整流和濾波電路

1、第二十七講 整流和濾波電路第十章 整流和濾波電路教學(xué)目的1、了解直流電源的組成，理解半波、全波橋式整流電路的工作原理及電路參數(shù)2、理解濾波電路的原理，學(xué)會(huì)定量分析其性能，理解倍壓整流電路原理3、掌握穩(wěn)壓電路的工作原理、主要指標(biāo)限流電阻的計(jì)算，了解穩(wěn)壓電路中的保護(hù)措施4、掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成、工作原理，估算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。5、掌握集成穩(wěn)壓器 W78O0 W7900 W117的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1 、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路2 、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路3、三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 直流電源的組成及各部分的作用第二節(jié) 整流電路一、整流電路的分析方法及其基本參數(shù)二、單相橋式整流電路第三節(jié) 濾波電路第四

2、節(jié) 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路第五節(jié) 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路一、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理二、集成穩(wěn)壓器中的基準(zhǔn)電壓電路和保護(hù)電路三、集成穩(wěn)壓器電路四、三端穩(wěn)壓器的應(yīng)本章討論的問題： 1.如何將 50Hz、 220V 的交流電壓變?yōu)?6V 的直流電壓？ 2.220V的交流電壓經(jīng)整流后是否輸出 220V 的直流電壓？ 3.將市場(chǎng)銷售的 6V 直流電源接到收音機(jī) 上，為什么有的聲音清晰，有的含有交流聲？4. 對(duì)于同樣標(biāo)稱輸出電壓為6V的直流電源，在未接收音機(jī)時(shí)，為什么測(cè)量輸出端子的電壓， 有的為6V，而有的為 7- 8V ?5. 為什么有的直流電源在電網(wǎng)電壓變化和負(fù)載變化時(shí)輸出電壓不變，而有的隨之變化？6. 個(gè)5V

3、交流電壓是否可能轉(zhuǎn)換為 6V直流電壓？ 一個(gè) 3V電池是否可以轉(zhuǎn)換成為 6V的直 流電壓？7. 對(duì)于一般直流電源，若不慎將輸出端短路，則一定會(huì)使損壞嗎？8. 線性電源和開關(guān)型電源有和區(qū)別？它們分別應(yīng)用在什么場(chǎng)合？10.1直流電源 的組成及各部分的作用電子電路工作時(shí)都需要直流電源提供能量，電池因使用費(fèi)用高，一般只用于低功耗便攜式的儀器設(shè)備中。本章討論如何把交流電源變換為直流穩(wěn)壓電源。一般直流電源由如下部分組成：整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電。 濾波電路將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。 穩(wěn)壓電路采用負(fù)反饋技術(shù)，對(duì)整流后的直流電壓進(jìn)一步進(jìn)行穩(wěn)定。直流電源的方框圖如圖

4、10.1所示。工頻交流脈動(dòng)直流直流10.2整流電路10.2.1整流電路的分析方法及其基本參數(shù)、工作原理1+Mo /fl圖10.2.1單相半波整流電路圖10.2.2半波整流電路的波形圖 優(yōu)點(diǎn)：使用元件少。r1111 11 1111 1 11 11 1 丿2U2-U 2L缺點(diǎn)：輸出波形脈動(dòng)大；直流成分?。蛔儔浩骼寐实?。二、主要參數(shù)1.輸出電壓平均值UO(AV)輸出電壓平均值就是負(fù)載電阻上電壓的平均值U O(AV)U O(AV)2 二u od ( t ).22U 2sin ，td( ，t) U 2 =0.45U 2-二。JI03h2.負(fù)載電流的平均值U O ( AV)0.45 U 2I O ( A

5、V )asRlRl3.脈動(dòng)系數(shù)U O1mU o(AV)三、二極管的選擇二極管的正根據(jù)流過二極管電流的平均值和它所承受的最大反向電壓來選擇二極管的型號(hào)。向電流等于負(fù)載電流平均值U R max 2U 20.45U2D ( AV )Io(AV)Rl二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓對(duì)于二極管最大整流平均電流 lF和最高反向工作電壓 Ur均應(yīng)留10%的余地，以保證二極管安全工作。10.2.2單相橋式整流電路、單向橋式整流電路的組成 單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的 電路，如圖10.2.4(a)所示。在分析整流電路工作原理時(shí)，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦??！?/p>

