电子电路 - 快速指南

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电子电路 - 简介

在电子学中，我们有不同的元器件，它们服务于不同的目的。有各种各样的元件被用于许多类型的电路，具体取决于应用。

电子元器件

类似于构建墙壁的砖块，元器件是电路的基本组成部分。元器件是基本元素，有助于将一个想法发展成一个用于执行的电路。

每个元器件都具有一些基本特性，并且元器件的行为也随之变化。这取决于开发人员的目标，以利用它们来构建预期的电路。下图显示了一些用于不同电子电路中的电子元器件示例。

为了获得一个概念，让我们看看元器件的类型。它们可以是有源元器件或无源元器件。

有源元器件

• 有源元器件是在提供一些外部能量后才能导通的元器件。

• 有源元器件以电压或电流的形式产生能量。

• 示例 - 二极管、晶体管、变压器等。

无源元器件

• 无源元器件是连接后即可开始工作的元器件。它们的工作不需要外部能量。

• 无源元器件以电压或电流的形式存储和维持能量。

• 示例 - 电阻器、电容器、电感器等。

我们还有另一种分类，即线性和非线性元件。

线性元件

• 线性元件或组件是电流和电压之间存在线性关系的元件。

• 线性元件的参数不会随电流和电压而变化。

• 示例 - 二极管、晶体管、变压器等。

非线性元件

• 非线性元件或组件是电流和电压之间存在非线性关系的元件。

• 非线性元件的参数会随电流和电压而变化。

• 示例 - 电阻器、电容器、电感器等。

这些元件用于各种目的，它们组合在一起可以执行为其构建的首选任务。这种不同元件的组合称为电路。

电子电路

当一定数量的元件以特定方式连接在一个特定目的上时，就形成了一个电路。电路是不同元件的网络。电路有不同的类型。

下图显示了不同类型的电子电路。它显示了印刷电路板，印刷电路板是一组连接在电路板上的电子电路。

电子电路可以根据其工作原理、连接方式、结构等分为不同的类别。让我们进一步讨论电子电路的类型。

有源电路

• 使用有源元件构建的电路称为有源电路。

• 它通常包含一个电源，电路从中提取更多功率并将其传递到负载。

• 输出增加了额外的功率，因此输出功率始终大于施加的输入功率。

• 功率增益始终大于1。

无源电路

• 使用无源元件构建的电路称为无源电路。

• 即使它包含一个电源，电路也不会提取任何功率。

• 输出没有增加额外的功率，因此输出功率始终小于施加的输入功率。

• 功率增益始终小于1。

电子电路还可以分类为模拟、数字或混合。

模拟电路

• 模拟电路可以是其中包含线性元件的电路。因此，它是一个线性电路。

• 模拟电路具有模拟信号输入，这些输入是连续范围的电压。

数字电路

• 数字电路可以是其中包含非线性元件的电路。因此，它是一个非线性电路。

• 它只能处理数字信号。

• 数字电路具有数字信号输入，这些输入是离散值。

混合信号电路

• 混合信号电路可以是同时包含线性元件和非线性元件的电路。因此，它被称为混合信号电路。

• 这些电路由模拟电路以及用于处理输入的微处理器组成。

根据连接类型，电路可以分类为串联电路或并联电路。串联电路是指串联连接的电路，并联电路是指其元件并联连接的电路。

现在我们对电子元器件有了基本的了解，让我们继续讨论它们的用途，这将有助于我们为不同的应用构建更好的电路。无论电子电路的目的是什么（处理、发送、接收、分析），处理过程都以信号的形式进行。在下一章中，我们将讨论信号以及电子电路中存在的信号类型。

电子电路 - 信号

信号可以理解为“表示从产生它的源头存在的关于数据的某些信息”。这通常是随时间变化的。因此，信号可以是传输某些信息的能量源。这很容易在图表上表示。

示例

• 闹钟发出信号表示该起床了。
• 高压锅的哨声确认食物已煮熟。
• 红灯表示某些危险。
• 交通信号指示你的通行。
• 电话铃响表示有人给你打电话。

信号可以是任何类型的传递信息的信号。从电子设备产生的这种信号称为电子信号或电信号。这些通常是随时间变化的。

信号类型

信号可以根据其特性分为模拟信号和数字信号。模拟信号和数字信号可以进一步分类，如下面的图片所示。

模拟信号

表示随时间变化的量的连续时间变化信号可以称为模拟信号。该信号会根据表示它的量的瞬时值随时间变化。

数字信号

本质上是离散的或形式上是非连续的信号可以称为数字信号。该信号具有单独表示的各个值，这些值不基于先前值，就像它们是在该特定时间瞬间导出的。

周期信号和非周期信号

任何在一段时间内重复其模式的模拟或数字信号都称为周期信号。该信号的模式重复继续，并且易于假设或计算。

任何在一段时间内不重复其模式的模拟或数字信号都称为非周期信号。该信号的模式继续，但模式不重复，因此不容易假设或计算。

信号和符号

在周期信号中，最常用的信号是正弦波、余弦波、三角波、方波、矩形波、锯齿波、脉冲波或脉冲序列等。让我们看一下这些波形。

单位阶跃信号

单位阶跃信号从其原点到 X 轴上的一个单位具有一个单位的值。这主要用作测试信号。单位阶跃信号的图像如下所示。

单位阶跃函数用 $u\left ( t \right )$ 表示。其定义如下：

$$u\left ( t \right )=\left\{\begin{matrix}1 & t\geq 0\\ 0 & t< 0\end{matrix}\right.$$

单位脉冲信号

单位脉冲信号在其原点具有一个单位的值。其面积为一个单位。单位脉冲信号的图像如下所示。

单位脉冲函数用 ẟ(t) 表示。其定义如下：

$$\delta \left ( t \right )=\left\{\begin{matrix} \infty \:\:if \:\:t=0\\0 \:\:if \:\:t\neq 0\end{matrix}\right.$$

$$\int_{-\infty }^{\infty }\delta \left ( t \right )d\left ( t \right )=1$$

$$\int_{-\infty }^{t }\delta \left ( t \right )d\left ( t \right )=u\left ( t \right )$$

$$\delta \left ( t \right )=\frac{du\left ( t \right )}{d\left ( t \right )} $$

单位斜坡信号

单位斜坡信号的值从其原点呈指数增长。单位斜坡信号的图像如下所示。

单位斜坡函数用 u(t) 表示。其定义如下：

$$\int_{0}^{t}u\left ( t \right ) d\left ( t \right )=\int_{0}^{t} 1 dt =t=r\left ( t \right )$$

$$u\left ( t \right )=\frac{dr\left ( t \right )}{dt}$$

单位抛物线信号

单位抛物线信号的值在其原点处像抛物线一样变化。单位抛物线信号的图像如下所示。

单位抛物线函数用 $u\left ( t \right )$ 表示。其定义如下：

$$\int_{0}^{t}\int_{0}^{t}u\left ( t \right )dtdt=\int_{0}^{t}r\left ( t \right )dt=\int_{0}^{t} t.dt=\frac{t^{2}}{2}dt=x\left ( t \right )$$

$$r\left ( t \right )=\frac{dx\left ( t \right )}{dt}$$

$$u\left ( t \right )=\frac{d^{2}x\left ( t \right )}{dt^{2}}$$

符号函数

Signum 函数的值在其原点两侧的正负平面内均匀分布。Signum 函数的图像如下所示。

Signum 函数用sgn(t)表示。其定义如下：

$$sgn\left ( t \right )=\left\{\begin{matrix} 1 \:\: 当 \:\: t\geq 0\\-1 \:\: 当 \:\:t < 0\end{matrix}\right.$$

$$sgn\left ( t \right )=2u\left ( t \right ) -1$$

指数信号

指数信号的值从其原点开始呈指数变化。指数函数的形式为：

$$x\left ( t \right ) =e^{\alpha t}$$

指数函数的形状由$\alpha$决定。此函数可以分为三种情况：

情况1 −

如果 $\alpha = 0\rightarrow x\left ( t \right )=e^{0}=1$

情况2 −

如果 $\alpha <0$，则 $x\left ( t \right )=e^{\alpha t}$，其中 $\alpha$ 为负数。这种形状称为衰减指数。

情况3 −

如果 $\alpha > 0$，则 $x\left ( t \right )=e^{\alpha t}$，其中 $\alpha$ 为正数。这种形状称为增长指数。

矩形信号

矩形信号的值在其原点两侧的正负平面内呈矩形分布。矩形信号的图像如下所示。

矩形函数用$x\left ( t \right )$表示。其定义如下：

$$x\left ( t \right )=A \:rect\left [ \frac{t}{T} \right ]$$

三角信号

三角信号的值在其原点两侧的正负平面内呈三角形分布。三角信号的图像如下所示。

三角函数用$x\left ( t \right )$表示。其定义如下：

$$x\left ( t \right )=A \left [ 1-\frac{\left | t \right |}{T} \right ]$$

正弦信号

正弦信号的值从其原点开始呈正弦变化。正弦信号的图像如下所示。

正弦函数用 x(t) 表示。其定义如下：

$$x\left ( t \right )=A \cos \left ( w_{0} t\pm \phi \right )$$

或

$$x\left ( t \right )=A sin\left ( w_{0}t\pm \phi \right )$$

其中 $T_{0}=\frac{2 \pi}{w_{0}}$

Sinc 函数

Sinc 信号的值根据如下所示的特定关系变化。它在原点处具有最大值，并随着远离原点而逐渐减小。Sinc 函数信号的图像如下所示。

Sinc 函数用sinc(t)表示。其定义如下：

$$sinc\left ( t \right )=\frac{sin\left ( \pi t \right )}{\pi t}$$

因此，这些是在电子和通信领域中最常遇到的不同信号。每个信号都可以用数学方程来定义，以使信号分析更容易。

每个信号都具有前面提到的特定波形。波形的形状可能会改变信号中存在的内容。无论如何，设计工程师是否要为了某个特定电路而改变波形，这需要做出决定。但是，要改变波形的形状，有一些技术将在后续单元中讨论。

电子电路 - 线性波形整形

信号也可以称为波。每种波在图形中表示时都具有一定的形状。这种形状可以是多种类型，例如正弦、方波、三角波等，它们随时间变化，或者它们可能具有与时间无关的一些随机形状。

波形整形的类型

波形整形主要有两种类型。它们是：

• 线性波形整形
• 非线性波形整形

线性波形整形

在这种线性波形整形中，使用电阻器、电容器和电感器等线性元件来整形信号。正弦波输入具有正弦波输出，因此非正弦输入更常用于理解线性波形整形。

滤波是衰减不需要的信号或再现特定信号的频率分量的选定部分的过程。

滤波器

在整形信号的过程中，如果某些信号部分被认为是不需要的，则可以使用滤波器电路将其滤除。滤波器是一种可以去除输入信号中不需要的部分的电路。信号强度降低的过程也称为衰减。

