模电第十章直流电源.

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1、第十章 直流稳压电源 10.1 直流稳压电源的组成 10.2 整流电路和滤波电路 10.3 串联型稳压电源 10.4 开关型稳压电路 图 8-1 直流稳压电源的组成框图 10.1 直流稳压电源的组成 整流电路（rectifier）的作用是将交流电变换成单方向的直 流电。 整流电路种类较多， 按整流元件的类型，分二极管整流和 可控硅整流；按交流电源的相数，分单相和多相整流； 按流过 负载的电流波形，分半波和全波整流；按输出电压相对于电源 变压器次级电压的倍数，又分一倍压、 二倍压及多倍压整流等 。 10.2 整流电路和滤波电路 10.2.1 单相半波整流电路 1. 工作原理 单相半波整流（hal

2、f wave rectifier）电路是一种最简单的整 流电路， 电路组成如图8 - 2所示。设二极管VD为理想二极管， RL为纯电阻负载。 交流电网电压经电源变压器降压后， 变为整流电路需要的 交流电压 U2为其有效值。在u2正半周，a端电位高于b端电位，故VD导通 。 电流流经的路径为a端VDRLb端，若忽略变压器次级内 阻， 则RL端电压即电路的输出电压为 在u2负半周，b端电位高于a端电位，故VD截止，且 u2及uo波形如图8-3所示。由图可见，正弦交流电压u2经半波整 流后变为单一方向的直流电压uo。 图 8-2 单相半波整流电路 图 8-3 半波整流电路波形图 2. 主要参数 （1

3、） 输出电压平均值Uo。 将图8-3所示的输出电压uo用傅里叶级数展开得 其中的直流分量即为输出电压平均值Uo，即 (8-1) (8-2) Uo越高，表明整流电路性能越好。 （2） 输出电流平均值Io (8-3) （3） 输出电压脉动系数S。 由式(8-1)可见，除直流分量外， uo还有不同频率的谐波分量。如第二项为基波，第三项为二次谐 波，它们反映了uo的起伏或者说脉动程度。其中基波峰值与输出 电压平均值之比定义为输出电压的脉动系数S（ripple factor）， 则半波整流电路的脉动系数为 (8-4) S越小，表明输出电压的脉动越小，整流电路性能越好。 单相半波整流电路结构简单，只需一只

4、整流二极管，但输出 电压脉动大，平均值低。将其改进之后可得到单相全波整流电路 。 10.2.2 单相全波整流电路 图 8-4 单相全波整流电路 图 8-5 全波整流电路波形图 将uo用傅里叶级数展开得 (8-5) 故全波整流电路的输出电压平均值为 (8-6) 输出电流平均值为 (8-7) 输出电压脉动系数为 (8-8) 10.2.3 单相桥式整流电路 1. 工作原理 单相桥式整流电路（bridge rectifier circuit）如图8-6所示。 与单相全波整流电路相比，桥式整流电路的变压器次级无中心 抽头，但二极管数目增加，由四个二极管VD1VD4构成整流桥 。 仍设，VD1VD4均为理

5、想二极管。 u2正半周，a端电位高于b端电位，故VD1、VD3导通，VD2、 VD4截止，电流流经路径为a端VD1RLVD3b端（如图中实 心箭头所指）；u2负半周，b端电位高于a端电位，VD2、VD4导通 ， VD1、VD3截止，电流路径为b端VD2RLVD4a端（流经 负载RL时，方向如图中空心箭头所指）。即两对交替导通的二 极管引导正、 负半周电流在整个周期内以同一方向流过负载， u2及uo波形如图8-7所示。 图 8-6 单相桥式整流电路 图 8-7 桥式整流电路波形图 2. 二极管的选择 桥式整流电路对整流二极管的参数要求主要有两项： （1） 最大整流电流IF。 图8-6中流过每个二

