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1、電工電子技術(shù),任萬(wàn)強(qiáng) 張鋼 主編 中國(guó)水利水電出版社,返回章目錄,9.1 單相整流電路,9.3 集成穩(wěn)壓器,第9章 直流穩(wěn)壓電源,9.2 濾波電路,整流電路就是利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電變換為單向脈動(dòng)直流電的電路。根據(jù)交流電的相數(shù)，整流電路分為單相整流、三相整流等。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)要求掌握小功率直流電源中常用的單相半波、單相橋式整流電路及濾波穩(wěn)壓電路的原理和應(yīng)用要點(diǎn)。 電子設(shè)備的正常運(yùn)行離不開(kāi)穩(wěn)定的電源，除了在某些特定場(chǎng)合下采用太陽(yáng)能電池或化學(xué)電池作電源外，多數(shù)電路的直流電是由電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換來(lái)的。這種直流電源的組成以及各處的電壓波形如圖9.1所示。,知識(shí)點(diǎn)和學(xué)習(xí)要求,,圖9.1 直流穩(wěn)壓
2、電源組成框圖,圖9.1中各組成部分的功能如下： （1）電源變壓器：將電網(wǎng)交流電壓（220V或380V）變換成符合需要的交流電壓，此交流電壓經(jīng)過(guò)整流后可獲得電子設(shè)備所需的直流電壓。因?yàn)榇蠖鄶?shù)電子電路使用的電壓都不高，這個(gè)變壓器是降壓變壓器。,（2）整流電路：利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，把方向和大小都變化?0Hz交流電變換為方向不變但大小仍有脈動(dòng)的直流電。,（3）濾波電路：利用儲(chǔ)能元件電容器C兩端的電壓（或通過(guò)電感器L的電流）不能突變的性質(zhì)，把電容C（或電感L）與整流電路的負(fù)載RL并聯(lián)（或串聯(lián)），就可以將整流電路輸出中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電。在小功率整流電路中，經(jīng)
3、常使用的是電容濾波。,（4）穩(wěn)壓電路：當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸出的直流電壓的幅值也將隨之變化，因此，穩(wěn)壓電路的作用是使整流濾波后的直流電壓基本上不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。 在小功率直流電源中，常見(jiàn)的幾種整流電路有單相半波、全波、橋,式和三相整流電路等。 整流（和濾波）電路中既有交流量，又有直流量。對(duì)這些量經(jīng)常采用不同的表述方法：輸入（交流）用有效值或最大值；輸出（直流）用平均值；二極管正向電流用平均值；二極管反向電壓用最大值。,9.1 單相整流電路,利用二極管的單向?qū)щ娦越M成整流電路，可將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電壓。本章為便于分析整流電路，把整流二極管當(dāng)作理想元件，即
4、認(rèn)為它的正向?qū)娮铻榱?，而反向電阻為無(wú)窮大。但在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮到二極管有內(nèi)阻，整流后所得波形，其輸出幅度會(huì)減少0.61V，當(dāng)整流電路輸入電壓大時(shí)，這部分壓降可以忽略。但輸入電壓小時(shí)，例如輸入為3V，則輸出只有2V多，需要考慮二極管正向壓降的影響。 單相整流電路有單相半波整流電路、單相全波整流電路和橋式整流電路三種形式。單相半波整流電路如圖9.2所示。,圖9.2 單相半波整流電路,9.1.1 單相半波整流電路,1單相半波整流電路的工作原理,利用二極管的單向?qū)щ娦?，在變壓器副邊電壓U2為正的半個(gè)周期內(nèi)，二極管正向偏置，處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載RL上得到半個(gè)周期的直流脈動(dòng)電壓和電流；而在U2為負(fù)的
5、半個(gè)周期內(nèi)，二極管反向偏置，二極管VD截止，處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載中沒(méi)有電流流過(guò)，負(fù)載上電壓為零。由于二極管的單向?qū)щ娮饔?，將變壓器副邊的交流電壓變換成為負(fù)載RL兩端的單向脈動(dòng)電壓，達(dá)到整流目的，其波形如圖9.3所示。因?yàn)檫@種電路只在交流電壓的半個(gè)周期內(nèi)才有,電流流過(guò)負(fù)載，所以稱為單相半波整流電路。,設(shè)變壓器副邊繞組電壓為 。當(dāng)u2為正半周時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，負(fù)載RL上的電壓uo、流過(guò)RL的電流io及二極管的電流iD分別為,,,,2直流電壓UO和直流電流IO的計(jì)算,利用傅立葉級(jí)數(shù)將單相半波脈動(dòng)電壓分解為,,式中第一項(xiàng)為uo的直流分量，即uo在一個(gè)周期的平均值UO，即,,可以看出，在半波