我们有一些组件可以帮助我们进行滤波技术。

• 电容器具有允许交流和阻挡直流的特性。

• 电感器具有允许直流但阻挡交流的特性。

利用这些特性，这两个元件特别用于阻挡或允许交流或直流。滤波器可以根据这些特性进行设计。

我们有四种主要的滤波器类型：

• 低通滤波器
• 高通滤波器
• 带通滤波器
• 带阻滤波器

现在让我们详细讨论这些类型的滤波器。

低通滤波器

允许一组低于指定值的频率的滤波器电路可以称为低通滤波器。此滤波器通过低频。使用 RC 和 RL 的低通滤波器的电路图如下所示。

电容滤波器或RC滤波器和电感滤波器或 RL 滤波器都充当低通滤波器。

• RC 滤波器 − 由于电容器并联放置，因此它允许的交流被接地。这旁路了所有高频分量，同时允许直流在输出端出现。

• RL 滤波器 − 由于电感器串联放置，因此直流被允许到输出端。电感器阻挡交流，交流不允许出现在输出端。

低通滤波器 (LPF) 的符号如下所示。

频率响应

实际滤波器的频率响应如下所示，并且当不考虑电子元件的实际因素时，理想 LPF 的频率响应如下。

任何滤波器的截止频率都是滤波器打算衰减（截止）信号的关键频率$f_{c}$。理想滤波器具有完美的截止，而实际滤波器则有一些限制。

RLC 滤波器

在了解了 RC 和 RL 滤波器之后，人们可能会想到将这两个电路组合起来以获得更好的响应会很好。下图显示了 RLC 电路的外观。

输入信号通过电感器，电感器阻挡交流并允许直流。现在，该输出再次通过并联的电容器，如果信号中存在任何交流分量，则将其接地，允许直流在输出端出现。因此，我们在输出端获得了纯直流。这比这两个电路中的任何一个都是更好的低通电路。

高通滤波器

允许一组高于指定值的频率的滤波器电路可以称为高通滤波器。此滤波器通过高频。使用 RC 和 RL 的高通滤波器的电路图如下所示。

电容滤波器或RC滤波器和电感滤波器或RL滤波器都充当高通滤波器。

RC 滤波器

由于电容器串联放置，因此它阻挡直流分量并允许交流分量到输出端。因此，高频分量出现在电阻器两端的输出端。

RL 滤波器

由于电感器并联放置，因此直流被允许接地。剩余的交流分量出现在输出端。高通滤波器 (HPF) 的符号如下所示。

频率响应

实际滤波器的频率响应如下所示，并且当不考虑电子元件的实际因素时，理想 HPF 的频率响应如下。

任何滤波器的截止频率都是滤波器打算衰减（截止）信号的关键频率$f_{c}$。理想滤波器具有完美的截止，而实际滤波器则有一些限制。

RLC 滤波器

在了解了 RC 和 RL 滤波器之后，人们可能会想到将这两个电路组合起来以获得更好的响应会很好。下图显示了 RLC 电路的外观。

输入信号通过电容器，电容器阻挡直流并允许交流。现在，该输出再次通过并联的电感器，如果信号中存在任何直流分量，则将其接地，允许交流在输出端出现。因此，我们在输出端获得了纯交流。这比这两个电路中的任何一个都是更好的高通电路。

带通滤波器

允许一组两个指定值之间的频率的滤波器电路可以称为带通滤波器。此滤波器通过一个频带。

由于我们需要消除一些低频和高频，以选择一组指定的频率，因此我们需要级联一个 HPF 和一个 LPF 以获得 BPF。即使通过观察频率响应曲线，也可以很容易地理解这一点。

带通滤波器的电路图如下所示。

以上电路也可以使用 RL 电路或 RLC 电路构建。以上电路为 RC 电路，选择用于简单的理解。

带通滤波器 (BPF) 的符号如下所示。

频率响应

实际滤波器的频率响应如下所示，并且当不考虑电子元件的实际因素时，理想 BPF 的频率响应如下。

任何滤波器的截止频率都是滤波器打算衰减（截止）信号的关键频率$f_{c}$。理想滤波器具有完美的截止，而实际滤波器则有一些限制。

带阻滤波器

阻挡或衰减一组两个指定值之间的频率的滤波器电路可以称为带阻滤波器。此滤波器拒绝一个频带，因此也可以称为带阻滤波器。

由于我们需要消除一些低频和高频，以选择一组指定的频率，因此我们需要级联一个 LPF 和一个 HPF 以获得 BSF。即使通过观察频率响应曲线，也可以很容易地理解这一点。

带阻滤波器的电路图如下所示。

以上电路也可以使用 RL 电路或 RLC 电路构建。以上电路为 RC 电路，选择用于简单的理解。

带阻滤波器 (BSF) 的符号如下所示。

频率响应

实际滤波器的频率响应如下图所示，而当不考虑电子元件的实际情况时，理想带阻滤波器（BSF）的频率响应如下所示。

任何滤波器的截止频率都是滤波器打算衰减（截止）信号的关键频率$f_{c}$。理想滤波器具有完美的截止，而实际滤波器则有一些限制。

低通滤波器和高通滤波器的特殊功能

低通滤波器和高通滤波器电路在许多应用中用作特殊电路。低通滤波器 (LPF) 可以作为积分器工作，而高通滤波器 (HPF) 可以作为微分器工作。只有这些电路才能实现这两个数学函数，从而减少了电子工程师在许多应用中的工作量。

低通滤波器作为积分器

在低频时，电容抗性趋于无穷大，而在高频时，电容抗性变为零。因此，在低频时，LPF 具有有限的输出，而在高频时，输出为零，这与积分器电路相同。因此，可以说低通滤波器可以作为积分器工作。

为了使 LPF 充当积分器

$$\tau \gg T$$

其中 $\tau = RC$ 为电路的时间常数

然后 C 中的电压变化非常小。

$$V_{i}=iR+\frac{1}{C} \int i \:dt$$

$$V_{i}\cong iR$$

$$因为 \:\: \frac{1}{C} \int i \:dt \ll iR$$

$$i=\frac{V_{i}}{R}$$

$$ 因为 \:\: V_{0}=\frac{1}{C}\int i dt =\frac{1}{RC}\int V_{i}dt=\frac{1}{\tau }\int V_{i} dt$$

$$输出 \propto \int 输入$$

因此，具有较大时间常数的 LPF 会产生与输入积分成正比的输出。

频率响应

当低通滤波器作为积分器工作时，其实际频率响应如下图所示。

输出波形

如果给积分器电路一个正弦波输入，则输出将是一个余弦波。如果输入是方波，则输出波形会改变其形状，并显示如下面的图形。

高通滤波器作为微分器

在低频时，微分器的输出为零，而在高频时，其输出为某个有限值。这与微分器相同。因此，可以说高通滤波器充当微分器。

如果 RC HPF 的时间常数远小于输入信号的周期，则电路表现为微分器。然后，与跨 C 的压降相比，跨 R 的压降非常小。

$$V_{i}=\frac{1}{C}\int i \:dt +iR$$

但 $iR=V_{0}$ 很小

$$因为 V_{i}=\frac{1}{C}\int i \:dt$$

$$i=\frac{V_{0}}{R}$$

$$因为 \: V_{i} =\frac{1}{\tau }\int V_{0} \:dt$$

其中 $\tau =RC$ 为电路的时间常数。

两边求导，

$$\frac{dV_{i}}{dt}=\frac{V_0}{\tau }$$

$$V_{0}=\tau \frac{dV_{i}}{dt}$$

$$因为 \:V_{0}\propto \frac{dV_{i}}{dt}$$

输出与输入信号的微分成正比。

频率响应

当高通滤波器作为微分器工作时，其实际频率响应如下图所示。

输出波形

如果给微分器电路一个正弦波输入，则输出将是一个余弦波。如果输入是方波，则输出波形会改变其形状，并显示如下面的图形。

这两种电路主要用于各种电子应用。当施加的输入稳定变化时，微分器电路会产生恒定的输出电压。当施加的输入电压恒定时，积分器电路会产生稳定变化的输出电压。

非线性波形整形

除了电阻器之外，非线性波形整形电路中还使用二极管等非线性元件来获得所需的改变后的输出。在非线性波形整形中，要么衰减波形的形状，要么改变波形的直流电平。

使用非线性元件从正弦输入产生非正弦输出波形的过程称为非线性波形整形。

削波电路

削波电路是一种电路，它拒绝输入波形中指定的部分，同时允许其余部分通过。确定截止电压以上或以下的波形部分会被削波或切除。

削波电路由线性元件和非线性元件（如电阻器和二极管）组成，但不包含电容器等储能元件。这些削波电路具有许多应用，因为它们具有优势。

• 削波电路的主要优点是消除幅度中存在的不需要的噪声。

• 它们可以作为方波转换器，因为它们可以通过削波将正弦波转换为方波。

• 可以将所需波形的幅度保持在恒定水平。

在二极管削波器中，两种主要类型是正削波器和负削波器。我们将在接下来的两章中讨论这两种类型的削波器。

电子电路 - 正削波电路

旨在衰减输入信号正部分的削波电路可以称为正削波器。在正二极管削波电路中，我们有以下类型：

• 正串联削波器
• 带正 $V_{r}$（参考电压）的正串联削波器
• 带负 $V_{r}$ 的正串联削波器
• 正并联削波器
• 带正 $V_{r}$ 的正并联削波器
• 带负 $V_{r}$ 的正并联削波器

让我们详细讨论每种类型。

正串联削波器

在削波电路中，二极管与输入信号串联连接，并衰减波形的正部分，这称为正串联削波器。下图表示正串联削波器的电路图。

输入的正半周期 - 当施加输入电压时，输入的正半周期使电路中的 A 点相对于 B 点为正。这使得二极管反向偏置，因此它表现为开路开关。因此，负载电阻上的电压变为零，因为没有电流流过它，因此 $V_{0}$ 将为零。

输入的负半周期 - 输入的负半周期使电路中的 A 点相对于 B 点为负。这使得二极管正向偏置，因此它像闭合开关一样导通。因此，负载电阻上的电压将等于施加的输入电压，因为它完全出现在输出 $V_{0}$ 上。

波形

在上图中，如果观察波形，我们可以理解只有正峰值的一部分被削波了。这是由于 $V_{0}$ 上的电压造成的。但理想输出并非如此。让我们看一下下图。

与理想输出不同，由于二极管导通电压为 0.7v，因此实际输出中存在正半周期的一小部分。因此，实际输出波形和理想输出波形之间存在差异。

带正 $V_{r}$ 的正串联削波器

在削波电路中，二极管与输入信号串联连接，并用正参考电压 $V_{r}$ 偏置，并衰减波形的正部分，这称为带正 $V_{r}$ 的正串联削波器。下图表示当施加的参考电压为正时，正串联削波器的电路图。

