第5章 模拟电路的特点与电路分析
5.1 电源电路
电源电路实际上就是为设备供电的电路，输入的电压往往是公用的交流220V，经过一系列变换，转换成设备所需要的工作电压为各单元电路进行供电，以确保满足设备正常的工作条件。
5.1.1 电源电路的结构特点
电源电路分为线性电源电路和开关电源电路。
（1）线性电源电路的结构特点与电路分析
线性电源电路又称串联稳压电路，如图5-1所示，是先将交流电通过变压器降压，经整流，得到脉动直流后再经滤波得到微小波纹的直流电压，最后再由稳压电路输出较为稳定的直流电压。其电路结构简单，可靠性高，目前，在科研、家电、工厂等产品中都有广泛的应用。
图5-1 线性电源电路的基本工作流程图
典型线性电源电路的结构关系如图5-2所示。
图5-2 典型线性电源电路的结构关系
这是一个典型线性电源电路实用电路，由降压变压器、桥式整流堆、滤波电容以及稳压晶体管等部件组成的。根据电路图中各主要部件的功能特点，可划分成交流输入电路单元、整流电路单元、滤波电路单元、稳压输出电路单元。
① 交流输入电路单元 交流输入电路单元主要是由变压器组成的。变压器的左侧有220V的文字标识，右侧有8V的文字标识，这说明，变压器的左侧端（初级绕组）接220V电压，右侧（次级绕组）得到的是8V电压。因此，我们在交流输入电路单元中可以读出：该交流输入电路是将输入的220V交流电压经变压器降压后，在变压器的次级绕组上得到了8V的交流电压。
② 整流电路单元 整流电路单元主要是由桥式整流堆VD1～VD4组成的。该桥式整流堆的上下两个引脚分别连接降压变压器次级输出的8V交流电压，左右引脚输出-10V直流电压。由此可知，该桥式整流堆的主要功能是将8V交流电压整流输出-10V直流电压。
③ 滤波电路单元 滤波电路单元主要是由滤波电容C1组成的。它可将桥式整流堆输出的-10V直流电压进行平滑滤波。
④ 稳压输出电路单元 该稳压输出电路分为两部分，分别为稳压电路和检测保护电路。其中，稳压电路部分由VT1、VDZ和RL构成；检测保护电路是由VT2和偏置元件构成的。
当稳压电路正常工作时，VT2发射极电位等于输出端电压。而基极电位由Ui经R2和R3分压获得，发射极电位低于基极电位，发射结反偏使VT2截止，保护不起作用。当负载短路时，VT2的发射极接地，发射结转为正偏，VT2立即导通，而且由于R2取值小，一旦导通，很快就进入饱和。其集-射极饱和压降近似为零，使VT1的基-射之间的电压也近似为零，VT1截止，起到了保护调整管VT1的作用。而且，由于VT1截止，对Ui无影响，因而也间接地保护了整流电源。一旦故障排除，电路即可恢复正常。
提示说明
在一些线性电源电路中，通常还会使用三端稳压器来代替稳压调整晶体管，稳压调整晶体管和外围元器件都集成在三端稳压器中，在电路中都是对整流滤波电路输出的电压进行稳压，如图5-3所示为空调器电路中的直流稳压电路。
图5-3 空调器电路中的直流稳压电路
空调器中的控制电路器件需要直流电源，图中三端稳压器U1是+5V三端稳压器（7805），该芯片有三个引脚，输入13.5V、输出+5V和接地脚。输入电压是由降压变压器降压后经整流滤波后形成的，接在电路中的电容是用来平滑、滤波的，使直流电压稳定。
（2）开关电源电路的结构特点与电路分析
开关电源电路实际上是由交流输入电路、开关振荡电路、开关变压器以及整流滤波和输出电路构成的，如图5-4所示。采用这种方式，由于开关振荡电路产生的脉冲频率较高，变压器和电解电容器的体积会大大减小；而且采用开关脉冲的工作方式，电源的效率会大大提高。因而在电视机、电脑显示器等家电设备中都采用开关电源。
图5-4 开关电源电路的基本工作流程图
典型开关电源电路的结构关系见图5-5。