6、工作原理根據(jù)圖10.2.4( a)的電路圖可知：當(dāng)正半周時(shí)，二極管 D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極管 D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖10.2.4 (b)。三、輸出電壓平均值 UO(AV)和輸出電流的平均值IO(AV) 根據(jù)圖15.02 (b)可知，輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。 輸出平均電壓為1 廠22V。二 VL2V2sino td tV2 =0.9V2n 0n(a)橋式整流電路(b)波形圖圖1024單相橋式整流電路（動(dòng)畫

7、15-1）（動(dòng)畫15-2）流過負(fù)載的平均電流為2J2V20.9V2RlIln Rl流過二極管的平均電流 為1 LJ2V20.45V2IdRl2 n Rl二極管所承受的最大反向電壓VRmax N；2V2流過負(fù)載的脈動(dòng)電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動(dòng)電壓做傅里葉分析，此 時(shí)諧波分量中的二次諧波幅度最大。脈動(dòng)系數(shù)S定義為二次諧波的幅值與平均值的比值。244Vo = 2V2（ cos 2;：； t cos 4;：； t 亠）n 3 n15 n4 72V2/ 2V22S =/ = 一 =0.673 nn3四、二極管的選擇1. 每只二極管只在變壓器副邊電壓的半個(gè)周期通過電流， 所以每只二極管的平均

8、電流只有負(fù)載電阻上電流平均值的一半。0.45U221 D f AV)U R max1 O ( AV )= :Rl2. 二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓3. 對(duì)于二極管最大整流平均電流lF和最高反向工作電壓 Ur均應(yīng)留10%的余地，以保證 極管安全工作。問題：如何實(shí)現(xiàn)正、負(fù)電源？將橋式整流電路變壓器副邊中點(diǎn)接地，并將二個(gè)負(fù)載電阻相 連接，且連接點(diǎn)接地。UO1為正； UO2為負(fù)問題： 三相整流電路如何圖實(shí)現(xiàn)？7利用橋式整流電路實(shí)現(xiàn)正、負(fù)電源變壓器副邊的三個(gè)端均應(yīng)接二只二極管，一只接陽極，另一只 接陰極。D1 D2 D3輪流導(dǎo)通,陽極電位高的 D先導(dǎo)通；D4D5D6輪流導(dǎo)通，陰極電位

9、低的 D先導(dǎo)通。圖10.2.8三相整流電路附1單相半波整流電路單相整流電路除橋式整流電路外還有有單相半波和單相全波兩種形式。單相半波整流 電路如圖（a）所示，波形圖如圖（b）所示。根據(jù)圖可知，輸出電壓在一個(gè)工頻周期內(nèi)，只是正半周導(dǎo)電，在負(fù)載上得到的是半個(gè)正弦波。負(fù)載上輸出平均電壓為1 一 、2VO =VL2V2 sin 3td（3t）V2 =0.45V2n 0n流過負(fù)載和二極管的平均電流為V2v20.45 V2I - I22DLn RLRl（a）電路圖（b）波形圖圖單相半波整流電路二極管所承受的最大反向電壓VRmax 二 2V2附2.單相全波整流電路單相全波整流電路如圖（a）所示，波形圖如圖（

10、b）所示。1 1 1 1 尺斥養(yǎng)一1 H Hr 烹1111Dlf ：（a）電路圖（b）波形圖圖單相全波整流電路根據(jù)圖（b）可知，全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出相同。輸出平均電壓為Vo =Vl2V2Sgtd 祖=V2 =0.9V2n流過負(fù)載的平均電流為Id = 1 l2 _2V2n Rl0.9V2一 Rl二極管所承受的最大反向電壓VRma尸2公2單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù) S與單相橋式整流電路相同。_2V23n30.67單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而半波和全波整流電路中均有直流 分量流過。所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣功率容量條件下， 體積可以小一些。單

11、相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源之中。注意，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用的。整流電路既有交流量，又有直流量，通常對(duì)輸入（交流）用有效值或最大值；輸出（交直流）用平均值； 整流管正向電流一一用平均值； 整流管反向電壓一一用最大值。10.3濾波電路濾波：將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：_電容與負(fù)載 Rl并聯(lián)或電感與負(fù)載R_串聯(lián)。10.3.1電容濾波電路1. 濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器c對(duì)直流開路，對(duì)交流阻抗小，所以 C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L應(yīng)與