6、整流情況下，負(fù)載上的直流電壓只有變壓器副邊繞組電壓有效值的45%。如果考慮二極管正向電阻和變壓器內(nèi)阻引起的壓降，UO的數(shù)值還要低一些。 負(fù)載上的直流電流,,圖9.3 單相半波整流電路波形,3二極管參數(shù)的計(jì)算,在單相半波整流電路中，流 過(guò)二極管的電流就等于輸出電流,,從圖9.2可看出，二極管在截止時(shí)所承受的最高反向電壓u2就是的最大值，即,,在選擇二極管時(shí)，所選管子的最大整流電流和最高反向工作電壓，應(yīng)大于上式的計(jì)算值。,4紋波系數(shù)KT,整流輸出后的電壓除含有直流分量外，還含有不小的高次諧波分量，這些諧波分量總稱為紋波。常用紋波系數(shù)來(lái)衡量輸出電壓中的紋波大小，它定義為輸出電壓交流
7、有效值與平均值（直流分量）之比，即,,而輸出交流電壓有效值為,,對(duì)于半波整流電路 ，所以紋波系數(shù)為,,,可見(jiàn)半波整流電路輸出電壓的紋波是比較大的。 單相半波整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只用一個(gè)整流管，但輸出波形脈動(dòng)大，輸出直流電壓低，變壓器只工作半周，電源利用率低，故半波整流電路只用在對(duì)直流電源要求不高，輸出電流較小的場(chǎng)合。,9.1.2 單相橋式整流電路,單相橋式整流電路應(yīng)用最廣，采用四個(gè)整流二極管，組成橋式電路，如圖9.4（a）所示。 人們常常將圖中的四個(gè)二極管電路，稱為“整流橋”。圖9.4（b）采用了整流橋符號(hào)的電路圖。,圖9.4 單相橋式整流電路,1單相橋式整流電路的工作原理,在
8、圖9.4（a）中，當(dāng)u2為交流電的正半周時(shí)，a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位。二極管VD1，VD2正偏導(dǎo)通，VD4，VD3反偏截止。電流從變壓器副邊a點(diǎn)，經(jīng)VD1，RL，VD2流通到b點(diǎn)。負(fù)載RL上得到正半周的輸出電壓。電流如實(shí)線方向。,當(dāng)u2為交流電的負(fù)半周時(shí)，b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位。二極管VD4，VD3正偏導(dǎo)通，VD2，VD1反偏截止。電流從變壓器副邊b點(diǎn)，經(jīng)VD3，RL，VD4流通到a點(diǎn)。負(fù)載RL上依然得到正向半周的輸出電壓。電流如虛線方向。 可見(jiàn)，雖然u2為交流電壓，但負(fù)載RL上的輸出電壓uo，卻已經(jīng)變成為大小脈動(dòng)而方向單一的直流電了。 單相橋式整流電路中各電壓、電流的波形，如圖9.5所示。,2單
9、相橋式整流電路的參數(shù)計(jì)算,整流電路的輸出電壓uO是脈動(dòng)的直流電壓，直流電壓的大小用其平均值UO來(lái)衡量。 式中 U2變壓器副邊電壓的有效值。,,,圖9.5 單相橋式整流電路,整流電路的輸出電流io的平均值IO為,,由于在每個(gè)周期中，四個(gè)整流二極管分為兩組，輪流導(dǎo)通。所以流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流ID是總負(fù)載電流的一半,,當(dāng)正向偏置的二極管導(dǎo)通時(shí)，另外兩個(gè)二極管承受反向電壓而截止。其承受的最高反向電壓UDRM為 （忽略二極管的導(dǎo)通壓降），即,,,由分析可知，流過(guò)變壓器副邊的電流是交流電流。其有效值為,上述幾個(gè)公式，是分析、設(shè)計(jì)整流電路的重要依據(jù)。我們可以根據(jù)它們來(lái)選擇電源變壓器和整流二極管的參數(shù)。
10、,【例9.1】設(shè)計(jì)一個(gè)輸出直流電壓為36V，輸出電流為1A的單相橋式整流電路。已知交流電壓為220V，要求（1）如何選取整流二極管的參數(shù)？（2）求電源變壓器的副邊電壓及容量。,解： （1） 流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流為,,,,每個(gè)二極管承受的最高反向電壓為,,所以可以選用整流二極管1N4002，其參數(shù)為：IF =1A，URM =100V。 （2）變壓器副邊電壓U2 =40V，變壓器副邊電流為,,變壓器的容量為,,需要說(shuō)明的是，以上計(jì)算為理論計(jì)算。在工程實(shí)踐中，各參數(shù)應(yīng)當(dāng)參照理論值有適當(dāng)?shù)挠嗔俊? 整流電路中的“電源變壓器”，除了具有變換電壓的作用之外，還擔(dān)任“安全隔離”的重要任務(wù)。即將整流
