《《电工电子技术》-任万强-电子教案 第2篇 第9章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电工电子技术》-任万强-电子教案 第2篇 第9章（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电工电子技术,任万强 张钢 主编 中国水利水电出版社,返回章目录,9.1 单相整流电路,9.3 集成稳压器,第9章 直流稳压电源,9.2 滤波电路,整流电路就是利用二极管的单向导电性，将交流电变换为单向脉动直流电的电路。根据交流电的相数，整流电路分为单相整流、三相整流等。通过本章的学习要求掌握小功率直流电源中常用的单相半波、单相桥式整流电路及滤波稳压电路的原理和应用要点。 电子设备的正常运行离不开稳定的电源，除了在某些特定场合下采用太阳能电池或化学电池作电源外，多数电路的直流电是由电网的交流电转换来的。这种直流电源的组成以及各处的电压波形如图9.1所示。,知识点和学习要求,图9.1 直流稳压电
2、源组成框图,图9.1中各组成部分的功能如下： （1）电源变压器：将电网交流电压（220V或380V）变换成符合需要的交流电压，此交流电压经过整流后可获得电子设备所需的直流电压。因为大多数电子电路使用的电压都不高，这个变压器是降压变压器。,（2）整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。,（3）滤波电路：利用储能元件电容器C两端的电压（或通过电感器L的电流）不能突变的性质，把电容C（或电感L）与整流电路的负载RL并联（或串联），就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。在小功率整流电路中，经常
3、使用的是电容滤波。,（4）稳压电路：当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出的直流电压的幅值也将随之变化，因此，稳压电路的作用是使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电网电压和负载的变化而变化。 在小功率直流电源中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥,式和三相整流电路等。 整流（和滤波）电路中既有交流量，又有直流量。对这些量经常采用不同的表述方法：输入（交流）用有效值或最大值；输出（直流）用平均值；二极管正向电流用平均值；二极管反向电压用最大值。,9.1 单相整流电路,利用二极管的单向导电性组成整流电路，可将交流电压变为单向脉动电压。本章为便于分析整流电路，把整流二极管当作理想元件，即认
4、为它的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大。但在实际应用中，应考虑到二极管有内阻，整流后所得波形，其输出幅度会减少0.61V，当整流电路输入电压大时，这部分压降可以忽略。但输入电压小时，例如输入为3V，则输出只有2V多，需要考虑二极管正向压降的影响。 单相整流电路有单相半波整流电路、单相全波整流电路和桥式整流电路三种形式。单相半波整流电路如图9.2所示。,图9.2 单相半波整流电路,9.1.1 单相半波整流电路,1单相半波整流电路的工作原理,利用二极管的单向导电性，在变压器副边电压U2为正的半个周期内，二极管正向偏置，处于导通状态，负载RL上得到半个周期的直流脉动电压和电流；而在U2为负的半个
5、周期内，二极管反向偏置，二极管VD截止，处于关断状态，负载中没有电流流过，负载上电压为零。由于二极管的单向导电作用，将变压器副边的交流电压变换成为负载RL两端的单向脉动电压，达到整流目的，其波形如图9.3所示。因为这种电路只在交流电压的半个周期内才有,电流流过负载，所以称为单相半波整流电路。,设变压器副边绕组电压为 。当u2为正半周时，二极管VD导通，负载RL上的电压uo、流过RL的电流io及二极管的电流iD分别为,2直流电压UO和直流电流IO的计算,利用傅立叶级数将单相半波脉动电压分解为,式中第一项为uo的直流分量，即uo在一个周期的平均值UO，即,可以看出，在半波整流情况下，负载上的直流电
