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1、第七章 直流稳压电源,71整流电路 72滤波电路 73直流稳压电路,71整流电路,在工农业生产和科学实验中，主要采用交流电，但是在某些场合，例如电解、电镀蓄电池的充电、直流电动机等，都需要用直流电源供电。此外，在电子电路和自动控制置中，还需要用电压非常稳定的直流电源。为了得到直流电，除了采用直流发电机、干电池等直流电源外，目前广泛采用各种半导体直流电源。 如图7-1所示是半导体直流稳压电源的原理方框图，它表示把交流电变换为直流电的过程。图中各部分的功能如下： （1）整流变压器：将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。 （2）整流电路：将交流电压变换为单向脉动电压。 （3）滤波电路：减小整流电压
2、的脉动程度，以适合负载的需要。 （4）稳压电路：在交流电源电压波动或负载变动时，使直流,下一页,返回,71整流电路,输出电压稳定。在对直流电压的稳定程度要求较低的电路中，稳压电路也可以不要。 本章介绍从交流电变换成直流电所需要的各种电路的基本组成和工作原理，包括整流电路、滤波电路和稳压电路。 71整流电路 整流电路的任务是将交流电变换为直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的核心元件。 整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路，按输出波形又可分为半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路等。 为了简单起见，分析计算整流电路时把二极管当作理想元件来
3、处理，即认为二极管的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大。,上一页,返回,下一页,71整流电路,711单相半波整流电路 1工作原理 单相半波整流电路如图7-2 (a)所示。它是最简单的整流电路，由整流变压器、整流二极管VD及负载电阻组成。其中u1， u2分别为整流变压器的原边和副边交流电压。电路的工作情况如下： 设整流变压器副边电压为： 当u2为正半周时，其极性为上正下负，即a点电位高于b点电位，二极管VD因承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即, 输出电压的波形与变压器副边电压u2的相同。 当u2为
4、负半周时，其极性为上负下正，即a点电位低于b点电位，二极管VD因承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压U=0，变压器副边电压u2全部加在二极管VD上。,上一页,返回,下一页,71整流电路,综上所述，在负载电阻得到的是如图7-2 (b)所示的单向脉动电压。 2参数计算 （l）负载上的电压平均值和电流平均值。负载上得到的整流电压虽然是单方向的（极性一定），但其大小是变化的。常用一个周期的平均值来衡量这种单向脉动电压的大小。 单相半波整流电压的平均值为： （7-1） 流过负载电阻RL的电流平均值为： （7-2） （2）整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压。流经二极管的电流平均值就是
5、流经负载电阻的电流平均值，即： （7-3）,上一页,返回,下一页,71整流电路,二极管截止时承受的最高反向电压就是整流变压器副边交流电压u2的最大值，即： （7-4） 根据和可以选择合适的整流二极管。 例7-1 有一单相半波整流电路如图7-2（a）所示。已知负载电阻=750，变压器副边电压U2=20V,试求、,并选用二极管。 解：输出电压的平均值为： 负载电阻RL的电流平均值为： 整流二极管的电流平均值为： 二极管承受的最高反向电压为： 查半导体手册，可以选用型号为2AP4的整流二极管，其最大整流电流为16mA,最高反向工作电压为50V为了使用安全，二极管的反向工作峰值电压要选得比大一倍左右。
6、,上一页,返回,下一页,71整流电路,7.1.2 单相桥式整流电路 单相半波整流的缺点是只利用了电源电压的半个周期，同时整流电压的脉动较大。为了克服这些缺点，常采用全波整流电路，其中最常用的是单相桥式整流电路。 1 工作原理 单相桥式整流电路是由4个整流二极管接成电桥的形式构成的，如图7-3(a)所示。图7-3 (b）所示为单相桥式整流电路的一种简便画法。 单相桥式整流电路的工作情况如下： 设整流变压器副边电压为： 当为正半周时，其极性为上正下负，即a点电位高于b点电位，二极管V1，V3因承受正向电压而导通，V2，V4因承受反向电压而截止。此时电流的路径为： ，如图7-4（a）所示。,上一页,
7、返回,下一页,71整流电路,当为负半周时，其极性为上负下正，即a点电位低于b点电位，二极管V2，V4因承受正向电压而导通，V1，V3因承受反向电压而截止。此时电流的路径为： ，如图7-4（b）所示。 可见无论电压是在正半周还是在负半周，负载电阻上都有相同方向的电流流过，因此在负载电阻得到的是单向脉动电压和电流。忽略二极管导通时的正向压降，则单相桥式整流电路的波形如图7-5所示。 2参数计算 (1)负载上的电压平均值和电流平均值。单相全波整流电压的平均值为： （7-5） 流过负载电阻的电流平均值为： （7-6）,上一页,返回,下一页,71整流电路,(2)整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压
8、。因为桥式整流电路中每两个二极管串联导通半个周期，所以流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即： （7-7） 每个二极管在截止时承受的最高反向电压为的最大值，即： （7-8） (3)整流变压器副边电压有效值和电流有效值。整流变压器副边电压有效值为： 整流变压器副边电流有效值为： 由以上计算，可以选择整流二极管和整流变压器。 除了用分立组件组成桥式整流电路外，现在半导体器件厂已将,上一页,返回,下一页,71整流电路,整流二极管封装在一起，制造成单相整流桥和三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引脚，减少了接线，提高了电路工作的可靠性，使用起来非常方便。单相整流桥模块的外形和实物接线
