电子电路基本原理.ppt

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1、模拟模拟电子技术基础电子技术基础安徽理工大学电气工程系安徽理工大学电气工程系主讲主讲 ：黄友锐：黄友锐第十八讲第十八讲15.1 单相整流电路15.2 滤波电路 电电子子电电路路工工作作时时都都需需要要直直流流电电源源提提供供能能量量，电电池池因因使使用用费费用用高高，一一般般只只用用于于低低功功耗耗便便携携式式的的仪仪器器设设备备中中。本本章章讨讨论论如如何何把把交交流流电电源源变变换换为为直直流稳压电源，一般直流电源由如下部分组成：流稳压电源，一般直流电源由如下部分组成：电源的方框图如图电源的方框图如图15.01所示。所示。 整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分整流电路是将工频交流电转为

2、具有直流电成分的脉动直流电。的脉动直流电。 滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分少交流成分，增加直流成分。 稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。进一步稳定直流电压。 15.1.1 单相桥式整流电路15.1.2 单相半波整流电路15.1.3 单相全波整流电路15.1 单相整流电路15.1.1 单相桥式整流电路(1) (1) 工作原理工作原理 单单相相桥桥式式整整流流电电路路是是最最基基本本的的将将交交流流转转换换为为直直流流的的电电路路，其其电电路路如如图图15.0

3、2（a）所示。所示。（a）桥式整流电路桥式整流电路 （b）波形图波形图图图15.02 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 在在分分析析整整流流电电路路工工作作原原理理时时，整整流流电电路路 中中的的二二极极管管是是作作为为开开关关运运用用，具具有有单单向向导导电电性。性。根据图根据图15.02(a)的电路图可知：的电路图可知： 当正半周时二极管当正半周时二极管D1、D3导通，在负载导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。电阻上得到正弦波的正半周。 当当负负半半周周时时二二极极管管D2、D4导导通通，在在负负载载电电阻阻上上得得到到正正弦弦波波仍仍是是正正半半周周。单单相相桥桥式式整整流电路的波形图

4、见图流电路的波形图见图15.02(b)。（动画15-1）（动画15-2）(动画15-8exe） 根根据据图图15.02（b）可可知知，输输出出电电压压是是单单相相脉脉动动电电压压。通常用它的平均值与直流电压等效。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压输出平均电压为：为：（2 2）参数计算）参数计算 流过负载的平均电流为流过二极管的流过二极管的平均电流平均电流为为二极管所承受的二极管所承受的最大反向电压最大反向电压 流流过过负负载载的的脉脉动动电电压压中中包包含含有有直直流流分分量量和和交交流流分分量量，可可将将脉脉动动电电压压做做傅傅里里叶叶分分析析。此此时时谐谐波波分分量量中中的的二二

5、次次谐谐波波幅幅度度最最大大，最最低低次次谐谐波波的幅值与平均值的比值称为的幅值与平均值的比值称为脉动系数脉动系数S。（3 3）单相桥式整流电路的负载特性曲线）单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线输出电压与负载电流之间的关系曲线 该该曲曲线线如如图图15.0315.03所所示示。曲曲线线的的斜斜率率代代表表了了整整流电路的内阻。流电路的内阻。图图15.03 15.03 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 的负载特性曲线的负载特性曲线15.1.215.1.2单相半波整流电路单相半波整流电路( (a)a)

6、电路图电路图 ( (b)b)波形图波形图 图图15.04 15.04 单相半波整流电路单相半波整流电路 单单相相整整流流电电路路除除桥桥式式整整流流电电路路外外，还还有有单单相相半半波波和和全全波波两两种种形形式式。单单相相半半波波整整流流电电路路如如图图15.04(15.04(a)a)所所示示，波波形形图图如如图图15.04(15.04(b)b)所示。所示。 根根据据图图15.04可可知知，输输出出电电压压在在一一个个工工频频周周期期内内，只只是是正正半半周周导导电电，在在负负载载上上得得到到的的是是半半个个正正弦波。负载上弦波。负载上输出平均电压输出平均电压为：为：流过负载和二极管的流过负

