整流滤波和稳压电路及其扩展研究.docx
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整流滤波和稳压电路及其扩展研究
整流、滤波和稳压电路及其扩展研究
第一节整流电路
电力网供给用户的是交流电，而各种无线电装置需要用直流电。
整流，就是把交流电变为直流电的过程。
利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。
下面介绍利用晶体二极管组成的各种整流电路。
一、半波整流电路
图5-1、是一种最简单的整流电路。
它由电源变压器B、整流二极管D和负载电阻Rfz，组成。
变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压e2，D再把交流电变换为脉动直流电。
下面从图5-2的波形图上看着二极管是怎样整流的。
变压器砍级电压e2，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图5-2（a）所示。
在0～π时间内，e2为正半周即变压器上端为正下端为负。
此时二极管承受正向电压面导通，e2通过它加在负载电阻Rfz上，在π～2π时间内，e2为负半周，变压器次级下端为正，上端为负。
这时D承受反向电压，不导通，Rfz，上无电压。
在π～2π时间内，重复0～π时间的过程，而在3π～4π时间内，又重复π～2π时间的过程…这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过Rfz，在Rfz上获得了一个单一右向（上正下负）的电压，如图5-2（b）所示，达到了整流的目的，但是，负载电压Usc。
以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。
这种除去半周、图下半周的整流方法，叫半波整流。
不难看出，半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低（计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压Usc=0.45e2）因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。
二、全波整流电路
如果把整流电路的结构作一些调整，可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。
图5-3是全波整流电路的电原理图。
全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的。
变压器次级线圈中间需要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a、e2b，构成e2a 、D1、Rfz与e2b 、D2、Rfz，两个通电回路。
全波整流电路的工作原理，可用图5-4所示的波形图说明。
在0～π间内，e2a 对Dl为正向电压，D1导通，在Rfz上得到上正下负的电压；e2b 对D2为反向电压，D2不导通（见图5-4（b）。
在π-2π时间内，e2b对D2为正向电压，D2导通，在Rfz上得到的仍然是上正下负的电压；e2a 对D1为反向电压，D1不导通（见图5-4（C）。
5-4b
5-4c
5-4a
如此反复，由于两个整流元件D1、D2轮流导电，结果负载电阻Rfz上在正、负两个半周作用期间，都有同一方向的电流通过，如图5-4（b）所示的那样，因此称为全波整流，全波整流不仅利用了正半周，而且还巧妙地利用了负半周，从而大大地提高了整流效率（Usc＝0.9e2，比半波整流时大一倍）。
图5-3所示的全波整滤电路，需要变压器有一个使两端对称的次级中心抽头，这给制作上带来很多的麻烦。
另外，这种电路中，每只整流二极管承受的最大反向电压，是变压器次级电压最大值的两倍，因此需用能承受较高电压的二极管。
三、桥式整流电路
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。
这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。
图5-5（a）为桥式整流电路图，（b）图为其简化画法。
桥式整流电路的工作原理如下：
e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。
电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。
电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。
上述工作状态分别如图5-6（A）（B）所示。
如此重复下去，结果在Rfz，上便得到全波整流电压。
其波形图和全波整流波形图是一样的。
从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半！
四、整流元件的选择和运用
需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。
。
如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。
