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1、第十章 直流电源,10.1直流电源的组成及各部分的作用,电子设备中所用的直流电源，通常是由电网提供的交流电经过整流、滤波和稳压后得到的。,对直流电源的主要要求： 能够输出不同电路所需要的电压和电流； 直流输出电压平滑，脉动成分小； 输出电压的幅值稳定； 交流电变换成直流电时的转换效率高。,直流电源一般包括四个组成部分，即电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路。,改变电压值通常为降压,交流变脉动的直流,减小脉动,(1) 负载变化输出电压基本不变； (2) 电网电压变化输出电压基本不变。,直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。,半波整流,全波整流,在分析电源
2、电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动10，且负载有一定的变化范围。,10.1直流电源的组成及各部分的作用,10.1直流电源的组成及各部分的作用,稳压电路的作用：使输出的直流电压，在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。,整流电路的作用：利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单向的脉动电压。,滤波电路的作用：尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。,电源变压器的作用：将电网交流电压变为合适的交流电压。,10.2 整流电路,整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单向的脉动电压。,在分析整流电路时
3、,为了突出重点,简化分析过程: 1、一般均假定负载为纯电阻性。 2、整流二极管为理想二极管,即加正向电压导通,且正向压降为零,外加反相电压截止,且反向电流为零。 3、变压器无损耗,内部压降为零。,10.2 整流电路,10.2.1 整流电路的分析方法和基本参数,一、工作原理,图10.2.1 单相半波整流电路, 当u2 0时，二极管导通，忽略二极管正向压降, 当u2 0时，二极管截止，,分析表明：在交流电压的一个周期内,二极管只在半个周期内导通工作,另外半个周期截止不工作。,10.2.1 整流电路的分析方法和基本参数,一、工作原理,图10.2.2 半波整流电路的波形图,图10.2.1 单相半波整流
4、电路,因为负载上只有半个周期内有电流和电压，所以称为“半波整流电路”。,二、主要参数分析,对于整流电流，主要研究输出电压平均值、输出电流平均值和输出电压脉动系数。,（1）输出电压平均值: (负载电阻上电压的平均值）,二、主要参数分析,（3）输出电压的脉动系数： 整流输出电压的基波峰值与输出电压平均值之比。,S越大，脉动越大。,经推导：S 1.57,三、二极管的选择,一般根据流过二极管的正向平均电流和它所承受的最大反向电压来选择。,半波整流的特点:,(1)单相半波整流电路简单易行; (2)由于它仅利用了交流电路的半个周期，所以输出电压低，脉动大（即交流分量大）， 效率低。 (3)只适用于整流电流
5、较小，对脉动要求不高的场合。,例10.2.1如图电路中，已知电网电压波动范围是10%, 变压器副边电压有效值U2=30v,负载电阻RL=100,试问： (1)负载电阻上的电压平均值和电流平均值？ (2)二极管承受的最大反向电压和最大电流平均值？ (3)若不小心输出端短路，则会出现什么现象？,解:(1),(2),(3)二极管会因电流过大而烧坏；如果二极管短路，会造成变压器永久损坏。,10.2.2 单相桥式整流电路,为了降低单相半波整流电路的脉动系数，提高电源利用率，可以将两个半波整流电路组合为一个全波整流电路。实用电路中多采用单相全波整流。,电路的构成思想：保证在变压器副边电压u2的整个周期内，
6、负载的电压和电流方向始终不变。,极性：A为“+”， B 为“-”,极性：A为“-”， B 为“+”,10.2.2 单相桥式整流电路,一、电路的组成,图10.2.4 电路组成,习惯画法,简化画法,电路中用四个二极管接成电桥形式，故称为桥式整流电路。,二、工作原理,u2 正半周内: D1D3 导电，D2D4 截止,u2 负半周内: D2D4导电， D1D3 截止,正、负半周均有电流流过负载电阻 RL且方向一致。,三、输出电压平均值和输出电流平均值,（1）输出电压平均值: (负载电阻上电压的平均值）,（2）输出电流的平均值: (负载电阻中的电流平均值）,（3）脉动系数:,整流电路输出波形的傅里叶级数
7、表示为：,经推导：S 0.67,四、二极管的选择,在单相桥式整流电路中,因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，与半波整流电路中二极管的平均电流相同。,实际选用时，应至少有10%的余量。,四、二极管的选择,图10.2.7 利用桥式整流电路获得正、负电源,如果将桥示整流电路变压器副边中点接地，并将两个负载电阻相连接，且连接点接地。,例10.2.2如图电路中，已知变压器副边电压有效值U2=30v,负载电阻RL=100,试问： (1)输出电压和输出电流平均值？ (2)当电网电压波动范围是10%,二极管承受的最大反向电压和最大整流电流
8、至少应选取多少？ (3)若整流桥中二极管D1开路或短路,则分别产生什么现象？,解:(1),(2),(3)若D1开路:仅实现半波整流；若D1短路:在u2负半周时，造成D2电流过大而烧坏，若D2烧成短路，可能烧坏变压器。,桥式整流电路的特点：,(1) 桥式整流电路与半波整流电路相比，在相同的 变压器副边电压下，对二极管要求相同。,(2)桥式整流电路的输出电压与输出电流的平均值是 半波整流电路的两倍。,(3)输出电压高，脉动小，变压器利用率高，因此得 到广泛应用。,(4) 缺点：二极管数量多，实际二极管正向内阻不为零，损耗较大。,10.3 滤波电路,滤波电路：尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，
