4.1 线性单元电路识图
4.1.1 降压电路的识读
降压电路的主要作用是将交流电网电压变为合适的交流低压，以利于后级电路元件耐压值的选择，降压电路一般采用电源变压器来完成。按电源变压器次级绕组的不同，可分为单绕组、双绕组和多绕组等几种形式，其外形和符号如图4-1所示。
图4-1 电源变压器的几种形式
单绕组电源变压器一般用于半波或全桥整流电路，双绕组电源变压器一般用于全波整流电路或全桥整流电路，多绕组电源变压器可灵活选择半波、全波及全桥整流电路等。
以单绕组变压器为例，降压变压器的仿真图如图4-2所示。从仿真图中可以看出：初、次级的峰值不同，初级峰值大（初级有效值为220V），次级峰值小（次级有效值为15V）；初、次级的频率和周期相同。
图4-2 变压前后电压的仿真波形
4.1.2 整流电路的识读
整流电路就是对交流电压进行整形，即把交流电压变换为单向脉动的直流电压。整流电路一般由整流二极管或整流桥来担任。
整流电路常采用的电路形式有半波整流、全波整流和全桥整流，各整流电路的特点及工作原理如下。
（1）单相半波整流电路
图4-3（a）是单相半波整流电路图，电路由电源变压器T、整流二极管VD和负载电阻RL组成。
图4-3 单相半波整流电路
工作原理：设电源变压器T的初级接交流电U1，在次级感应出交流电压U2。当U2>0（正半周）时，二极管VD导通，忽略二极管正向压降：Uo=U2；当U2<0（负半周）时，二极管VD截止，输出电流为0，Uo=0。其仿真波形图如图4-3（b）所示。RL两端的平均电压值Uo=0.45U2。
（2）单相全波整流电路
图4-4（a）是单相全波整流电路图，电路由电源变压器T、整流二极管VD1、VD2和负载电阻RL组成。
工作原理：设电源变压器T的初级接交流电U1，在次级感应出交流电压U2（两组）。当U2为正半周时，二极管VD1承受正向电压而导通，VD2承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→VD1→RL→d。
当U2为负半周时，二极管VD2承受正向电压而导通，VD1承受反向电压而截止。此时电流的路径为：b→VD2→RL→d。其仿真波形图如图4-4（b）所示。RL两端的平均电压值Uo=0.9U2。
图4-4 单相全波整流电路
（3）单相全桥整流电路
图4-5（a）是单相全桥整流电路图，电路由电源变压器T、整流二极管VD1～VD4和负载电阻RL组成。
图4-5 单相全桥整流电路
工作原理：设电源变压器T的初级接交流电U1，在次级感应出交流电压U2。当U2为正半周时，二极管VD1、VD3承受正向电压而导通，VD2、VD4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→VD1→RL→VD3→b。
当U2为负半周时，二极管VD2、VD4承受正向电压而导通，VD1、VD3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：b→VD2→RL→VD4→a。其仿真波形图如图4-5（b）所示。RL两端的平均电压值Uo=0.9U2。
在实际画整流桥时，有时采用简化画法或其他画法，如图4-6所示。
图4-6 整流桥简化画法
（4）倍压整流电路
上面学习的三种二极管单相整流电路其输出电压均为小于变压器次级电压。在实际中，有时要求输出很高的直流电压，如果采用以上三种电路，这就要求变压器次级的输出电压很高，且二极管的反向耐压也要求很高，从经济利益的角度来说是不可取的。利用倍压整流电路则能很好地解决这个问题。
如图4-7所示是一个二倍压整流电路。
在图4-7电路中，二极管VD1、VD2为整流二极管，电容C1、C2为储能元件，RL为负载电阻。
图4-7 二倍压整流电路原理图
倍压整流电路的工作原理：在U2的正半周时，变压器次级A端为正，B端为负，二极管VD2截止，VD1导通。VD1通过以下途径导通：变压器A端→二极管VD1→电容C1→变压器次级B端；并对C1充电，使电容C1上的电压为，其极性如图4-7所示。