在输入的正半周期期间，二极管反向偏置，参考电压出现在输出端。在其负半周期期间，二极管正向偏置并像闭合开关一样导通。因此，输出波形如上图所示。

带负 $V_{r}$ 的正串联削波器

在削波电路中，二极管与输入信号串联连接，并用负参考电压 $V_{r}$ 偏置，并衰减波形的正部分，这称为带负 $V_{r}$ 的正串联削波器。下图表示当施加的参考电压为负时，正串联削波器的电路图。

在输入的正半周期期间，二极管反向偏置，参考电压出现在输出端。由于参考电压为负，因此显示了具有恒定幅度的相同电压。在其负半周期期间，二极管正向偏置并像闭合开关一样导通。因此，大于参考电压的输入信号出现在输出端。

正并联削波器

在削波电路中，二极管与输入信号并联连接，并衰减波形的正部分，这称为正并联削波器。下图表示正并联削波器的电路图。

输入的正半周期 - 当施加输入电压时，输入的正半周期使电路中的 A 点相对于 B 点为正。这使得二极管正向偏置，因此它像闭合开关一样导通。因此，负载电阻上的电压变为零，因为没有电流流过它，因此 $V_{0}$ 将为零。

输入的负半周期 - 输入的负半周期使电路中的 A 点相对于 B 点为负。这使得二极管反向偏置，因此它表现为开路开关。因此，负载电阻上的电压将等于施加的输入电压，因为它完全出现在输出 $V_{0}$ 上。

波形

在上图中，如果观察波形，我们可以理解只有正峰值的一部分被削波了。这是由于 $V_{0}$ 上的电压造成的。但理想输出并非如此。让我们看一下下图。

与理想输出不同，由于二极管导通电压为 0.7v，因此实际输出中存在正半周期的一小部分。因此，实际输出波形和理想输出波形之间存在差异。

带正 $V_{r}$ 的正并联削波器

在削波电路中，二极管与输入信号并联连接，并用正参考电压 $V_{r}$ 偏置，并衰减波形的正部分，这称为带正 $V_{r}$ 的正并联削波器。下图表示当施加的参考电压为正时，正并联削波器的电路图。

在输入的正半周期期间，二极管正向偏置，输出端只有参考电压。在其负半周期期间，二极管反向偏置并表现为开路开关。整个输入都出现在输出端。因此，输出波形如上图所示。

带负 $V_{r}$ 的正并联削波器

在削波电路中，二极管与输入信号并联连接，并用负参考电压 $V_{r}$ 偏置，并衰减波形的正部分，这称为带负 $V_{r}$ 的正并联削波器。

下图表示当施加的参考电压为负时，正并联削波器的电路图。

在输入信号的正半周期间，二极管正向偏置，参考电压出现在输出端。由于参考电压为负，因此显示相同幅度的恒定电压。在其负半周期间，二极管反向偏置并表现为开路开关。因此，大于参考电压的输入信号出现在输出端。

电子电路 - 负钳位电路

旨在衰减输入信号负部分的钳位电路可以称为负钳位器。在负二极管钳位电路中，我们有以下类型。

• 负串联钳位
• 带正$V_{r}$（参考电压）的负串联钳位
• 带负$V_{r}$的负串联钳位
• 负并联钳位
• 带正$V_{r}$的负并联钳位
• 带负$V_{r}$的负并联钳位

让我们详细讨论每种类型。

负串联钳位

二极管串联连接到输入信号并衰减波形负部分的钳位电路称为负串联钳位。下图表示负串联钳位电路图。

输入信号的正半周 - 当施加输入电压时，输入信号的正半周使电路中A点相对于B点为正。这使得二极管正向偏置，因此它像一个闭合开关。因此，输入电压完全出现在负载电阻两端，以产生输出$V_{0}$。

输入信号的负半周 - 输入信号的负半周使电路中A点相对于B点为负。这使得二极管反向偏置，因此它像一个开路开关。因此，负载电阻上的电压将为零，使$V_{0}$为零。

波形

在上图中，如果观察波形，我们可以理解只有负峰的一部分被钳位了。这是由于$V_{0}$上的电压造成的。但理想输出并非如此。让我们看看下图。

与理想输出不同，由于二极管导通电压为0.7v，实际输出中存在负半周的一小部分。因此，实际输出波形和理想输出波形之间存在差异。

带正$V_{r}$的负串联钳位

二极管串联连接到输入信号并用正参考电压$V_{r}$偏置并衰减波形负部分的钳位电路称为带正$V_{r}$的负串联钳位。下图表示当施加的参考电压为正时负串联钳位电路图。

在输入信号的正半周期间，只有当阳极电压值超过二极管的阴极电压值时，二极管才开始导通。由于阴极电压等于施加的参考电压，因此输出将如所示。

带负$V_{r}$的负串联钳位

二极管串联连接到输入信号并用负参考电压$V_{r}$偏置并衰减波形负部分的钳位电路称为带负$V_{r}$的负串联钳位。下图表示当施加的参考电压为负时负串联钳位电路图。

在输入信号的正半周期间，二极管正向偏置，输入信号出现在输出端。在其负半周期间，二极管反向偏置，因此不会导通。但是，施加的负参考电压出现在输出端。因此，输出波形的负半周在此参考电平后被钳位。

负并联钳位

二极管并联连接到输入信号并衰减波形负部分的钳位电路称为负并联钳位。下图表示负并联钳位电路图。

输入信号的正半周 - 当施加输入电压时，输入信号的正半周使电路中A点相对于B点为正。这使得二极管反向偏置，因此它表现为开路开关。因此，负载电阻上的电压等于施加的输入电压，因为它完全出现在输出$V_{0}$上

输入信号的负半周 - 输入信号的负半周使电路中A点相对于B点为负。这使得二极管正向偏置，因此它像闭合开关一样导通。因此，负载电阻上的电压变为零，因为没有电流流过它。

波形

在上图中，如果观察波形，我们可以理解只有负峰的一部分被钳位了。这是由于$V_{0}$上的电压造成的。但理想输出并非如此。让我们看看下图。

与理想输出不同，由于二极管导通电压为0.7v，实际输出中存在负半周的一小部分。因此，实际输出波形和理想输出波形之间存在差异。

带正$V_{r}$的负并联钳位

二极管并联连接到输入信号并用正参考电压$V_{r}$偏置并衰减波形负部分的钳位电路称为带正$V_{r}$的负并联钳位。下图表示当施加的参考电压为正时负并联钳位电路图。

在输入信号的正半周期间，二极管反向偏置并表现为开路开关。因此，整个输入电压（大于施加的参考电压）出现在输出端。低于参考电压电平的信号被钳位。

在负半周期间，由于二极管正向偏置且回路完成，因此没有输出。

带负$V_{r}$的负并联钳位

二极管并联连接到输入信号并用负参考电压$V_{r}$偏置并衰减波形负部分的钳位电路称为带负$V_{r}$的负并联钳位。下图表示当施加的参考电压为负时负并联钳位电路图。

在输入信号的正半周期间，二极管反向偏置并表现为开路开关。因此，整个输入电压出现在输出$V_{o}$上。在负半周期间，二极管正向偏置。高达参考电压的负电压出现在输出端，其余信号被钳位。

双向钳位

这是一个带参考电压$V_{r}$的正负钳位器。输入电压被双向钳位，即输入波形的正负部分都使用两个参考电压进行钳位。为此，两个二极管$D_{1}$和$D_{2}$以及两个参考电压$V_{r1}$和$V_{r2}$连接在电路中。

此电路也称为组合钳位电路。下图显示了双向或组合钳位电路的电路布置及其输出波形。

在输入信号的正半周期间，二极管$D_{1}$导通，使参考电压$V_{r1}$出现在输出端。在输入信号的负半周期间，二极管$D_{2}$导通，使参考电压$V_{r1}$出现在输出端。因此，两个二极管交替导通，在两个周期内钳位输出。输出取自负载电阻两端。

至此，我们完成了主要的钳位电路。让我们在下一章中学习箝位电路。

电子电路 - 箝位电路

箝位电路是一种向交流信号添加直流电平的电路。实际上，可以使用箝位电路将信号的正负峰值置于所需的电平。由于直流电平发生偏移，因此箝位电路称为电平移位器。

箝位电路包含电容等储能元件。一个简单的箝位电路包括一个电容、一个二极管、一个电阻以及如果需要的话一个直流电池。

箝位电路

箝位电路可以定义为包含二极管、电阻和电容的电路，该电路将波形移至所需的直流电平，而不会改变施加信号的实际外观。

为了保持波形周期，τ必须大于周期的一半（电容的放电时间应缓慢）。

$$\tau = Rc$$

其中

• R是所用电阻的阻值
• C是所用电容的电容值

电容的充放电时间常数决定了箝位电路的输出。

• 在箝位电路中，输出波形相对于输入信号发生向上或向下的垂直偏移。

• 负载电阻和电容会影响波形。因此，电容的放电时间应足够长。

当使用耦合电容网络（因为电容阻挡直流）时，输入信号中存在的直流分量会被抑制。因此，当需要恢复直流时，使用箝位电路。

箝位电路的类型

箝位电路有几种类型，例如

• 正箝位
• 带正$V_r$的正箝位
• 带负$V_r$的正箝位
• 负箝位
• 带正$V_{r}$的负箝位
• 带负$V_{r}$的负箝位

让我们详细了解一下。

正箝位电路

箝位电路恢复直流电平。当信号的负峰值被抬高到零电平以上时，则称该信号被正箝位。

正箝位电路是一种包含二极管、电阻和电容的电路，它将输出信号移至输入信号的正部分。下图说明了正箝位电路的构造。

最初，当施加输入时，电容尚未充电，二极管反向偏置。此时不考虑输出。在负半周期间，在峰值时，电容被充电，一极板带负电，另一极板带正电。电容现在被充电到其峰值$V_{m}$。二极管正向偏置并大量导通。

在下一个正半周期间，电容被充电到正Vm，而二极管反向偏置并开路。此时电路的输出为

$$V_{0}=V_{i}+V_{m}$$

因此，信号被正箝位，如上图所示。输出信号根据输入信号的变化而变化，但根据电容上的电荷偏移电平，因为它会添加输入电压。

带正V_r的正箝位

如果正箝位电路用某个正参考电压偏置，则该电压将被添加到输出中以提高钳位电平。利用这一点，带正参考电压的正箝位电路构造如下。

在正半周期间，参考电压通过二极管施加到输出端，并且随着输入电压的增加，二极管的阴极电压相对于阳极电压增加，因此它停止导通。在负半周期间，二极管正向偏置并开始导通。电容两端的电压和参考电压共同维持输出电压电平。

