直流电源的组成

电子系统和电子设备需要直流电源为其提供能量，而电力系统供应交流电源，因此电子系统和设备中通常包含把交流电转化为直流电的电路单元。直流稳压电源就是把交流供电转换为低压直流电的电路，其组成部分如图7.1所示，主要包括：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几个部分。交流电首先通过电源变压器变换成低压交流电，再经过整流电路把低压交流电变换成脉冲直流电。脉冲直流电由于其中包含较多的交流成分，如果直接用来给电子设备供电会产生比较大的干扰，往往需要采用滤波电路把脉冲直流电中的交流成分过滤掉，使输出直流电变得较为平稳、光滑。当交流电网电压发生波动或者负载发生变化时，常常会引起直流电源输出电压发生明显的起伏，并导致使用直流电源的电子系统和设备出现干扰和不稳定。为了减轻这种不稳定和干扰，常常使用稳压电路来减小直流电源输出电压的波动。常见的稳压电路包括稳压管稳压电路和三极管串联型稳压电路等。

整流电路

整流电路是利用二极管的单向导电特性，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压。在小功率直流电源中，经常采用半波整流电路、全波整流电路和单相桥式整流电路。在整流电路分析设计中，由于整流二极管的正向电压降比电路的输入、输出电压都小得多，通常把整流二极管当作理想二极管以简化分析设计过程。

整流电路的主要技术指标包括：

1．输出直流电压Vo

直流电压Vo是整流输出电压瞬时值vo在一个周期内的平均值，即

2．输出电压脉动系数S

脉动系数S定义为输出电压的最低次谐波峰值Volm与输出直流电压值Vo之比，即

 

该值用来表明电路输出中包含的交流成分的大小。该值越小，说明整流效果越好。这两项指标是用来定量表示整流电路输出电压中包含的直流量和交流量的大小。

3．整流二极管正向平均电流ID

整流二极管正向平均电流ID是在一个周期内通过二极管的平均电流。

4．二极管最大反向峰值电压VRM

最大反向峰值电压VRM是整流二极管两端承受的最大反向电压。

一般要求二极管的最大整流电流IF≥ID；二极管的最大反向工作电压VR≥VRM。

1  半波整流电路

半波整流电路是利用二极管的单向导电性，使输入的交流电的半个周期对负载供电，另外半个周期不供电，典型电路如图7.2（a）所示。

若变压器一次输入有交流电压v1，经过变压器变换后，在变压器二次得到输出电压v2，可以表示为

上式中V2m是的峰值电压，为有效值，峰值与有效值之间的关系为；ω为交流电的角频率。v2经过二极管D半波整流之后，所得到的输出电压为

输出电压波形如图7.2（b）所示。下面分析半波整流电路的主要参数指标。

1．输出直流电压Vo

利用傅里叶级数对输出电压vo进行展开，可以得到

其中等号右侧前三项分别为输出电压的直流分量、一次谐波和二次谐波。其中的直流分量为

Vo在图7.2（b）中用短虚线表示。

2．脉动系数S

输出电压中包含的最低次交流分量即一次谐波的幅度为

所以脉冲系数为

上式表明，半波整流电路输出包含的交流成分比较大，其最低次谐波的幅度比直流分量还要大。

3．整流二极管正向平均电流ID

在半波整流电路中，二极管的电流任何时候都等于输出电流，所以两者的平均电流值也相等，即

4．二极管最大反向峰值电压VRM

在半波整流电路中，当二极管截止时，整流二极管承受的最大反向电压就是变压器二次电压的最大值，即

半波整流电路的特点是结构简单，使用的元器件少，但是由于电路只利用交流电的半个周期，显然效率低，而且脉动系数大，提供的负载电流较小。

2  全波整流电路

全波整流电路在交流电的两个半周都向负载供电。全波整流电路使用了两个二极管D1、D2，以及次级（二次侧）线圈具有中心抽头的变压器，次级线圈的两部分输出电压相同，抽头接地，电路如图7.3（a）所示。

全波整流在工作时，次级线圈的两部分轮流工作。当交流电处于正半周时，与D1相连的线圈通过D1向负载供电，此时D2截止；当交流电处于负半周时，与D2相连的线圈通过D2向负载供电，此时D1截止。

由此可见，全波整流时，交流电的两个半周都参与供电，而整流二极管是轮流导通供电。变压器的次级线圈的两部分输出电压相同，均为v2，故整流输出为

输出电压波形如图7.3（b）所示。

下面分析单相全波整流电路的主要参数指标。

1．输出直流电压Vo

对输出电压进行傅里叶级数展开得到

因此，输出电压的直流分量为

2．脉动系数S

输出电压中包含的最低次谐波的幅度为

代入脉动系数定义式得

可见全波整流的效果明显优于半波整流，其输出电压中的直流分量高，交流成分显著减小。

3．整流二极管正向平均电流ID

由于全波整流电路中D1、D2轮流导电，故流过每个二极管的平均电流为输出平均电流值的一半，即

4．二极管最大反向峰值电压VRM

全波整流电路中，整流二极管承受的最大反向电压为变压器二次电压最大值的两倍，即

全波整流电路的优点是电源利用率高，输出电压提高了一倍，每个二极管仅提供输出电流的一半。但是，要求二极管耐电压要高，且需要一个具有中心抽头的变压器。

3  桥式整流电路

桥式整流电路的整流效果与全波整流相同，但不需要变压器中心抽头，电路如图7.4所示。

当输入交流电源的正半周时，二极管D1、D3导通，电流从变压器二次绕组的上端出发，流过D1和负载RL，再经过D3回到变压器二次绕组的下端；当输入交流电源的负半周时，二极管D2、D4导通，电流从变压器二次绕组的下端出发，流过D2和负载RL，再经过D4回到变压器二次绕组的上端。

桥式整流电路整流输出波形与全波整流输出相同，其主要指标与参数也和全波整流相同：输出直流电压，脉动系数，整流二极管平均正向电流；但二极管最大反向电压。

全波整流电路和桥式整流电路都具有输出电压直流电压高，脉动系数小等的优点，都是常用的整流电路。