第 1 章 功率电子线路
1.5 整流与稳压电路
1.5.1 整流电路
1.5.2 串联型稳压器
1.5.3 开关型稳压器
整流电路的功能是将电力网提供的交流电压变换为直
流电压 。 稳压电路具有调节功能, 将整流电路输出的不稳
定直流电压转换为稳定的直流电压 。
1.5.1 整流电路
整流电路有半波, 全波, 桥式三种基本形式 。
一, 半波整流电路
半波整流电路如图 1–5–1(a) 所示 。
在 图 1–5–1(a)中, Tr — 电源变压器 ； D — 整流二极
管 ； RL — 负载电阻； CL — 滤波电容 。
设 v2 =V2msin? t
忽略二极管的导通电压, 并
设导通电阻为 RD。
v2 > vo 二极管导通, 电
容充电 。
v2 < vo 二极管截止, 电
容放电 。
动态平衡后, 二极管电
流 iD = iO 是一串窄脉冲序列 。
如 图 1–5–2(a)所示, CL 一定时, RL 越小, 纹波越大 。
如 图 1–5–2(b)所示, RL 一定时, CL 越大, 纹波越 小 。
参见 图 1–5–1(b)和图 1–5–1(c),经过 RL CL 的 滤波,
输出电压是直流 电压 VO 和 一个锯齿状波动电压的叠加 。
波动电压称为纹波电压 。
直流电压 VO 及纹波电
压的大小与 RL 和 CL 的数值
有关 。
二, 全波和桥式整流电路
1,全波整流电路
全波整流电路如 图 1–5–4(a) 所
示 。
当 v2 > vO 时, 二极管导通, 所
以在 v2 的正负半周 D1 和 D2 轮流
导通 。
稳态波形如图 1–5–4(b)所示 。
O
由于电流脉冲的频率比半波整流提高一倍, 输出的直
流电流 IO 和输出电压 VO 比半波整流电路大, RL 和 CL 的
滤波作用提高, 纹波电压比半波整流电路小 。
2,桥式整流电路
图 1–5–5 桥式整流电路及其电压和电流波形
如图 1–5–5(a)所示, v2 正峰值附近 D1,D3 导通,
D2,D4 截止 。
v2 负峰值附近 D2,D4 导
通, D1,D3 截止 。
图 1-5-5 桥式整流电路及其电压和电流波形
IO 与 VO 与全波整流电路相同, 但截止时的反向
电压由两只二极管共同承担 。
电压和电流的波形如图 1
–5–5(d),(e),(f)所示 。
三, 三种整流电路的性能
1,半波整流电路
优点：元件少, 电路简单 。
缺点,VO 小, 纹波大 。
2,全波整流电路
优点,VO 大, 纹波小 。
缺点：二极管承受的反向电压高 。
3,桥式整流电路
优点,VO 大, 纹波小, 输出功率相同时, 变压器的
伏安容量比全波整流小 。
缺点：二极管数量多 。
四, 倍压整流电路
倍压整流电路如图 1–
5–9 所示 。 适用于 VO 大,
IO 小的场合 。
动态平衡后, v2 正峰
值附近 D1 导通, 向 CL1
充电, 充电电压 vO1,v2
负峰值附近 D2 导通, 向
CL2 充电, 充电电压 vO2。
负载 RL 上的电压为半波整流电路的两倍 。
同样原理可以构成多次倍压电路 。
1.5.2 串联型稳压器
一, 工作原理
1,组成
串联型稳压器的组成如图 1-5-12(a)所示 。
图 1-5-12(a) 串联稳压电路的组成方框图
串联型稳压器组成：调整
管, 取样电路, 基准电压源和
比较放大器 。
调整管 ——功率管或复合
管与负载串联 。
比较放大器 ——单管放大
器, 差分放大器, 集成运放等 。
串联型稳压器组成：调整管, 取样电路, 基准电压源
和比较放大器 。
调整管 ——功率管或复合管与负载串联 。
比较放大器 ——单管放大器, 差分放大器, 集成运放
等 。
图 1-5-12(a) 串联稳压电路的组成方框图
基准电压源 ——温度系数
很小的电压源电路 。
比较放大器 ——单管放大
器, 差分放大器, 集成运放等 。
串联型稳压器的工作原理如图 1–5–12(b)所示 。
T5 — 调整管, 工作在放大区 。
VB5 ? ? VCE5 ?。
R1,R2 取样电路 。
取样电压
O
21
2
OS VRR
RnVV
?==
基准电压 VREF
由 T1,T2 组成的差分
放大器作为比较放大器, T3、
T4 为有源负载 。
当 VS = VREF
VO = VI - VCE5 = VREF/n
若 VI 或 RL 变化使 VO 增加
VO? ? VS ?(VREF 不变 ) ? VC2 = VB5 ? ? VCES? ? VO ?。
反之亦然 。
二, 稳压性能
1,稳压系数 SV
输入电压变化 ?VI 时, 输出电压的相对变化量称为稳
压系数
恒值=?