另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。
图5-7示出了二极管并联的情况：
两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半口三只二极管并联，每只分担电路总电流的三分之一。
总之，有几只二极管并联，"流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。
但是，在实际并联运用时"，由于各二极管特性不完全一致，不能均分所通过的电流，会使有的管子困负担过重而烧毁。
因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器，使各并联二极管流过的电流接近一致。
这种均流电阻R一般选用零点几欧至几十欧的电阻器。
电流越大，R应选得越小。
图5-8示出了二极管串联的情况。
显然在理想条件下，有几只管子串联，每只管子承受的反向电压就应等于总电压的几分之一。
但因为每只二极管的反向电阻不尽相同，会造成电压分配不均：
内阻大的二极管，有可能由于电压过高而被击穿，并由此引起连锁反应，逐个把二极管击穿。
在二极管上并联的电阻R，可以使电压分配均匀。
均压电阻要取阻值比二极管反向电阻值小的电阻器，各个电阻器的阻值要相等
第二节滤波电路
交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。
这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。
要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。
换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。
一、电容滤波
电容器是一个储存电能的仓库。
在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。
充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。
电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。
这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。
图5-9是最简单的电容滤波电路，电容器与负载电阻并联，接在整流器后面，下面以图5-9（a）所示半波整施情况说明电容滤波的工作过程。
在二极管导通期间，e2向负载电阻Rfz提供电流的同时，向电容器C充电，一直充到最大值。
e2达到最大值以后逐渐下降；而电容器两端电压不能突然变化，仍然保持较高电压。
这时，D受反向电压，不能导通，于是Uc便通过负载电阻Rfz放电。
由于C和Rfz较大，放电速度很慢，在e2下降期间里，电容器C上的电压降得不多。
当e2下一个周期来到并升高到大于Uc时，又再次对电容器充电。
如此重复，电容器C两端（即负载电阻Rfz：
两端）便保持了一个较平稳的电压，在波形图上呈现出比较平滑的波形。
图5-10（a）（b）中分别示出半波整流和全波整流时电容滤波前后的输出波形。
显然，电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。
但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。
通常应根据负载电用和输出电说的大小选择最佳电容量。
表5-2中所列滤波电容器容量和输出电流的关系，可供参考。
电容器的耐压值一般取
的1．5倍。
表5-3中列出带有滤波器的整流电路中各电压的关系。
表一、
输出电流
2A左右
1A左右
0.5-1A左右
0.1-0.5A
100-50mA
50mA以下
滤波电容
4000u
2000u
1000u
500u
200u-500u
200u
表二、
输入交流电压
（有效值）
负载开路时的
输出电压
带负载时的
输出电压
每管承受的最
大反向电压
半波整流
全波整流
桥式整流
E2
E2+E2
E2
约0.6E2
约1.2E2
约1.2E2
采用电容滤波的整流电路，输出电压随时出电流变化较大，这对于变化负载（如乙类推挽电路）来说是很不利的。
二、电感滤波
利用电感对交流阻抗大而对直流用抗小的特点，可以用带铁芯的线圈做成滤波器。
电磁滤波输出电压较低，相输出电压波动小，随负载变化也很小，适用于负载电流较大的场合。
三、复式滤波器。
把电容按在负载并联支路，把电感或电阻接在串联支路，可以组成复式滤波器，达到更佳的滤波效果口这种电路的形状很象字母π，所以又叫π型滤波器。
图5－12所示是由电磁与电容组成的LC滤波器，其滤波效能很高，几乎没有直流电压损失，适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。
但是，这种滤波器由于电感体积和重量大（高频时可减小），比较笨重，成本也较高，一般情况下使用得不多。
由电阻与电容组成的RC滤波器示于图5－13中。
这种复式滤波器结构简单，能兼起降压、限流作用，滤波效能也较高，是最后用的一种滤波器。
上述两种复式滤波器，由于接有电容，带负载能力都较差.