带负$V_{r}$的正箝位

如果正箝位电路用某个负参考电压偏置，则该电压将被添加到输出中以提高钳位电平。利用这一点，带正参考电压的正箝位电路构造如下。

在正半周期间，电容两端的电压和参考电压共同维持输出电压电平。在负半周期间，当阴极电压小于阳极电压时，二极管导通。这些变化使输出电压如上图所示。

负箝位

负箝位电路是一种包含二极管、电阻和电容的电路，它将输出信号移至输入信号的负部分。下图说明了负箝位电路的构造。

在正半周期间，电容被充电到其峰值 $v_{m}$。二极管处于正向偏置并导通。在负半周期间，二极管处于反向偏置并断路。此时电路的输出将是

$$V_{0}=V_{i}+V_{m}$$

因此，信号被负钳位，如上图所示。输出信号根据输入信号的变化而变化，但根据电容器上的电荷偏移电平，因为它会叠加输入电压。

带正 V_r 的负钳位电路

如果负钳位电路偏置某个正参考电压，则该电压将添加到输出以提高钳位电平。利用这一点，带正参考电压的负钳位电路构建如下。

尽管输出电压被负钳位，但输出波形的一部分被提升到正电平，因为施加的参考电压为正。在正半周期间，二极管导通，但输出等于施加的正参考电压。在负半周期间，二极管充当断路，电容器两端的电压形成输出。

带负 V_r 的负钳位电路

如果负钳位电路偏置某个负参考电压，则该电压将添加到输出以提高钳位电平。利用这一点，带负参考电压的负钳位电路构建如下。

二极管的阴极连接到负参考电压，该电压小于零和阳极电压。因此，二极管在正半周期间开始导通，早于零电压电平。在负半周期间，电容器两端的电压出现在输出端。因此，波形被钳位到负部分。

应用

限幅器和钳位器都有许多应用，例如

限幅器

• 用于波形的产生和整形
• 用于保护电路免受尖峰干扰
• 用作幅度恢复器
• 用作电压限制器
• 用于电视电路
• 用于调频发射机

钳位器

• 用作直流恢复器
• 用于消除失真
• 用作电压倍增器
• 用于保护放大器
• 用作测试设备
• 用作基线稳定器

限幅器和电压倍增器

除了限幅器和钳位器等波形整形电路外，二极管还用于构建其他电路，例如限幅器和电压倍增器，我们将在本章中讨论这些电路。二极管还有另一个重要的应用，称为整流器，我们将在后面讨论。

限幅器

在浏览这些限幅器和钳位器时，我们经常遇到的另一个名称是限幅器电路。限幅器电路可以理解为限制输出电压不超过预定值的电路。

这或多或少是一个限幅器电路，不允许指定的信号值超过。实际上，削波可以被认为是限幅的极端程度。因此，限幅可以理解为平滑削波。

下图显示了一些限幅器电路的示例：

可以从限幅器电路的传输特性曲线了解其性能。此类曲线的示例如下。

图中指定了上下限，指示了限幅器特性。此类图形的输出电压可以理解为

$$V_{0}= L_{-},KV_{i},L_{+}$$

其中

$$L_{-}=V_{i}\leq \frac{L_{-}}{k}$$

$$KV_{i}=\frac{L_{-}}{k}< V_{i}<\frac{L_{+}}{k}$$

$$L_{+}=V_{i}\geq \frac{L_{+}}{K}$$

限幅器的类型

限幅器有几种类型，例如

• 单极性限幅器 - 此电路单向限制信号。

• 双极性限幅器 - 此电路双向限制信号。

• 软限幅器 - 在此电路中，即使输入发生微小变化，输出也可能发生变化。

• 硬限幅器 - 输出不会随着输入信号的变化而轻易改变。

• 单限幅器 - 此电路使用一个二极管进行限幅。

• 双限幅器 - 此电路使用两个二极管进行限幅。

电压倍增器

在某些情况下，需要将电压倍增。这可以通过使用二极管和电容器的简单电路轻松实现。如果电压加倍，则此类电路称为电压倍增器。这可以扩展为制作电压三倍器或电压四倍器等，以获得高直流电压。

为了更好地理解，让我们考虑一个将电压乘以 2 的电路。此电路可以称为电压倍增器。下图显示了电压倍增器的电路。

施加的输入电压将是交流信号，形式为正弦波，如下图所示。

工作原理

可以通过分析输入信号的每个半周期来理解电压倍增器电路。每个周期都会使二极管和电容器以不同的方式工作。让我们试着理解这一点。

在第一个正半周期间 - 当施加输入信号时，电容器 $C_{1}$ 被充电，二极管 $D_{1}$ 处于正向偏置。而二极管 $D_{2}$ 处于反向偏置，电容器 $C_{2}$ 没有得到任何电荷。这使得输出 $V_{0}$ 为 $V_{m}$

这可以从下图理解。

因此，在 0 到 $\pi$ 之间，产生的输出电压将为 $V_{max}$。电容器 $C_{1}$ 通过正向偏置的二极管 $D_{1}$ 充电以提供输出，而 $C_{2}$ 不会充电。此电压出现在输出端。

在负半周期间 - 之后，当负半周到来时，二极管 $D_{1}$ 处于反向偏置，二极管 $D_{2}$ 处于正向偏置。二极管 $D_{2}$ 通过电容器 $C_{2}$ 获得电荷，该电容器在此过程中被充电。然后电流流过电容器 $C_{1}$，该电容器放电。这可以从下图理解。

因此，在 $\pi$ 到 $2\pi$ 之间，电容器 $C_{2}$ 两端的电压将为 $V_{max}$。而完全充电的电容器 $C_{1}$ 倾向于放电。现在，来自两个电容器的电压一起出现在输出端，即 $2V_{max}$。因此，此周期内的输出电压 $V_{0}$ 为 $2V_{max}$

在下一个正半周期间 - 电容器 $C_{1}$ 从电源充电，二极管 $D_{1}$ 处于正向偏置。电容器 $C_{2}$ 保持电荷，因为它找不到放电的方式，二极管 $D_{2}$ 处于反向偏置。现在，此周期的输出电压 $V_{0}$ 获得了来自两个电容器的电压，它们一起出现在输出端，即 $2V_{max}$。

在下一个负半周期间 - 下一个负半周使电容器 $C_{1}$ 再次从其满电荷放电，二极管 $D_{1}$ 反向偏置，而 $D_{2}$ 正向偏置，电容器 $C_{2}$ 进一步充电以保持其电压。现在，此周期的输出电压 $V_{0}$ 获得了来自两个电容器的电压，它们一起出现在输出端，即 $2V_{max}$。

因此，输出电压 $V_{0}$ 在整个工作过程中保持为 $2V_{max}$，这使得电路成为电压倍增器。

电压倍增器主要用于需要高直流电压的地方。例如，阴极射线管和计算机显示器。

分压器

虽然二极管用于倍增电压，但一组串联电阻可以构成一个小网络来分压。此类网络称为分压器网络。

分压器是一种将较大电压转换为较小电压的电路。这是使用串联连接的电阻器完成的。输出将是输入的一部分。输出电压取决于它驱动的负载的电阻。

让我们试着了解分压器电路的工作原理。下图是一个简单分压器网络的示例。

如果我们尝试为输出电压推导出表达式，则

$$V_{i}=i\left ( R_{1}+R_{2} \right )$$

$$i=\frac{V-{i}}{\left ( R_{1}+R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=i \:R_{2}\rightarrow \:i\:=\frac{V_{0}}{R_{2}}$$

比较两者，

$$\frac{V_{0}}{R_{2}}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

这是获得输出电压值的表达式。因此，输出电压根据网络中电阻器的电阻值进行分配。添加更多电阻器以获得不同分数的不同输出电压。

让我们举一个例子来进一步了解分压器。

示例

计算一个网络的输出电压，该网络的输入电压为 10v，有两个串联电阻 2kΩ 和 5kΩ。

输出电压 $V_{0}$ 由下式给出

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

$$=\frac{10}{\left ( 2 + 5 \right )k\Omega }5k\Omega$$

$$=\frac{10}{7}\times 5=\frac{50}{7}$$

$$=7.142v$$

上述问题的输出电压 $V_0$ 为 7.14v

电子电路 - 二极管作为开关

二极管是一个两端 PN 结，可用于各种应用。其中一个应用是电子开关。PN 结在正向偏置时充当短路，在反向偏置时充当断路。因此，正向和反向偏置状态的变化使二极管充当开关，正向为开状态，反向为关状态。

电子开关优于机械开关

由于以下原因，电子开关优于机械开关：

• 机械开关容易发生金属氧化，而电子开关则不会。
• 机械开关具有可动触点。
• 与电子开关相比，它们更容易受到压力和应力的影响。
• 机械开关的磨损通常会影响其工作。

因此，电子开关比机械开关更有用。

二极管作为开关的工作原理

每当超过指定电压时，二极管电阻都会增加，使二极管反向偏置，并充当开路开关。每当施加的电压低于参考电压时，二极管电阻都会降低，使二极管正向偏置，并充当闭路开关。

下图说明了二极管充当开关。

开关二极管具有一个 PN 结，其中 P 区掺杂较轻，N 区掺杂较重。上述电路象征着当正电压正向偏置二极管时，二极管导通；当负电压反向偏置二极管时，二极管截止。

振铃

当正向电流持续流动时，如果突然施加反向电压，反向电流会在瞬间流动，而不是立即关闭。漏电流越大，损耗就越大。二极管反向偏置时反向电流的流动有时会产生一些振荡，称为**振铃**。

这种振铃现象是一种损耗，因此应该尽量减少。为此，需要了解二极管的开关时间。

二极管开关时间

在改变偏置条件时，二极管会经历一个**瞬态响应**。系统对任何突然偏离平衡位置的变化的响应称为瞬态响应。

从正向偏置到反向偏置以及从反向偏置到正向偏置的突然变化会影响电路。响应此类突然变化所需的时间是定义电开关有效性的重要标准。

• 二极管恢复其稳态所需的时间称为**恢复时间**。

• 二极管从反向偏置状态切换到正向偏置状态所需的时间间隔称为**正向恢复时间（$t_{fr}$）**。

• 二极管从正向偏置状态切换到反向偏置状态所需的时间间隔称为**反向恢复时间（$t_{fr}$）**。

为了更清楚地理解这一点，让我们尝试分析一下对开关PN结二极管施加电压后会发生什么。

载流子浓度

少数载流子浓度随着远离结点而呈指数衰减。当施加电压时，由于正向偏置条件，一侧的大多数载流子会移动到另一侧。它们成为另一侧的少数载流子。这种浓度在结点处会更高。

例如，如果考虑N型，施加正向偏置后进入N型的过量的空穴会添加到N型材料中已经存在的少数载流子中。

让我们考虑一些符号。

• P型中的多数载流子（空穴）= $P_{po}$
• N型中的多数载流子（电子）= $N_{no}$
• P型中的少数载流子（电子）= $N_{po}$
• N型中的少数载流子（空穴）= $P_{no}$