7、载和二极管的平均电流平均电流为为二极管所承受的二极管所承受的最大反向电压最大反向电压 单单相相全全波波整整流流电电路路如如图图15.05(15.05(a)a)所所示示，波波形图如图形图如图15.05(15.05(b)b)所示。所示。15.1.3 单相全波整流电路 ( (a)a)电路图电路图 图图15.05 15.05 单相全波整流电路单相全波整流电路 ( (b)b)波形图波形图 根根据据图图15.05（b）可可知知，全全波波整整流流电电路路的的输输出出，与与桥桥式式整整流流电电路路的的输输出出相相同同。输输出出平平均均电电压压为：为：流过负载的流过负载的平均电流平均电流为：为： 二极管所承受的

8、二极管所承受的最大反向电压最大反向电压 单相全波整流电路的脉动系数单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式与单相桥式整流电路相同。整流电路相同。 注注意意，整整流流电电路路中中的的二二极极管管是是作作为为开开关关运运用用的的。整流电路既有交流量，又有直流量，通常对整流电路既有交流量，又有直流量，通常对: 输入（交流）输入（交流）-用有效值或最大值；用有效值或最大值； 输出（交直流）输出（交直流）-用平均值；用平均值； 整流管正向电流整流管正向电流-用平均值；用平均值； 整流管反向电压整流管反向电压-用最大值。用最大值。 单单相相桥桥式式整整流流电电路路的的变变压压器器中中只只有有交交流流电电流流

9、流流过过，而而半半波波和和全全波波整整流流电电路路中中均均有有直直流流分分量量流流过过。所所以以单单相相桥桥式式整整流流电电路路的的变变压压器器效效率率较较高高，在在同同样样的的功功率率容容量量条条件件下下，体体积积可可以以小小一一些些。单单相相桥桥式式整整流流电电路路的的总总体体性性能能优优于于单单相相半半波波和和全全波波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。整流电路，故广泛应用于直流电源之中。解：变压器副边电压有效值解：变压器副边电压有效值 考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器副边电压一般应高出压器副边电压一般应高出 5%10%，即取，即取 U =

10、 1.1 111 122 V每只二极管承受的最高反向电压每只二极管承受的最高反向电压例例：单单相相桥桥式式整整流流电电路路，已已知知交交流流电电网网电电压压 为为 220 V，负负载载电电阻阻 RL = 50 ，负负载载电电压压 Uo=100V，试试求求变变压压器器的的变变比比和和容容量量，并并 选择二极管。选择二极管。解：整流电流的平均值解：整流电流的平均值解：整流电流的平均值解：整流电流的平均值 I I = 1.11 = 1.11 I Io o= = 2 2 1.11 = 2. 2 A 1.11 = 2. 2 A 变压器副边电流有效值变压器副边电流有效值变压器副边电流有效值变压器副边电流有

11、效值 变压器容量变压器容量变压器容量变压器容量 S S = = U IU I = = 122122 2.2 =2.2 = 207. 8 VA 207. 8 VA例例例例：单单单单相相相相桥桥桥桥式式式式整整整整流流流流电电电电路路路路，已已已已知知知知交交交交流流流流电电电电网网网网电电电电压压压压 220 220 V V，负负负负载载载载电电电电阻阻阻阻 R RL L = = 5050 ，负负负负载载载载电电电电压压压压 U Uo o=100V=100V，试试试试求变压器的变比和容量，并求变压器的变比和容量，并求变压器的变比和容量，并求变压器的变比和容量，并 选择二极管。选择二极管。选择二极

12、管。选择二极管。流过每只二极管电流平均值流过每只二极管电流平均值流过每只二极管电流平均值流过每只二极管电流平均值举例：举例： 4 试试分分析析图图示示桥桥式式整整流流电电路路中中的的二二极极管管D D2 2 或或D D4 4断断开开时时负负载载电电压压的的波波形形。如如果果D D2 2 或或D D4 4 接接反反，后后果果如如何何？如果如果D D2 2 或或D D4 4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？因击穿或烧坏而短路，后果又如何？ uiuo+_+_u+_RLD D2 2D D4 4 D D1 1D D3 3解解： 当当D2或或D4断断开开后后电电路路为为单单相相半半波波整整流流电电路路。正正

13、半半周周时时，D1和和D3导导通通，负负载载中中有有电电流流流流过过，两两端端有有电电压压uo o= =u；负负半半周周时时，D1和和D3截截止止，负负载载中中无无电电流流通通过，两端无电压，过，两端无电压，u0 0 = 0= 0。波形如图所示。波形如图所示。uo uo u 2 2 3 3 4 4t t 2 2 3 3 4 4ui+_+_u+_RLD D2 2D D4 4D D1 1D D3 3 如如果果D2或或D4接接反反则则正正半半周周时时，二二极极管管D1、D4或或D2、D3导导通通，电电流流经经D1、D4或或D2、D3而而造造成成电电源源短短路路，电电流流很很大大，因因此此变变压压器器

