第07章-直流電源

第七章

直流電源

基本要求：理解整流電路和濾波電路的工作原理；掌握整流二極管和濾波電容的參數計算。基本內容：整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路1半導體直流電源的組成變壓：將交流電源電壓變成符合整流要求的電壓值。整流：利用二極管的單向導電性將交流電壓變成脈動的直流電壓。濾波：濾去脈動直流電壓中的高次諧波，使之成為平滑的直流電壓。穩(wěn)壓：在電網電壓波動或負載變化時，保持輸出穩(wěn)定的直流電壓。27.1單相整流電路

一、單相半波整流電路波形圖

u2≤0u2＞0D導通uo=u2;D截止uo=0;

1.工作原理ui經Tr

u2

37.1單相整流電路2.輸出電壓、電流平均值的計算

輸出電壓平均值UO輸出電流平均值IO3.脈動系數S輸出電壓的脈動系數定義為輸出電壓基波的最大值Uo1m與輸出電壓平均值UO之比。通過半波整流輸出電壓uo的富氏級數可求得Uo1m=U2/1.41447.1單相整流電路/單相半波整流電路4.二極管平均電流ID和二極管最高反向電壓UDRM單相半波整流電路中流過二極管的電流ID就是輸出電流IO；二極管正向導通，相當于短路；二極管反向截止，相當于斷路。二極管承受反向電壓就是輸入的交流電壓u2。

5.整流元件的選擇根據ID、UDRM

選擇合適的整流元件D;根據負載RL的要求決定變壓器副邊的有效值，U2=2.22UO,I2=2.22IO選擇變壓器.57.1單相整流電路/單相半波整流電路二、單相橋式整流電路

1.電路組成：原理圖如圖所示67.1單相整流電路2.工作原理當u2＞0(正半周)，D1、D3導通，D2、D4截止。i2的通路是a→D1

→RL

→

D3

→

b;當u2＜0(負半周)，D2、D4導通，D1、D3截止。i2

的通路是b→

D2

→RL

→

D4

→

a;77.1單相整流電路/單相橋式整流電路單相橋式整流電路波形圖87.1單相整流電路/單相橋式整流電路3.主要參數(1)單相橋式整流電壓的平均值UO=0.9U2

(2)單相橋式整流電流的平均值IO97.1單相整流電路/單相橋式整流電路4.二極管最大反向電壓UDRM3.二極管中的平均電流ID5.脈動系數S由uo的傅氏級數求得107.1單相整流電路/單相橋式整流電路4.整流元件及變壓器的選擇(1)根據ID、UDRM選擇整流電路元件D1～D4;(2)根據負載RL的要求決定變壓器副邊的有效值，∵UO=0.9U2,IO=0.9I2∴U2=1.11UO,I2=1.11IO

(3)根據U2、I2和電源電壓U1選擇變壓器。變比：K=U1/U2容量：S=I2×U2

與單相整流電路相比，雖然單相橋式整流電路使用的整流元件較多，但它具有輸出電壓平均值高、輸出功率大，對整流元件要求較低、變壓器利用率高等一系列優(yōu)點。因此廣泛應用在直流電源整流環(huán)節(jié)中。

117.1單相整流電路/單相橋式整流電路例1:

已知負載電阻RL＝80Ω，負載電壓Uo＝110V。今采用單相橋式整流電路，交流電源電壓為380V。試求(1)如何選用二極管?(2)求整流變壓器的變比及容量。解:(1)二極管:選擇:IFM>0.69A，URM>172.8V。127.1單相整流電路/單相橋式整流電路(2)整流變壓器的變比和容量：變比∵I2=1.11IO≈1.53A∴變壓器的容量

S=I2×U2=1.53×122.21≈187VA選擇變壓器K=4S>187VA137.1單相整流電路/單相橋式整流電路7.2濾波電路一.電容濾波器1.電路組成142.工作原理分析:

設uC(0-)=0,(1)u2＞0(正半周)a)當0＜u2

＜U2m

D1、D3導通，D2、D4

截止，iD=iC+iO,uC=uO，電容充電。157.2濾波電路/電容濾波器b)當u2＜uC

，且π/2＜ωt＜π時D1、D3、D2、D4截止

，iD=0，iC=iO,uC=uO，電容向負載放電。167.2濾波電路/電容濾波器(2)u2＜0(負半周)，a)在π＜ωt＜3π/2，當uC＜|u2|＜U2m

時，D2、D4導通，D1、D3

截止，有:iD=iC+iO,uC=uO，電容充電。b)在3π/2＜ωt＜2π，當|u2|＜uC

時，D1～D4截止

，有:iD=0，iC=iO,uC=uO，電容放電。(3)此后電容周期性放電。177.2濾波電路/電容濾波器(3)電容濾波的外特性

電容濾波的輸出電壓UO隨輸出電流IO的變化曲線稱為電容濾波的外特性。如圖所示。電容一定，輸出電流IO=0(RL為無窮大)時,UO=U2m；隨著IO(RL減小)增加，輸出電壓UO下降。而輸出電流IO一定時，輸出電壓UO隨電容C的減小而減小。從圖中可以看出，電容濾波電路外特性差。所以，電容濾波僅適于小負載（負載電阻RL的阻值較大）或負載基本不變的場合。187.2濾波電路/電容濾波器3.參數估算⑴電容器的選擇放電時間常數τ=RLC，若RL愈大，即τ愈大，則uO愈平坦，脈動愈小，UO值愈高。因此，輸出電壓受負載變化的影響較大，電容濾波電路的外特性較差。為得到較好的濾波效果，一般取:式中T為交流電源電壓的周期。電容器的耐壓值應大于1.414U2。

197.2濾波電路/電容濾波器在C=(3~5)T/2的條件下，有：UO=(1.1~1.4)U2,一般?。篣O=1.2U2

(3)二極管的選擇由于合閘時電源電壓可能出現最大值，則電路將產生很大的沖擊電流；另外，引入濾波后，二極管導通時間縮短，且τ放越大輸出電壓又越高，故整流管在短暫的時間內流過的電流比沒有濾波時大大增加。選用二極管時，其電流參數應考慮較大的余量。(2)輸出平均電壓和電流207.2濾波電路/電容濾波器例2:有一單相橋式電容濾波整流電路，已知交流電源頻率f＝50HZ，U1=220V，負載電阻RL＝300Ω，要求直流輸出電壓uo＝30V，選擇整流二極管及濾波電容器。解:(1)選擇整流二極管取:UO=1.2U2，則:U2=UO/1.2=25V∴D承受的最大反向電壓為故選用整流二極管為2CP11，其最大整流電流為100mA,反向工作峰值電壓為50V。217.2濾波電路/電容濾波器(2)選擇濾波電容器據式τ=RL×C≥（3～5）T/2取RL×C=5T/2且f=50HZT=1/f=0.02s選C=250μF，耐壓為40V的電容作濾波元件。

227.2濾波電路/電容濾波器二.電感濾波電路它是利用流過電感線圈的電流不能突變的原理而組成的。因此，電感線圈必須與負載電阻串聯。當電路中流過的電流增加時，電感將產生反電勢以阻止電流的增加；而流過的電流減小時，反電勢又阻止電流減小。所以，輸出電流和電壓的脈動減小，起到和電容濾波相同的效果。電感濾波電路具有良好的外特性，但為了增大電感量，往往要帶鐵心，使得電感濾波電路笨重，體積大，也容易產生電磁干擾，使用不太方便。一般只適用于低電壓大電流的場合。

237.2濾波電路一、穩(wěn)壓電路的性能指標1.穩(wěn)壓系數SrSr是指在負載和環(huán)境溫度不變時，穩(wěn)壓電路的輸出電壓相對變化率和輸入電壓的相對變化率之比。2.穩(wěn)壓電路的輸出電阻roro是指在輸入電壓和環(huán)境溫度不變時，穩(wěn)壓電路的輸出電壓的變化量和輸出電流的變化量之比。3.