在U2的负半周时，变压器次级B端为正，A端为负，电容C1上所充的电压与变压器次级的电压相叠加，二极管VD1截止，VD2导通，VD2通过以下途径导通：变压器次级B端→电容C1→二极管VD2→电容器C2→变压器次级A端；并对C2充电，使电容C2上的电压为2UVD，其极性如图4-7所示。这样在负载电阻RL上获得了两倍压整流的直流电源。
同样的原理可构成多倍压整流电路如图4-8所示。多倍压整流电路承受输出的电流较小，但可以输出很高的电压，而在每个电容上所承受的电压只有2UVD。故常用于电压高、负载电流小的场合。
图4-8 多倍压整流电路
4.1.3 滤波电路的识读
滤波电路的主要作用是将脉动直流电压转变为平滑的直流电压。这部分电路元件主要由电容或电容、电感及电阻的组合电路来担任。滤波电路常采用的电路形式有单电容滤波、LC滤波、∏型滤波及电子滤波等，各滤波电路的特点如下。
（1）单电容滤波电路
单电容滤波电路如图4-9所示，滤波电容与负载并联，在负载上得到较为平滑的直流电。输出电压Uo与放电时间常数RLC有关。RLC愈大→电容器放电愈慢→Uo（平均值）愈大，近似估算Uo=1.2U2。单电容滤波电路的特点：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。
图4-9
图4-9 单电容滤波电路
（2）单电感滤波电路
单电感滤波电路原理图如图4-10所示，其工作原理如下。
图4-10 单电感滤波电路
在图4-10（a）中，当整流电路输出脉动的直流电压时，流过负载电阻RL上的电流将随着直流电压的变化增加或减少。当流过负载的电流增加时，电感线圈中将产生与电流方向相反的感应电动势，以阻止电流的增加，同时将一部分电能转换为磁能储存起来；当流过负载的电流减小时，电感线圈中产生与电流方向相同的感应电动势，力图阻止电流的减少，同时将储存的能量释放出来。由于电感具有阻止电流变化的作用，使得流过负载电阻RL上的电流脉动程度大大地减小了，在负载电阻RL上得到了一个比较平滑的输出电压，如图4-10（b）所示。单电感滤波主要适用于电流较大，要求电压脉动较小的场合。
（3）LC型滤波电路
在电感器滤波电路后边再接入一电解电容就可以构成LC型滤波电路，如图4-11所示。整流后输出的脉动电流经过电感滤波后，再经过电容二次滤波，即可在负载电阻RL上得到平稳的直流电压。
图4-11 LC型滤波电路
（4）LCπ型滤波电路
在单电容滤波电路后边再接入一个LC型滤波器就构成一个LCπ型滤波电路，如图4-12所示。
图4-12 LCπ型滤波电路
整流后输出的脉动直流电源经过电容C1滤波后，经电感L二次滤波，再经电容C2第三次滤波，使脉动成分大大降低，在负载上获得平稳的直流电源。由于经过三次的滤波，交流成分很少，输出的直流电压较其他滤波电路要平稳，故在小功率整流电路中及滤波要求较高的电路中常被采用。其缺点是采用了电感，故体积较大。
（5）RCπ型滤波电路
在单电容滤波电路后边再接入一个RC型滤波器就构成一个RCπ型滤波电路，如图4-13所示。
图4-13 RCπ型滤波电路
4.1.4 分立式稳压电路的识读
分立式稳压电路常采用的电路形式有单二极管稳压电路和串联型稳压电路等，各稳压电路的特点如下。
（1）单二极管稳压电路
单稳压二极管构成的典型直流稳压电路如图4-14所示。单二极管稳压电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。
图4-14 单稳压二极管构成的典型直流稳压电路
（2）串联型稳压电路
①串联式直流稳压电路的基本形式。串联式直流稳压电路的基本形式如图4-15所示。
图4-15 串联式直流稳压电路的基本形式
该电路实际上是射极输出器，其中UO与UVD满足“跟随”关系，即UO=UVD-UBE。一旦UVD稳定，在输入电压UI，负载电流IL的一定变化范围内，UO也基本稳定。在加入射极输出器后，负载电路不再通过稳压管，而是通过调整管，因此，负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（1+β）倍。
该电路有两个主要缺点：稳压效果不好；中输出电压不可调。但带负载的能力比单稳压管强。
②具有放大环节的可调串联型稳压电路。图4-16为稳压性能较好且输出电压在一定范围内连续可调的串联型稳压电路。下面分析该稳压电路的组成、主要元器件的作用及工作原理。