这是LG-1715S液晶电脑显示器开关电源电路，由熔断器F101、互感滤波器LF101、滤波电容CX101、CY101、CY102、桥式整流堆BD101、滤波电容C101、开关场效应晶体管Q101、开关振荡控制集成电路U101、开关变压器T101、光电耦合器PC201、误差检测电路U201(KIA431)及取样电阻R205、R211、R214、R210等部分构成的。根据电路图中各主要部件的功能特点，可划分成交流输入电路单元、整流滤波电路单元、开关振荡电路单元、次级输出电路单元。
① 交流输入电路单元 交流输入电路是由熔断器F101、互感滤波器LF101、滤波电容CX101、CY101、CY102等部分构成的，其主要功能是滤除交流电路中的噪声和脉冲干扰。在电路的左侧为交流输入端，交流220V电压经插座送入电路内部，经熔断器F101和滤波电容CX101、CY101、CY102滤波后，送入互感滤波器LF101滤波后输出。
② 整流滤波电路单元 电源电路中的整流滤波电路单元主要是由桥式整流堆BD101、滤波电容C101、开关变压器T101等部分组成的。
滤波后的220V交流电压由桥式整流堆BD101整流、滤波电容C101滤波后，变成约300V的直流电压，加到开关变压器T101的①脚，并为开关振荡集成电路提供直流偏压。
③ 开关振荡电路单元 电源电路中的开关振荡电路单元主要是由开关场效应晶体管Q101、开关振荡控制集成电路U101以及相关电路构成的。
a. 开机时，由220V交流电压整流输出的300V直流电压，经开关变压器T101初级绕组①、②加到开关晶体管Q101的漏极D。开关晶体管的源极S经R111接地，栅极G受开关振荡集成电路U101的⑥脚控制。
b. 300V直流电压为U101的①脚提供启动电压，使U101中的振荡器起振，U101再为开关晶体管Q101的栅极G提供振荡信号，于是开关管Q101开始振荡，使开关变压器T101的初级线圈中产生开关电流。开关变压器的次级绕组③、④中便产生感应电流，③脚的输出经整流、滤波后形成正反馈电压加到U101的⑦脚，从而维持振荡电路的工作，使开关电源进入正常工作状态。
④ 次级输出电路单元 该电路的次级输出电路被分为两部分：一部分为+12V、+5V输出电路单元；另一部分为稳压控制电路单元。
a. +12V、+5V输出电路单元主要是由开关变压器T101的次级线圈、双二极管、滤波电容及电感等部件组成的。开关电源起振后，开关变压器T101的次级线圈输出开关脉冲信号，经整流滤波电路后输出+12V和+5V电压。
b. 稳压控制电路单元主要由U101、光电耦合器PC201、误差检测电路U201（KIA431）及取样电阻R205、R211、R214、R210等组成。误差检测电路设在+5V的输出电路中，R205与R211的分压点作为取样点。当开关变压器次级+12V或+5V输出电压升高时，经取样电阻分压加至U201的R端电位升高，U201的K端电压则降低，使流经光电耦合器PC201内部发光二极管的电流增大，其发光管亮度增强，光敏三极管导通程度增强，最终使其内部振荡电路降低输出驱动脉冲占空比，使开关管Q101的导通时间缩短，输出电压降低。如果输出电压降低则T101输出驱动脉冲占空比升高，这样使输出电压保持稳定。
5.1.2 电源电路的分析实例
电源电路的应用十分广泛，它是为各种微电子产品进行供电的电路，电子元器件的选用不同、组合形式不同，加之电路连接上的差异，使得电源电路结构也均有不同。
（1）线性电源电路
① 收音机电源电路的实例分析
典型收音机电源电路见图5-6。
图5-6 典型收音机电源电路
该电路主要是由变压器T、桥式整流堆VD1～VD4、滤波电容C1、C2及稳压二极管D5等部件构成的，是利用稳压二极管进行稳压的电源电路。