第三节倍压整流电路
在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。
倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。
倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。
图5一14是二倍压整流电路。
电路由变压器B、两个整流二极管D1、D2及两个电容器C1、C2组成。
其工作原理如下：
e2正半周（上正下负）时，二极管D1导通，D2截止，电流经过D1对C1充电，将电容Cl上的电压充到接近e2的峰值
，并基本保持不变。
e2为负半周（上负下正）时，二极管D2导通，Dl截止。
此时，Cl上的电压Uc1＝
与电源电压e2串联相加，电流经D2对电容C2充电，充电电压Uc2＝e2峰值＋1．2E2≈
。
如此反复充电，C2上的电压就基本上是
了。
它的值是变压器电级电压的二倍，所以叫做二倍压整流电路。
在实际电路中，负载上的电压Usc=2X1.2E2。
整流二极管D1和D2所承受的最高反向电压均为
。
电容器上的直流电压Uc1=
，Uc2=
。
可以据此设计电路和选择元件。
在二倍压整流电路的基础上，再加一个整流二极管D3和－个滤波电容器C3，就可以组成三倍压整流电路，如图5-15所示。
三倍压整流电路的工作原理是：
在e2的第一个半周和第二个半周与二倍压整流电路相同，即C1上的电压被充电到接
，C2上的电压被充电到接近
。
当第三个半周时，D1、D3导通，D2截止，电流除经D1给C1充电外，又经D3给C3充电，C3上的充电电压Uc3=e2峰值＋Uc2一Uc1≈
这样，在RFZ，，上就可以输出直流电压Usc＝Uc1i＋Uc3≈
＋
＝3√2E。
，实现三倍压整流。
在实际电路中，负载上的电压Ufz≈3x1.2E2整流二极管D3所承妥的最高反向电压也是
电容器上的直流电压为
。
照这样办法，增加多个二极管和相同数量的电容器，既可以组成多倍压整流电路，见图5一16。
当n为奇数时，输出电压从上端取出：
当n为偶数时，输出电压从下端取出。
必须说明，倍压整流电路只能在负载较轻（即Rfz较大。
输出电流较小）的情况下工作，否则输出电压会降低。
倍压越高的整疏电路，这种因负载电流增大影响输出电压下降的情况越明显。
用于倍压整流电路的二极管，其最高反向电压应大于
。
可用高压硅整流堆，其系列型号为2DL。
如2DL2／0．2，表示最高反向电压为2千伏，整流电流平均值为200毫安。
倍压整流电路使用的电容器容量比较小，不用电解电容器。
电容器的耐压值要大于1．5x
，在使用上才安全可靠。
第四节简单的稳压电路
交流电经过整流可以变成直流电，但是它的电压是不稳定的：
供电电压的变化或用电电流的变化，都能引起电源电压的波动。
要获得稳定不变的直流电源，还必须再增加稳压电路。
要了解稳压电路的工作，得从稳压管说起。
一、有“特异功能”的二极管稳压管
一般三极管都是正向导通，反向截止；加在二极管上的反向电压、如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。
但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：
当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好；反过来着，只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电在变化很大，而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。
这种特殊的二极管叫稳压管。
稳压管的型号有2CW、2DW等系列，它的电路符号如图5－17所示。
稳压管的稳压特性，可用图5一18所示伏安特性曲线很清楚地表示出来。
稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的，因此、稳压管在电路中要反向连接。
稳压管的反向击穿电压称为稳定电压、不同类型稳压管的稳定电压也不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。
例如：
2CW11的稳压值是3.2伏到4．5伏，其中某一只管子的稳压值可能是3．5伏，另一只管子则可能是4，2伏。
在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压管，可以选用稳压值较低的稳压管，然后串联一办或几只硅二极管“枕垫”，把稳定电压提高到所需数值。
这是利用硅二极管的正向压降为0．6～0．7伏的特点来进行稳压的。
因此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。
稳压管稳压性能的好坏，可以用它的动态电阻r来表示：
显然，对于同样的电流变化量ΔI，稳压管两端的电压变化量ΔU越小，动态电阻越小，稳压管性能就越好。
稳压管的动态电阻是随工作电流变化的，工作电流越大。
动态电阻越小。