系數STST是指在輸入電壓和負載電阻不變時，且在規(guī)定的溫度范圍內，單位溫度變化所引起的輸出電壓的相對變化量。7.3穩(wěn)壓電路

2410.1單相整流電路二、并聯穩(wěn)壓電路

1.電路工作原理

電路中各量將滿足以下兩個方程UO=UZ=UI－IRRIR=IZ+IO(1)RL不變，Ui波動的穩(wěn)壓過程：Ui↑→UO↑、UZ↑→IZ↑↑→IR↑↑→UR↑→UZ↓，使UO保持不變。(2)Ui不變，RL波動的穩(wěn)壓過程：RL↑→UO↑、UZ↑→IZ↑↑→IR↑↑→UR↑→UZ↓，使UO保持不變。257.3穩(wěn)壓電路綜上所述在實際使用時，以上兩種因素可能會同時存在。不管怎樣，并聯穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程都是：不論何種原因引起輸出電壓變化時，都將引起穩(wěn)壓管中流過的電流發(fā)生較大的變化，使得流過調節(jié)電阻R的電流亦發(fā)生較大的變化，調節(jié)電阻將調節(jié)自身兩端電壓降，最終達到保持輸出電壓基本不變的目的。

267.3穩(wěn)壓電路/并聯穩(wěn)壓電路2.元件的選擇(1)穩(wěn)壓管的選擇和輸入電壓的確定由于輸出電壓就是穩(wěn)壓管的擊穿電壓UZ=UO根據負載電阻的變化范圍可以求出輸出電流的變化范圍。為了保持有較好的穩(wěn)壓特性，一般取

Izmax≥(2～3)Iomax根據公式：UI=UO+IRR，在選擇UI數量時應大于輸出電壓UO。一般取

UI=(2～3)UO277.3穩(wěn)壓電路/并聯穩(wěn)壓電路(2)調節(jié)電阻R的選擇調節(jié)電阻兩端的電壓是借助流過穩(wěn)壓管的電流IZ的變化來加以調整的。為使穩(wěn)壓電路能正常工作，必須保證在輸入電壓和負載電阻變化時，IZmin<IZ<IZmax由于IZ=IR-IO，則R的選擇應滿足以下兩個極端情況：

①當輸入電壓UI最低而負載電流最大IO時，要保證流過穩(wěn)壓管的電流IZ不得小于穩(wěn)壓管工作電流的最小值IZmin

287.3穩(wěn)壓電路/并聯穩(wěn)壓電路②當輸入電壓UI最高而負載電流IO最小時，要保證流過穩(wěn)壓管的電流IZ不得大于穩(wěn)壓管工作電流的最大值IZmax調節(jié)電阻R的取值范圍為電阻的額定功率為PR≥(UI-UO)2/R297.3穩(wěn)壓電路/并聯穩(wěn)壓電路3.

穩(wěn)壓性能指標計算將穩(wěn)壓管用其等效電阻代替，可得并聯穩(wěn)壓電路的交流等效電路如圖所示。

⑴穩(wěn)壓系數Sr

由此可見，R越大，rz越小，電路的穩(wěn)壓系數越?、戚敵鲭娮鑢O

當Ui=0，斷開RL，從輸出端看進去等效電阻即為穩(wěn)壓電路的輸出電阻rO=rZ//R≈rZ

（R>>rZ）

307.3穩(wěn)壓電路/并聯穩(wěn)壓電路三、串聯穩(wěn)壓電路

1.

串聯穩(wěn)壓原理當UI↑或RL↑時，可使電阻R↑，以保持輸出電壓不變；反之，減小電阻R值，也能達到同樣目的。以這種原理進行穩(wěn)壓的電路稱為串聯穩(wěn)壓電路。

如果將晶體管代替可變電阻，利用晶體管在放大狀態(tài)，電壓UCE和電流IC均電流IB控制的特性，當IB↑→IC↑→UCE↓→rce等效電阻↓；反之，rce等效電阻↑，同樣能夠穩(wěn)定輸出電壓UO。因此，在串聯穩(wěn)壓電路中，用晶體管作為調節(jié)UO的調節(jié)管，它是串聯穩(wěn)壓的核心元件。317.3穩(wěn)壓電路2.串聯穩(wěn)壓電路的組成調整管T1接成射極輸出器形式，具有電壓串聯負反饋作用，能夠穩(wěn)定輸出電壓UO。放大管T2組成比較放大器。T2發(fā)射極的電位是UZ，它是由限流電阻R1和穩(wěn)壓管DZ構成的并聯穩(wěn)壓電路提供的基準電壓UR。T2基極電位是電阻R3、RW、R4分壓器的輸出電壓Uf，由于Uf正比于輸出電壓UO，故稱之為采樣電路。