在收音机电源电路中，交流220V电压经变压器降压后输出8V交流低压，8V交流电压经桥式整流电路输出约11V直流，再经C1滤波，R限流、D5稳压，C2滤波后输出6V稳压直流。电路中使用了两只电解电容进行平滑滤波。
提示说明
利用稳压二极管进行稳压的电源电路虽然简单，但最大的缺点就是在负载断电的情况下，稳压二极管仍然有电流消耗，负载电流越小时，稳压管上流过的电流则相对较大，因为这两股电流之和等于总电流。故该稳压电源仅适用于负载电流较小、且变化不大的场合。
② 压力锅电源电路的实例分析
典型压力锅电源电路见图5-7。
图5-7 典型压力锅电源电路
电源电路是压力锅整机工作所有“动力”的来源，其电源电路多采用线性电源电路。该电路主要是由熔断器FU、压敏电阻RV、滤波电容C1、变压器T、桥式整流堆VD1～VD4、滤波电容C2、C3、三端稳压器IC1、限温器RT1、压力开关RT2、接口插座X2等部件组成的。其中，熔断器是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。当该电路发生故障或异常时，电流会不断升高，而升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件，甚至可能烧毁电路。变压器可对输入的电压进行降压，将交流220V电压变为12V、10V左右的交流电压。三端稳压器IC1是该电源的稳压电路，它可输出5V的稳定电流电压。
直流电源电路由交流输入电路、变压器、整流滤波和稳压电路等部分构成，AC 220V经变压器降压后，输出低压交流电。低压交流电压再经过桥式整流电路整流为直流电压后，由滤波电容器进行平滑滤波，使其变得稳定。为了满足电饭煲中不同电路供电电压的不同需求，经过平滑滤波的直流电压，一部分经过稳压电路，稳压为+5V左右的电压后，再输入到电饭煲的所需的电路中，为其供电。同时+12V为继电器供电。
其主要的信号流程如下：
a. 交流220V电压，送入电路后，通过熔断器FU将交流电输送到电源电路中。熔断器主要起保护电路的作用，当电饭煲中的电流过大或电饭煲中的温度过高时，熔断器熔断，切断电饭煲的供电。
b. 交流220V电压进入到电源电路中，经过降压变压器降压后，输出约10V的交流低压。
c. 10V交流低压经过桥式整流电路和滤波电容，变为直流低压，再送到稳压电路中。
d. 稳压电路对整流电路输出的直流电压进行稳压后，输出+5V的稳定电流电压，稳压5V为微电脑控制电路提供工作电压。
③ 电磁炉电源电路的实例分析
典型电磁炉直流供电电路见图5-8。
图5-8 典型电磁炉直流供电电路
该直流供电电路为百合花DCL-1电磁炉电源电路，主要由开关K1、风扇电机、变压器T3、桥式整流堆VD9和VD8、滤波电容C6、C5、稳压二极管VD6、VD7、三极管VT9等部件组成。在该电路中，其变压器T3有两个次级绕组，可输出两路变压后的交流电压；三极管VT9实际上是一个射极输出器，其发射极的输出会跟随基极电压的变化而变化。
该供电电路可分别为散热风扇和主电路提供工作电压：
a. 散热风扇供电。220V交流电压经过熔断器S1以后，送入风扇电机，在这个电路中，散热风扇是采用220V交流电压供电的。散热风扇不受任何其他电路控制，只要接通220V电源，散热风扇就会旋转进行散热。
b. 主电路供电。当220V交流电压经开关K1进入变压器T3的初级线圈，变压器T3的主要作用是降压，它的次级有两组线圈可分别输出两组9V交流电压。两组9V电压分别经过两组桥式整流电路，最后进行叠加，形成18V电压加到调整管VT9的集电极，VT9的发射极输出稳压后的12V电压。
在VT9的基极上设有一个稳压二极管VD5，基极被稳定在12V电压上，射极的输出也就被稳定在12V上。VT9的发射极接有两个电容C24和C9，它们起平滑滤波的作用（其中，10μF的C9主要是对低频波纹进行滤除，0.1μF的C24主要是对高频噪波进行滤除），使输出电压的波纹大大降低。
