城市軌道交通電工電子技術(shù)單元9 直流電源

單元9.直流電源單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.掌握直流穩(wěn)壓電源的組成；2.掌握橋式整流電路；3.了解整流、濾波電路有關(guān)電流的計算，二極管、電容的選擇；4.掌握電容濾波對整流電路的影響；5.掌握晶體管穩(wěn)壓電路。一．直流穩(wěn)壓電源1.直流電源的組成

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U1U2URUFUO交流電源電壓電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路負載U1U2URUFUO圖9-1直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)圖

(1).電源變壓器—電源變壓器也稱整流變壓器。由于所需要的直流電壓比電網(wǎng)的交流電壓在數(shù)值上相差較大，因此利用變壓器降壓得到比較合適的交流電壓再進行轉(zhuǎn)換。有些電源利用其他方式進行降壓，而不用變壓器。

(2).整流電路—整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動直流電。

(3).濾波電路—濾波電路將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。 (4).穩(wěn)壓電路—消除電網(wǎng)電壓、負載變化對輸出電壓的影響2.電源變壓器分類線性穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電源非線性穩(wěn)壓電路

二.整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電

1.單相橋式整流電路的工作原理圖9-2單相橋式整流電路

單相橋式整流電路的工作原理如下：u2為正半周時，a點電位高于b點電位，二極管D1、D3承受正向電壓而導(dǎo)通，D2、D4承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：a→D1→RL→D3→b。u2為負半周時，b點電位高于a點電位，二極管D2、D4承受正向電壓而導(dǎo)通，D1、D3承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：b→D2→RL→D4→a。上述工作狀態(tài)如圖9-3所示。圖9-3單相橋式整流電路工作過程圖

如此重復(fù)下去，結(jié)果在RL上便得到全波整流電壓。利用圖9-2可得單向整流電路波形如圖9-4所示。圖9-4單相橋式整流電路波形2.單相橋式整流電路的性能指標(biāo)

(1).輸出電壓平均值Uo

(2).流過負載的電流平均值IL

(3).每只二極管的電流平均值IV

(4).二極管承受的最大反向電壓URM

例9-1設(shè)計一個單相橋式整流電路，要求輸出電壓為120V，電流為3A。試求整流變壓器次級繞組的電壓，并選擇合適的整流二極管。 解：根據(jù)單相橋式整流電路公式得： U2=UL/0.9=120/0.9=133V流過二極管的平均電流：IV=1/2IL=1/2×3=1.5A二極管承受的最大反向電壓：V查閱晶體管手冊，可選2CZ56E型二極管四只，其最大整流電流為3A，最大反向電壓為300V。

橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，輸出電壓脈動小，每只整流二極管通過的電流小，管子所承受的最大反向電壓較低；每半周內(nèi)變壓器二次繞組都有電流流過，電源變壓器得到充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了廣泛的應(yīng)用。電路的缺點是二極管用的較多。 需要特別指出的是，二極管作為整流元件，要根據(jù)不同的整流方式和負載大小加以選擇。如選擇不當(dāng)，則或者不能安全工作，甚至燒了管子；或者大材小用，造成浪費。

知識鏈接 常見的幾種整流電路 常見的幾種整流電路的電路圖、整流電壓的波形及計算公式，見表9-1。

類型電路整流電壓的波形整流電壓平均值每管電流平均值每管承受最高反壓單相半波0.45U2單相全波0.9

U2單相橋式0.9

U2三相半波1.17

U2三相橋式2.34

U2濾波就是保留脈動電壓的直流成分，盡可能濾除它的不同頻率的交流成分，使波形更為平滑。電感元件和電容元件可以起到濾波的作用。三.濾波電路1.電容濾波電路單相橋式整流電容濾波電路的工作原理如下：當(dāng)接入電容C時，在輸入電壓U2正半周時間內(nèi)，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。整流電流分兩路，一路經(jīng)二極管D1、D3向負載RL提供電流，另一路向電容器C充電，如圖9-6中ab段，充電時間τ=RLC。當(dāng)電容電壓被充至最大值時，輸入電壓U2按正弦規(guī)律下降，而電容電壓下降速度較慢，使得U2<UC，此時D1、D3反向截止。電源不能給負載提供電流，電容器C向負載RL放電，如圖9-6中bcd段。當(dāng)輸入電壓U2進入負半周時間內(nèi)，D2、D4在短時間內(nèi)不能導(dǎo)通，在U2電壓高于UC絕對值時，D2、D4導(dǎo)通，電源向負載提供電流，并再一次對電容進行充電，重復(fù)上一個循環(huán)。當(dāng)電容進行不斷地充、放電時，負載上得到如圖9-6所示的波形。該波形與整流后的波形相比脈動幅度減小，波形更為平滑。電容容量越大，放電越慢。一般電容取得較大時，輸出電壓按下式估算：圖9-6單相橋式整流電容濾波電路波形輸出電流Io(A)0.05以下0.05～0.10.1～0.50.5～112電解電容量C(μF)200200～500500100020003000電容濾波電路中電容的選用2.其他形式的濾波電路(1).電感濾波電路利用儲能元件電感器L的電流不能突變的性質(zhì)，把電感Ｌ與整流電路的負載相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。圖9-7橋式整流電感濾波在濾波電容C之前一個電感L構(gòu)成了LC濾波電路。(如圖9-8a）所示。這樣可使輸出至負載RL上的電壓的交流成分進一步降低。該電路適用于高頻或負載電流較大并要求脈動很小的電子設(shè)備中。(2).復(fù)式濾波電路a）LC型濾波器b）πLC濾波器c）πRC型濾波器

