電子技工業(yè)務2 電子技工業(yè)務-第7節(jié) 單相整流和濾波電路

第2章

船舶電子電氣基礎一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

在船舶自動化裝置中為了得到直流電,除了用直流發(fā)電機、蓄電池外,目前廣泛采用半導體直流電源。把交流電轉換成直流電叫整流電路,它是半導體直流電源的重要組成部分。(一)單相半波不可控整流電路圖2-57所示是單相半波不可控整流電路,由整流變壓器T1、整流元件二極管VD及負載RL組成。圖2-57單相半波整流一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(一)單相半波不可控整流電路設整流變壓器的副邊電壓為其波形如圖2-58(a)所示：由于二極管的單向導電性,在變壓器副邊電壓的正半周時,其極性為RL上正下負,二極管因承受正向電壓而導通,這時負載電阻上的電壓為uo,如圖2-58(b)所示。

圖2-58單相半波整流波形一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(一)單相半波不可控整流電路圖2-58單相半波整流波形通過的電流為io,在電壓的負半周時二極管反向截止,負載電阻上沒有電壓,而電壓全部落在二極管上,如圖2-58(c)所示。因此,負載電阻上得到的半波整流電壓和電源電壓的正半波是相同的。因為是電阻性負載,所以整流電流的波形與電壓波形相同。二極管導通時的正向壓降很小,可忽略不計;而截止時,承受最大反向峰值電壓。

一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(一)單相半波不可控整流電路單相半波整流后的電壓特點:負載上電壓單方向的,大小變化,常叫單向脈動電壓。在一個周期的平均值,即電壓的平均值為電路中只有一個二極管向負載供電,所以負載的平均電流與流過二極管的相等二極管的最高反向電壓就是變壓器副邊交流電壓的最大值,即:

一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(二)單相橋式全波不可控整流電路單相半波整流電路簡單,電壓的脈動較大;為了克服上述缺點,常采用全波整流電路。實際中應用最多的是單相橋式整流電路,由4個二極管接成電橋的形式構成。圖2-59(a)所示的是單相橋式整流電路最常見的畫法,另外還有多種畫法,但實質都是一樣的。圖2-59單相半波整流電路兩個二極管(1、4)串聯(lián),再與另一組串聯(lián)的二極管(2、3)同向并聯(lián),共陽極的為整流后的正極,共陰極的為整流后的負極,中間串聯(lián)首尾相連的兩個極接交流電壓。一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(二)單相橋式全波不可控整流電路電路交流供電波形如圖2-60(a)所示圖2-59單相半波整流電路圖2-60單相橋式整流波形負載上得到一個半波電壓,如圖2-60(b)中uD1、uD3輸出波形所示。而截止的兩個二極管2和4的波形如圖2-60(c)中uD2、uD4承受電壓的波形所示。在電壓的正半周時,極性上正下負,即a點的電位高于b點,二極管1、3導通,2和4截止。電流的通路是a—1—RL—3—b,如圖2-59(b)所示。一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(二)單相橋式全波不可控整流電路在電壓的負半周,輸入電壓極性為上負下正,即b點電位高于a點,此時1、3截止,2和4導通,電流的通路是b—2—RL—4—a,如圖2-59(c)所示。圖2-59單相半波整流電路圖2-60單相橋式整流波形同樣,在負載電阻上得到另一個同方向的半波電壓,如圖2-60(b)中uD2、uD4輸出波形所示。

而截止的兩個二極管1和3的波形如圖2-60(c)中uD1、uD3承受電壓的波形所示。一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

全波整流電路的整流電壓的平均值比半波整流時增加了1倍,即:負載電阻中通過的直流電流也增加了1倍,即:

因兩組二極管輪流導通,故流過每個二極管中的平均電流只有負載電流的一半,即:

(二)單相橋式全波不可控整流電路一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

二極管截止時承受的最高反向電壓與半波整流電路相同,也是電源電壓的最大值,即:使用中,如果二極管2或4接反,則正半周時,二極管1、4或2、3導通,電流經二極管1、4或2、3而造成電源短路,電流很大,因此前級供電變壓器及二極管1、4或2、3將被燒壞;而如果二極管2或4因擊穿燒壞而短路,則正半周時,情況與二極管2或4接反類似,電源及二極管1或3因電流過大而燒壞。(二)單相橋式全波不可控整流電路一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(三)單相半控橋式整流電路單相橋式整流電路雖然電路簡單,但不能調節(jié)輸出電壓。較常用的是半控橋式整流電路(簡稱半控橋),其電路如圖2-61所示。圖2-61單相半控橋式整流在變壓器副邊電壓u的正半周(a端為正)時,T1和D2承受正向電壓,這時如對晶閘管T1引入觸發(fā)信號,則T1和D2導通,電流的通路為a—T1—RL—D2—b。這時T2和D1都因承受反向電壓而截止。同樣,在電壓u的負半周時,T2和D1承受正向電壓,這時如對晶閘管T2引入觸發(fā)信號,則T2和D1導通,電流的通路為b—T2—RL—D1—a,這時T1和D2截止。一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(三)單相半控橋式整流電路如圖2-62所示,觸發(fā)角為α時,輸出電壓u波形為α角后的兩個半控橋式的正弦波形,0~α期間晶閘管因未觸發(fā)而正向截止,無輸出電壓。晶閘管導通時可近似認為晶閘管兩端沒有電壓,而反向截止時,承受另一個導通晶閘管過來的正弦最高電壓,而在正向觸發(fā)前,晶閘管承受了自身的正向電壓。

圖2-62單相半波橋式整流波形一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(三)單相半控橋式整流電路當整流電路接電阻性負載時,橋式半控整流電路輸出電壓為:當α為0°時,半控橋式整流與不可控橋式整流是一樣的;當α為180°時,晶閘管被關斷，沒有輸出電壓。一、單相整流電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(三)單相半控橋式整流電路與單相半波整流電路相比,橋式整流電路輸出電壓的平均值要大1倍。晶閘管承受的反向電壓為

。晶閘管正向截止期間,雖然與二極管共同分擔電壓,但由于二極管承擔正向電壓可忽略不計,所以晶閘管承受的最大正向電壓也為

。與單相半控橋式整流電路類似的還有單相全控橋式整流，除電阻性負載外,更普遍性質的負載是電感性負載,由于電流落后電壓,能夠控制的有效觸發(fā)角α范圍也有所不同。二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

整流電路雖然能把交流電轉換為直流電,但得到的輸出電壓是單向脈動電壓。這種脈動電壓只能用于電鍍、蓄電池充電等設備中,大多數(shù)電子設備都要求脈動程度小或恒定的直流電源,因此在整流電路后必須增加濾波與穩(wěn)壓電路。二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(一)濾波電路的組成與濾波器件的作用濾波原理:濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成分,保留其直流成分,達到平滑輸出電壓波形的目的。圖2-63(a)中與負載并聯(lián)的電容器就是一個最簡單的濾波器,是根據(jù)電容器兩端電壓不能突變的原理制成的。圖2-63單相半波整流濾波電路及波形二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(一)濾波電路的組成與濾波器件的作用如圖2-63(a)單相半波整流電路中,如不接電容濾波器,其輸出電壓波形如圖2-63(c)中的半波曲線,接上電容濾波器后,輸出電壓的波形就變成圖2-63(c)所示較平直的形狀。從其波形看,輸出電壓平均值明顯增大,輸出電壓脈動程度也小很多了。圖2-63(a)所示電路在二極管導通時,一方面供給負載RL的電流為io,同時對電容器C充電電流為ic。在忽略二極管正向壓降的情況下,充電電壓與上升的正弦電壓一致,如圖2-63(c)起始段波形所示。圖2-63單相半波整流濾波電路及波形二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(一)濾波電路的組成與濾波器件的作用輸出電壓與電源電壓按正弦波形同時達到最大值,而后輸出電壓和電源電壓都開始下降,電源仍按正弦波形下降,但電容需要通過負載電阻RL放電,輸出電壓是指數(shù)形式下降;

