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1、第6章 直流稳压电源,本章提要 目前广泛采用由交流电变换为直流电的各种半导体直流电源。本章主要讨论半导体直流稳压电源： 1直流稳压电源的组成、各部分的作用及参数计算 2单相桥式不可控整流电路的工作原理 3单相可控整流电路的工作原理，包括单相可控半 波和单相半控桥式整流电路 4简单的电容滤波电路 5稳压二极管稳压电路的工作原理，串联稳压电路 的工作原理及三端固定集成稳压器介绍。,本章重点 单相桥式整流电路和单相半控桥式整流电路的工作原理以及电容滤波电路的工作原理,6.1 概述,6.1 概述,直流稳压电源的组成和功能,u2,u1,uo,uo,uo,u1,u2,uo,6.1 概述,电源变压器：将交流
2、电源电压变换为符合整流需要的低幅值交流电压。 整流电路：利用具有单向导电性的整流元件(半导体二极管、晶闸管等)，将交流电压变换为单向脉动电压。 滤波电路：滤去单向脉动电压中的交流成分，减小脉动程度，供给负载平滑的直流电压。 稳压电路：在交流电源电压波动或负载变化时，使直流输出电压稳定。,6.1 概述,6.2 单相桥式整流电路,单相桥式整流电路,2,2,V1,V3,V2,V4,6.2 单相桥式整流电路,设变压器二次侧电压为 uO波形用傅里叶技术分解为 整流电压平均值 整流电流平均值,6.2 单相桥式整流电路,流过每只二极管电流平均值IDF的电流平均值是负载电流 平均值IO的一半 每个二极管所承受
3、的最高反向电压 变压器二次侧电流i仍为整流电流I，其有效值 与整流电流平均值 的关系为,6.2 单相桥式整流电路,单相桥式整流电路中的整流电桥可由四个整流二极管组成，也可直接用集成的整流桥块代替。,整流桥块,二极管桥,6.2 单相桥式整流电路,6.2 单相桥式整流电路,例6-1 单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻 ，负载电压 ，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。,6.2 单相桥式整流电路,解 变压器二次侧电压的有效值为 考虑到变压器二次侧绕组及二极管上的压降，变压器二次侧电压一般应高出计算值 510，即 变压器电压比 整流电流平均值,6.2 单相桥式整流电路,变压器二次
4、侧电流有效值 变压器容量 每只二极管承受的最高反向电压 流过每只二极管的平均电流值,6.2 单相桥式整流电路,为使整流电路工作安全起见，在选择二极管时，二极管的最大整流电流Iom应大于二极管中流过的电流平均值IDF ，二极管的反向工作峰值电压URM应比二极管在电路中承受的最高反向电压UDRM大一倍左右。 查附录B，二极管选用2CZl2D(3A，300V)，或者2CZl2E(3A，400V)。,6.2 单相桥式整流电路,例6-2 电路如图所示。设变压器和各二极管是理想的。 1)判断这是哪一种整流电路？ 2)标出uo1 、 uo2 相对于“地”的实际极性； 3)求 Uo1 、Uo2的值。,6.2
5、单相桥式整流电路,当电压正半周，即a点为“+”b点为“-”时，二极管VD1和VD3导通，电流通路为： 当电压负半周，即b点为“+”a点为“-”时，二极管VD2和VD4导通，电流通路为：,6.2 单相桥式整流电路,Uo1相对于“地”为正 Uo2相对于“地”为负,6.2 单相桥式整流电路,6.3 单相晶闸管可控整流电路,6.3.1 单相半波可控整流电路,6.3.2 单相半控桥式整流电路,二极管整流电路在应用上的局限性: 输入的交流电压一定时，输出的直流电压也是一个固定值，一般不能任意调节。 很多场合，要求直流电压能够进行调节，如直流电动机的调压调速等。本届将讨论由可控元件晶闸管组成的可控整流电路。