?=
IO
O
V
V V
VS
2,负载调整率 SI
输入电压 VI 不变, 输出电流变化时, 输出电压的相对
变化量称为负载调整率
恒值,=?
?=
OIO
O
IV
I V
VS
1,稳压系数 SV
恒值=?
?=
IO
O
V
V V
VS
2,负载调整率 SI
恒值,=?
?=
OIO
O
IV
I V
VS
3,输出电阻 Ro
将稳压源等效为一个电压源时的内阻 。
恒值=?
?-=
IO
O
o
VI
VR
除以上参数外, 还有纹波抑制比 Srip 和输出电压温度系数
ST 等 。
三, 集成串联稳压电源
1,基准电压源电路
稳压二极管构成的基准电压源电路 如图 1–5–13(a)所示 。
设 T 管的
发射结和 D2、
D3 的正向导通
电压均相等,
用 V(on) 表示 。
基准电压 VREF
21
( o n )21Z2
1
21
( o n )Z
( o n )ZR E F
)2(3
2 RR
VRRVR
RRR
VV
VVV ?
-?
=?
-
--=
VZ(6 ~ 8 V)具有正温度系数, V(on) 具有负温度系数 。
满足 时, 基准 电压 VREF 的 温
度系数
TV
TV
R
RR
??
??-=-
/
/2
( o n )
Z
2
21
0R E F =?? TV
如图 1–5–
13(b)所示的 能
隙基准电压源
电路 中
?
?
??
?
?=
2
1
3
T
2 ln I
I
R
VI
忽略 T3 管的基极电流
B E ( o n ) 3
2
1
3
2
TB E ( o n )22R E F ln VI
I
R
RVVRIV ?
?
?
??
?
?=??
VT 具有正温度系数, VBE(on) 具有负温度系数 。 适当选
择电阻的比值 (R2/R3),可以使 VREF 的温度系数为零 。
2,7800 系列三端式集成串联稳压电路
典型应用电路 图 1-5-14(a)所示 。
输出电压 VO 固定, 5 V,6 V、
9 V,? ? ? 。
输入电压 VI 一般应比输出电
压高 3 V 以上 。
C1,C2 消振作用 。
内部电路 如图 1-5-14(b)所示 。
3,基准电压电路
能隙基准电路, 由 T1,T2,T7,R1,R3,R10 及 R2,T5、
T6,T3,T4 组成 。
4,比较放大器
基准电路和比较放
大器形成一个整体, 由
T3,T4,T11,有源负
载 T9 构成 CE–CC 组
和放大器 。
5,调整管
T16,T17 组成复
合调整管 。 图 1–5–14(b)
6,保护电路
过流保护, T15,R11,R12。
过热保护, T14,R7 组成, R7 具有正温度系数 。
7,启动电路
由 D1 及 T12,T13、
R4,R5,R18 等组成 。
1.5.3 开关型稳压器
开关型稳压器的调整管工作在开关状态, 通过控制开
关的启闭时间来调整输出电压 。
一, 直流 –直流变换器
1,降压型变换器
图 1–5–15(a) 原理电路
如图 1–5–15(a)所示, 电路由开关 S,续流二极管 D
和低通滤波器 L1,C2 组成 。
S 闭合,vA = VI,D 截止,
电感 L1 充电 。
S 断开,vA = 0,D 导通
(设 VD(on) = 0),电感 L1 放电 。
图 1-5-15 降压型变压器的原理电路及相应的波形
降压型变换器的波形如图 1-5-15(b)所示, 忽略 VO
上叠加的纹波电压, S 闭合 。
vL = vA - VO = VI - VO
根据
?= t LL tvLi 0 d1
onOI
1
)(1 tVVLi L -=? ?