6、压只有变压器副边绕组电压有效值的45%。如果考虑二极管正向电阻和变压器内阻引起的压降，UO的数值还要低一些。 负载上的直流电流,图9.3 单相半波整流电路波形,3二极管参数的计算,在单相半波整流电路中，流 过二极管的电流就等于输出电流,从图9.2可看出，二极管在截止时所承受的最高反向电压u2就是的最大值，即,在选择二极管时，所选管子的最大整流电流和最高反向工作电压，应大于上式的计算值。,4纹波系数KT,整流输出后的电压除含有直流分量外，还含有不小的高次谐波分量，这些谐波分量总称为纹波。常用纹波系数来衡量输出电压中的纹波大小，它定义为输出电压交流有效值与平均值（直流分量）之比，即,而输出交流电压
7、有效值为,对于半波整流电路 ，所以纹波系数为,可见半波整流电路输出电压的纹波是比较大的。 单相半波整流电路结构简单，只用一个整流管，但输出波形脉动大，输出直流电压低，变压器只工作半周，电源利用率低，故半波整流电路只用在对直流电源要求不高，输出电流较小的场合。,9.1.2 单相桥式整流电路,单相桥式整流电路应用最广，采用四个整流二极管，组成桥式电路，如图9.4（a）所示。 人们常常将图中的四个二极管电路，称为“整流桥”。图9.4（b）采用了整流桥符号的电路图。,图9.4 单相桥式整流电路,1单相桥式整流电路的工作原理,在图9.4（a）中，当u2为交流电的正半周时，a点电位高于b点电位。二极管VD
8、1，VD2正偏导通，VD4，VD3反偏截止。电流从变压器副边a点，经VD1，RL，VD2流通到b点。负载RL上得到正半周的输出电压。电流如实线方向。,当u2为交流电的负半周时，b点电位高于a点电位。二极管VD4，VD3正偏导通，VD2，VD1反偏截止。电流从变压器副边b点，经VD3，RL，VD4流通到a点。负载RL上依然得到正向半周的输出电压。电流如虚线方向。 可见，虽然u2为交流电压，但负载RL上的输出电压uo，却已经变成为大小脉动而方向单一的直流电了。 单相桥式整流电路中各电压、电流的波形，如图9.5所示。,2单相桥式整流电路的参数计算,整流电路的输出电压uO是脉动的直流电压，直流电压的大
9、小用其平均值UO来衡量。 式中 U2变压器副边电压的有效值。,图9.5 单相桥式整流电路,整流电路的输出电流io的平均值IO为,由于在每个周期中，四个整流二极管分为两组，轮流导通。所以流过每个二极管的平均电流ID是总负载电流的一半,当正向偏置的二极管导通时，另外两个二极管承受反向电压而截止。其承受的最高反向电压UDRM为 （忽略二极管的导通压降），即,由分析可知，流过变压器副边的电流是交流电流。其有效值为,上述几个公式，是分析、设计整流电路的重要依据。我们可以根据它们来选择电源变压器和整流二极管的参数。,【例9.1】设计一个输出直流电压为36V，输出电流为1A的单相桥式整流电路。已知交流电压为
10、220V，要求（1）如何选取整流二极管的参数？（2）求电源变压器的副边电压及容量。,解： （1） 流过每个二极管的平均电流为,每个二极管承受的最高反向电压为,所以可以选用整流二极管1N4002，其参数为：IF =1A，URM =100V。 （2）变压器副边电压U2 =40V，变压器副边电流为,变压器的容量为,需要说明的是，以上计算为理论计算。在工程实践中，各参数应当参照理论值有适当的余量。 整流电路中的“电源变压器”，除了具有变换电压的作用之外，还担任“安全隔离”的重要任务。即将整流电路的用户与电网电压隔离开来。 这样就保证了用户在接触变压器副边电路时，不会出现单相触电事故。,9.2 滤波电路
11、,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。,滤波电路一般由电容、电感、电阻等元件组成。滤波电路对直流和交流反映出不同的阻抗，电感L对直流阻抗为零（线圈电阻忽,略不计），对于交流却呈现较大的阻抗（ ）。若把电感L与负载RL串联，则整流后的直流分量几乎无衰减地传到负载，交流分量却大部分降落在电感上。负载上的交流分量很小，因此负载上的电压接近于直流。,电容器C对于直流相当于开路，