因此，为使稳压效果好，工作电流要选得合。
工作电流选得大些，可以减小动态电阻，但不能超过管子的最大允许电流（或最大耗散功率）。
各种型号管子的工作电流和最大允许电流，可以从手册中查到。
稳压管的稳定性能受温度影响，当温度变化时，它的稳定电压也要发生变化，常用稳定电压的温度系数来表示这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw=12伏，温度系数为0.095%℃，说明温度每升高1℃，其稳定电压升高11.4毫伏。
为提高电路的稳定性能，往往采用适当的温度补偿措施。
在稳定性能要求很高时，需使用具有温度补偿的稳压，如2DW7A、2DW7W、2DW7C等。
二、硅稳压管稳压电路
由硅稳压管组成的简单稳压电路如图5-l9（a）所示。
硅稳压管DW与负载Rfz，并联，R1为限流电阻。
这个电路是怎样进行稳压的呢？
若电网电压升高，整流电路的输出电压Usr也随之升高，引起负载电压Usc升高。
由于稳压管DW与负载Rfz并联，Usc只要有很少一点增长，就会使流过稳压管的电流急剧增加，使得I1也增大，限流电阻R1上的电压降增大，从而抵消了Usr的升高，保持负载电压Usc基本不变。
反之，若电网电压降低，引起Usr下降，造成Usc也下降，则稳压管中的电流急剧减小，使得I1减小，R1上的压降也减小，从而抵消了Usr的下降，保持负载电压Usc基本不变。
若Usr不变而负载电流增加，则R1上的压降增加，造成负载电压Usc下降。
Usc只要下降一点点，稳压管中的电流就迅速减小，使R1上的压降再减小下来，从而保持R1上的压降基本不变，使负载电压Usc得以稳定。
综上所述可以看出，稳压管起着电流的自动调节作用，而限流电阻起着电压调整作用。
稳压管的动态电阻越小，限流电阻越大，输出电压的稳定性越好。
那么怎样选择稳压管和限流电阻呢？
1．因为稳压管是与负载并联的，所以稳田管的稳定电压应该等于负载直流电压,即Uw＝Usc。
稳压管最大稳定电流的选择，要考虑到特殊情况下稳压管通过的最大电流：
一种情况是，当负载电流Ifz＝0时，全部最大负载电流Ifzmax都通过稳压管；另一种情况是，输入电压Usr，升高，也会引起通过稳压管电流增大。
一般取稳压管最大电流
选用动态电阻小、电压温度系数小的稳压管，有利于提高电压的稳定度。
2．限流电阻R1可由式中算出：
因为Usr、和Ifz都是变化的，为了保证Ifz＝0时Iw不起超过稳压管的最大稳定电流，R1要足够大，为了保证稳定作用，又必须保证在Usr，最小时，Iw大于稳压管的最小稳定电流。
综合上述两右面的考虑，限流电阻R1的选择范围是：
图5－l9（A）所示电路简单可靠，但是稳定电压不能调整，负载电流太小，一般多用做电路前级的稳压和其他电源的参考电压。
采用两级硅稳压管稳压电路，可以输出两种稳定电压U1和Usc，并能进一步提高稳压效果。
电路见图5－19（b）
三、串联型稳压电路
串联型稳压电路是比较常用的一种电路。
电路如图5－20（a）所示。
三极管BG在电路申是调整元件，它很有“见机行事”的本领，每当由于供电或用电发生变化，电路输出电压波动欲起的时候，它都能及时地加以调节，使输出电压保持基本稳定，因此它被称做调整管。
为在电路中作为调整元件的三极管是与负载相串联的，所以这种电路叫串联型稳压电路。
稳压管DW为调整管提供基准电压，使调整管基极电位不变。
R1是DW的保护电阻，限制通过DW的电流，起保护稳压管的作用。
Rfz，是负载电阻，是BG的直流通路。
BG和DW配合“默契”，保证电路格出稳定的用压。
电路稳压过程是这佯的：
如果输人电压Usr增大，使输出电压Usc。
增大时，由于Ub＝Uw固定不变，调整管基棗射间电压Ube。
=Ub-Usc将减小，基流Ib随之减小，而管压降Uce，随之增大，从而抵消了Usc增大的部分，使Usc，基本稳定。
如果负载电流Isc增大，使输出电压Usc减小时，由于Ub固定，Ube将增大，使人增大，Uce减小，也同样地使Usc基本稳定。
从上面分析中可以看到，调整管既象是一个自动的可变电阻：
当输出电压增大时，它的“阻值”就增大，分担了大出来的电压；当输出电压减小时，它的“阻值”就减小，补足了小下去的电压。
无论是哪种情况，都使电路保持输出一个稳定的电压。
“指挥”调整管变化的是输出电压的变化量？
Usc；正是ΔUsc控制调整管的基极电流Ib，才使得调整管随着ΔUsc变化。
换句话说，是不稳定的输出电压，驱动调整管去稳定输出电压。
如果把图5－20（a）所示稳压电路的形式稍微改变一下，画成图5－20（b）样子的话，不难看出，原来串联型稳压电路就是一个射极跟随器。
R1是上偏置电阻，稳压管DW是下偏置电阻，输出电压是从发射极电阻Rfz上取出的。
第五节直流稳压电源电路
稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，如图5一21所示。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
一、稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求