6、,6.3 单相晶闸管可控整流电路,晶闸管导通条件： 阳极A和阴极K之间加正向电压 控制极G和阴极K之间加正向电压 阳极电流大于擎住电流 这三个条件同时满足，晶闸管才能导通，否则，呈阻断状态。可见晶闸管是一个可控的导电开关，它与二极管相比，不同之处是其正向导通受控制极电流控制。,晶闸管关断条件： A、K极之间加反向电压，令uA 0，晶闸管则处于截止状态 或令iA小于维持电流IH，即iA IH ，晶闸管会重新截止。,6.3 单相晶闸管可控整流电路,6.3.1 单相半波可控整流电路,晶闸管承受正向电压时，不导通的范围(加入触发脉冲，使管子开始导通前的角度)称为控制角，也称移相角，用表示。 在一个周期
7、内晶闸管导通的范围称为导通角，用表示，且=- 。控制角的变化范围称为移相范围，其变化范围是0。 显然，改变加入控制极触发脉冲的时刻，即改变控制角 ，负载电阻RL上得到的电压波形就随着改变，这样就控制了负载上输出电压的大小，达到可控整流的目的。 控制角愈小、导通角愈大，输出电压平均值愈大。,6.3 单相晶闸管可控整流电路,经晶闸管整流后的输出电压平均值Uo与控制角的关系为 当=0 ，=时，晶闸管在正半周全导通，输出电压最高Uo=0.45U，相当于不可控单相半波整流电路。 当=，=0时，Uo=0，晶闸管阻断。,6.3 单相晶闸管可控整流电路,负载电阻RL中整流电流平均值为 输出电压的有效值 输出电
8、流的有效值IR，也就是流过晶闸管电流的有效值It为,6.3 单相晶闸管可控整流电路,例6-3 单相半波可控整流电路，如图所示，己知变压器二次侧电压U=127V，晶闸管的控制角 =45，负载电阻RL=10。求晶闸管的导通角，输出电压的平均值Uo，输出电流的平均值Io和有效值IR。,6.3 单相晶闸管可控整流电路,解,6.3 单相晶闸管可控整流电路,6.3.2 单相半控桥式整流电路 单相半波可控整流电路存在输出电压脉动大，输出电压平均值低的缺点。较常用的是单相半控桥式整流电路，电桥两个臂中的二极管被晶闸管取代。,6.3 单相晶闸管可控整流电路,整流输出电压平均值为 输出电流的平均值Io为 由以上两
9、式可知，在相同的交流电压u和控制角条件下，单相半控桥式整流电路比单相半波可控整流电路的输出电压、电流的平均值大一倍。,6.3 单相晶闸管可控整流电路,输出电压有效值为 输出电流有效值和变压器二次侧电流有效值为 通过晶闸管和二极管的电流平均值相等，为 晶闸管所承受的最高正向电压UFM、最高反向电压URM和二极管所承受的最高反向电压都为,6.3 单相晶闸管可控整流电路,6.3 单相晶闸管可控整流电路,6.3 单相晶闸管可控整流电路,6.3 单相晶闸管可控整流电路,6.4 滤波电路,6.4.1 电容滤波电路,6.4.2 RC形滤波电路,整流电路输出的电压都是单方向脉动电压，其中含有直流和交流分量，这
10、样的直流电压作为电镀、蓄电池充电的电源还是允许的，但作为大多数电子设备的电源，将会产生不良影响，甚至不能正常工作。 需要在整流电路之后，加接滤波电路，尽量减小输出电压中的交流分量，使之接近于理想的直流电压。这一过程称为滤波。,6.4 滤波电路,6.4.1 电容滤波电路 电容滤波器是根据电容器的端电压在电路状态改变时不能跃变的道理制成的。,6.4 滤波电路,(1)在u的正半周，VD1、VD3导通，如果忽略变压器二次侧绕组及二极管正向电压降，电容充电时间常数很小，可近似认为uc和u波形一致，如图om段。 (2)u在m点达到最大值，uc也达到最大值，过了m点以后，u按正弦规律下降的速率不大， uc仍
11、和u波形近似相同，如图mn段所示。 (3)过了n点以后，uc按指数衰减的速率较慢，此时uuc，电容C被充电。 整流电路加电容滤波后，输出电压的脉动大为减小，负载电阻两端的电压比较平滑。,6.4 滤波电路,滤波电容的数值一般在几十微法到几千微法，视负载电流的大小而定，其耐压应大于输出电压的最大值，通常都采用极性电容器。,6.4 滤波电路,输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0也随之改变。 如:RL愈小(Io越大),Uo下降多。,输出特性(外特性),1.4U2,0.9U2,电阻负载 有电容滤波,电阻负载 无电容滤波,6.4 滤波电路,6.4 滤波电路,（1）并联电容滤波后，输出电压直流成份（