圖9-8復(fù)式濾波電路

交流電經(jīng)過濾波后變成較為平滑的直流電壓，但是當(dāng)交流電網(wǎng)U2的數(shù)值波動或負載RL發(fā)生變化時，負載電壓不穩(wěn)定。利用電路的調(diào)整作用使輸出電壓穩(wěn)定的過程稱為穩(wěn)壓。

四.穩(wěn)壓電路1.硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路(1).硅穩(wěn)壓二極管的特性穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。當(dāng)工作電流滿足條件時，穩(wěn)壓管兩端電壓幾乎不變。圖9-9硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號(2).穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)a.穩(wěn)定電壓—穩(wěn)壓管在規(guī)定電流下的反向擊穿電壓b.穩(wěn)定電流IZ—穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓下的工作電流。c.最大穩(wěn)定電流IZmax—穩(wěn)壓管允許長期通過的最大反向電流。d.動態(tài)電阻rZ—穩(wěn)壓管兩端電壓變化量與電流變化量的比值。此值越小，管子穩(wěn)壓性能越好。a.電路圖穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖9-10所示。V為穩(wěn)壓管，起電流調(diào)整作用；R為限流電阻，起電壓調(diào)整作(3).穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理

圖9-10硅穩(wěn)壓管整流穩(wěn)壓電路b.電路的穩(wěn)壓過程 UO↓→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑c.應(yīng)用小功率場合。(1).電路組成串聯(lián)型可調(diào)直流穩(wěn)壓電路如圖9-11所示，其輸入端接整流、濾波電路的輸出端。該電路由四部分組成a.取樣電路—由R1、R2、RP組成的電阻分壓電路b.基準(zhǔn)電壓—由穩(wěn)壓管VDZ與R3串聯(lián)組成。c.比較放大電路—由運算放大器完成。d.調(diào)整電路—由調(diào)整管V組成。

2.串聯(lián)型可調(diào)直流穩(wěn)壓電路

圖9-11串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路(2).穩(wěn)壓原理當(dāng)交流電網(wǎng)電壓U2升高時有U2↑→UI↑→UO↑→運放反相輸入電壓U-↑→（UZ-U-）↓→VB↓→IB↓→IC↓→UCE↑→UO↓ 當(dāng)交流電網(wǎng)電壓不變，負載RL變小時，有 RL↓→IO↑→UO↓→運放反相輸入電壓U-↓→（UZ-U-）↑→VB↑→IB↑→IC↑→UCE↓→UO↑

想一想

當(dāng)交流電網(wǎng)電壓有效值U2下降時，分析圖9-11串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程。

知識鏈接

集成穩(wěn)壓器 集成穩(wěn)壓器是把一個完整的穩(wěn)壓電路制作在一片半導(dǎo)體芯片上，形成具有穩(wěn)壓功能的固體集成電路。集成穩(wěn)壓器具有體積小、價格低、使用方便、工作可靠、穩(wěn)壓精度高等特點，廣泛應(yīng)用于各種儀器、儀表等電子設(shè)備中。常見的有W78××和W79××系列的三端集成穩(wěn)壓器。3.直流穩(wěn)壓電路在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

1—發(fā)電廠（站）2—升壓變壓器3—電力網(wǎng)4—主降壓變壓站5—直流牽引變電所6—饋電線7—接觸網(wǎng)8—行走軌道9—回流線圖9-12城市軌道交通直流電力牽引供電系統(tǒng)直流牽引變電所從雙電源受電，經(jīng)整流機組變壓器降壓，分相后，按一定整流接線方式由大功率硅整流器把三相交流電變換為與直流牽引網(wǎng)相應(yīng)電壓等級的直流電，向電動車組供電，圖9-13所示的是直流牽引變電所的接線原理圖。圖9-13直流牽引變電所接線圖

自我檢測九

9-1（1）為什么穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻愈小，則穩(wěn)壓愈好？（2）利用穩(wěn)壓管或二極管的正向?qū)▍^(qū)是否也可以穩(wěn)壓？（3）用兩個穩(wěn)壓值相等的穩(wěn)壓管反向串聯(lián)起來使用可獲得較好的溫度穩(wěn)定性，這是為什么？

9-2如題圖9-1所示電路中，穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓為8V，DZ2的穩(wěn)定電壓為10V，正向壓降均為0.7V，試求圖中輸出電壓Uo。題圖9-1復(fù)習(xí)與思考9-29-3

（1）設(shè)一半波整流電路和一橋式整流電路的輸出電壓平均值和所帶負載大小完全相同，均不加濾波，試問兩個整流電路中整流二極管的電流平均值和最高反向電壓是否相同？

（2）單相橋式整流電路中，若某一整流管發(fā)生開路，短路，或反接三種情況，電路中將會發(fā)生什么問題？

（3）在某一特殊場合，將單相橋式整流電路，不經(jīng)變壓器直接接入交流電源，試問：若負載RL一端接“地”，結(jié)果如何？

（4）電容濾波和電感濾波電路的特性有什么區(qū)別？各適用于什么場合？9-4如題圖9-2所示。試標(biāo)出輸出電壓Uo1、Uo2的極性，畫出輸出電壓的波形。并求出Uo1、Uo2的平均值。題圖9-2復(fù)習(xí)與思考