327.3穩(wěn)壓電路/串聯穩(wěn)壓電路3.串聯穩(wěn)壓電路的工作原理當UO↑→

Uf

↑→

，Uf與基準電壓UZ比較后，使得T2的UBE2↑→IB2↑→IC2↑→UR2

↑→UB↓→UBE1↓→IB1↓→IC1↓→UCE1↑→UO=UI-UCE1↓使UO基本保持不變。反之，當UO下降時，通過類似上述過程，也能使得輸出電壓UO基本不變?？梢姡琔O的微小變化，都可以通過放大后影響到調整環(huán)節(jié)，通過電路的負反饋作用，從而實現對輸出電壓UO的調整。所以，串聯穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能遠遠優(yōu)于并聯穩(wěn)壓電路。337.3穩(wěn)壓電路/串聯穩(wěn)壓電路串聯穩(wěn)壓電路的四個基本環(huán)節(jié)

⑴基準電壓：由穩(wěn)壓管和限流電阻組成，為電路提供一個穩(wěn)定的電壓；⑵采樣電路：通常采用分壓器將輸出電壓的一部分取出，它反映輸出量的變化；⑶比較放大器：將采樣電壓與基準電壓比較后加以放大；⑷調整管：將經過比較放大后的信號送入調整管，以調整管子的集-射極間的電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定。347.3穩(wěn)壓電路/串聯穩(wěn)壓電路串聯穩(wěn)壓電路的保護環(huán)節(jié)

常用限流保護電路⑴在穩(wěn)壓電路正常工作時，輸出電流在檢測電阻R兩端的壓降UR較小，不能使保護管T2導通，保護管不影響電路的正常工作。⑵當輸出短路或負載電流過大時，R兩端的壓降增加，保護管T2導通，IC2的增加使得流過調整管的電流IB1減小，從而限制了輸出電流IO的增加，達到了保護電路的目的。

357.3穩(wěn)壓電路/串聯穩(wěn)壓電路4.輸出電壓的調節(jié)范圍

改變RW1和RW2的大小，即可改變輸出電壓UO的大小。當電位器調至最下端時，輸出電壓最大；電位器調至最上端時，輸出電壓最小。367.3穩(wěn)壓電路/串聯穩(wěn)壓電路5.調整管的選擇

調整管是串聯穩(wěn)壓電路的核心元件，為保證它能正常工作，一般應選擇大功率管。在選擇時應注意以下幾點：⑴流過調整管中的電流ICM應為ICM＞Icmax=Iomax+I式中，Icmax為調整管的最大集電極電流，Iomax為負載電流的最大額定值，I為采樣、比較放大和基準等環(huán)節(jié)所消耗的電流之和。⑵調整管的擊穿電壓U(BR)CEO應為U(BR)CEO＞UCEmax=UImax式中，UCEmax為調整管的最大集-射極間電壓。UImax為輸入電壓的最大值，當電路輸出端發(fā)生短路故障時，輸入電壓全部加在調整管上。⑶調整管的最大集電極功耗PCM應為PCM＞Pcmax=UCEmaxIcmax=UImax(Iomax+I)377.3穩(wěn)壓電路/串聯穩(wěn)壓電路四、集成穩(wěn)壓電路

三端固定電壓式集成穩(wěn)壓電路是使用十分廣泛集成穩(wěn)壓電路。它只有一個輸入端、一個輸出端和一個公共接地端，故常稱為三端穩(wěn)壓器。根據輸出電壓極性，三端穩(wěn)壓器分為W78XX系列（輸出正電壓）和W79XX系列（輸出負電壓）兩種。型號后面的兩位數字表示輸出電壓的標稱值。如型號為W7805、W7912的穩(wěn)壓管，對應輸出+5V、－12V的電壓。三端穩(wěn)壓器的最大輸出電流分為三檔：W78XX(W79XX)的最大輸出電流為1～1.5A，W78MXX(W79MXX)的最大輸出電流為0.5A，W78LXX（W79LXX）的最大輸出電流為0.1A。387.3穩(wěn)壓電路1.基本應用