1、第 1 章 功率电子线路,1.1 功率电子线路概述,1.2 功率放大器的电路组成和工作特性,1.3 乙类推挽功率放大电路,1.4 功率合成技术,1.5 整流与稳压电路,第 1 章 功率电子线路,1.1 功率电子线路概述,1.1.1 功率放大器,1.1.2 电源变换电路,1.1.3 功率器件,1.1 功率电子线路概述,作用：高效地实现能量变换和控制。,种类：,(1)功率放大电路特点：放大用途：通信、音像等电子设备。,(2)电源变换电路特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、工业控制等。,1.1.1 功率放大器,特点：工作在大信号状态。,一、功率放大器的性能要求, 安全。输出功率大，管子在极限条件
2、下运用。, 高效率。,C 集电极效率(Collector Efficiency),Po 输出信号功率 ；PD 电源提供的功率；,PC 管耗 (Power Dissipation)/集电极耗散功率；,Po 一定，C 越高，PD 越小 PC 小， 既可选 PCM 小的管子，以降低费用，也节省能源。, 失真小。,尽管功率增益也是重要的性能指标，但安全、高效和小失真更重要，前者可以通过增加前置级祢补。,二、功率管的运用特点,1功率管的运用状态,根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。, 甲类：功率管在一个周期内导通 ，c = 。, 乙类：功率管仅在
3、半个周期内导通，c = /2。, 甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通， /2 c 。, 丙类：功率管在小于半个周期内导通，c /2。,功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。,功率管的运用状态,根据下列曲线说出功率管的应用状态：,图 111 各种运用状态下的输出电流波形,2不同运用状态下的 C,管子的运用状态不同，相应的 Cmax 也不同。,减小 PC 可提高 C。,假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则 PC 为,讨论：若减少 PC，则要减少 iC vCE,方法 1：由甲类 甲乙类 乙类 丙类，即减小管子在信号周期内的导通(增大 iC = 0)的时间。,方法 2：管
4、子运用于开关状态(又称丁类)，即一周期内半饱和半截止。饱和时，vCE VCE (sat) 很小 PC 很小；截止时，iC 很小，iC vCE 也很小 PC 很小。,总之：为提高 C，管应用状态可取乙类、丙类或丁类。但集电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施(见 1.2 节)。,1.1.2 电源变换电路,按变换方式不同：,(1)整流器(Rectifier)：交流电-直流电。应用：电子设备供电。,(2)直流-直流变换器(DC-DC Converter)：直流电-直流电。应用：开关电源。,(3)逆变器(Inverter)：直流电-交流电。应用：不间断电源、变频电源。,(4) 交流-交流变换器(AC
5、-AC Converter)：交流电-交流电。应用：变压等。,1.1.3 功率器件,功率管的种类： (1)双极型功率晶体管 (2)功率 MOS 管 (3)绝缘栅双极型功率管,功率管是功率放大电路的关键器件，为保证安全工作，需了解其极限参数及安全工作区。,以双极型功率管为例，安全工作区受如下极限参数限制：, 最大允许管耗 PCM。与散热条件密切相关。 基极开路集 - 射反向击穿电压 V(BR)CEO 。 集电极最大允许电流 ICM 。,以上参数与功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。,一、功率管散热和相应的 PCM,管耗 PC 主要消耗在集电结上，使结温升高。,若集电极的散热条件良好，集电结上的
6、热量很容易散发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量。反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。,热崩(Thermal Runaway)：,集电结结温(Tj) iC PC Tj 如此反复，直至 Tj TjM(集电结最高允许温度)而导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。,提高 PCM 的办法：, 管子集电极直接固定在金属底座上。, 金属底座与管壳相连。 金属底座还加装金属散热器。,各种散热片,各种功率晶体管,二、二次击穿,除 PCM、ICM 和V(BR)CEO 满足安全工作条件外，要保证功率管安全工作