11、電路的用戶與電網(wǎng)電壓隔離開(kāi)來(lái)。 這樣就保證了用戶在接觸變壓器副邊電路時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)單相觸電事故。,9.2 濾波電路,整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但脈動(dòng)較大，在某些應(yīng)用中如電鍍、蓄電池充電等可直接使用脈動(dòng)直流電源。但許多電子設(shè)備需要平穩(wěn)的直流電源。這種電源中的整流電路后面還需加濾波電路將交流成分濾除，以得到比較平滑的輸出電壓。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲(chǔ)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,濾波電路一般由電容、電感、電阻等元件組成。濾波電路對(duì)直流和交流反映出不同的阻抗，電感L對(duì)直流阻抗為零（線圈電阻忽,略不計(jì)），對(duì)于交流卻呈現(xiàn)較大的阻抗（ ）。若把電感L與負(fù)載RL串聯(lián)，則整流后的直流分量幾乎無(wú)衰減地
12、傳到負(fù)載，交流分量卻大部分降落在電感上。負(fù)載上的交流分量很小，因此負(fù)載上的電壓接近于直流。,,電容器C對(duì)于直流相當(dāng)于開(kāi)路，對(duì)于交流卻呈現(xiàn)較小的阻抗（ ）。若將電容C與負(fù)載電阻并聯(lián)，則整流后的整流分量全部流過(guò)負(fù)載，而交流分量則被電容器旁路，因此在負(fù)載上只有直流電壓，其波形平滑。 常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波等。,,9.2.1 電容濾波電路,圖9.6為單相橋式整流及電容濾波電路。在分析電容濾波電路時(shí)，要特別注意電容器兩端電壓uc對(duì)整流組件導(dǎo)電的影響，整流組件只有受正向電壓作用時(shí)才導(dǎo)通，否則便截止。,1工作原理,負(fù)載RL未接入時(shí)的情況：設(shè)電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后
13、，當(dāng)u2為正半周時(shí)，u2通過(guò)VD1、VD2向電容器C充,電；u2為負(fù)半周時(shí)，經(jīng)VD3、VD4向電容器C充電，充電時(shí)間常數(shù)為,,其中，Rn包括變壓器副繞組的電阻和二極管VD的正向電阻。接通電源時(shí)，變壓器副邊電壓u2 由0開(kāi)始上升，二極管VD1，VD2導(dǎo)通，電源向負(fù)載RL供電，同時(shí)，也向電容C充電，電容器很快就充電到交流電壓u2的最大值 ， 達(dá)峰值后u2減小，當(dāng) 時(shí)，二極管VD1，VD2截止，充電電流中斷，電容C開(kāi)始通過(guò)RL放電，使 逐漸下降，直到下個(gè)半周u2幅度上升至 ，此后電源通過(guò)VD3，VD4又向負(fù)載RL供電，同時(shí)又給電容C充電，如此周而復(fù)始。圖9.6（b）所示
14、為輸出電壓波形。,,,,,,注意，電容充電電流出現(xiàn)不到半個(gè)周期，只有當(dāng) 那一段時(shí)間充電（ ）。由于電容器無(wú)放電回路，故輸出電壓（即電容器C兩端的電壓uc）保持在 ，輸出為一個(gè)恒定的直流，如圖9.6（b）所示。顯然，當(dāng)RL很小，即IO很大時(shí)，電容濾波的效果不好。所以電容濾波適合輸出電流較小的場(chǎng)合。,,,,圖9.6 電容濾波電路電流、電壓波形圖,2濾波電容的選擇,從電容濾波器的工作原理來(lái)看，電容越大，濾波效果越好。因?yàn)檩敵鲭妷旱拿}動(dòng)程度與電容放電的時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)。為了得到,比較平直的輸出電壓，橋式整流電路要求放電時(shí)間常數(shù) 應(yīng)大于u2的周期T，一般要求按照,,所以在滿足式的條件下，
15、負(fù)載電壓的平均值可按下式估算： 單相半波整流電容濾波,,單相橋式整流電容濾波,,電容越大，波形越平滑，輸出電壓的平均值上升越大。,9.2.2 復(fù)式濾波電路,為進(jìn)一步提高濾波效果，可將電容和電感組合成復(fù)式濾波電路。常見(jiàn)的有 型LC, 型LC和 型RC復(fù)式濾波電路，其具體接線形式如圖9.7所示。,,,1. 型LC濾波,在電感濾波之后，再在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)電容C組成，如圖9.7（a）所示。經(jīng)整流后輸出的脈動(dòng)直流電壓經(jīng)過(guò)電感L時(shí)，大部分交流成分降落在L上，再經(jīng)電容C濾波，即可得到比單電感或單電,容濾波更加平滑的直流電壓。,圖9.7 復(fù)式濾波電路,（a）,（b）,（c）,2 型LC濾波,為進(jìn)一步提高輸