12、負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改 變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。2. 電容濾波電路現(xiàn)以單相橋式整流電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖10.3.1所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容 C。圖10.3.1電容濾波電路3. 濾波原理若V2處于正半周，二極管Di、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓 V2給電容器C充電。此時(shí) C相當(dāng)于并聯(lián)在V2上，所以輸出波形同 V2，是正弦波。當(dāng)V2到達(dá)t= /2時(shí)，開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載 R L放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過丄=二/2時(shí)，正弦曲線下降的速

13、率很慢。所以剛過t= /2時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過.t= 7/2后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。所以在t2到t3時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，C充電，Vi=V。按正弦規(guī)律變化；ti到t2時(shí)刻二極管關(guān)斷，Vi=V。按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間 常數(shù)為RlC。電容濾波過程見圖 1032。211*iD Jc圖10.3.2電容濾波電路波形需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)RlC增加時(shí)，t1點(diǎn)要右移，t2點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時(shí)間加長，導(dǎo)通角減小；反之，RlC減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然。當(dāng)Rl很小，即Il很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見圖18.05濾波曲線中的2。反之，當(dāng)Rl很大

14、，即Il很小時(shí)，盡管C較小，RlC仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場(chǎng)合。問題：有C無R l即空載，此時(shí)Vc=Vo=?圖10.3.4電容濾波的效果（動(dòng)畫15-3）（動(dòng)畫15-4）4. 電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線可電容濾波電路的計(jì)算比較麻煩，供查閱，一般常采用以下近似估算法:t一種是用鋸齒波近似表示，即V。= 2V2（1 -）4RL C另一種是在 RlC=（3 5）T的條件下，近似認(rèn)為 Vo=1.2V2。25.外特性整流濾波電路中，輸出直流電壓V。隨負(fù)載電流I。的變化關(guān)系曲線如圖10.3.5所示。圖10.3.5

15、電容濾波外特性曲線名稱Vo（空載）Vo（帶載）一極管反向最大電壓每管平均電流半波整流l2V2*1.2V222V20.5Io橋式整流、電 容濾波頁2*1.2V2冋20.5Io橋式整流、電 感濾波姑20.9V2J2v 20.5IoTid = RlC K (3 5) *使用條件：210.3.3其它形式的濾波電路一、電感濾波電路利用儲(chǔ)能元件電感器 L的電流不能突變的性質(zhì)，把電感L與整流電路的負(fù)載 Rl相串聯(lián), 也可以起到濾波的作用。橋式整流電感濾波電路如圖 10.3.8所示。電感濾波的波形圖如圖 15.11所示。當(dāng)V2正半 周時(shí)，D1、D3導(dǎo)電，電感中的電流將滯后 V2。當(dāng)負(fù)半周時(shí)，電感中的電流將更換

16、經(jīng)由 D2、 D4提供。因橋式電路的對(duì)稱性和電感中電流的連續(xù)性，四個(gè)二極管D1、D3 ; D2、D4的導(dǎo)電角都是180 。圖10.3.8電感濾波電路波形圖（動(dòng)畫15-5）L愈大，濾波效果愈好；適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合。、LC濾波電路輸出直流電壓為: 脈動(dòng)系數(shù)S :U O(AV)：mU O(AV)二 0.9U 2適用于各種場(chǎng)合。三、LC - P型濾波電路四、RC - P型濾波電路五、各種濾波電路的比較o引言倍流整流電路首先是由A . Cook在1924年出版的Elements of Electrical Engineering書中加以描述，并于20世紀(jì)30年代在電子管電路中得到使用。1987年7

17、月Ole S. Seiersen首次在丹麥申請(qǐng)專利，并在1991年FIFPC會(huì)議上發(fā)表相關(guān)的學(xué)術(shù)論文。本文分析了一種新型的倍流整流電路拓?fù)?，如果在通信電源中得到?yīng)用，可以提高大電 流輸出時(shí)副邊整流電路的效率。l全波整流和倍流整流傳統(tǒng)上，通信電源變壓器副邊整流電路大多采用圖1(a)所示帶中心抽頭的全波整流電路，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單. 器件總數(shù)少，二極管通態(tài)損耗小， 但是變壓器副邊繞組的利用率 較低。隨著開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展， 通信電源要求更大的輸出電流和更小的輸出電壓紋波。而且對(duì)低壓大電流輸出的變壓器而言，中心抽頭不僅給變壓器的沒計(jì)和制造帶來很大困難, 外部引線的安裝和焊接也很難處理。路相比，倍