12、即输出电压平均值）提高了；脉动成份降低了（即输出波形平滑）。,结论：,（3）输出电压随输出电流（负载电流）增大而下降较快，输出特性较软。,（4）滤波电容愈大，滤波效果愈好，但整流二极管的导通时间愈短，其中的电流冲击也愈大。,（2）电容放电时间常数RLC愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动愈小，滤波效果愈好。,电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电流较小且负载变动不大的场合。,返回,6.4 滤波电路,例6-5 有一单相桥式整流电容滤波电路，交流电源频率f=50Hz，负载电阻 RLl00，输出电压平均值Uo30V。试确定变压器二次侧电压有效值，选择整流二极管及滤波电容。,6.4 滤波电路,解 根据式
13、(6-17) 变压器副边电压有效值 输出电流平均值 流过二极管电流平均值 二极管承受最高反向电压,6.4 滤波电路,6.4 滤波电路,6.4 滤波电路,6.4 滤波电路,6.4.2 RC形滤波电路 如果要求输出电压的脉动更小，可以在原电容滤波电路的后面再串联RC一个滤波电路，便构成形RC滤波电路。,6.4 滤波电路,电阻对于交、直流电流都具有降压作用，但是当它和电容配合之后，就使脉动电压的交流分量较多地降落在电阻两端，(这是因为电容C2的交流阻抗很小)，而较少地降落在负载电阻之上，从而起到了滤波作用。,RC- 形滤波电路特点,R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R太大，将使直流压降增加。,主要适
14、用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。,6.4 滤波电路,6.5 直流稳压电源,6.5.1 稳压二极管稳压电路,6.5.2 串联型集成稳压电路,6.5.3 W78系列三端固定式 集成稳压电路,经整流和滤波后的输出电压，虽然脉动的交流成分很小，但是会随交流电压的波动和负载的变化而变化。由于电源变压器的二次侧绕组、整流电路、滤波电路都具有一定的阻抗，负载电流变化时，阻抗上的压降也改变，故直流输出电压也随之改变。 电压的不稳定会引起测量和计算的误差，使控制装置的工作不稳定，甚至根本无法工作。特别是一些精密测量仪器、计算机等自动控制设备都要求有很稳定的直流电源供电。,6.5 直流稳压电源,最
15、简单的直流稳压电源采用稳压二极管稳定电压,直流电压,限流电阻,负载电阻,6.5 直流稳压电源,6.5.1 稳压二极管稳压电路,引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化。,当交流电源电压增加而使整流输出电压UI随着增加时，负载电压UL也要增加。UL即为稳压二极管两端的反向电压。当负载电压UL稍有增加时，稳压二极管的电流IZ就显著增加，因此电阻R上的压降增加，以抵偿UI的增加，从而使负载电压UL保持近似不变。当交流电源电压减小时，稳压过程相反。,6.5 直流稳压电源,当负载电流增大时，电阻R上的压降增大，负载电压UL因而下降。只要UL下降一点，稳压二极管电流就显著减小，通过电阻R的
16、电流和电阻上的压降保持近似不变，因此负载电压UL也就近似稳定不变。当负载电流减小时，稳压过程相反。 选择稳压二极管时， 一般取,6.5 直流稳压电源,稳压二极管稳压电路受稳压管最大稳定电流的限制，输出电流不能太大，而且输出电压不可调，稳定性也不够理想。 6.5.2 串联型稳压电路,6.5 直流稳压电源,采样环节,基准电压,比较放大环节,调整环节,保护电路,UBE2 =UF-UZ,6.5 直流稳压电源,电路分析,图中稳压电路输出电压UL的调节范围确定如下：设流过R2的电流比V2基极电流IB2大得多，则UF可用分压关系计算。如果RP的滑动端移到最下端时 当RP的滑动端移到最上端时 改变电位器的滑动端的位置，便可以调节