6、极管的电流平均值 (8-9) 再考虑到电网电压可能有10%的波动，故应保证 (8-10) （2） 最大反向工作电压UR。图8-6中每个二极管截止时承 受的最大反向电压为 考虑到电网电压可能有10%的波动，故应保证 为方便对照，现将单相半波整流、全波整流和桥式整流的 主要参数示于表8.1。由表可知，桥式整流电路的性能最佳。目 前市场上有不同性能指标的整流桥堆产品，实际使用时只需将 电源变压器与整流桥堆相连即可， 非常方便。 表8.1 三种整流电路主要参数对比 10.2.4 滤波电路 整流电路的输出虽为单一方向的直流电，但因其含有较大 的谐波成分，故波形起伏明显，脉动系数大，不能适应大多数 电子设

7、备的需要。 一般整流电路之后， 还需接入滤波电路（ filters）以滤除谐波成分，使脉动的直流电变为比较平滑的直流 电。 1. 电容滤波 在桥式整流电路的基础上，输出端并联一个电容C就构成 了电容滤波电路（capacitance filter）， 如图8-8(a)所示。 图 8-8 单相桥式整流电容滤波电路及工作波形 (a) 电路； (b) 理想情况下uo波形； (c) 二极管电流波形 可见，电容滤波是通过电容的储能作用（充放电过程）， 即在u2升高时，把部分能量储存起来（充电），在u2降低时， 又把储存的能量释放出来（放电），从而在负载RL上得到一个 比较平滑的、近似锯齿形的输出电压uo，

8、使其脉动程度大为降低 ，并且平均值提高。 若设整流电路内阻（即变压器次级内阻与二极管导通电阻 之和）为R， 则电容C的充电时间常数 放电时间常数 通常RLR，故滤波效果取决于放电时间常数f。C和RL越 大，f就越大，电路的放电过程更缓慢，因而输出电压更平滑， 平均值更高。一般情况下，可按下式计算Uo，即 (8-13) 例如已知正弦波频率f=50 Hz（即T=0.02 s），若设C=2500 F， RL=1 k，则 可见输出电压的脉动程度大为降低。 使用电容滤波电路时还应注意以下几点： （1）电容滤波适用于负载电流Io较小且变化不大的场合。 原因是，当Io=0（即负载RL开路）时，电容充电至后不

9、再 放电，故有 ；随着Io的增大（或负载RL的减小）， C 的放电时间常数f减小，放电加速，Uo将明显减小。 （2）所需电容容量较大，至少应满足RLC(35) 的条 件。由于一般采用电解电容，因此使用时要特别注意正负极性 不能接反， 否则电容会被击穿。 （3） 流过每个二极管的冲击电流很大。由于增加了电容支 路，流过每个二极管的电流比未并联电容之前增大，但每个二 极管的导通时间反而减小，因此在二极管导通的短暂时间内， 将有很大的冲击电流流过，如图 8-8(c)所示。这一点在选择二 极管时必须注意，应选择最大整流电流IF较大的管子。 【例8-1】桥式整流电容滤波电路如图8-9所示，已知输出电 压

10、Uo=-30 V，RL=200 ，电源频率f=50 Hz。试问 （1）电容C的极性如何？ （2）变压器次级电压u2的有效值为多少？若电网电压的波动 范围为10%，求电容耐压值。 （3）电容C开路或短路时，电路会产生什么后果？ 图 8-9 例8-1电路图 解（1） 电容C的极性。分析电路可知，负载电流将自下而 上流过RL，所以电容极性应上负下正。 （2）变压器次级电压u2的有效值及电容耐压值。据式(8-13) 有 电路空载时电容将承受最大电压， 再考虑电网电压的波动 ， 则电容耐压应为 同时电容容量应满足的要求，若取RLC=2T ， 则有 所以实际可选取200 F/50 V的电解电容。 （3）