图4-16 具有放大环节的可调串联型稳压电路
具有放大环节的可调串联型稳压电路由四个单元电路组成。
取样电路：采集输出电压的稳定程度及数值。主要由电阻R3、R4、RP担任。
基准电路：标准的电压源。主要由电阻R2（限流电阻，保护稳压二极管）、稳压二极管VD担任。
比较放大电路：取样电路电压（输入基极）与基准电路电压（经发射极）在此进行比较，比较后输出（集电极）误差电压，送至调整电路，来控制调整的深度。主要由电阻R1（同时也是调整管的偏置电阻）、晶体管VT2担任。
调整电路：在误差电压的控制下进行放大，调节发射极与集电极的电压，从而达到调整输出电压的目的。主要由晶体管VT1担任。
因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。
稳压原理：当电网电压升高或负载变轻时，输出电压在这种情况下有上升的趋势，取样电路的分压点VT2B电压升高，因VD电压不变，所以VT2E电压升高，IC2随之增大，VT2C电压降低，则调整管VT1B电压亦降低，发射极正偏电压VT1BE电压下降，IB1下降，IC1随着减小，VT1集-射间电阻RCE增大，VTCE1电压增大，使输出电压Vo下降。因而输出电压上升的趋势受到遏制而保持稳定。
输出功率较大的稳压电源，多采用大功率三极管作调整管。大功率三极管往往β值小，影响稳压性能，在实用电路中常常采用复合管来替代单个调整管。
4.1.5 集成稳压电路的识读
线性集成稳压器按输出电压是否可调分为固定电压式集成稳压器和可调电压式稳压器两种。
（1）三端固定式集成稳压器
三端固定式集成稳压器外形图及电路符号如图4-17所示。三端固定电压式线性集成稳压器的输出电压由制造厂家预先调整好，使用时不能调节。型号中的78表示输出为正电压值，79表示输出为负电压值，XX表示输出电压的稳定值。78系列输出电压等级有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七种，同样，79系列有-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V七种。三端固定电压式线性集成稳压器的型号组成及其意义如图4-18所示。
图4-17 三端固定式集成稳压器外形图及电路符号
图4-18 三端固定电压式线性集成稳压器的型号组成及其意义
例如，CW7815，表明输出电压约+15V，输出电流可达1.5A；CW79M12，表明输出电压为-12V，输出电流为0.5A。
如图4-19所示为三端集成稳压器的应用电路，C1用以抵消输入端因接线较长而产生的电感效应，防止自激振荡；C2用以改善负载的瞬态响应，减少高频噪声。虚线所接的二极管对集成稳压器起保护作用，当输入端短路且C2容量较大时，C2上的电压使二极管正偏导通，电容通过二极管放电，避免了通过集成稳压器内电路放电对集成稳压器造成损坏。
图4-19 三端集成稳压器的应用电路
三端集成稳压器7812的仿真图如图4-20所示。从图4-20（a）中可以看出输入直流信号为+13.5V，输出为+12.0V，表明如果电网电压波动时，经过稳压器后输出的直流电是固定不变的。同时，从图4-20（a）中可以看出负载R1为150kΩ；从图4-20（b）中可以看出R1为25kΩ，这表明如果负载发生变化时，经过稳压器后输出的直流电是固定不变的。
图4-20 三端集成稳压器7812的仿真图
（2）三端可调式集成稳压器
如图4-22所示为三端可调式集成稳压器的外形结构及型号组成。
图4-21 三端可调式集成稳压器的外形结构及型号组成
图4-22 三端可调式集成稳压器构成的稳压电源
如图4-22所示是由三端可调式集成稳压器构成的稳压电源，该电路只需外接两个电阻（R1和R2）来确定输出电压。
为了使电路正常工作，一般可调式集成稳压器的输出电流不小于5mA，输出电压范围在2～40V，输出电压可在1.25～37V调整，负载电流可达1.5A。
在该电路中，电容C1可以消除自激振荡；C2可以减小输出纹波电压；C3可防止输出端负载呈容性时出现阻尼振荡；二极管VD起保护作用，可防止输出端短路时电容C2储存的电荷通过稳压器调整端放电而损坏稳压器。