稳压电源的技术指标可以分为两大类：
一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。
· 对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求
1．稳定性好
当输入电压Usr（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压Usc的变化应该很小一般要求。
由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S来表示：
S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。
在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。
通常S约为
。
2.输出电阻小
负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc，应基本保持不变。
稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。
输出电阻（又叫等效内阻）用rn表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。
rn反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn越小，则Ifz 变化时输出电压的变化也越小。
性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至0．01欧。
3.电压温度系数小
当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。
良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示：
4.输出电压纹波小
所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。
经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。
上节介绍的串联型稳压电路，用做一种简单的稳压电源，可以满足一般无线电爱好者的需要。
但是，这种电源还有许多“天生的”缺陷，要提高对性能的要求，就必须再做一些改进。
从以下四个右面对它的性能加以改善，便可做成一台有实用价值的稳压电源了。
这就是：
增加放大环节，提高稳定性，使输出电压可调；用复合管做调整管，使输出电流增大；增加保护电路，使电源工作安全可靠。
二、带有放大环节的稳压电源
输出电压的变化量△Usc是很微弱的，它对调整管的控制作用也很弱，因此稳压效果不够好，带有放大环节的稳压电源，就是在电路中增加一个直流放大器，把微弱的输出电压变化量先加以放大,再去控制调整管，从而提高对调整管的控制作用，使稳压电源的稳定性能得到改善。
图5-22是带有放大环节的稳压电源电路。
图中，BG1是调整管，BG2是比较放大管。
输出电田变化量△Usc的一部分与基准电压Uw比较，并经BG2放大后进到了BG1的基极。
Rc是BG2的集电极电阻，又是BG1的上偏置电阻。
R1、R2是BG2的上、下偏置电阻，组成分压电路，把ΔUsc的一部分作为输出电压的取样，送给BG2的基极，因此又叫取样电路R2上的电压Ub2：
叫取样电压。
DW和R3组，成稳压电路，提供基准电压
。
从电路路中可以看出，当输出电压Usc下降的时候，通过R1、R2组成的分压电路的作用，BG2的基极电位Ub2也下降了。
由于基准电压UW使BG2的发射极电位保持不变，Ubc2：
＝Ub2，一UW随之减小。
于是BG2集电极电流Ic：
减小，Uc2增高，即BG1的基极电位Ub1增高，使Icl增加，管压降Uce1减小，从而导致输出电压Usc保持基本稳定。
BG2的放大倍数越大，调整作用就越强，输出电压就越稳定。
如果输出电压Usc增高时，同样道理，又会通过反馈作用使Usc减小，保持输出电压基本不变。
下面谈谈各元件的选取原则。
前面已经提到，Rc是放大级的负载电阻，又相当于调整管的偏置电阻。
Rc大，放大倍数大，有利于提高稳压器指标，但Rc过大会使BG2和调整管电流太小，限制了负载电流和调整范围。
通常Rc根据下列公式选取：
Usrmin为整流输出的最小电压。
Ic2可取1～3毫安。
稳压管DW的稳定电压Uw，选择范围比较宽，只要不使BG2饱和（即Uw比Usc低2伏以下）均可。
Uw取得大，取样电压可大些，有利于提高稳压性能。
限流电阻R3通过的电流I3，应该等于DW的稳定电流，那应满足下述关系：
输入电压Usr应大于输出电压Usc3～8伏。
Usr过小，调整管容易饱和而起不到调整作用；Usr过大，则增加管子耗损，并浪费功率。
整流纹波小的，Usr可取低些；纹波大的，Usr应取高些。
调整管BG1的β值要尽量大，
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