9、图如图7-6所示。 例7-2 试设计一台输出电压为24V，输出电流为的直流电源，电路形式可以采用半波整流或桥式整流，试确定两种电路形式的变压器副边电压有效值，并选定相应的整流二极管。 解 (1)当采用半波整流电路时，变压器副边电压有效值为： 整流的二极管承受的最高反向电流为： 流过整流二极管的平均电流为：,上一页,返回,下一页,71整流电路,因此，可以选用型号为2CZ12B的整流二极管，其最大整流电流为3，最高反向工作电压为200V。 (2)当采用桥式整流电路时，变压器副边电压有效值为： 整流二极管承受的最高反向电压为： 流过整流二极管的平均电流为： 因此，可以选用4只型号为2CZ11A整流二
10、极管，其最大整流电流为，最高反向工作电压为100V。 变压器副边电流有效值为： 变压器的容量为：,上一页,返回,72滤波电路,整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可以直接使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需要加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。 滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。 7.2.1电容滤波电路 最简单的电容滤波电路是在整流电路的直流输出侧负载电阻 两端并联一电容器C，利用电容器的端电压在电路状态改变时不能突变的原理，使输出电压趋于平滑。 1工作原理 如图7-7(a)所示
11、为单相半波整流电容滤波电路，其工作原理如下： 设整流变压器副边电压为： 假设电路接通时恰恰在 由负到正过零的时刻，这时二极管V开始导,返回,下一页,72滤波电路,通，电源 在向负载供电 的同时又对电容C充电。如果忽略二极管正向压降，电容电压 紧随输入电压 按正弦规律上升至 的最大值。随后 和 都开始下降， 按正弦规律下降当 时，二极管V因承受反向电压而截止，而电容则对负载电阻 按指数规律放电，负载中仍有电流。在 的下一个正半周内，当 降至 大于 时，二极管又导通，电容C再次充电。这样循环下去， 周期性地变化，电容周而复始地充电和放电。电容两端的电压 即为输出电压 其波形如图7-7()所示，可见
12、输出电压的脉动大为减小，并且电压较高。 桥式整流电容滤波电路与半波整流电容滤波电路的工作原理一样，不同之处在于，在 的一个周期里，电路中总有二极管导通，电容经历两次充放电过程，因此输出电压更加平滑。其原理电路和工作波形分别如图7-8（a)、(b）所示。 2参数计算 一般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值，即：,上一页,返回,下一页,72滤波电路,半波： （7-9） 全波： （7-10） 采用电容滤波时，输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数有关，时间常数大，脉动就小。为了获得较平滑的输出电压，选择电容时一般要求： （半波） （7-11） （桥式） （7-12） 式中，为交流电压的
13、周期。滤波电容一般选择体积小、容量大的电解电容器。应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。 加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，导通角小于 ，且在短时间内承受较大的冲击电流，容易使二极管损坏。为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。,上一页,返回,下一页,72滤波电路,单相半波整流电容滤波电路中，二极管承受的反向电压为 。当负载开路时，二极管承受的反向电压最高为： 单相桥式整流电容滤波电路中，二极管承受的反向电压与没有电容滤波时一样，为： 。 例7-3 设计一单相桥式整流电容滤波电路。要求输出电压=48V，己知负载电阻，交流电源频率为，试
14、选择整流二极管和滤波电容器。 解：流过整流二极管的平均电流为： 变压器副边电压有效值为： 整流二极管承受的最高反向电压为： 因此，可以选择型号为2CZ11B的整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为200V。取： 则,上一页,返回,下一页,72滤波电路,7.2.2电感滤波电路 电感滤波电路如图7-9所示，即在整流电路与负载电阻 之间串联一个电感器L。交流电压 经全波整流后变成脉动直流电压，其中既含有各次谐波的交流分量，又含有直流分量。电感L的感抗 对于直流分量， ，电感相当于短路，所以直流分量基本上都降在电阻 上；对于交流分量，谐波频率越高，感抗越大，因而交流分量大部分降在电感L上
15、。这样，在输出端即可得到较平滑的电压波形。 与电容滤波相比，电感滤波的特点是： （1）二极管的导电角较大（大于 ），是因为电感L的反电动势使二极管导电角增大），峰值电流很小，输出特性较平坦。 （2）输出电压没有电容滤波的高。当忽略电感线圈的电阻时，输出的直流电压与不加电感时一样，为 。负载改变时，对输出电压的影响也较小。,上一页,返回,73直流稳压电路,731并联型线性稳压电路 稳压管工作在反向击穿区时，即使流过稳压管的电流有较大的变化，其两端的电压却基本保持不变。利用这一特点，将稳压管与负载电阻并联，并使其工作在反向击穿区，就能在一定的条件下保证负载上的电压基本不变，从而起到稳定电压的作用。 根据上述原理构成的并联型直流稳压电路如图7-10所示，其中稳压管 反向并联在负载电阻 两端，电阻R起限流和分压 作用。稳压电路的输入电压来自整流滤波电路的输出电压。 并联型直流稳压电路的工作原理如下： 当输入电压 波动时， 会引起输出电压 波动。如升高将引起 随之升高，这会导致稳压管的电流 急剧增加，因此电阻R上的电流 和电压 也跟着迅速增大， 的增大抵消了 的增加，从而使输出电压 基本上保持不变。这一自动调压过程可表示如下：,返回,下一页,73直流稳压电路,反之，当 小时， 相应减小，仍可保持 基本不变。 当负载