为保持 iL 连续
0=??? -? LL ii
得 VO = dVI
T
t
tt
td on
o f fon
on =
?=
调整 d 可以就可以改变输
出电压, d 恒小于 1,所以为
降压型变换器 。
2,升压型变换器
升压型变换器 如图 1–5–
16 所示 。
图 1-5-16 升压型变换器原理电路
当 S 闭合时, D 截止,
vA = 0。
onI
1
1 tV
Li L =
??
当 S 断开时, D 导通, vA = VO。
o f fOI
1
)(1 tVVLi L -=-?
根据 求得 0=? -? LL ii ??
dVt
TVV
-== 1
1
I
o f f
IO
d 恒小于 1,所以为升压型变换器 。
开关型稳压器的调整管工作在开关状态, 所以效率比
串联型稳压器高 。 一般采用直接整流, 不需要电源变压器,
具有体积小, 重量轻的特点 。
开关型稳压器存在纹波电压高的缺点, 同时产生的电
磁干扰比串联型稳压器大 。
图 1-5-16 升压型变换器原理电路
二, 开关稳压电路的工作原理
降压型变换器构成的开关稳压电路如图 1–5–18(a)、
(b)所示 。
当 VS = VREF 时
误差放大器输出静态电压, 经电压比较器使 T1 管的
导通时间为 ton 或占空系数为 d0,稳压器的输出电压
I0
2
21
R E FO VdR
RRVV =?=
调解过程如下,
VO ? ? VS ? ? ton ? ? d ? ? VO ?
反之亦然 。
三, 开关稳压电路举例
用集成串联稳压器 LM105 构成开关稳压电路如图 1–
5 –19 所示 。
点画线框内为 LM105 的内部电路 。
在外部电路中,
T14,T15 — 开关管； L1,C2 — 低通滤波器； R9、
R10 —取样电阻； D2 — 续流二极管； R8 — 限流取样电阻；
R11,C3 — 积分电路
集成 PWMLTC1148 构成开关稳压电路如图 1–5–20
所示 。
图 1-5-20 用集成 PWMLTC1148 构成的开关稳压电路
1.5 整流与稳压电路
1.5.1 整流电路
1.5.2 串联型稳压器
1.5.3 开关型稳压器
整流电路的功能是将电力网提供的交流电压变换为直
流电压 。 稳压电路具有调节功能, 将整流电路输出的不稳
定直流电压转换为稳定的直流电压 。
1.5.1 整流电路
整流电路有半波, 全波, 桥式三种基本形式 。
一, 半波整流电路
半波整流电路如图 1–5–1(a) 所示 。
在 图 1–5–1(a)中, Tr — 电源变压器 ； D — 整流二极
管 ； RL — 负载电阻； CL — 滤波电容 。
设 v2 =V2msin? t
忽略二极管的导通电压, 并
设导通电阻为 RD。
v2 > vo 二极管导通, 电
容充电 。
v2 < vo 二极管截止, 电
容放电 。
动态平衡后, 二极管电
流 iD = iO 是一串窄脉冲序列 。
如 图 1–5–2(a)所示, CL 一定时, RL 越小, 纹波越大 。
如 图 1–5–2(b)所示, RL 一定时, CL 越大, 纹波越 小 。
参见 图 1–5–1(b)和图 1–5–1(c),经过 RL CL 的 滤波,
输出电压是直流 电压 VO 和 一个锯齿状波动电压的叠加 。
波动电压称为纹波电压 。
直流电压 VO 及纹波电
压的大小与 RL 和 CL 的数值
有关 。
二, 全波和桥式整流电路
1,全波整流电路
全波整流电路如 图 1–5–4(a) 所
示 。
当 v2 > vO 时, 二极管导通, 所
以在 v2 的正负半周 D1 和 D2 轮流
导通 。
稳态波形如图 1–5–4(b)所示 。
O
由于电流脉冲的频率比半波整流提高一倍, 输出的直
流电流 IO 和输出电压 VO 比半波整流电路大, RL 和 CL 的
滤波作用提高, 纹波电压比半波整流电路小 。
2,桥式整流电路
图 1–5–5 桥式整流电路及其电压和电流波形
如图 1–5–5(a)所示, v2 正峰值附近 D1,D3 导通,