11、电容C开路时，电路变为单相桥式整流，故有 Uo=0.9U2=0.925=22.5V 而当电容C短路时，即负载被短路，Uo=0 V，VD1VD4将因电 流过大而损坏。 2. 电感滤波 当负载电流较大时，电容滤波已不适合，这时可选用电感 滤波（inductance filter），如图8-10所示（图中的桥式整流部分 采用了简化画法）。 图 8-10 单相桥式整流电感滤波电路 电感与电容一样具有储能作用。当u2升高导致流过电感L的 电流增大时，L中产生的自感电动势能阻止电流的增大，并且将 一部分电能转化成磁场能储存起来；当u2降低导致流过L的电流 减小时，L中的自感电动势又能阻止电流的减小，同时释

12、放出存 储的能量以补偿电流的减小。这样，经电感滤波后，输出电流 和电压的波形也可以变得平滑，脉动减小。显然，L越大，滤波 效果越好。 由于L上的直流压降很小，可以忽略，故电感滤波电路的输 出电压平均值与桥式整流电路相同，即 Uo0.9U2 3. 复式滤波 为了进一步提高滤波效果，使输出电压脉动更小，可以采用 复式滤波的方法。图8-11为几种常用的复式滤波电路结构及其输 出特性。 由图可见，RC-型滤波在Io增加时，其输出特性较电容滤波 为差；LC-型滤波的输出特性与电容滤波类似；LC滤波的输出特 性较电感滤波更佳。实际电路中以电容滤波的应用最为广泛， 它 适用于负载电流较小且变化不大的场合；在

13、电容滤波、RC-型滤 波和LC-型滤波中，电容容量的选择均应满足RLC(35) ；虽 然电感滤波和LC滤波的输出特性较好，带负载能力强， 适用于大 电流或负载变化大的场合，但因电感滤波器体积大，十分笨重， 故通常只用于工频大功率整流或高频电源中。 图 8-11 复式滤波电路 (a) RC -型滤波电路； (b) LC 滤波电路； (b) (c) LC-型滤波电路； (d) 输出特性曲线 10.3 串联型稳压电源 整流滤波电路将交流电变换成了比较平滑的直流电，但输 出电压Uo仍会受到下列因素的影响： (1) 电网电压通常允许有10%的波动，这将造成Uo按相同 的比例变化； (2) 输出电流（即负

14、载电流）Io通常是作为其它电子电路的 供电电流，可能会经常变动，Uo将随Io的变化（或负载阻值RL的 变化）而变化。 稳压电路的作用就是消除上述两项变动因素对输出电压的 影响，获得稳定性好的直流电压。 10.3.1 稳压电路的性能参数 稳压电路的稳压性能主要可通过稳压系数Sr（coefficient of voltage stabilization）和输出电阻Ro两项参数来衡量。稳压系数Sr 定义为在固定负载条件下，输出电压变化量Uo与输入电压变化 量Ui之比, 即 (8-16) 工程上还有一个类似的概念，称为电压调整率Su，是指当输入电 压变化10%时的输出电压变化量Uo。 稳压系数和电压调

15、整率 均表征了稳压电路抗电网电压波动能力的大小，Sr或Su越小， 电 路的稳压性能越好。 输出电阻定义为在固定输入电压条件下，负载变化产生的输出电 压变化量Uo与负载输出电流变化量Io之比, 即 (8-17) 工程上也有一个类似的概念，称为电流调整率Si，是指当Io在0 Iomax范围内变化时的输出电压变化量Uo。输出电阻和电流调整 率均表征了稳压电路抗负载变化能力的大小，Ro或Si越小，电路 的稳压性能越好。 【例8-2】稳压管稳压电路如图8-12(a)所示。已知Ui=25 V， 波动范围10%。稳压管稳定电压UZ=10 V，稳压管电流IDZ的允 许变化范围为1060 mA。负载电阻RL的变化范围为15 k。 （1） 试确定限流电阻R的取值范围； （2） 若R为400，