**正向偏置条件下** - 少数载流子在结点附近较多，远离结点较少。下图说明了这一点。

P型中的过量少数载流子电荷 = $P_n-P_{no}$，其中 $p_{no}$ 为（稳态值）

N型中的过量少数载流子电荷 = $N_p-N_{po}$，其中 $N_{po}$ 为（稳态值）

**反向偏置条件下** - 多数载流子不会通过结点导通电流，因此不参与电流条件。开关二极管在反向方向上会短暂表现为短路。

少数载流子将穿过结点并导通电流，这称为**反向饱和电流**。下图表示反向偏置条件下的情况。

在上图中，虚线表示平衡值，实线表示实际值。由于少数载流子引起的电流足够大以导通，因此电路将保持导通状态，直到去除这种过量电荷。

二极管从正向偏置切换到反向偏置所需的时间称为**反向恢复时间（$t_{rr}$）**。下图详细说明了二极管开关时间。

从上图，让我们考虑二极管电流图。

在 $t_{1}$ 时，二极管从导通状态突然切换到截止状态；这称为存储时间。**存储时间**是去除过量少数载流子电荷所需的时间。在存储时间期间，从N型材料流向P型材料的负电流相当大。这个负电流是：

$$-I_R= \frac{-V_{R}}{R}$$

下一个时间段是**过渡时间**”（从 $t_2$ 到 $t_3$）

过渡时间是二极管完全达到开路状态所需的时间。在 $t_3$ 之后，二极管将处于稳态反向偏置状态。在 $t_1$ 之前，二极管处于稳态正向偏置状态。

因此，完全达到开路状态所需的时间为

$$反向恢复时间\left ( t_{rr} \right )= 存储时间 \left ( T_{s} \right )+过渡时间 \left ( T_{t} \right )$$

而从截止状态切换到导通状态所需的时间较短，称为**正向恢复时间**。反向恢复时间大于正向恢复时间。如果反向恢复时间缩短，则二极管可以作为更好的开关。

定义

让我们回顾一下所讨论的时间段的定义。

• **存储时间** - 二极管即使在反向偏置状态下仍保持导通状态的时间段称为**存储时间**。

• **过渡时间** - 返回到非导通状态（即稳态反向偏置）所经过的时间称为**过渡时间**。

• **反向恢复时间** - 二极管从正向偏置切换到反向偏置所需的时间称为**反向恢复时间**。

• **正向恢复时间** - 二极管从反向偏置切换到正向偏置所需的时间称为**正向恢复时间**。

影响二极管开关时间的因素

有一些因素会影响二极管的开关时间，例如

• **二极管电容** - PN结电容会根据偏置条件而变化。

• **二极管电阻** - 二极管改变其状态所提供的电阻。

• **掺杂浓度** - 二极管的掺杂水平会影响二极管的开关时间。

• **耗尽层宽度** - 耗尽层宽度越窄，开关速度越快。齐纳二极管的耗尽层比雪崩二极管窄，这使得前者成为更好的开关。

应用

二极管开关电路应用广泛，例如 -

• 高速整流电路
• 高速开关电路
• 射频接收器
• 通用应用
• 消费类应用
• 汽车应用
• 电信应用等。

电子电路 - 电源

本章开启了二极管电路另一个部分的新篇章。本章介绍了我们在日常生活中遇到的电源电路。任何电子设备都包含一个电源单元，该单元为电子设备的各个部分提供所需的交流或直流电源。

电源的必要性

电子设备（如计算机、电视机、阴极射线示波器等）包含许多小的部分，但并非所有这些部分都需要我们获得的230V交流电源。

相反，一个或多个部分可能需要12V直流电源，而其他一些部分可能需要30V直流电源。为了提供所需的直流电压，必须将输入的230V交流电源转换为纯直流电源以供使用。**电源单元**正是为此目的而存在的。

一个实际的电源单元如下所示。

现在让我们了解构成电源单元的不同部分。

电源的组成部分

一个典型的电源单元包含以下部分。

• **变压器** - 用于将230V交流电源降压的输入变压器。

• **整流器** - 用于将信号中存在的交流分量转换为直流分量的整流电路。

• **滤波** - 用于平滑整流输出中存在的波动的滤波电路。

• **稳压器** - 用于将电压控制到所需输出水平的稳压电路。

• **负载** - 使用来自稳压输出的纯直流输出的负载。

电源单元的框图

稳压电源单元的框图如下所示。

从上图可以看出，变压器位于初始阶段。虽然我们已经在《基础电子学》教程中学习了有关变压器的概念，但让我们再回顾一下。

变压器

变压器有一个**初级线圈**，输入信号施加在其上，还有一个**次级线圈**，从中收集输出信号。这两个线圈都绕在一个铁芯材料上。通常，绝缘体构成变压器的**铁芯**。

下图显示了一个实际的变压器。

从上图可以看出，一些符号是通用的。它们如下 -

• **$N_{p}$** = 初级绕组的匝数

• **$N_{s}$** = 次级绕组的匝数

• **$I_{p}$** = 流过变压器初级的电流

• **$I_{s}$** = 流过变压器次级的电流

• **$V_{p}$** = 变压器初级两端的电压

• **$V_{s}$** = 变压器次级两端的电压

• **$\phi$** = 变压器铁芯周围存在的磁通量

电路中的变压器

下图显示了如何在电路中表示变压器。变压器的初级绕组、次级绕组和铁芯也在下图中表示。

因此，当变压器连接到电路中时，输入电源施加到初级线圈，使其产生随电源变化的磁通量，该磁通量被感应到变压器的次级线圈中，产生随磁通量变化的电动势。由于磁通量必须变化，才能将电动势从初级传递到次级，因此变压器始终工作在交流电AC上。

根据次级绕组的匝数，变压器可以分为**升压**或**降压**变压器。

升压变压器

当次级绕组的匝数多于初级绕组时，则该变压器称为**升压**变压器。此处感应电动势大于输入信号。

下图显示了升压变压器的符号。

降压变压器

当次级绕组的匝数少于初级绕组时，则该变压器称为**降压**变压器。此处感应电动势小于输入信号。

下图显示了降压变压器的符号。

在我们的电源电路中，我们使用**降压变压器**，因为我们需要将交流电源降低到直流电源。该降压变压器的输出功率会较小，并将作为下一个部分（称为**整流器**）的输入。我们将在下一章讨论整流器。

电子电路 - 整流器

每当需要将交流电转换为直流电时，整流电路就会发挥作用。一个简单的PN结二极管可以充当整流器。二极管的正向偏置和反向偏置条件实现了整流。

整流

交流电具有持续改变其状态的特性。通过观察表示交流电的正弦波可以理解这一点。它在正方向上上升，到达正峰值，然后从那里下降到正常水平，然后再次进入负方向，达到负峰值，然后再次回到正常水平，并不断重复。

在波形形成的过程中，我们可以观察到波形在正负方向上变化。实际上，它完全交替，因此得名交流电。

但在整流过程中，这种交流电会转换为直流电（DC）。在此之前，在正负方向都流动的波形，在转换为直流电后，其方向将仅限于正方向。因此，电流仅允许在正方向流动，并在负方向受到阻碍，如下图所示。

执行整流的电路称为整流电路。二极管用作整流器，以构建整流电路。

整流电路的类型

整流电路主要有两种类型，取决于其输出。它们是

• 半波整流器
• 全波整流器

半波整流器电路仅整流输入电源的正半周期，而全波整流器电路则整流输入电源的正负半周期。

半波整流器

半波整流器这个名称本身就表明整流仅针对周期的一半进行。交流信号通过输入变压器传递，根据使用情况进行升压或降压。整流电路中大多使用降压变压器，以降低输入电压。

给变压器的输入信号通过一个充当整流器的PN结二极管。该二极管仅将输入的正半周期的交流电压转换为脉动直流电压。负载电阻连接在电路的末端。下图显示了半波整流器的电路。

HWR的工作原理

输入信号输入到变压器，降低电压水平。变压器的输出输入到充当整流器的二极管。对于输入信号的正半周期，该二极管导通（导电）。因此，电流流过电路，并且负载电阻两端会产生电压降。二极管在负半周期截止（不导电），因此负半周期的输出为，$i_{D} = 0$ 和 $V_{o}=0$。

因此，输出仅存在于输入电压的正半周期（忽略反向漏电流）。此输出将是脉动的，它跨越负载电阻获取。

HWR的波形

输入和输出波形如下图所示。

因此，半波整流器的输出是脉动直流电。让我们尝试通过了解从半波整流器输出获得的一些值来分析上述电路。

半波整流器的分析

为了分析半波整流器电路，让我们考虑输入电压的方程。

$$v_{i}=V_{m} \sin \omega t$$

$V_{m}$ 是电源电压的最大值。

假设二极管是理想的。

• 正向电阻，即导通状态下的电阻为 $R_f$。
• 反向电阻，即截止状态下的电阻为 $R_r$。

二极管或负载电阻 $R_L$ 中的电流i由下式给出

$i=I_m \sin \omega t \quad for\quad 0\leq \omega t\leq 2 \pi$

$ i=0 \quad\quad\quad\quad for \quad \pi\leq \omega t\leq 2 \pi$

其中

$$I_m= \frac{V_m}{R_f+R_L}$$

直流输出电流

平均电流 $I_{dc}$ 由下式给出

$$I_{dc}=\frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2 \pi} i \:d\left ( \omega t \right )$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ \int_{0}^{\pi}I_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+\int_{0}^{2 \pi}0\: d\left ( \omega t \right )\right ]$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ I_m\left \{-\cos \omega t \right \}_{0}^{\pi} \right ]$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ I_m\left \{ +1-\left ( -1 \right ) \right \} \right ]=\frac{I_m}{\pi}=0.318 I_m$$

代入 $I_m$ 的值，得到

$$I_{dc}=\frac{V_m}{\pi\left ( R_f+R_L \right )}$$

如果 $R_L >> R_f$，则

$$I_{dc}=\frac{V_m}{\pi R_L}=0.318 \frac{V_m}{R_L}$$

直流输出电压

直流输出电压由下式给出

$$ V_{dc}=I_{dc}\times R_L=\frac{I_m}{\pi}\times R_L$$

$$=\frac{V_m\times R_L}{\pi\left (R_f+R_L \right )}=\frac{V_m}{\pi\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

如果 $R_L>>R_f$，则

$$V_{dc}=\frac{V_m}{\pi}=0.318 V_m$$

RMS电流和电压

RMS电流的值由下式给出

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2\pi} i^{2} d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2\pi}I_{m}^{2} \sin^{2}\omega t \:d\left (\omega t \right ) +\frac{1}{2\pi}\int_{\pi}^{2\pi} 0 \:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{2 \pi}\int_{0}^{\pi}\left ( \frac{1-\cos 2 \omega t}{2} \right )d\left ( \omega t \right ) \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi}\left \{ \left ( \omega t \right )-\frac{\sin 2 \omega t}{2} \right \}_{0}^{\pi}\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi}\left \{ \pi - 0 - \frac{\sin 2 \pi}{2}+ \sin 0 \right \} \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi} \right ]^{\frac{1}{2}}=\frac{I_m}{2}$$

$$=\frac{V_m}{2\left ( R_f+R_L \right )}$$

负载上的RMS电压为

$$V_{rms}=I_{rms} \times R_L= \frac{V_m \times R_L}{2\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{V_m}{2\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