14、及及D1、D4或或D2、D3将将被被烧坏。烧坏。uiuo+_+_u+_RLD D2 2D D4 4D D1 1D D3 3 如如果果D2或或D4因因击击穿穿烧烧坏坏而而短短路路则则正正半半周周时时，情情况况与与D2或或D4接接反反类类似似，电电源源及及D1或或D3也也将将因因电电流流过过大而烧坏。大而烧坏。uiuo+_+_u+_RLD D2 2D D4 4D D1 1D D3 315.2 滤波电路15.2.1 电容滤波电路15.2.2 电感滤波电路15.2.1 15.2.1 电容滤波电路电容滤波电路 (1)(1)滤波的基本概念滤波的基本概念 滤滤波波电电路路利利用用电电抗抗性性元元件件对对交交

15、、直直流流阻阻抗抗的的不不同同，实实现现滤滤波波。电电容容器器C对对直直流流开开路路，对对交交流流阻阻抗抗小小，所所以以C应应该该并并联联在在负负载载两两端端。电电感感器器L对对直直流流阻阻抗抗小小，对对交交流流阻阻抗抗大大，因因此此L 应应与与负负载载串串联联。经经过过滤滤波波电电路路后后，既既可可保保留留直直流流分分量量、又又可可滤滤掉掉一一部部分分交交流流分分量量，改改变变了了交交直直流流成成分分的的比比例例，减减小小了了电电路路的的脉脉动动系系数数，改改善了直流电压的质量。善了直流电压的质量。 （2 2）电容滤波电路）电容滤波电路 现现以以单单相相桥桥式式电电容容滤滤波波整整流流电电路

16、路为为例例来来说说明明。电电容容滤滤波波电电路路如如图图15.06所所示示，在在负负载载电电阻阻上上并并联联了一个滤波电容了一个滤波电容C。图图15.06电容滤波电路电容滤波电路 当当v2到达到达90时时，v2开始下开始下降。先假设二极管关断，电容降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载就要以指数规律向负载L放电。放电。指数放电起始点的放电速率很大。指数放电起始点的放电速率很大。(3)(3)滤波原理滤波原理 若若电电路路处处于于正正半半周周，二二极极管管D D1 1、D D3 3导导通通，变变压压器器次次端端电电压压v v2 2给给电电容容器器C C 充电。此时充电。此时C C 相当于

17、并联在相当于并联在v v2 2上，所以输出波形同上，所以输出波形同v v2 2 ，是正弦形。是正弦形。图15.07电容滤波波形图 所所以以，在在t1到到t2时时刻刻，二二极极管管导导电电，充充电电，vC=vL 按按正正弦弦规规律律变变化化；t2到到t3时时刻刻二二极极管管关关断断，vC=vL按按指指数数曲曲线线下下降降，放放电电时时间间常常数数为为RLC。电电容滤波过程见图容滤波过程见图15.07。 在刚过在刚过90时时，正弦曲线下降的，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过速率很慢。所以刚过90时二极管仍然时二极管仍然导通。导通。在超过在超过90后的某个点后的某个点，正弦曲线，正弦曲线下降的速率越

18、来越快，当刚超过指数曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。起始放电速率时，二极管关断。需需要要指指出出的的是是，当当放放电电时时间间常常数数RLC增增加加时时，t1点点要要右右移移， t2点点 要左移，二极管关断时间加要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线长，导通角减小，见曲线3；反；反之，之，RLC减少时，导通角增加。减少时，导通角增加。显然，当显然，当L很小，即很小，即IL很大时，很大时，电容滤波的效果不好，电容滤波的效果不好，见图见图15.08滤波曲线滤波曲线中的中的2。反。反之，当之，当L很大，即很大，即IL很小时，很小时，尽管尽管C较小较小, R

