在一起就是集成穩(wěn)壓器。早期的集成穩(wěn)壓器外引線較多，現(xiàn)在的集成穩(wěn)壓器只有三個：輸入端、輸出端和公共端，稱為三端集成穩(wěn)壓器。它的電路符號見圖16.07，外形如圖16.08所示。

圖16.07集成穩(wěn)壓器符號要特別注意，不同型號，不同封裝的集成穩(wěn)壓器，它們三個電極的位置是不同的，要查手冊確定。圖16.08外形圖照片(2)線性三端集成穩(wěn)壓器的分類三端集成穩(wěn)壓器有如下幾種：1.三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器，國標型號為CW78--/CW78M--/CW78L--2.三端固定負輸出集成穩(wěn)壓器，國標型號為CW79--/CW79M--/CW79L--3.三端可調正輸出集成穩(wěn)壓器，國標型號為CW117--/CW117M--/CW117L-CW217--/CW217M--/CW217L--CW317--/CW317M--/CW317L--4.三端可調負輸出集成穩(wěn)壓器，國標型號為CW137--/CW137M--/CW137L-CW237--/CW237M--CW237L--CW337--/CW337M--/CW337L--5.三端低壓差集成穩(wěn)壓器6.大電流三端集成穩(wěn)壓器

以上1---為軍品級；2---為工業(yè)品級；3---為民品級。

軍品級為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-55℃～150℃；

工業(yè)品級為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-25℃～150℃；

民品級多為塑料封裝，工作溫度范圍0℃～125℃。(3)應用電路三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應用電路如圖16.09所示?？烧{輸出三端集成穩(wěn)壓器的內部，在輸出端和公共端之間是1.25

V的參考源，因此輸出電壓可通過電位器調節(jié)。

16.09應用電路(固定)三端可調輸出集成穩(wěn)壓器的典型應用電路如圖10.2.10所示。

圖10.2.10應用電路(可調)（4）利用三端集成穩(wěn)壓器組成恒流源

圖10.2.11穩(wěn)壓器做恒流源圖10.2.12可調穩(wěn)壓器做恒流源電路

(a)小電流恒流源

(b)大電流恒流源三端集成穩(wěn)壓器可做恒流源使用,電路見

圖10.2.11和10.2.12。10.2.4開關型穩(wěn)壓電源

為解決線性穩(wěn)壓電源功耗較大的缺點，研制了開關型穩(wěn)壓電源。開關型穩(wěn)壓電源效率可達90%以上，造價低，體積小?，F(xiàn)在開關型穩(wěn)壓電源已經(jīng)比較成熟，廣泛應用于各種電子電路之中。開關型穩(wěn)壓電源的缺點是紋波較大，用于小信號放大電路時，還應采用第二級穩(wěn)壓措施。10.2.4.1開關型穩(wěn)壓電路的工作原理10.2.4.2集成開關型穩(wěn)壓器10.2.4.1開關型穩(wěn)壓電路的工作原理

開關型穩(wěn)壓電源的原理可用圖10.2.13的電路加以說明。它由調整管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準源等部分構成。圖10.2.13開關型穩(wěn)壓電源原理圖

三角波發(fā)生器通過比較器產(chǎn)生一個方波vB，去控制調整管的通斷。調整管導通時，向電感充電。當調整管截止時，必須給電感中的電流提供一個泄放通路。續(xù)流二極管D即可起到這個作用，有利于保護調整管。

根據(jù)電路圖的接線，當三角波的幅度小于比較放大器的輸出時，比較器輸出高電平，對應調整管的導通時間為ton；反之輸出為低電平，對應調整管的截止時間toff。輸出波形中電位水平高于高電平最小值的部分，對方波而言，相當方波存在的部分。輸出波形中電位水平低于低電平最大值的部分，對方波而言，相當方波不存在的部分。

為了穩(wěn)定輸出電壓，應按電壓負反饋方式引入反饋，以確定基準源和比較放大器的連線。設輸出電壓增加，F(xiàn)VO增加，比較放大器的輸出Vf減小，比較器方波輸出的toff增加，調整管導通時間減小，輸出電壓下降。起到了穩(wěn)壓作用。

各點波形見圖10.2.14。由于調整管發(fā)射極輸出為方波，有濾波電感的存在，使輸出電流iL為鋸齒波，趨于平滑。輸出則為帶紋波的直流電壓。

圖10.2.14開關電源波形圖分析見下頁

可以通過改變比較器輸出方波的寬度（占空比）來控制輸出電壓值。這種控制方式稱為脈沖寬度調制(PWM)。q稱為占空比方波高電平的時間占整個周期的百分比。在輸入電壓一定時，輸出電壓與占空比成正比。

忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為vE的平均分量。于是有1．調整管工作在開關狀態(tài)，功耗大大降低，電源效率大為提高；2．調整管在開關狀態(tài)下工作，為得到直流輸出，必須在輸出端加濾波器；3．可通過脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值；4．在許多場合可以省去電源變壓器；5．由于開關頻率較高，濾波電容和濾波電感的體積可大大減小。由以上分析可以得出如下結論：10.2.4.2集成開關型穩(wěn)壓器典型的開關電源控制器和開關電源見下表

型號電源范圍/V最大輸出電流/A內部參考源/V輸出級形式TL4947～400.25推挽或單端SG35248～350.15推挽SG35258～350.55推挽LM25753.5～3511.23_

表中前三個是開關電源控制器，后一個是單片開關電源穩(wěn)壓器。實際上就是一個脈沖寬度調制（PWM）控制器，經(jīng)常也用于其它脈寬調制場合。集成開關穩(wěn)壓器，一般有兩大類型。一類是包括調整管在內的集成開關穩(wěn)壓器;另一類稱為開關電源控制器，它不包括調整管。(1)開關穩(wěn)壓電源概述

利用開關電源控制器可以方便地構成開關電源。SG3524是一個典型的性能優(yōu)良的開關電源控制器，其內部的結構框圖如圖10.2.15所示。

(2)開關穩(wěn)壓電源控制器SG3524圖10.2.15SG3524的內部方框圖

它的內部包括誤差放大器、限流保護環(huán)節(jié)、比較器、振蕩器、觸發(fā)器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等