如果 $R_L>>R_f$，则

$$V_{rms}=\frac{V_m}{2}$$

整流效率

任何电路都需要在其工作中保持高效才能获得更好的输出。为了计算半波整流器的效率，必须考虑输出功率与输入功率之比。

整流效率定义为

$$\eta =\frac{直流功率传递到负载}{交流输入功率来自变压器副边}=\frac{P_{ac}}{P_{dc}}$$

现在

$$P_{dc}=\left ( {I_{dc}} \right )^2 \times R_L=\frac{I_m R_L}{\pi^2}$$

此外

$$P_{ac}=P_a+P_r$$

其中

$P_a = 二极管结点处耗散的功率$

$$=I_{rms}^{2}\times R_f=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_f$$

和

$$P_r = 负载电阻中耗散的功率$$

$$=I_{rms}^{2}\times R_L=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_L$$

$$P_{ac}=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_f+\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_L =\frac{I_{m}^{2}}{4}\left ( R_f+R_L \right )$$

从 $P_{ac}$ 和 $P_{dc}$ 的两个表达式，我们可以写出

$$\eta =\frac{I_{m}^{2}R_L/\pi^2}{I_{m}^{2}\left ( R_f+R_L \right )/4}=\frac{4}{\pi^2}\frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{4}{\pi^2}\frac{1}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}=\frac{0.406}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

整流效率百分比

$$\eta =\frac{40.6}{\lbrace1+\lgroup\: R_{f}/R_{L}\rgroup\rbrace}$$

理论上，当 $R_{f}/R_{L} = 0$ 时，半波整流器的整流效率最大值为 40.6%。

此外，效率可以通过以下方式计算

$$\eta =\frac{P_{dc}}{P_{ac}}=\frac{\left (I_{dc} \right )^2R_L}{\left ( I_{rms} \right )^2R_L}=\frac{\left ( V_{dc}/R_L \right )^2R_L}{\left (V_{rms}/R_L \right )^2R_L} =\frac{\left ( V_{dc} \right )^2}{\left ( V_{rms} \right )^2}$$

$$=\frac{\left ( V_m/ \pi \right )^2}{\left ( V_m/2 \right )^2}=\frac{4}{\pi^2}=0.406$$

$$=40.6\%$$

纹波系数

整流输出包含一定量的交流成分，以纹波的形式存在。通过观察半波整流器的输出波形可以理解这一点。为了获得纯直流电，我们需要了解此组件。

纹波系数表示整流输出的波纹度。它用y表示。这可以定义为电压或电流交流分量的有效值与直流值或平均值之比。

$$\gamma =\frac{纹波电压}{直流电压} =\frac{交流分量的rms值}{波形的直流值}=\frac{\left ( V_r \right )_{rms}}{v_{dc}}$$

这里，

$$\left ( V_r \right )_{rms}=\sqrt{V_{rms}^{2}-V_{dc}^{2}}$$

所以，

$$\gamma =\frac{\sqrt{V_{rms}^{2}-V_{dc}^{2}}}{V_{dc}}=\sqrt{\left (\frac{V_{rms}}{V_{dc}} \right )^2-1}$$

现在，

$$V_{rms}=\left [ \frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi} V_{m}^{2} \sin^2\omega t\:d\left ( \omega t \right ) \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=V_m\left [ \frac{1}{4\pi} \int_{0}^{\pi}\left ( 1- \cos2 \:\omega t \right )d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}=\frac{V_m}{2}$$

$$V_{dc}=V_{av}=\frac{1}{2\pi}\left [ \int_{0}^{\pi}V_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+\int_{0}^{2\pi} 0.d\left ( \omega t \right )\right ]$$

$$=\frac{V_m}{2 \pi}\left [ -\cos \omega t \right ]_{0}^{\pi}=\frac{V_m}{\pi}$$

$$\gamma =\sqrt{\left [ \left \{ \frac{\left ( V_m/2 \right )}{\left ( V_m/\pi \right )} \right \}^2-1 \right ]}=\sqrt{\left \{ \left ( \frac{\pi}{2} \right )^2-1 \right \}}=1.21$$

纹波系数也定义为

$$\gamma =\frac{\left ( I_r \right )_{rms}}{I_{dc}}$$

由于半波整流器中存在的纹波系数值为 1.21，这意味着输出中存在的交流量为直流电压的 121%。

调节

负载电流可能会根据负载电阻而变化。但即使在这种情况下，我们也希望我们跨负载电阻获取的输出电压保持恒定。因此，即使在不同的负载条件下，我们的电压也需要进行调节。

直流输出电压随直流负载电流变化而变化的特性定义为调节。调节百分比计算如下。

$$调节百分比=\frac{空载电压-满载电压}{满载电压} \times 100\%$$

调节百分比越低，电源性能越好。理想电源的调节百分比为零。

变压器利用率

整流电路中要传递到负载的直流功率决定了电路中使用的变压器的额定值。

因此，变压器利用率定义为

$$TUF=\frac{要传递到负载的直流功率}{变压器副边的交流额定值}$$

$$=\frac{P_{d.c}}{P_{a.c\left ( rated \right )}}$$

根据变压器理论，副边的额定电压将为

$$V_m/\sqrt{2}$$

流过它的实际RMS电压将为

$$I_m/2$$

所以

$$TUF=\frac{\left ( I_m/\pi \right )^2\times R_L}{\left ( V_m/\sqrt{2} \right )\times\left ( I_m/2 \right )}$$

但是

$$V_m=I_m\left ( R_f+R_L \right )$$

所以

$$TUF=\frac{\left ( I_m/\pi \right )^2\times R_L}{\left \{ I_m\left ( R_f+R_L \right )/\sqrt{2} \right \}\times \left ( I_m/2 \right )}$$

$$=\frac{2\sqrt{2}}{\pi^2}\times \frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{2\sqrt{2}}{\pi^2} = 0.287$$

峰值反向电压

当二极管反向偏置连接时，应在受控的电压水平下工作。如果超过该安全电压，二极管会损坏。因此，了解该最大电压非常重要。

二极管在不被破坏的情况下能够承受的最大反向电压称为峰值反向电压。简称PIV。

这里的PIV就是Vm。

形状因子

这可以理解为波形上所有点的绝对值的数学平均值。形状因子定义为RMS值与平均值之比。它用F表示。

$$F=\frac{rms值}{平均值}=\frac{I_m/2}{I_m/\pi}=\frac{0.5I_m}{0.318I_m}=1.57$$

峰值因子

必须考虑纹波中的峰值以了解整流的有效性。峰值因子的值也是一个重要的考虑因素。峰值因子定义为峰值与RMS值之比。

所以

$$峰值因子=\frac{峰值}{rms值}=\frac{V_m}{V_m/2}=2$$

所有这些都是研究整流器时需要考虑的重要参数。

电子电路 - 全波整流器

能够整流正负半周期的整流电路可以称为全波整流器，因为它整流了整个周期。全波整流器的构造可以分为两种类型。它们是

• 中心抽头全波整流器
• 桥式全波整流器

它们各有优缺点。现在让我们一起了解它们的构造和工作原理以及它们的波形，以了解哪一个更好以及原因。

中心抽头全波整流器

如果一个整流电路的变压器副绕组设有抽头，并利用两个二极管交替工作来整流整个周期，则称为中心抽头全波整流电路。与其他情况不同，这里的变压器是中心抽头的。

中心抽头变压器的特点如下：

• 抽头是在副绕组的中点引出一条引线形成的。这样做将绕组分成两个相等的部分。

• 抽头中点的电压为零。这形成了一个中性点。

• 中心抽头提供两个幅值相等但极性相反的独立输出电压。

• 可以引出多个抽头以获得不同级别的电压。

中心抽头变压器与两个整流二极管一起用于构建中心抽头全波整流器。中心抽头全波整流器的电路图如下所示。

中心抽头全波整流器（CT-FWR）的工作原理

通过上图可以理解中心抽头全波整流器的工作原理。当输入电压的正半周期施加时，变压器副绕组上的点M相对于点N变为正。这使得二极管$D_1$正向偏置。因此，电流$i_1$从A流向B通过负载电阻。现在我们在输出端得到正半周期。

当输入电压的负半周期施加时，变压器副绕组上的点M相对于点N变为负。这使得二极管$D_2$正向偏置。因此，电流$i_2$从A流向B通过负载电阻。现在我们在输出端得到正半周期，即使在输入的负半周期期间也是如此。

中心抽头全波整流器的波形

中心抽头全波整流器的输入和输出波形如下所示。

从上图可以看出，在正负半周期都获得了输出。还可以观察到，负载电阻上的输出在两个半周期中方向相同。

峰值反向电压

由于半个副绕组上的最大电压为$V_m$，因此整个副绕组电压出现在不导通的二极管上。因此，反向峰值电压是半个副绕组最大电压的两倍，即

$$PIV=2V_m$$

缺点

中心抽头全波整流器有一些缺点，例如：

• 中心抽头的位置难以确定
• 直流输出电压小
• 二极管的PIV应较高

下一种全波整流电路是桥式全波整流电路。

桥式全波整流器

这是一种全波整流电路，它利用四个以桥式连接的二极管，不仅可以在输入的整个周期内产生输出，还可以消除中心抽头全波整流电路的缺点。

此电路不需要变压器的中心抽头。四个称为$D_1$、$D_2$、$D_3$和$D_4$的二极管用于构建桥式网络，以便两个二极管在一个半周期内导通，另外两个二极管在输入电源的另一个半周期内导通。桥式全波整流器的电路图如下所示。

桥式全波整流器的工作原理

采用四个二极管连接在桥式电路中的全波整流器来获得更好的全波输出响应。当施加输入电源的正半周期时，点P相对于点Q变为正。这使得二极管$D_1$和$D_3$正向偏置，而$D_2$和$D_4$反向偏置。这两个二极管现在将与负载电阻串联。

下图显示了这一点以及电路中的常规电流方向。

因此，二极管$D_1$和$D_3$在输入电源的正半周期内导通，以在负载电阻上产生输出。由于两个二极管协同工作以产生输出，因此电压将是中心抽头全波整流器输出电压的两倍。

当施加输入电源的负半周期时，点P相对于点Q变为负。这使得二极管$D_1$和$D_3$反向偏置，而$D_2$和$D_4$正向偏置。这两个二极管现在将与负载电阻串联。

下图显示了这一点以及电路中的常规电流方向。

因此，二极管$D_{2}$和$D_{4}$在输入电源的负半周期内导通，以在负载电阻上产生输出。这里也有两个二极管工作以产生输出电压。电流方向与输入正半周期时相同。