18、流整流電路有以下優(yōu)點(diǎn)： 減小了變壓器副邊繞組的電流有效值； 變壓器利用率較 高，無需中心抽頭，結(jié)構(gòu)簡單；輸出電感紋波電流抵消可以減小輸出電壓紋波； 雙電感也更 適合于分布式功率耗散的要求。(a) 全波整流電路(b) 倍流整流電路圖1變壓器副邊整流電路拓?fù)渑c全波整流電路相比， 倍流整流器的高頻變壓器的副邊繞組僅需一個(gè)單一繞組，不用中心抽頭；與全橋整流電路相比， 倍流整流電路使用的二極管數(shù)量少一半。因此，倍流整流電路結(jié)合了全波整流電路和全橋整流電路兩者的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，倍流整流電路要多使用一個(gè)輸出濾波電感，結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜。但此電感的工作頻率及輸送電流均為全波整流電路所用電感的一 半，因此可做得較小。2工

19、作原理倍流整流電路可以被看成是由傳統(tǒng)的全橋整流電路演變而來。如圖2所示，將圖2(a)中全橋整流電路中的兩個(gè)下方二極管用兩個(gè)電感取代，即可獲得圖2(b)，經(jīng)過整理后即可得到如圖2(c)所示的倍流整流電路。(a)仝橋整流(b)下方兩個(gè)管破電嘉取代(c) 倍流整流圖2 全橋螯流與倍流整流之間的拓樸變換實(shí)際上倍流整流電路也可以由全波整流電路通過拓?fù)渥儞Q得來。在圖3(a)中，輸出電感與輸出電容和負(fù)載電阻串聯(lián)，而串聯(lián)連接的兀件可以互換位置，因此將輸出電感換到輸出負(fù)母線，可得圖3(b);將變壓器的副邊繞組看成電壓源，而把輸出電感看成電流源，可得圖3(c);由虛線框內(nèi)三端口網(wǎng)絡(luò)的Y/變換，可得圖3(d);再將

20、電流源恢復(fù)成輸出電感，將電壓源恢復(fù)成變壓器的副邊繞組，可得圖 3(e)所示的倍流整流電路。(c) 轉(zhuǎn)攝旋電壓瀝和電流潴(d) 三端口網(wǎng)塔的Y/A t #(p) 倍址蹩it圖3 全淡螯注與信就整流之間的拯撲變按倍流整流電路的原理圖如圖 4所示，對(duì)中、大功率的通信電源而言，移相全橋電路是較為常見的電路拓?fù)湫问?，在原邊電路處于續(xù)流狀態(tài)時(shí)，變壓器的原邊繞組和副邊繞組都被短路。因此倍流整流電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)開關(guān)周期有4種工作模式。為便于分析作如 F假設(shè)：高頻變壓器原副邊匝比為n=N1/N2，忽略高頻變壓器原副邊漏感，所有器件均為理 想器件?？傻藐P(guān)鍵波形如圖 5所示。倍流整流電路原理圖/tJu：/di

21、riiruA)/u/oiI I IIIIIIIt*t11riiiiiII1I丄L1LttihU-L/o模式ltot1變壓器副邊電壓 VT為VS，電壓極性為正，兩個(gè)濾波電感的電流IL1和IL2極性都為正，二極管 D1 正向偏置導(dǎo)通，而 D2 反向截止。電感 L1 的電流 IL1 經(jīng)二極管 D1 和輸出電容CO續(xù)流，電感L1上的電壓VL1為一 Vo，極性為負(fù)，因此電流IL1線性減小，下降斜率由輸出電壓 Vo 和電感 L1 的比值決定。 變壓器副邊電壓 VT 通過二極管 D1 和輸出 電容 Co 加到電感 L2 上，因此電感 L2 上的電壓 VL2 為 VS-Vo ，極性為正，電流 IL2 線性 增