7、，还要求不发生二次击穿。,二次击穿(Secondary Breakdown)：,当集 - 射反向电压超过 V(BR)CEO 时，会引起击穿，但只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于 V(BR)CEO 后，管子可恢复正常工作。,如果发生上述击穿，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为二次击穿。,后果：过热点的晶体熔化，集 - 射间形成低阻通道，引起 vCE下降，iC 剧增，损坏功率管，且不可逆。,发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称为二次击穿耐量 PSB。,图 115 图计及二次击穿时功率管的安全工作区,功率管的安全工作区,第 1
8、章 功率电子线路,1.2 功率放大器的电路组成 和工作特性,1.2.1 从一个例子讲起,1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能,1.2.1 从一个例子讲起,图 121 图解分析(a),图 1-2-1 示为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。由此揭示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。,功率放大器为大信号放大器，工程分析时，多采用特性曲线上作负载线的图解分析法。,1Q 点的选择,为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输出功率最大，需把 Q 选在交流负载线的中点，即,图 121 图解分析,Vcc/RL,VCE(SAT),VCE(sat) 0,2集电极输
9、出电压和电流(假设 VCE(sat) 和 ICEO 为 0),图 121 图解分析(b),其中，,3PD (直流功率)、PL (负载功率) 、 PC (管耗),PL 和 PC 均由直流和交流两部分合成。例如：,PL 中：,直流功率,交流功率,所以,4讨论：,(1) 电路组成上,甲类功放 Cmax = 25%PD 中，输出的信号功率 Po 仅占 1/4，PD/2 消耗在 RL 上。,提高 Cmax 的办法：, 降低 Q 合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类)减小管子的静态损耗。, 消除 RL 上的直流功率改进管外电路，使之不消耗直流功率。,(2) 工作特性上,VCC 一定且 Q 在负载线中点时，
10、最大输出信号的电压和电流的振幅受到了限制。欲提高输出信号功率，需减小 RL，增大 Icm。必须同时增大激励电流。,图 122 RL 变化对功率性能的影响,图 122 RL 变化对功率性能的影响, RL 减小，负载线斜率改变，减小了集电极电压振幅，使 Po 减小；, ICQ 增大，使 PD 增大，C 降低。,5结论,(1)在电路组成上，必须采用避免管外电路无谓消耗直流功率的结构。,(2)在工作特性上，输出负载、输入激励和静态工作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必须有一个最佳配置。,1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能,一、甲类变压器耦合功率放大器,图 123(a)
11、原理电路,1电路,(1)输入端,RB 偏置电阻； CB 旁路电容； Tr1 耦合变压器。,(2)输出端,Tr2 耦合变压器，对交流，Tr2 起阻抗变换作用。,2电路分析,(静态分析、动态分析、功率性能、管安全),(1)静态分析, 画直流通路, 画直流负载线 直流负载线方程：vCE = VCC 直流负载线：EF,图 124 甲类变压器耦合功率放大器的图解分析, 求 Q 点iB = IBQ，iC = ICQ，vCE = VCEQ = VCC,(2)动态分析, 画交流通路, 画交流负载线交流负载线方程：过 Q 点作交流负载线 MN，, 求动态范围,甲类变压器耦合功放图解分析,(3)功率性能,当输入充
12、分激励，Q 处在负载线中点时，忽略非线性失真，且设 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则相应的集电极电压和电流分别为：,其中： Vcm = VCEQ = VCC,比较：基本放大器电路， Vcm = VCC/2；变压器耦合电路， Vcm = VCC，若呈现在集电极上的负载相等，则输出信号功率增大 4 倍。,采用变压器耦合，Cmax 将由 0.25 增大到 0.5，即 PD 的一半转换为 Po。,若 Q 处于交流负载线的中点，且充分激励的条件下，增大 VCC，或减小 ，Po 均将增大，但最后受安全工作条件的限制。,(4)管安全,图 124 图解分析,如图 1-2-4 所示，加在集电极上的
13、最大电压 vCEmax = VCC + vcm 2VCC，通过集电极的最大电流 iCmax = ICQ + Icm 2ICQ 。,当 Po = 0 时，PD 全部消耗在管子中，因而消耗在集电极上的最大功率 PCmax = PD 。,安全工作条件：,图 115,此外，还需检查动态点是否落在二次击穿限定的安全区内。,二、乙类推挽功率放大器,乙类工作时，为在负载上合成完整的正弦波，必须采用两管轮流导通的推挽(Push-Pull)电路。,实现方案： 变压器耦合推挽功放； 乙类互补推挽功放。,1变压器耦合功放,(1) 电路结构,Tr1：输入变压器，利用二次绕组的中心抽头将 vi (t) 分成两个幅值相等