桥式全波整流器的波形

中心抽头全波整流器的输入和输出波形如下所示。

从上图可以看出，在正负半周期都获得了输出。还可以观察到，负载电阻上的输出在两个半周期中方向相同。

峰值反向电压

当两个二极管与变压器的副绕组并联时，变压器上的最大副绕组电压出现在不导通的二极管上，从而形成了整流电路的PIV。因此，反向峰值电压是副绕组上的最大电压，即

$$PIV=V_m$$

优点

桥式全波整流器有很多优点，例如：

• 不需要中心抽头。
• 直流输出电压是中心抽头全波整流器输出电压的两倍。
• 二极管的PIV是中心抽头全波整流器的一半。
• 电路设计更容易，输出效果更好。

现在让我们分析一下全波整流器的特性。

全波整流器的分析

为了分析全波整流电路，让我们假设输入电压$V_{i}$为：

$$V_{i}=V_m \sin \omega t$$

流过负载电阻$R_L$的电流$i_1$由下式给出

$$i_1=I_m \sin \omega t \quad for \quad0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_1=\quad0 \quad\quad\quad for \quad \pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

其中

$$I_m=\frac{V_m}{R_f+R_L}$$

$R_f$为二极管导通时的电阻。

类似地，流过二极管$D_2$和负载电阻RL的电流$i_2$由下式给出：

$$i_2=\quad\:0 \quad\quad\quad for \quad 0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_2=I_m \sin \omega t \quad for \quad\pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

流过$R_L$的总电流是两个电流$i_1$和$i_2$的和，即

$$i=i_1+i_2$$

直流或平均电流

直流电流表指示的输出电流的平均值由下式给出

$$I_{dc}=\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} i_1 \:d\left ( \omega t \right )+\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi}i_2 \:d\left ( \omega t \right )$$

$$=\frac{1}{2\pi\int_{0}^{\pi}}I_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+0+0+$$

$$\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi}I_m \sin \omega t\:d\left ( \omega t \right ) $$

$$=\frac{I_m}{\pi}+ \frac{I_m}{\pi} =\frac{2I_m}{\pi}=0.636I_m$$

这是半波整流器值的二倍。

直流输出电压

负载上的直流输出电压由下式给出

$$V_{dc}=I_{dc}\times R_L = \frac{2I_mR_L}{\pi}=0.636I_mR_L$$

因此，直流输出电压是半波整流器的两倍。

RMS电流

电流的RMS值由下式给出

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi} t^2 \:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

由于电流在两个半周期中形式相同

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{\pi} \int_{0}^{\pi }\sin^2 \omega t\:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\frac{I_m}{\sqrt{2}}$$

整流效率

整流效率定义为

$$\eta=\frac{P_{dc}}{P_{ac}}$$

现在，

$$P_{dc}=\left (V_{dc} \right )^2/R_L=\left ( 2V_m/\pi \right )^2$$

并且，

$$P_{ac}=\left (V_{rms} \right )^2/R_L=\left (V_m/\sqrt{2} \right )^2$$

所以，

$$\eta =\frac{P_{dc}}{P_{ac}}=\frac{\left (2V_m/\pi \right )^2}{\left ( V_m/\sqrt{2} \right )^2}=\frac{8}{\pi^2}$$

$$=0.812=81.2\%$$

整流器的效率可以计算如下：

直流输出功率，

$$P_{dc}=I_{dc}^{2}R_L=\frac{4I_{m}^{2}}{\pi^2}\times R_L$$

交流输入功率，

$$P_{ac}=I_{rms}^{2}\left (R_f+R_L \right )=\frac{I_{m}^{2}}{2}\left ( R_f+R_L \right )$$

所以，

$$\eta=\frac{4I_{m}^{2}R_L/\pi^2}{I_{m}^{2}\left ( R_f+R_L \right )/2}=\frac{8}{\pi^2}\frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{0.812}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

因此，百分比效率为

$$=\frac{0.812}{ 1+\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=81.2\% \quad if\: R_f=0$$

因此，全波整流器的效率是半波整流器的两倍。

纹波系数

全波整流器整流输出电压的波形因数由下式给出

$$F=\frac{I_{rms}}{I_{dc}}=\frac{I_m/\sqrt{2}}{2I_m/\pi}=1.11$$

纹波系数$\gamma$定义为（使用交流电路理论）

$$\gamma =\left [ \left ( \frac{I_{rms}}{I_{dc}} \right )-1 \right ]^{\frac{1}{2}}=\left ( F^2 -1\right )^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \left ( 1.11 \right )^2 -1\right ]^\frac{1}{2}=0.48$$

这比半波整流器的纹波系数1.21有了很大的改进。

调节

直流输出电压由下式给出

$$V_{dc}=\frac{2I_mR_L}{\pi}=\frac{2V_mR_L}{\pi\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{2V_m}{\pi}\left [ 1-\frac{R_f}{R_f+R_L} \right ]=\frac{2V_m}{\pi}-I_{dc}R_f$$

变压器利用率

半波整流器的利用率为0.287

中心抽头整流器有两个副绕组，因此中心抽头全波整流器的利用率为

$$\left ( TUF \right )_{avg}=\frac{P_{dc}}{V-A\:rating\:of\:a\:transformer}$$

$$=\frac{\left ( TUF \right )_p+\left ( TUF \right )_s+\left ( TUF \right )_s}{3}$$

$$=\frac{0.812+0.287+0.287}{3}=0.693$$

半波整流器与全波整流器的比较

在了解了全波整流器各种参数的所有值之后，让我们尝试比较和对比半波整流器和全波整流器的特性。

电子电路 - 滤波器

RMS电流

$I_m/2$

$I_m/\sqrt{2}$

$I_m/\sqrt{2}$

输出频率

$f_{in}$

$2f_{in}$

• 电感器允许直流电通过并阻隔交流电。

• 电容器允许交流电通过并阻隔直流电。

让我们尝试使用这两个元件构建一些滤波器。

串联电感滤波器

由于电感器允许直流电通过并阻隔交流电，因此可以通过将电感器串联连接在整流器和负载之间来构建一个称为串联电感滤波器的滤波器。下图显示了串联电感滤波器的电路图。

当经过此滤波器时，整流输出中的交流分量会被电感器阻隔，从而提供纯直流电。这是一个简单的初级滤波器。

并联电容滤波器

由于电容器允许交流电通过并阻隔直流电，因此可以使用一个并联连接的电容器来构建一个称为并联电容滤波器的滤波器，如下图所示。

当经过此滤波器时，信号中的交流分量通过允许交流分量的电容器接地。信号中剩余的直流分量则被收集到输出端。

以上讨论的滤波器类型都是使用电感器或电容器构建的。现在，让我们尝试同时使用它们来构建一个更好的滤波器。这些是组合滤波器。

LC滤波器

可以使用电感器和电容器来构建滤波器电路，以获得更好的输出，其中可以利用电感器和电容器的效率。下图显示了LC滤波器的电路图。

当整流输出信号输入到该电路时，电感器允许直流分量通过，并阻隔信号中的交流分量。现在，如果信号中还有任何剩余的交流分量，它们会被接地，以便我们获得纯直流输出。

此滤波器也称为扼流输入滤波器，因为输入信号首先进入电感器。此滤波器的输出比之前的滤波器更好。

π型滤波器（Pi滤波器）

这是另一种非常常用的滤波器电路类型。它在输入端有一个电容器，因此也称为电容输入滤波器。这里，两个电容器和一个电感器以π形网络连接。一个并联电容器，然后是一个串联电感器，再然后是另一个并联电容器构成了此电路。

如果需要，可以根据要求添加几个相同的节段。下图显示了一个π型滤波器（Pi滤波器）的电路图。

π型滤波器的工作原理

在此电路中，我们有一个并联电容器，然后是一个串联电感器，再然后是另一个并联电容器。

• 电容器C₁ - 此滤波电容器对直流电具有高电抗，对交流电具有低电抗。在将信号中的交流分量接地后，信号传递到电感器进行进一步滤波。

• 电感器L - 此电感器对直流分量具有低电抗，同时阻隔任何可能通过电容器C₁的交流分量。

• 电容器C₂ - 现在，使用此电容器进一步平滑信号，以便允许信号中存在的任何交流分量，这些分量是电感器未能阻隔的。

因此，我们在负载端获得了所需的纯直流输出。

电子电路 - 稳压器

电源系统中负载之前的下一个也是最后一个阶段是稳压器部分。现在让我们尝试了解什么是稳压器以及它做什么。

处理电力控制和转换的电子学部分可以称为电力电子学。稳压器是电力电子学中一个重要的器件，因为它控制着电力输出。

稳压器的必要性

为了使电源产生恒定的输出电压，而不管输入电压变化或负载电流变化如何，都需要一个电压稳压器。

电压稳压器是一种能够维持恒定输出电压的器件，即使输入电压发生波动或负载电流发生变化也不会影响输出电压。下图展示了一个实际稳压器的外观。

稳压器的类型

稳压器可以根据其工作方式和连接类型分为不同的类别。

根据调节类型，稳压器主要分为两种类型：线路稳压器和负载稳压器。

• 线路稳压器 - 即使输入线路发生变化，也能使输出电压保持恒定的稳压器称为线路稳压器。

• 负载稳压器 - 即使输出端的负载发生变化，也能使输出电压保持恒定的稳压器称为负载稳压器。

根据连接类型，电压稳压器有两种类型，它们是

• 串联电压稳压器
• 并联电压稳压器

它们在电路中的布置方式如下面的图形所示。

让我们看看其他重要的稳压器类型。

稳压二极管稳压器

稳压二极管稳压器是一种使用稳压二极管来调节输出电压的稳压器。我们已经在基本电子学教程中讨论了有关稳压二极管的详细信息。

当稳压二极管工作在击穿或稳压区时，其两端的电压对于电流的大幅变化基本上是恒定的。这种特性使稳压二极管成为良好的电压稳压器。

下图显示了一个简单的稳压二极管稳压器的示意图。

当施加的输入电压$V_i$超过稳压电压$V_z$时，稳压二极管开始工作在击穿区域，并保持负载两端的电压恒定。串联限流电阻$R_s$限制输入电流。

稳压二极管稳压器的工作原理

稳压二极管能够保持其两端的电压恒定，即使负载变化和输入电压波动也如此。因此，我们可以考虑四种情况来理解稳压二极管稳压器的工作原理。

情况1 - 如果负载电流$I_L$增加，则稳压二极管中的电流$I_Z$减小，以保持串联电阻$R_S$中的电流恒定。输出电压Vo取决于输入电压Vi和串联电阻$R_S$两端的电压。

这可以写成

$$V_o=V_{in}-IR_{s}$$

其中$I$是恒定的。因此，$V_o$也保持恒定。

情况2 - 如果负载电流$I_L$减小，则稳压二极管中的电流$I_Z$增加，因为RS串联电阻中的电流$I_S$保持恒定。尽管稳压二极管中的电流$I_Z$增加，但它保持恒定的输出电压$V_Z$，从而使负载电压保持恒定。

情况3 - 如果输入电压$V_i$增加，则串联电阻RS中的电流$I_S$增加。这会增加电阻两端的电压降，即$V_S$增加。尽管稳压二极管中的电流$I_Z$随着此增加而增加，但稳压二极管两端的电压$V_Z$保持恒定，从而使输出负载电压保持恒定。