④ 安全型直流稳压电路的实例分析
在电子电路中常要用直流稳压电源，但一般直流稳压电源的负载发生短路时，很容易烧坏稳压电源；稳压电源发生故障，也容易造成输出电压过高烧坏用电负载。为了克服上述不足，提高稳压电源工作的安全可靠性，可采用安全型直流稳压电源。
典型安全型直流稳压电路见图5-9。
图5-9 典型安全型直流稳压电路
该电路主要是由降压变压器TM、桥式整流堆VD1～VD4、滤波电容C1、继电器K、三极管VT1、VT2、稳压管VZ1、VZ2、VZ3、晶闸管VS等部件组成的。其中，电源电路的调整管VT1，放大管VT2采用不同类型的晶体管，VT1用PNP管，VT2用NPN管。
a. 当交流220V电压输入后，首先经变压器TM将交流220V电压变为交流15V电压，该电压再经桥式整流堆VD1～VD4、滤波电容C1整流滤波后变为直流15V电压，并向其后级的稳压电路输出。
b. 电阻R4、R6和稳压管VZ1、VZ2组成稳压管比较电桥用于电压误差的测量，其优点是测量灵敏度高，输出电阻小，可给放大管提供较大的基极电流，有利于提高稳压精度。
由C2、R5构成的启动电路是此稳压电源电路所特有的，如果没有启动电路，在接通电源后，VT1、VT2均处于截止状态，无输出电压。
c. 附加的过电压保护电路由电阻R7、电位器RP构成的分压器、抗干扰电容C4、稳压管VZ3、电阻R8、晶闸管VS及继电器K组成。当输出电压因某种故障原因升高到超过设定的值时，VZ3发生击穿，晶闸管VS被触发导通，继电器K得电动作，其常闭触点K1-1断开，保护了用电负载。过压保护具有记忆性，只有切断输入电源，可控硅才能恢复截止状态。排除过压故障后，才能恢复正常供电。
（2）开关电源电路的分析实例
① 彩色电视机电源电路的实例分析
典型彩色电视机电源电路见图5-10。
该电源电路为TCL-AT2565彩色电视机开关电源电路，主要是由熔断器F801、电容器C801～C803、互感滤波器T801和T802、桥式整流堆VD801、滤波电容C806和C807、开关场效应晶体管Q801、开关振荡控制集成电路IC801、变压器T803、整流二极管D833、D831、D832、光电耦合器、误差检测放大电路IC803等部件构成的。其中，开关变压器T803的⑨～⑥脚为初级绕组，①～③脚为正反馈绕组，⑭～⑯、⑩～⑫、⑰、⑱为次级绕组。这一开关电源能够输出135V、33V、16V、11V、8V和5V等多路稳定的直流电压，为彩色电视机的各个电路模块及元器件提供正常的工作电压。
该开关电源电路可划分为交流输入电路、整流和滤波电路、开关振荡电路和次级输出电路。
a. 交流输入电路单元。交流输入电路是由熔断器F801、电容器C801～C803、互感滤波器T801和T802等元件构成的。该电路中的互感滤波器用于抑制来自市电的干扰和脉冲。
b. 整流和滤波电路单元。220V交流电送入电路后，经互感滤波器加到桥式整流堆D801上，D801将交流电压变成脉动直流电压先经热敏电阻RT802，再经C806和C807滤波电容滤波后，形成300V直流电压，加到变压器T803的⑨脚，作为振荡电路的工作电压。
c. 开关振荡电路单元。开关振荡电路主要是由开关场效应晶体管Q801，开关振荡控制集成电路IC801，以及外围相关电路构成的。
当电视机接通电源后，由220V交流输入电压经整流滤波后输出300V直流电压，经变压器初级绕组的⑨～⑥脚加到开关场效应晶体管Q801的漏极（D）上，开关晶体管的源极（S）接地，栅极（G）受开关振荡集成电路⑬脚的控制。