當u<uc時,二極管承受整流反向電壓而截止,電容器對負載電阻繼續(xù)放電,負載中仍有電流。

圖2-63單相半波整流濾波電路及波形在下一個正半周內,當u>uc時,二極管又導通,電源在給負載RL供電的同時也給電容充電,重復上述過程。

二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(一)濾波電路的組成與濾波器件的作用可見帶電容濾波器的輸出電壓脈動程度減小,輸出平均電壓增高。在忽略二極管正向壓降的情況下,空載輸出電壓可達電源電壓幅值,即

。這種電容濾波電路不足之處是帶負載能力較差,只適用于負載電流較小且電流變化不大的場合。一般情況下,取Uo=U(半波整流),Uo=1.2U(全波整流)

電容濾波電路輸出電壓的脈動程度與電容器的放電時間常數(shù)有關。為了獲得以上輸出整流電壓的平均值,一般要求

式中,T是交流電源的周期。通常濾波電容在幾十微法到幾千微法,其耐壓應大于輸入電壓的最大值。

二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(一)濾波電路的組成與濾波器件的作用除了上述最簡單的濾波電路外,為了減小輸出電壓的脈動程度,在濾波電容前串接一個鐵芯電感線圈,就組成了電感電容濾波器,如圖2-64(a)所示。但空載時,電容C沒有放電回路,所以正向充電到最高值

后,電源電壓正弦下降到反向最大時,二極管承受了最高反向電壓,即

,所以,選擇二極管的耐壓時,需要注意該耐壓與單純的整流電路不同。

圖2-64整流濾波電路由于通過電感線圈的電流發(fā)生變化時,線圈中要產生自感電動勢阻礙電流的變化,因而使負載電流和負載電壓的脈動大為減小。頻率越高,電感越大,濾波的效果也越好。二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(一)濾波電路的組成與濾波器件的作用它的濾波效果比LC濾波器更好,但整流二極管的沖擊電流也較大。如果要求輸出電壓的脈動更小,可以在濾波器的前面再并聯(lián)一個濾波電容,如圖2-64(b)所示,就構成了π型濾波器。

圖2-64整流濾波電路二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(二)穩(wěn)壓電路的組成與三端穩(wěn)壓電路一些精密測量儀器、自動控制裝置等都要求有穩(wěn)定的直流電源供電,圖2-65就是一種最簡單的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,其原理已在穩(wěn)壓管電路中分析。整流濾波后的電壓雖然交流分量已很小,但在負載變動和電源電壓波動時,輸出電壓仍有變化。

圖2-65整流濾波穩(wěn)壓電路由于穩(wěn)壓效果不夠理想,只能用于負載電流較小的場合。要想得到理想的穩(wěn)壓效果,必須采用集成穩(wěn)壓電源或使用開關電源。二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(二)穩(wěn)壓電路的組成與三端穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路具有靠性高、使用靈活、價格低廉等優(yōu)點。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入、輸出和公共引出端,故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。

按其輸出電壓的可調性分為固定電壓和可調輸出電壓兩種,輸出固定電壓除了有3V、5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等,還有正負穩(wěn)壓的區(qū)別,常用輸出正電壓的三端穩(wěn)壓集成電路為78××,××表示輸出穩(wěn)定電壓值,而輸出負電壓的三端穩(wěn)壓集成電路為79××。

二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(二)穩(wěn)壓電路的組成與三端穩(wěn)壓電路輸出可調的三端穩(wěn)壓集成電路如LM317可以輸出1.25~37V連續(xù)可調的電壓。W7800和W7900系列的穩(wěn)壓器外形如圖2-66所示,最常用的5V三端穩(wěn)壓電路如圖2-67所示。

圖2-66三端穩(wěn)壓集成電路

外形和管腳圖圖2-67

5V三端穩(wěn)壓電路二、濾波與穩(wěn)壓電路第七節(jié)單相整流和濾波電路

(二)穩(wěn)壓電路的組成與三端穩(wěn)壓電路5V三端穩(wěn)壓電路中的輸入濾波電容Ci,用來抵消輸入端接線較長時的電感效應,防止產生自勵振蕩,即用以改善波形。輸出濾波電容