D2,D4 截止 。
v2 负峰值附近 D2,D4 导
通, D1,D3 截止 。
图 1-5-5 桥式整流电路及其电压和电流波形
IO 与 VO 与全波整流电路相同, 但截止时的反向
电压由两只二极管共同承担 。
电压和电流的波形如图 1
–5–5(d),(e),(f)所示 。
三, 三种整流电路的性能
1,半波整流电路
优点：元件少, 电路简单 。
缺点,VO 小, 纹波大 。
2,全波整流电路
优点,VO 大, 纹波小 。
缺点：二极管承受的反向电压高 。
3,桥式整流电路
优点,VO 大, 纹波小, 输出功率相同时, 变压器的
伏安容量比全波整流小 。
缺点：二极管数量多 。
四, 倍压整流电路
倍压整流电路如图 1–
5–9 所示 。 适用于 VO 大,
IO 小的场合 。
动态平衡后, v2 正峰
值附近 D1 导通, 向 CL1
充电, 充电电压 vO1,v2
负峰值附近 D2 导通, 向
CL2 充电, 充电电压 vO2。
负载 RL 上的电压为半波整流电路的两倍 。
同样原理可以构成多次倍压电路 。
1.5.2 串联型稳压器
一, 工作原理
1,组成
串联型稳压器的组成如图 1-5-12(a)所示 。
图 1-5-12(a) 串联稳压电路的组成方框图
串联型稳压器组成：调整
管, 取样电路, 基准电压源和
比较放大器 。
调整管 ——功率管或复合
管与负载串联 。
比较放大器 ——单管放大
器, 差分放大器, 集成运放等 。
串联型稳压器组成：调整管, 取样电路, 基准电压源
和比较放大器 。
调整管 ——功率管或复合管与负载串联 。
比较放大器 ——单管放大器, 差分放大器, 集成运放
等 。
图 1-5-12(a) 串联稳压电路的组成方框图
基准电压源 ——温度系数
很小的电压源电路 。
比较放大器 ——单管放大
器, 差分放大器, 集成运放等 。
串联型稳压器的工作原理如图 1–5–12(b)所示 。
T5 — 调整管, 工作在放大区 。
VB5 ? ? VCE5 ?。
R1,R2 取样电路 。
取样电压
O
21
2
OS VRR
RnVV
?==
基准电压 VREF
由 T1,T2 组成的差分
放大器作为比较放大器, T3、
T4 为有源负载 。
当 VS = VREF
VO = VI - VCE5 = VREF/n
若 VI 或 RL 变化使 VO 增加
VO? ? VS ?(VREF 不变 ) ? VC2 = VB5 ? ? VCES? ? VO ?。
反之亦然 。
二, 稳压性能
1,稳压系数 SV
输入电压变化 ?VI 时, 输出电压的相对变化量称为稳
压系数
恒值=?
?=
IO
O
V
V V
VS
2,负载调整率 SI
输入电压 VI 不变, 输出电流变化时, 输出电压的相对
变化量称为负载调整率
恒值,=?
?=
OIO
O
IV
I V
VS
1,稳压系数 SV
恒值=?
?=
IO
O
V
V V
VS
2,负载调整率 SI
恒值,=?
?=
OIO
O
IV
I V
VS
3,输出电阻 Ro
将稳压源等效为一个电压源时的内阻 。
恒值=?
?-=
IO
O
o
VI
VR
除以上参数外, 还有纹波抑制比 Srip 和输出电压温度系数
ST 等 。
三, 集成串联稳压电源
1,基准电压源电路
稳压二极管构成的基准电压源电路 如图 1–5–13(a)所示 。
设 T 管的
发射结和 D2、
D3 的正向导通
电压均相等,
用 V(on) 表示 。
基准电压 VREF
21
( o n )21Z2
1
21
( o n )Z
( o n )ZR E F
)2(3
2 RR
VRRVR
RRR
VV
VVV ?
-?
=?
-
--=
VZ(6 ~ 8 V)具有正温度系数, V(on) 具有负温度系数 。
满足 时, 基准 电压 VREF 的 温
度系数
TV
TV
R
RR
??
??-=-
/
/2
( o n )
Z
2
21
0R E F =?? TV
如图 1–5–
13(b)所示的 能
隙基准电压源
电路 中
?
?
??
?