300V直流电压经启动电阻R803、R804为IC801的⑪脚提供启动电压，使IC801中的振荡器起振，为开关场效应晶体管Q801的栅极（G）提供振荡信号，使开关晶体管Q801处于开关工作状态，在开关变压器T803的初级绕组⑥～⑨脚上形成开关电流，通过变压器T803互感作用，在T803的①～③绕组上产生感应脉冲电压。开关变压器T803①脚产生的感应脉冲电压经D808整流，C816滤波，R808A限流后加到IC801的⑭脚。同时经R808加到IC801的③脚，从而使IC801正常振荡，以维持开关电源正常工作。
其中IC801的②脚为初级绕组电流信号检测端。此脚时通过R802与300V电源相连，用于过压检测控制。当市电输入电压过高时，C810上充电幅度上升，这时通过内部控制放大器可以减小输出脉冲占空比。当该脚电压过高时，内部的保护电路会切断IC801⑬脚输出的激励脉冲。
IC801的⑪脚为启动电压输入端，同时作为欠压保护和取样电压输入端，其外接R804和R803的分压电路并与整流滤波的输出端相连。
d. 次级输出电路单元。开关电源起振后，经变压器T803次级绕组⑰、⑱、⑩～⑫、
⑭～⑯输出开关脉冲信号，分别经整流二极管VD833、VD831、VD832整流和滤波电容滤波后输出+16V、+135V、+11V、+5V电压。+135V电压经电阻器R842、R843降压限流后输出+33V电压，+11V电压经过三端稳压器（IC804）后输出+8V电压。
e. 稳压电路单元。误差检测电路设在+135V输出电路中，+135V电压经R840、VR821、R841到地构成分压电路。IC803的K端接地，G端接在R840和VR821的分压点上，+135V电压若有波动，则IC803的A端电流就会有变化。IC803的A端接在光电耦合器中的发光二极管的负极，其电流变化必然会引起发光强弱的变化。光电耦合器将电流的变化转换成电压加到IC801的⑤脚，形成负反馈控制，从而实现稳压。
② 影碟机电源电路的实例分析
典型影碟机电源电路见图5-11。
图5-11 典型影碟机电源电路
该电源电路为典型影碟机开关电源电路，由电源开关SW、熔断器F1、互感滤波器T1、滤波电容C1、开关振荡集成电路IC1、开关变压器T2、光电耦合器IC2、误差检测电路IC3、取样电阻R14、R12、R13等部分构成。开关场效应晶体管和开关振荡电路都集成到IC1中。
该开关电源电路可划分为交流输入和整流滤波电路、开关振荡电路、次级输出电路和稳压电路。
a. 交流输入和整流滤波电路单元。交流输入电路是由电源开关SW、熔断器F1、互感滤波器T1等部分构成的。220V交流电压经滤波后由桥式整流堆VD1～VD4和滤波电容C1构成的桥式整流电路进行整流，然后输出约300V的直流电压并送到开关变压器的初级绕组L1上。
b. 开关振荡电路单元。300V直流电压经开关变压器T2的初级绕组L1加到IC1的⑤～⑧脚，⑤～⑧脚内接开关场效应晶体管的漏极。同时300V直流电压经R1、R2、R3等元件形成启动电压加到IC1的①脚，使IC1内的振荡电路起振，开关变压器T2的初级绕组中开始有开关电流产生。
T2的次级绕组L2会感应出开关信号，L2绕组的输出经整流滤波电路形成正反馈信号并叠加到IC1的①脚，保持①脚有足够的直流电压以维持IC1中振荡电路的振荡，使开关电路进入稳定的振荡状态。
c. 次级输出电路单元。开关变压器T2的次级绕组（L3、L4）的输出经整流滤波电路后分别输出+12V、-12V、+5V等电压。
d. 稳压电路单元。误差检测电路设在+5V输出电路中，+5V输出端与地之间串接两个分压电阻R14、R13，其分压点作为误差电压取样端，取样电压加到IC3的R输入端。光电耦合器IC2接在IC3的K端。当输出电压变化时，会引起IC2中发光二极管的发光强度发生变化，这样会使IC2中光敏晶体管集电极和发射极之间的阻抗发生变化。IC2的③端接在IC1的②、④脚，IC1的②脚为稳压负反馈信号的输入端。这个环路可使输出电压得到稳压。