14、，极性相反的激励电压 vi1 = - vi2 ，分别加在两管的基 - 射极之间，实现两管轮流导通。,Tr2：输出变压器，隔断 iC1 和 iC2 到负载的平均分量，并利用一次绕组的中心抽头将 iC1 和 iC2 中的基波分量在 RL 中叠加，输出正弦波。,T1 和 T2：特性配对、相同导电类型的 NPN 功率管。,图 125(a) 变压器耦合,(2) 工作原理,vi1(t) 0 时， T1 导通(忽略射结压降)； vi2(t) 0， T2 截止，iC1 处于正半周的半个正弦波。,vi2(t) 0 时， T2 导通； vi1(t) 0， T1 截止，iC2 处于的正弦波的负半周。,iC1 和 i
15、C2 中的基波分量在 RL 中叠加，输出完整正弦波。,2互补推挽电路,图 125(b) 互补推挽,(1)电路特点,T1 与 T2：功率管互补配对,(2)工作原理,vi(t) 0 时，T1 管(NPN 型) 导通(忽略射结压降)，T2 管 (PNP型)截止，iC1( iE1)为正弦波的正半周；,vi(t) 0 时，T2 管导通，T1 管截止，iC2( iE2)为处于正弦波的负半周。,通过 RL 的电流 iL = iE1 iE2 ，合成完整的正弦波。,小结：上述乙类功率放大器，为实现器件轮流导通：,3乙类推挽功率放大器的性能分析,图 126 互补推挽图解分析,(1)推挽电路的组合特性,乙类推挽功率
16、放大器的组合特性,静态工作点：,Vi 0，T1 导通，负载线 AQ 过 Q 点，斜率为 - 1/RL ；,Vi 0，T2 导通，负载线 AQ 过 Q 点，斜率为 - 1/RL 。,(2) 性能分析(忽略失真), 一般性能分析,在 0 t 时，iC2 = 0 iC1 = Icmsin t, t 2 时，iC1 = 0 iC2 = Icmsin t,集 - 射极间电压： VCE1 = VCC - Vcmsin t，VCE2 = - VCC -Vcmsin t,通过 RL 的电流：,相应产生的电压：,RL 上的输出功率： PL = Po = VcmIcm/2 = I2cmRL/2,正负电源总的直流功
17、率：,PD = PD1 + PD2 = 2VCCIC0 = 2VCCIcm/,为什么？PD = PD1 + PD2 = 2VCCIC0 = 2VCCIcm/,即： IC0 = Icm/, 若充分激励：与 RL 相匹配的输入激励(不出现饱和失真的最大激励)。,令 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则 Vcm = VCC，Icm = VCC/RL,相应 Po 和 PD 达到最大，即,乙类功放的最大集电极效率,比甲类功放高, 若激励不足,Vcm 减小，引入电源电压利用系数 表示 Vcm的减小程度。,定义 = Vcm/VCC,集电极管耗：,分析：当输入激励由大减小，即 减小时，Po、PD、C
18、 均单调减小，而 PC1 和 PC2 的变化非单调， 时最大，其值为,如何求最大值?,功放性能随 变化的特性：, 小时，PD 、Po 、 C 小； 接近 1 时，PD 、Po 、C 大。,结论：, PC 非单调变化，两头小，中间大。, PD 随 (激励)线性增大，与甲类(不变)不同。,(3) 管安全,由,增大 VCC，减小 RL，且输入充分激励，输出功率将增大，但最后受到下列安全工作条件的限制：,PC1max = PC2max = 0.2Pomax PCM,1.3 乙类推挽功率放大电路,从原理电路到实用电路，还需解决如下等问题： 交越失真 加偏置电路； 双电源 单电源供电； 互补管难配 准互补
19、推挽电路； 安全 过载保护； 充分激励 输入激励电路。,一、交越失真和偏置电路,1交越失真(Crossover Distortion),(1)定义,在零偏置条件下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在衔接处出现的失真，称交越失真。,图 132 图解分析乙类推挽电路时，两管的合成传输特性,交越失真,(2) 解决途径,图 133 加偏置的互补推挽电路及其传输特性,输入端两管适当正偏，使其工作在甲乙类。,由传输特性可见：只要 VBB 取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。,(3)常用电路, 二极管偏置电路, VBE
20、 倍增电路,2二极管偏置电路,在集成电路中，偏置二极管通常由晶体管取代，如图 1-3-4(b)所示。或者用互补管 T3、T4 取代，如图 1-3-4(c)所示。,图 1-3-4 二极管偏置电路,问题：偏置电路是否影响输入信号 vi (t) 的传输。,解答：二极管正向交流电阻很小，可认为交流短路。,图 1-3-4 二极管偏置电路,3VBE 倍增电路,图 135 VBE 倍增偏置电路,(1)偏置电路,由 T3、R1、R2 组成，且由电流源 IR 激励，为互补功率管 T1、T2 提供偏置电压 VBB。,T3、R1 构成电压并联负反馈电路，反馈电路的电阻很小，几乎不影响输入信号的传输。,均为定值，因此