?=
2
1
3
T
2 ln I
I
R
VI
忽略 T3 管的基极电流
B E ( o n ) 3
2
1
3
2
TB E ( o n )22R E F ln VI
I
R
RVVRIV ?
?
?
??
?
?=??
VT 具有正温度系数, VBE(on) 具有负温度系数 。 适当选
择电阻的比值 (R2/R3),可以使 VREF 的温度系数为零 。
2,7800 系列三端式集成串联稳压电路
典型应用电路 图 1-5-14(a)所示 。
输出电压 VO 固定, 5 V,6 V、
9 V,? ? ? 。
输入电压 VI 一般应比输出电
压高 3 V 以上 。
C1,C2 消振作用 。
内部电路 如图 1-5-14(b)所示 。
3,基准电压电路
能隙基准电路, 由 T1,T2,T7,R1,R3,R10 及 R2,T5、
T6,T3,T4 组成 。
4,比较放大器
基准电路和比较放
大器形成一个整体, 由
T3,T4,T11,有源负
载 T9 构成 CE–CC 组
和放大器 。
5,调整管
T16,T17 组成复
合调整管 。 图 1–5–14(b)
6,保护电路
过流保护, T15,R11,R12。
过热保护, T14,R7 组成, R7 具有正温度系数 。
7,启动电路
由 D1 及 T12,T13、
R4,R5,R18 等组成 。
1.5.3 开关型稳压器
开关型稳压器的调整管工作在开关状态, 通过控制开
关的启闭时间来调整输出电压 。
一, 直流 –直流变换器
1,降压型变换器
图 1–5–15(a) 原理电路
如图 1–5–15(a)所示, 电路由开关 S,续流二极管 D
和低通滤波器 L1,C2 组成 。
S 闭合,vA = VI,D 截止,
电感 L1 充电 。
S 断开,vA = 0,D 导通
(设 VD(on) = 0),电感 L1 放电 。
图 1-5-15 降压型变压器的原理电路及相应的波形
降压型变换器的波形如图 1-5-15(b)所示, 忽略 VO
上叠加的纹波电压, S 闭合 。
vL = vA - VO = VI - VO
根据
?= t LL tvLi 0 d1
onOI
1
)(1 tVVLi L -=? ?
为保持 iL 连续
0=??? -? LL ii
得 VO = dVI
T
t
tt
td on
o f fon
on =
?=
调整 d 可以就可以改变输
出电压, d 恒小于 1,所以为
降压型变换器 。
2,升压型变换器
升压型变换器 如图 1–5–
16 所示 。
图 1-5-16 升压型变换器原理电路
当 S 闭合时, D 截止,
vA = 0。
onI
1
1 tV
Li L =
??
当 S 断开时, D 导通, vA = VO。
o f fOI
1
)(1 tVVLi L -=-?
根据 求得 0=? -? LL ii ??
dVt
TVV
-== 1
1
I
o f f
IO
d 恒小于 1,所以为升压型变换器 。
开关型稳压器的调整管工作在开关状态, 所以效率比
串联型稳压器高 。 一般采用直接整流, 不需要电源变压器,
具有体积小, 重量轻的特点 。
开关型稳压器存在纹波电压高的缺点, 同时产生的电
磁干扰比串联型稳压器大 。
图 1-5-16 升压型变换器原理电路
二, 开关稳压电路的工作原理
降压型变换器构成的开关稳压电路如图 1–5–18(a)、
(b)所示 。
当 VS = VREF 时
误差放大器输出静态电压, 经电压比较器使 T1 管的
导通时间为 ton 或占空系数为 d0,稳压器的输出电压
I0
2
21
R E FO VdR
RRVV =?=
调解过程如下,
VO ? ? VS ? ? ton ? ? d ? ? VO ?
反之亦然 。
三, 开关稳压电路举例
用集成串联稳压器 LM105 构成开关稳压电路如图 1–
5 –19 所示 。
点画线框内为 LM105 的内部电路 。
在外部电路中,
T14,T15 — 开关管； L1,C2 — 低通滤波器； R9、
R10 —取样电阻； D2 — 续流二极管； R8 — 限流取样电阻；
R11,C3 — 积分电路
集成 PWMLTC1148 构成开关稳压电路如图 1–5–20
所示 。
图 1-5-20 用集成 PWMLTC1148 构成的开关稳压电路