22、加，上升斜率由變壓器副邊電壓與輸出電壓的差 VS 一 VO 和電感 L2 的比值決定。變壓 器的副邊電流IT等于IL2，電流I01為兩個(gè)濾波電感電流的和IL1+IL2，由于輸出大電容 Co 的濾波作用，輸出電流 IO 為 IO1 的直流分量。變壓器的副邊電流 IT 等于 IL2。模式2t1t2變壓器副邊電壓 VT為0，兩個(gè)濾波電感的電流IL1和IL2極性都為正，二極管 D1 和 D2 均為正向偏置導(dǎo)通。 電感 L1 的電流 IL1 經(jīng)二極管 D1 和輸出電容 Co 續(xù)流， 電感L1上的電壓VL1為一 Vo ,極性為負(fù)，因此電流IL1線性減小，下降斜率由輸出電壓Vo 和電感 L1 的比值決定。電

23、感 L2 的電流 IL2 經(jīng)二極管 D2 和輸出電容 Vo 續(xù)流，電感 L2 上的電壓VL2為一 Vo，極性為負(fù)，因此電流IL2線性減小，下降斜率由輸出電壓Vo和電感 L2 的比值決定。變壓器的副邊電流 IT 等于 O。模式3t2t3變壓器副邊電壓 VT為一 VS，電壓極性為負(fù)，兩個(gè)濾波電感的屯流 IL1 和 IL2 極性都為正，二極管 D1 反向截止，而 D2 正向偏置導(dǎo)通。變壓器剮邊電壓 VT 通過 二極管D2和輸出電容 Co加到電感L1上，因此電感L1上的電壓VL1為VS V0,極性為 正，電流 IL1 線性增加，上升斜率由變壓器副邊電壓與輸出電壓的差 VS 一 V0 和電感 L1 的比

24、值決定。電感 L2 的電流 IL2 經(jīng)二極管 D2 和輸出電容 Co 續(xù)流，電感 L2 上的電壓 VL2 為一 Vo，極性為負(fù)，因此電流IL2線性減小，下降斜率由輸出電壓 Vo和電感L2的比值決 定。變壓器的副邊電流 IT 等于一 IL1 。模式4t3t4與模式2的工作狀態(tài)相同，變壓器副邊電壓VT為0,兩個(gè)濾波電感的電流 IL1 和 IL2 極性都為正， 二極管 D1 和 D2 均為正向偏置導(dǎo)通。 電感 L1 的電流 IL1 經(jīng)二極 管D1和輸出電容Co續(xù)流，電感L1上的電壓VL1為一 Vo，極性為負(fù)，因此電流IL1線性 減小,下降斜率由輸出電壓 Vo 和電感 L1 的比值決定。電感 L2 的

25、電流 IL2 經(jīng)二極管 D2 和輸出電容Co續(xù)流，電感L2上的電壓VL2為一 Vo ,極性為負(fù)，因此電流IL2線性減小，下 降斜率由輸出電壓 Vo和電感L2的比值決定。變壓器的副邊電流IT等于0。由此可見.倍流整流電路的變壓器副邊平均輸送電流僅為輸出負(fù)載電流的一半。當(dāng)一個(gè)電感在高頻變壓器副邊的電壓驅(qū)動(dòng)下通過副邊輸送一半負(fù)載電流時(shí)，另一個(gè)電感也輸送著相對(duì)于輸出負(fù)載電流相同方向的另一半續(xù)流電流.且此續(xù)流電流不通過副邊繞組。濾波電感平均輸送電流僅為輸出負(fù)載電流的一半，輸出負(fù)載電流由兩個(gè)電感同時(shí)分擔(dān)，每個(gè)濾波電感的工作頻率都等于高頻變壓器的工作頻率。3設(shè)計(jì)要點(diǎn)3. 1輸出電壓增益由于電感在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)應(yīng)該滿足伏秒平衡條件，即電感電壓丌關(guān)周期平均值為0,故(1)(2)（vs-vo）/?7；=Vo（2r-prs）化簡可得人二D人一2其中占空比D的取值范嗣為 0 *1。顯然，與副邊帶中心抽頭的全波整流器相比，倍 流整流器的變壓器具有相同的副邊總匝數(shù)。3. 2輸出紋波電流對(duì)消 每個(gè)輸出電感電流的峰峰值為(3)(5)(6)(7)dtL d/口lj2 i dz輸出電流/Ol為兩個(gè)輸出電感電流的和，其峰 峰值為化簡可得K 二二 1-D_oli 1 0.5D在占空比D的取值范