21、,也为定值,图 135 VBE 倍增偏置电路,式中，VBE3 = VT ln(IE3 / IS) VT ln(IR / IS),上式表明：偏置电路提供的偏置电压 VBB 是 VBE3 的倍增值，且其值受 R1 和 R2 控制，故称为 VBE 倍增电路。,二、单电源供电的互补推挽电路(OTL),图 136,1电路特点 单电源供电 负载串接大容量隔直电容 CL。VCC 与两管串接，若两管特性配对，则 VO = VCC/2，CL 等效为电压等于 VCC/2 的直流电源。,2工作原理,T1 管的直流供电电压：VCC VO = VCC/2， T2 的供电电压：0 VO = VCC/2。,单电源供电电路等
22、效为 VCC/2 和 VCC/2 的双电源供电电路。,三、准互补推挽电路,1问题的提出,互补要求两功率管特性配对，难实现。,2解决办法,采用复合管取代互补管，构成准互补推挽电路。,3电路,图 137 准互补推挽电路,复合管 T1、T2 等效为 NPN 型管；T3与 T4 等效为 PNP 型管。,其中，T1、T3 为小功率管，它们之间是互补的，T2、T4 为大功率管，它们是同型，便于特性配对，故称为准互补推挽电路。,R1，R2(几百欧姆) 减小复合管的反向饱和电流。,四、保护电路,1必要性,实际可能发生负载短路，电流迅速增大等异常现象，造成功率管损坏。为了安全起见，应有过流、过压、过热保护。,2
23、过流保护电路,(1)电路,图 138 限流保护电路,T1、T2：保护管；R1、R2 ：取样电阻。,(2)原理,以保护管 T1 为例。,正常时，VR1 不足以使 T1 导通，不起保护作用。,异常时，VR1 使 T1导通，分流 i1，限制 T3 管的输出电流，起到了限流保护作用。,T2 对 T4 的限流保护作用同上。,五、输入激励电路,1必要性,互补功放, 功率管为射随器，Av 1。若要求输出最大信号功率，则要求激励 级提供振幅接近电源电 压的推动电压(单电源 为 VCC /2 )。,2电路,图 139(a) 未加自举电容的电路 (b)输入激励级图解分析,T3：输入激励级，,T3 的直流负载 R(
24、忽略 T1 和 T2基极电流)，直流负载线为。,图 139(a) 未加自举电容的电路 (b)输入激励级图解分析,3输出振幅,交流负载 r R/ri R ,交流负载线如所示。故 T3 管最大输出电压振幅减小，小于 VCC/2。,若使 r R，则交流负载线如 曲线 所示，输出信号电压振幅可接近 VCC/2。,4改进电路, 电流源构成有源负载放大器，直流电阻小，交流电阻大。, 采用自举电路,R1 ，R2 ， C2，取代 R 。特点：交流电位由 O 经 C2 自举到 C 点，即 vC vO。,工作原理：Av 1，故 vB vO vC，通过 R2 的交流电流 i 0，因而从 B 点向虚线框看进去的交流电
25、阻(vB/i)很大，趋于无穷，T3 的交流负载电阻便近似等于 T1(或 T2)电路的输入电阻。,第 1 章 功率电子线路,1.4 功率合成技术,1.4.1 功率合成电路的作用,1.4.2 传输线变压器,1.4.3 用传输线变压器构成的魔 T 混合网络,1.4.1 功率合成电路的作用,功率合成技术就是将多个功率放大器的输出功率叠加起来，给负载提供足够大的输出功率。,A，B 两端输入等值同相功率，C 端负载 Rc获得两输入功率的合成，而 D 端负载 Rd 上无功率输出。,A、B 两输入端输入等值反相功率，D 端负载Rd 获得两输入功率的合成，而 C 端负载 Rc 上无功率输出。,一、功率合成,二、
26、彼此隔离,当 Rd 和 Rc 之间满足特定关系时，A、B 两输入端彼此隔离。,三、功率分配,当 Ra = Rb 时，将功率放大器加在 D 端，功率放大器的输出功率均等地分配给 Ra 和 Rb ，且它们之间是反相的，而 C 端无功率输出。,将功率放大器加 C端，功率放大器的输出功率均等地分配给 Ra 和 Rb，且它们之间是同相的，而 D 端无功率输出。,一个理想的功率合成电路应该具有以下特点：, N 个同类型的功率放大器，它们的输出振幅相等，通过功率合成器输出给负载的功率应等于各功率放大器输出功率的和。, 与功率合成器连接的各功率放大器彼此隔离，任何一个功率放大器发生故障时，不影响其他放大器的功
27、率输出。,实现功率合成的电路种类很多，一般都由无源元件组成，统称为魔 T 混合网络。在实际应用中，往往需要功率合成电路具有宽带特性，这种功率合成电路由传输线变压器构成。,1.4.2 传输线变压器,一、变压器和传输线的工作频带,传输线：传输线就是连接信号源和负载的两根导线，它的上限频率与导线长度 l 有关，l 越小，上限频率 fH 越高。它的下限频率为零。,传输线变压器如图 143 所示。,图 1-4-3 传输线变压器,设上限频率 fH 对应的波长为 min ,取,可以认为：,v1 = v2 = v，,i1 = i2 = i,二、传输线变压器的工作原理,传输线变压器原理图如图 1 44(a)所示
28、。,将传输线绕于磁环上便构成传输线变压器。传输线可以是同轴电缆、双绞线、或带状线，磁环一般是镍锌高磁导率的铁氧体。,三、传输线变压器功能,1对称与不对称变换,对称 不对称变换，将对地对称的双端输入信号转换为对地不对称的单端输出信号，如图 146(a)所示。,图 1-4-6 对称与不对称变压器 (a) 对称-不对称 (b) 不对称-对称,2阻抗变换器,传输线变压器可以构成阻抗变换器，由于结构的限制，通常只能实现特定的阻抗比的变换。,4 : 1 阻抗变换器如图 147(a)所示，图中阻抗关系为,实现 4 : 1 的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为,1 : 4 阻抗变换器如图 147(b)所示，图