12、对于交流却呈现较小的阻抗（ ）。若将电容C与负载电阻并联，则整流后的整流分量全部流过负载，而交流分量则被电容器旁路，因此在负载上只有直流电压，其波形平滑。 常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波等。,9.2.1 电容滤波电路,图9.6为单相桥式整流及电容滤波电路。在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压uc对整流组件导电的影响，整流组件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。,1工作原理,负载RL未接入时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当u2为正半周时，u2通过VD1、VD2向电容器C充,电；u2为负半周时，经VD3、VD4向电容器C充电，充电时间常数为,其中，R
13、n包括变压器副绕组的电阻和二极管VD的正向电阻。接通电源时，变压器副边电压u2 由0开始上升，二极管VD1，VD2导通，电源向负载RL供电，同时，也向电容C充电，电容器很快就充电到交流电压u2的最大值 ， 达峰值后u2减小，当 时，二极管VD1，VD2截止，充电电流中断，电容C开始通过RL放电，使 逐渐下降，直到下个半周u2幅度上升至 ，此后电源通过VD3，VD4又向负载RL供电，同时又给电容C充电，如此周而复始。图9.6（b）所示为输出电压波形。,注意，电容充电电流出现不到半个周期，只有当 那一段时间充电（ ）。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压uc）保持在 ，输出为一个
14、恒定的直流，如图9.6（b）所示。显然，当RL很小，即IO很大时，电容滤波的效果不好。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。,图9.6 电容滤波电路电流、电压波形图,2滤波电容的选择,从电容滤波器的工作原理来看，电容越大，滤波效果越好。因为输出电压的脉动程度与电容放电的时间常数RLC有关。为了得到,比较平直的输出电压，桥式整流电路要求放电时间常数 应大于u2的周期T，一般要求按照,所以在满足式的条件下，负载电压的平均值可按下式估算： 单相半波整流电容滤波,单相桥式整流电容滤波,电容越大，波形越平滑，输出电压的平均值上升越大。,9.2.2 复式滤波电路,为进一步提高滤波效果，可将电容和电感组合成复
15、式滤波电路。常见的有 型LC, 型LC和 型RC复式滤波电路，其具体接线形式如图9.7所示。,1. 型LC滤波,在电感滤波之后，再在负载两端并联一个电容C组成，如图9.7（a）所示。经整流后输出的脉动直流电压经过电感L时，大部分交流成分降落在L上，再经电容C滤波，即可得到比单电感或单电,容滤波更加平滑的直流电压。,图9.7 复式滤波电路,（a）,（b）,（c）,2 型LC滤波,为进一步提高输出电压平滑度，可在型LC滤波电路的输入端再并联一个电容，就形成了 型LC滤波电路，如图9.7（b）所示。 型LC滤波电路的滤波效果很好，但电感体积较大，故只适用于负载电流不大的场合，且其带负载能力差。,3
16、型RC滤波,在负载电流小、滤波要求不高情况下，常用电阻R代替电感L来组成 型RC滤波电路，如图9.7（c）所示。这种滤波电路的体,积小、成本低，滤波效果也不错，但由于电阻R的存在，会使输出电压降低。它也只适用于负载电流不大的场合。,9.3 集成稳压器,经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性是比较差的。 滤波电路之后通常还有稳压电路，稳压电路的作用是使直流电源的输出电压稳定，尽可能不随负载电流和电网电压的变化而变化。在某此要求更高的场合，还要求输出电压具有较小的温度系数。随着电子技术的发展，集成电路得到了广泛的应用，集成稳压器具有体积小、外围元件少、可靠性高、使用方便、价格低廉等优点。,9.3.1 集成稳压器,集成稳压器可分为输出电压