情况4 - 如果输入电压降低，则串联电阻中的电流降低，这使得稳压二极管中的电流$I_Z$降低。但由于稳压二极管的特性，它保持输出电压恒定。

稳压二极管稳压器的局限性

稳压二极管稳压器有一些局限性。它们是 -

• 对于大负载电流，效率较低。
• 稳压二极管的阻抗会稍微影响输出电压。

因此，稳压二极管稳压器被认为适用于低电压应用。现在，让我们了解其他使用晶体管制造的电压稳压器类型。

晶体管串联电压稳压器

此稳压器有一个晶体管串联连接到稳压二极管稳压器，两者并联连接到负载。晶体管充当可变电阻，调节其集电极发射极电压以保持输出电压恒定。下图显示了晶体管串联电压稳压器。

在输入工作条件下，晶体管基极的电流发生变化。这会影响晶体管基极发射极结电压$V_{BE}$。输出电压由稳压电压$V_Z$维持，该电压是恒定的。由于两者保持相等，因此输入电源的任何变化都会通过发射极基极电压$V_{BE}$的变化来体现。

因此，输出电压Vo可以理解为

$$V_O=V_Z+V_{BE}$$

晶体管串联电压稳压器的工作原理

应针对输入和负载变化考虑串联电压稳压器的工作原理。如果输入电压增加，输出电压也会增加。但这反过来会导致集电极基极结电压$V_{BE}$降低，因为稳压电压$V_Z$保持恒定。由于发射极集电极区域的电阻增加，因此导通降低。这进一步增加了集电极发射极结电压VCE，从而降低了输出电压$V_O$。当输入电压降低时，情况类似。

当负载发生变化时，这意味着如果负载电阻降低，负载电流$I_L$增加，则输出电压$V_O$降低，发射极基极电压$V_{BE}$增加。

随着发射极基极电压$V_{BE}$的增加，导通增加，从而降低了发射极集电极电阻。这反过来增加了输入电流，从而补偿了负载电阻的降低。当负载电流增加时，情况类似。

晶体管串联电压稳压器的局限性

晶体管串联电压稳压器具有以下局限性 -

• 电压$V_{BE}$和$V_Z$受温度升高的影响。
• 无法很好地调节大电流。
• 功耗高。
• 功耗高。
• 效率低。

为了最大限度地减少这些局限性，可以使用晶体管并联稳压器。

晶体管并联电压稳压器

晶体管并联稳压器电路是通过将一个电阻串联连接到输入端，以及一个晶体管（其基极和集电极通过一个稳压二极管连接，该稳压二极管与负载并联）来形成的。下图显示了晶体管并联稳压器的电路图。

晶体管并联电压稳压器的工作原理

如果输入电压增加，则$V_{BE}$和$V_O$也会增加。但这只是最初的情况。实际上，当$V_{in}$增加时，电流$I_{in}$也会增加。当此电流流过RS时，会在串联电阻上产生电压降$V_S$，该电压降也会随着$V_{in}$的增加而增加。但这会导致$V_o$降低。现在，$V_o$的这种降低补偿了最初的增加，使其保持恒定。因此，$V_o$保持恒定。如果输出电压反而降低，则会发生相反的情况。

如果负载电阻降低，则输出电压$V_o$应该降低。流过负载的电流增加。这使得晶体管的基极电流和集电极电流减小。由于电流大量流过，因此串联电阻两端的电压变低。输入电流将保持恒定。

出现的输出电压将是施加电压$V_i$和串联电压降$V_s$之间的差值。因此，输出电压将增加以补偿最初的下降，并因此保持恒定。如果负载电阻增加，则会发生相反的情况。

集成电路稳压器

如今，电压稳压器以集成电路（IC）的形式出现。这些简称为IC稳压器。

除了像普通稳压器一样的功能外，IC稳压器还具有诸如热补偿、短路保护和浪涌保护等特性，这些特性内置于器件中。

IC稳压器的类型

IC稳压器可以是以下类型 -

• 固定正电压稳压器
• 固定负电压稳压器
• 可调电压稳压器
• 双轨电压稳压器

现在让我们详细讨论它们。

固定正电压稳压器

这些稳压器的输出固定为特定值，并且这些值是正值，这意味着提供的输出电压是正电压。

最常用的系列是 7800 系列，其集成电路如 IC 7806、IC 7812 和 IC 7815 等，分别提供 +6V、+12V 和 +15V 的输出电压。下图显示了连接 IC 7810 以提供固定 10V 正稳压输出电压。

在上图中，输入电容 $C_1$ 用于防止不希望的振荡，输出电容 $C_2$ 充当线路滤波器，以改善瞬态响应。

固定负电压稳压器

这些稳压器的输出固定为特定值，并且这些值是负的，这意味着提供的输出电压为负电压。

最常用的系列是 7900 系列，其集成电路如 IC 7906、IC 7912 和 IC 7915 等，分别提供 -6V、-12V 和 -15V 的输出电压。下图显示了连接 IC 7910 以提供固定 10V 负稳压输出电压。

在上图中，输入电容 $C_1$ 用于防止不希望的振荡，输出电容 $C_2$ 充当线路滤波器，以改善瞬态响应。

可调电压稳压器

可调电压稳压器具有三个端子：IN、OUT 和 ADJ。输入和输出端子是共用的，而可调端子配备了一个可变电阻器，使输出可以在一个较宽的范围内变化。

上图显示了一个非稳压电源驱动一个常用的 LM 317 可调集成电路稳压器。LM 317 是一款三端正可调电压稳压器，可以在 1.25V 到 37V 的可调输出范围内提供 1.5A 的负载电流。

双轨电压稳压器

当需要分压电源时，使用双轨稳压器。它们提供相等正负输出电压。例如，RC4195 集成电路提供 +15V 和 -15V 的直流输出。这需要两个非稳压输入电压，例如正输入可能在 +18V 到 +30V 之间变化，负输入可能在 -18V 到 -30V 之间变化。

上图显示了一个双轨 RC4195 集成电路稳压器。也可提供输出在两个额定限值之间变化的可调双轨稳压器。

电子电路 - 开关电源

到目前为止讨论的主题代表了电源单元的不同部分。所有这些部分共同构成了**线性电源**。这是从输入交流电源获得直流输出的传统方法。

线性电源

线性电源 (LPS) 是一种稳压电源，它在串联电阻器中耗散大量热量以调节输出电压，输出电压具有低纹波和低噪声。这种 LPS 有许多应用。

线性电源需要更大的半导体器件来调节输出电压，并产生更多的热量，导致能量效率降低。线性电源的瞬态响应时间比其他电源快 100 倍，这在某些专业领域非常重要。

LPS 的优点

• 电源是连续的。
• 电路简单。
• 这些是可靠的系统。
• 该系统动态响应负载变化。
• 电路电阻发生变化以调节输出电压。
• 由于元件工作在线性区域，因此噪声低。
• 输出电压的纹波非常低。

LPS 的缺点

• 使用的变压器更重且体积更大。
• 散热更多。
• 线性电源的效率为 40% 到 50%。
• 功率在 LPS 电路中以热量的形式浪费。
• 获得单一输出电压。

我们已经了解了线性电源的不同部分。线性电源的框图如下所示。

尽管存在上述缺点，但线性电源仍广泛用于低噪声放大器、测试设备、控制电路中。此外，它们还用于数据采集和信号处理。

所有需要简单调节且效率不是问题的电源系统都使用 LPS 电路。由于电噪声较低，因此 LPS 用于为敏感的模拟电路供电。但是，为了克服线性电源系统的缺点，使用了开关电源 (SMPS)。

开关电源 (SMPS)

通过实施**开关电源**，克服了 LPS 的缺点，例如效率低、需要大容量电容器来降低纹波以及变压器笨重且成本高等。

SMPS 的工作原理很简单，只需了解 LPS 中使用的晶体管用于控制压降，而 SMPS 中的晶体管用作**受控开关**。

工作原理

可以通过下图了解 SMPS 的工作原理。

让我们尝试了解 SMPS 电路的每个阶段发生了什么。

输入级

将 50Hz 的交流输入电源信号直接提供给整流器和滤波器电路组合，无需使用任何变压器。此输出将具有许多变化，电容值应更高以处理输入波动。此非稳压直流电提供给 SMPS 的中央开关部分。

开关部分

此部分采用快速开关器件（例如功率晶体管或 MOSFET），根据变化情况进行通断切换，并将此输出提供给此部分中存在的变压器的初级绕组。此处使用的变压器比用于 60Hz 供电的变压器小得多且轻得多。它们效率更高，因此功率转换率更高。

输出级

来自开关部分的输出信号再次进行整流和滤波，以获得所需的直流电压。这是一个稳压输出电压，然后将其提供给控制电路，该控制电路是一个反馈电路。在考虑反馈信号后获得最终输出。

控制单元

此单元是反馈电路，它包含许多部分。让我们从下图中清楚地了解这一点。

上图解释了控制单元的内部部件。输出传感器感测信号并将其连接到控制单元。该信号与其他部分隔离，以便任何突然的尖峰都不会影响电路。参考电压作为输入之一以及信号一起提供给误差放大器，误差放大器是一个比较器，它将信号与所需的信号电平进行比较。

通过控制斩波频率来维持最终电压电平。这是通过比较提供给误差放大器的输入来控制的，其输出有助于确定是否增加或减少斩波频率。PWM 振荡器产生一个标准的 PWM 波固定频率。

通过查看下图，我们可以更好地了解 SMPS 的完整功能。

SMPS 主要用于电压切换根本不成问题且系统效率确实至关重要的场合。关于 SMPS，需要注意几点。它们是

• SMPS 电路由开关操作，因此电压持续变化。

• 开关器件工作在饱和或截止模式。

• 输出电压由反馈电路的开关时间控制。

• 通过调整占空比来调整开关时间。

• SMPS 的效率很高，因为与其将多余的功率作为热量耗散，它会不断切换其输入以控制输出。

缺点

SMPS 存在一些缺点，例如

• 由于高频切换，存在噪声。
• 电路复杂。
• 它会产生电磁干扰。

优点

SMPS 的优点包括：

• 效率高达 80% 到 90%。
• 发热量少；功率损耗少。
• 减少了对电源线的谐波反馈。
• 该设备结构紧凑，体积小巧。
• 降低了制造成本。
• 提供所需数量电压的规定。

应用

SMPS 有许多应用。它们用于计算机的主板、手机充电器、HVDC 测量、电池充电器、中央配电、汽车、消费电子产品、笔记本电脑、安全系统、空间站等。

SMPS 的类型

SMPS 是开关电源电路，设计用于从非稳压直流或交流电压获得稳压直流输出电压。SMPS 主要有四种类型，例如

• 直流-直流转换器
• 交流-直流转换器
• 反激式转换器
• 正激式转换器

输入部分中的交流-直流转换部分使交流-直流转换器与直流-直流转换器有所不同。反激式转换器用于低功率应用。SMPS 类型中还有降压转换器和升压转换器，它们根据需要降低或提高输出电压。其他类型的 SMPS 包括自激反激式转换器、降压-升压转换器、Cuk、Sepic 等。