19、LC仍很大仍很大,电容滤电容滤波的效果也很好，见滤波曲线波的效果也很好，见滤波曲线中的中的3。所以电容滤波适合输出。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。电流较小的场合。问题：问题：有有 无无L 即空载，此时即空载，此时VC=VL=？图15.08 电容滤波的效果(动画15-3）(动画15-4）(4)(4)电容滤波的计算电容滤波的计算 电电容容滤滤波波的的计计算算比比较较麻麻烦烦，因因为为决决定定输输出出电电压压的的因因素素较较多多。工工程程上上有有详详细细的的曲曲线线可可供供查查阅阅。一般常采用以下近似估算法：一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即：一种是用锯齿波近似表示，即： 另

20、另一一种种是是在在RLC=(3 5)T/ 2的的条条件件下下，近近似似认认为为V VL L= =V VO O=1.2=1.2V V2 2 。(或或者者，电电容容滤滤波波要要获获得得较较好好的的效果，效果，工程上也工程上也通常应满足通常应满足 RLC610。) （5 5）外特性）外特性 整整流流滤滤波波电电路路中中，输输出出直直流流电电压压VL随随负负载载电流电流 IO的变化关系曲线如图的变化关系曲线如图15.09所示。所示。 图图15.09 整流滤波电路的外特性整流滤波电路的外特性名名 称称VL(空载空载 )VL(带载带载 )二极管反向二极管反向最大电压最大电压每管平均每管平均电流电流半波整流

21、半波整流245.0V22VIL全波整流全波整流电容滤波电容滤波22V1.2V2*222V0.5IL桥式整流桥式整流电容滤波电容滤波22V1.2V2*22V0.5IL桥式整流桥式整流电感滤波电感滤波0.9V222V0.5IL0.9V2245.0V * 使用条件：使用条件：为基波周期为基波周期15.2.2 电感滤波电路 利利用用储储能能元元件件电电感感器器的的电电流流不不能能突突变变的的性性质质，把把电电感感与与整整流流电电路路的的负负载载L相相串串联联，也也可可以起到滤波的作用。以起到滤波的作用。 图15.10 电感滤波电路 图15.11 波形图 电感滤波电路如图电感滤波电路如图15.10所示。

22、电感滤波的波形图如所示。电感滤波的波形图如图图15.11所示。所示。 当当v2正半周时，正半周时，D1、D3导电，导电，电感中的电流将滞后电感中的电流将滞后v2。当负半周时，当负半周时，电感中的电流将经由电感中的电流将经由D2、D4提供。因提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管连续性，四个二极管D1、D3 ； D2、 D4的导通角都是的导通角都是180。（动画动画15-5）16.1 稳压电路概述16.2 硅稳压二极管稳压电路16.3 线性串联型稳压电源16.4 开关型稳压电源常用稳压电路常用稳压电路 ( (小功率设备小功率设备) )稳压管稳压

23、管稳压电路稳压电路 线性线性稳压电路稳压电路 开关型开关型稳压电路稳压电路 16.1 16.1 稳压电路概述稳压电路概述16.1.1 引起输出电压不稳定的原因16.1.2 稳压电路的技术指标 引引起起输输出出电电压压变变化化的的原原因因是是负负载载电电流流的的变变化化和和输入电压的变化，输入电压的变化，参见参见图图16.0116.01。16.1.1 16.1.1 引起输出电压不稳定的原因引起输出电压不稳定的原因负载电流的变化会在整流电负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。而使输入电压发生变化。图图16.0116.01稳压电源方框图稳压电源

24、方框图即16.1.216.1.2稳压电路的技术指标稳压电路的技术指标 用用稳稳压压电电路路的的技技术术指指标标去去衡衡量量稳稳压压电电路路性性能能的高低。的高低。 VI和和 IO引起的引起的 VO可用下式表示可用下式表示 (1)(1)稳压系数稳压系数Sr定义为定义为有时稳压系数也用下式定义有时稳压系数也用下式定义当输出电流从零变化到最大额定值时，当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。输出电压的相对变化值。（4 4）电流调整率）电流调整率SI (2)(2)电压调整率电压调整率SV一般特指一般特指V Vi i/ /V Vi i=10%=10%时的时的Sr(3)(3)输出电阻输出电阻Ro输输入入电电压压交交流流纹纹波波峰峰峰峰值值与与输输出出电电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。压交流纹波峰峰值之比的分贝数。 如果考虑温度对输出电压的影响如果考虑温度对输出电压的影响, 则输出电则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数压是输入电压、负载电流和温度的函数（5 5）纹波抑制比）纹波抑制比S Sriprip（6 6）输出电压的温度系数）输出电压的温度系数S ST T