16、出電壓平滑度，可在型LC濾波電路的輸入端再并聯(lián)一個(gè)電容，就形成了 型LC濾波電路，如圖9.7（b）所示。 型LC濾波電路的濾波效果很好，但電感體積較大，故只適用于負(fù)載電流不大的場(chǎng)合，且其帶負(fù)載能力差。,3 型RC濾波,在負(fù)載電流小、濾波要求不高情況下，常用電阻R代替電感L來(lái)組成 型RC濾波電路，如圖9.7（c）所示。這種濾波電路的體,積小、成本低，濾波效果也不錯(cuò)，但由于電阻R的存在，會(huì)使輸出電壓降低。它也只適用于負(fù)載電流不大的場(chǎng)合。,9.3 集成穩(wěn)壓器,經(jīng)整流濾波后輸出的直流電壓，雖然平滑程度較好，但其穩(wěn)定性是比較差的。 濾波電路之后通常還有穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路的作用是使直流電源的輸出電壓
17、穩(wěn)定，盡可能不隨負(fù)載電流和電網(wǎng)電壓的變化而變化。在某此要求更高的場(chǎng)合，還要求輸出電壓具有較小的溫度系數(shù)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路得到了廣泛的應(yīng)用，集成穩(wěn)壓器具有體積小、外圍元件少、可靠性高、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。,9.3.1 集成穩(wěn)壓器,集成穩(wěn)壓器可分為輸出電壓固定式和輸出電壓可調(diào)式。由于集成穩(wěn)壓器僅有三個(gè)外接端腳，所以也常被稱為三端集成穩(wěn)壓器。,集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部電路除了包括基準(zhǔn)、取樣、調(diào)整和比較放大環(huán)節(jié)外，還包括啟動(dòng)電路和保護(hù)電路。啟動(dòng)電路用于集成穩(wěn)壓器的,啟動(dòng)，保護(hù)電路可以使電路在過(guò)載、短路、過(guò)熱等情況下仍不被損壞。圖9.8是集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。,圖9.8 集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部結(jié)
18、構(gòu)框圖,9.3.2 78xx和79xx系列的集成穩(wěn)壓器,78xx和79xx系列的集成穩(wěn)壓器是輸出電壓固定的三端穩(wěn)壓器如圖9.9所示。78xx為輸出“正電壓”的集成穩(wěn)壓器，79xx為輸出“負(fù)電壓”的集成穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器型號(hào)末尾的兩位數(shù)字xx，代表電路的輸出電壓數(shù)值。例如：7805、7812分別是輸出電壓為5V、12V的正電壓集成穩(wěn)壓器。,,圖9.9 三端集成穩(wěn)壓器的外形及管腳排列,（a）,（b）,78xx和79xx系列集成穩(wěn)壓器的輸出電壓值分為：5V、6V、9V、10V、12V、15V、18V、24V共8個(gè)數(shù)值。,78xx和79xx的三端集成穩(wěn)壓器的最大輸出電流為1A。同類型的產(chǎn)品，還有78L
19、xx和79Lxx。它們的最大輸出電流為0.1A。以及78Mxx和79Mxx產(chǎn)品，最大輸出電流為0.5A。 三端集成穩(wěn)壓器使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意輸入電壓Ui與輸出電壓Uo之間的電壓差，不能過(guò)小，一般應(yīng)在（23）V以上。集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖9.10所示。 三端集成穩(wěn)壓器的基本穩(wěn)壓電路如圖9.10所示，使用時(shí)根據(jù)輸出電,壓和輸出電流來(lái)選擇集成穩(wěn)壓器的型號(hào)。穩(wěn)壓電路中只需外接兩個(gè)電容，輸入電容C2和輸出電容C3是用于減小輸入、輸出電壓的脈動(dòng)和改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)的，其值均在0.11F之間。 當(dāng)集成穩(wěn)壓器工作于輸出電流較大狀態(tài)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意安裝散熱器。 圖9.11為利用輸出正負(fù)15V的“雙電源直流穩(wěn)壓電路”。很多電子儀器中配有。 選擇和使用三端穩(wěn)壓器時(shí)，除關(guān)注它的輸出電壓和電流外，還應(yīng)查閱產(chǎn)品手冊(cè)，注意它的穩(wěn)壓性能及對(duì)輸入電壓的要求。,圖9.10 基本穩(wěn)壓電路,圖9.11 利用輸出正負(fù)15V的“雙電源電路”,本章學(xué)習(xí)結(jié)束,
《電工電子技術(shù)》第9章.ppt