9、使输出电压成为比较平滑的直流电压。,与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中滤波电路的显著特点： 1、采用无源电路； 2、理想情况下，在滤波后只保留直流成份，而滤去所有交流成份； 3、能够输出较大电流； 4、因为整流管工作在非线性状态，故滤波特性的分析方法也不尽相同。,10.3.1 电容滤波电路,图10.3.1 单相桥式整流电容滤波电路,一、电路结构,电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路。,滤波电容一般均采用电解电容，注意电解电容的正负极。,电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。,u2正半周， u2 uC ， D1、D3导
10、通，C充电，ab段。,二、滤波原理,当 uC = u2的峰值后， C通过负载开始放电，bc段。,当 u2 uC时， D1、D3截止，C继续放电，cd段。,u2 uC ，D1、D3导通,重复上述过程.,放电时间常数远远大于充电时间常数， 滤波效果取决于放电，其值愈大，滤波效果愈好。,二、滤波原理,图10.3.2 RLC不同时uC的波形,滤波效果取决于放电时间常数，其值愈大，滤波效果愈好。,电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大。,当滤波电容容量一定时，若负载电阻减小，则放电时间常数减小，放电速度加快，输出电压平均值随即下降，且脉动变大。,三、输出电压平均值,图10.3.3
11、 电容滤波电路输出电压平均值的分析,滤波电路输出电压波形难用解析式来描述，近似估计时，可将波形近似为锯齿波。,T为电网电压的周期，设整流电路内阻较小而RLC较大。,输出电压平均值为：,四、脉动系数,定义:整流输出电压的基波峰值与输出电压平均值之比。,图10.3.3 电容滤波电路输出电压平均值的分析,脉动系数：,交流分量的基波峰值为：,五、整流二极管的导通角,无滤波电容时,有滤波电容时 ,RLC愈大，滤波效果愈好，导通角愈小。且二极管平均电流增大，故其峰值很大。,图10.3.4 电容滤波电路中输出电压波形和二极管电流波形及导通角,小到一定程度，难于选择二极管,五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性
12、,输出特性： 当滤波电容选定后，输出电压平均值UO(AV) 和输出电流平均值IO(AV) 的关系。,滤波特性：脉动系数和输出电流平均值IO(AV) 的关系。,电容滤波电路适用于负载电流较小且变化也较小的场合.,10.3.2 倍压整流电路,利用滤波电容的存储作用,由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压,称为倍压整流电路。,分析时的两个要点: 负载开路 电路进入稳态,图10.3.6 二倍压整流电路,P,u2正半周C1充电：AD1C1B，最终,u2负半周，u2加C1上电压对C2充电：PD2C2A，最终,10.3.2 倍压整流电路,图10.3.7 多倍压整流电路,（1）电容滤波电路具
13、有结构简单，使用方便的特点。,（5）采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击电流，很难选择整流管和电容器，必须选用较大容量的整流二极管。,电容滤波电路的特点:,（4）适用于负载电流变化不大的场合。,（3）电容滤波电路适用于小电流负载。,（2）电容滤波电路的滤波效果主要取决于放电时间，要求脉动成分非常小时，电容器的容量很大。,10.3.3 其他形式的滤波电路,一、电感滤波电路,在整流电路与负载电阻之间串联一个电感线圈L就构成电感滤波电路。,图10.3.8 单相桥式整流电感滤波电路,电感的基本性质：当流过它的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻碍电流的变化。,当回路电流减小时，感生电动势
14、的方向阻止电流的减小，从而增大二极管的导通角。,一、电感滤波电路,电感对直流分量的电抗为线圈电阻,对交流分量的感抗为L。,负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小，脉动愈小。L愈大，滤波效果愈好。,电感滤波电路的特点：,（1）电感滤波电路适用于大电流负载。 （2）由于电感有增大整流管导通角的趋势， 因此电流的波形比较平滑， 避免了在整流管中产生较大的冲击电流。,二、复式滤波电路,图10.3.9 复式滤波电路,为获得更好的滤波效果，可采用复式滤波电路。,电感应与负载串联，电容应与负载并联。,小 结：,整流电路的作用：利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单向的脉动电压。,滤
15、波电路的作用：尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。,半波整流、单相桥式整流电路 参数计算：输出电压平均值UO(AV) 和输出电流平均值IO(AV) 输出电压脉动系数S,电容滤波电路：电路结构，原理,10.4 稳压管稳压电路,稳压电路的作用：使输出的直流电压，在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。,一、电路组成,图10.4.1 稳压二极管组成的稳压电路,稳定电压 UZ：稳压管的击穿电压 稳定电流 IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流 最大耗散功率 PZM：允许的最大功率， PZM= IZM UZ 动态电阻 rz：工作在稳压状态时，rzU / I,稳压管的
16、伏安特性和主要参数,知识回顾：,二、稳压原理,图10.4.1 稳压二极管组成的稳压电路,对任何稳压电路都应从两个基本点方面考察其稳压特性: 电网电压波动,研究其输出电压是否稳定? 负载变化,研究其输出电压是否稳定?,图10.4.1 稳压二极管组成的稳压电路,负载变化，研究其输出电压是否稳定?,二、稳压原理,三、性能指标,1.输出电阻 Ro,2.稳压系数 Sr,定义为：经过整流滤波后输入到稳压电路的直流电压UI不变时， 稳压电路的输出电压变化量UO与输出电流IO变化量之比。,定义为：当负载不变时，稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。,四、电路参数的选择,（2）稳压管的选择 UZUO 由于 ， IZMIZ ILmax ILmin,（3）限流电阻R的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。,（1）稳压电路输入电压UI的选择 UI（23）UO,电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小,电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电