29、中阻抗关系为,实现 1 : 4 的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为,1.4.3 用传输线变压器构成的 魔 T 混合网络,一、功率合成,如图 1-4-8 所示，Tr1 为魔 T 混合网络，Tr2 为对称 不对称变换器。,输入信号接在 A 端和 B 端，根据节点方程,i = ia - id，i = id - ib,i = ia - id， i = id - ib,求出,而,ic = 2i = ia - ib,1输入为等值反相信号,ia = ib = Imsin t，,va = vb = Vmsin t,因为 ic = 0，所以 C 端无功率输出。,vd = va + vb = 2Vmsin t，
30、,D 端的输出功率,输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和。,每个功率放大器的等效负载,2输入为等值同相信号,ia = -ib = Imsin t，,va = -vb = Vmsin t,因为 id = 0,所以 vd = 0, v= 0,D 端无功率输出。,vc = va = -vb = Vmsin t，,ic = ia - ib = 2Imsin t,C 端的输出功率,输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和。,每个功率放大器的等效负载,3异常输入情况,ia ib， va vb,根据电路的约束条件,将,代入并整理，求解出,若取,ia 仅与 va 有关，ib 仅与 vb 有
31、关。实现了 A 端和 B 端的隔离，称为 A、B 间的隔离条件。,二、功率分配,1同相功率分配,同相功率分配电路如图 149(a)所示。,ic = 2i ，ia = i - id ，ib = i + id ，vd = idRd = iaRa - ibRb,ic = 2i ，ia = i - id ，ib = i + id ， vd = idRd = iaRa - ibRb,取 Ra = Rb = R,则 id = 0, vd = 0, v = 0 id = 0 端无功率输出。,ia = ib = ic /2 A 端和 B 端获得等值同相功率。,C 端的等效负载为 R/2。,由于：id = 0,
32、 vd = 0, v = 0 。 则： A、B、C同电位，即短接。电路变成如下：,2反相功率分配,反相功率分配电路如图 14 9(b)所示。,同理可以证明：当 Ra = Rb = R 时,ic = 2i = 0,ia = ib = id,则 ic = 0， i = 0 ，A、B端断开。C 端无功率输出。,A 端和 B 端获得等值反相功率。,D 端的等效负载为 R/2。,电路简化如下：,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
33、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 151(a) 所示。,在图 151(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 忽略二极管导通电压，并设导通电阻为 RD。 vD = v2 - vo,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。,v2 vo 二极管导通，电流沿回路Rd，CL电容充电。如：OA,v2 vo 二极管导通，电流沿回路RL，CL电容放
34、电。如：AB,充电速度：,充电速度,V,t,放电速度：,V,t,如图 152(a)所示，CL 一定时，RL 越小，纹波越大。,如图 152(b)所示，RL 一定时，CL 越大，纹波越小。,参见图 151(b)和图 151(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 154(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 154(b)所示。,
35、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,如图 155(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 55(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
36、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。,见图，图，图,图1-5-6半波整流电路输出电压特性,0.0,1.0,0.3,0.44,100,1000,1.00,0.1,0.1,图1-5-7全波和桥式整流电路输出电压特性,0.0,1.0,0.3,0.58,100,1000,1.00,0.1,0.1,图1-5-8 整流电路纹波系数特性,0.0,1.0,0.3,10%,100,1000,100%,0.1%,0.1,半波,全波、桥式,Rs/RL,0.010.30,0.010.30
37、,A,A,为整流器内阻,为线圈损耗电阻,纹波系数,由图可见，当,一定时，随着,增大，,增大，,减小,由图可见，当,一定时，随着,增大，,均减小,其中，全波和桥式整流电路输出电压比半波的大，纹波系数比半波整流电路的小,四、倍压整流电路,倍压整流电路如图 159 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。,串联型稳压器,1.5.2 串联型稳压器,一、工作原理,1组成,串联型稳压器的
38、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。,T5 调整管，工作在放大区。,R1、R2 取样电路。,取样电压:,基准电压为VREF,由 T1
39、、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,若 VI 或 RL 变化使 VO 增加,VO VS (VREF 不变) Ic2 VC2 VB5 Ic5 VCE5 VO 。,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,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,3输出电阻 Ro,将稳压源等效为一个电压源时的内阻。,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
40、管构成的基准电压源电路如图 1513(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,VZ(6 8 V)具有正温度系数，V(on) 具有负温度系数。,必须满足,如图 1513(b)所示的能隙基准电压源电路中,忽略 T3 管的基极电流,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。,27800 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
41、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 CECC 组和放大器。,5调整管,T16、T17 组成复合调整管。,图 1514(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。,8调整过程,VO VS IE6 IB4 IC4 IB16 VC
42、E16,17 VO ,图 1514(b),IB16,IC4,1.5.3 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 1515(a) 原理电路,如图 1515(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,VO = dVI,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。,
43、图 1-5-15 降压型变压器的原理电路及相应的波形,另一个方法：,闭合时：,vL = vA - VO = VI - VO,为保持 iL 连续,得：,断开时：,vA ，vL = vA - VO = - VO,VO = dVI,可以得出相同的结果：,图 1-5-15 降压型变压器的原理电路及相应的波形,2升压型变换器,升压型变换器如图 1516 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。,当 S 断开时，D 导通，vA = VO。,根据 求得,d 恒小于 1，所以为升压型变换器。,降压-升压型变换器(图1-5-17),根据 求得,当d=0.5时， V
44、O = -VI,当d0.5时， |VO | -VI,当d0.5时， |VO | -VI,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。,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 1518(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,调节过程如下：,VO VS e 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 15 19 所示。,详细介绍见教材p.68。,VREF,VS,VREF,VS,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,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 1520 所示。,图 1-5-20 用集成 PWMLTC1148 构成的开关稳压电路,
