电子电路基本原理

1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础安徽理工大学电气工程系安徽理工大学电气工程系主讲主讲 ：黄友锐：黄友锐第十八讲第十八讲15.1 单相整流电路15.2 滤波电路 电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。本章讨论如何把交流电源变换为直仪器设备中。本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源，一般直流电源由如下部分组成：流稳压电源，一般直流电源由如下部分组成：电源的方框图如图电源的方框图如图15.01所示。所示。 整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分整流电路是将工频交流

2、电转为具有直流电成分的脉动直流电。的脉动直流电。 滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分少交流成分，增加直流成分。 稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。进一步稳定直流电压。 15.1.1 单相桥式整流电路15.1.2 单相半波整流电路15.1.3 单相全波整流电路15.1 单相整流电路15.1.1 单相桥式整流电路(1) (1) 工作原理工作原理 单相桥式整流电路是最单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图电路，其电路如图

3、15.02（a）所示。所示。（a）桥式整流电路）桥式整流电路 （b）波形图）波形图图图15.02 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 在分析整流电路工作原理时，整流电路在分析整流电路工作原理时，整流电路 中的二极管是作为中的二极管是作为开关运用，具有单向导电开关运用，具有单向导电性。性。根据图根据图15.02(a)的电路图可知：的电路图可知： 当正半周时二极管当正半周时二极管D1、D3导通，在负载导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时二极管当负半周时二极管D2、D4导通，在负载导通，在负载电阻上得到正弦波仍是正半周。单相桥式整电阻上得到正弦波仍是正半周。单相

4、桥式整流电路的波形图见图流电路的波形图见图15.02(b)。（动画15-1）（动画15-2）(动画15-8exe） 根据图根据图15.02（b）可知，输出电压是单相脉动电压。）可知，输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压输出平均电压为：为：（2 2）参数计算）参数计算2202LO9 .022dsin21VVttVVV 流过负载的平均电流为L2L2L9 . 022RVRVIL2L2LD45. 022RVRVII流过二极管的流过二极管的平均电流平均电流为为2Rmax2VV二极管所承受的二极管所承受的最大反向电压最大反向电压 流过负载的脉

5、动电压中包含有直流分量和流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波的幅值与平均值的比值称为的幅值与平均值的比值称为脉动系数脉动系数S。)4cos1542cos342(22OttVv67.0322232422VVS（3 3）单相桥式整流电路的负载特性曲线）单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线输出电压与负载电流之间的关系曲线)(OOIfV 该曲线如图该

6、曲线如图15.0315.03所示。曲线所示。曲线的斜率代表了整的斜率代表了整流电路的内阻。流电路的内阻。图图15.03 15.03 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 的负载特性曲线的负载特性曲线15.1.215.1.2单相半波整流电路单相半波整流电路(a)(a)电路图电路图 (b)(b)波形图波形图 图图15.04 15.04 单相半波整流电路单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流单相整流电路除桥式整流电路外，还有单相半波和全波电路外，还有单相半波和全波两种形式。单相半波整流电路两种形式。单相半波整流电路如图如图15.04(a)15.04(a)所示，波形图如所示，波形图如图图15.04(b)

7、15.04(b)所示。所示。 根据图根据图15.04可知，输出电压在一个工频周期可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上弦波。负载上输出平均电压输出平均电压为：为：2202LO45.02)d(sin221VVttVVVL2L2LD45.02RVRVII流过负载和二极管的流过负载和二极管的平均电流平均电流为为2Rmax2VV二极管所承受的二极管所承受的最大反向电压最大反向电压 单相全波整流电路单相全波整流电路如图如图15.05(a)15.05(a)所示，波所示，波形图如图形图如图15.05(b)15.05(b)所

8、示。所示。15.1.3 单相全波整流电路 (a) (a)电路图电路图 图图15.05 15.05 单相全波整流电路单相全波整流电路 (b)(b)波形图波形图 根据图根据图15.05（b）可知，全波整流电路的输）可知，全波整流电路的输出，与桥式整流电路的输出相同。出，与桥式整流电路的输出相同。输出平均电压输出平均电压为：为：2202LO9 . 022)d(sin21VVttVVVL2L2Lo9 . 022RVRVII流过负载的流过负载的平均电流平均电流为：为：2Rmax22VV 二极管所承受的二极管所承受的最大反向电压最大反向电压67. 0322232422VVS 单相全波整流电路的脉动系数单相

9、全波整流电路的脉动系数S与单相桥式与单相桥式整流电路相同。整流电路相同。 注意注意，整流电路中的二极管是作为开关运用的。，整流电路中的二极管是作为开关运用的。整流电路既有交流量，又有直流量，通常对整流电路既有交流量，又有直流量，通常对: 输入（交流）输入（交流）-用有效值或最大值；用有效值或最大值； 输出（交直流）输出（交直流）-用平均值；用平均值； 整流管正向电流整流管正向电流-用平均值；用平均值； 整流管反向电压整流管反向电压-用最大值。用最大值。 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流流过，而半波和全波整流电

10、路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。单在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。整流电路，故广泛应用于直流电源之中。V 1119010090 .UUo81122220 .K 变变比比V 17212222 UUDRMA 250100RUILoo A122121 oDII举例：举例： 4 试分析图示桥式整流电路中的二极管试分析图示桥式整流电路中的二极管D D2 2 或或D D

11、4 4断开断开时负载电压的波形。时负载电压的波形。如果如果D D2 2 或或D D4 4 接反，后果如何？接反，后果如何？如果如果D D2 2 或或D D4 4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？因击穿或烧坏而短路，后果又如何？ uiuo+_+_u+_RLD D2 2D D4 4 D D1 1D D3 3解：解： 当当D2或或D4断开后电路为单相半波整流电路。正断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，半周时，D1和和D3导通，负载中有电流流导通，负载中有电流流过，两端有过，两端有电压电压uo o= =u；负半周时，；负半周时，D1和和D3截止，负载中无电流截止，负载中无电流通通过，两端无电压，过，

12、两端无电压，u0 0 = 0= 0。波形如图所示。波形如图所示。uo uo u 2 2 3 3 4 4t t 2 2 3 3 4 4ui+_+_u+_RLD D2 2D D4 4D D1 1D D3 3 如果如果D2或或D4接反则正半周时，二极管接反则正半周时，二极管D1、D4或或D2、D3导通，电流经导通，电流经D1、D4或或D2、D3而造成电源短而造成电源短路，电流很大，因此变压器及路，电流很大，因此变压器及D1、D4或或D2、D3将被将被烧坏。烧坏。uiuo+_+_u+_RLD D2 2D D4 4D D1 1D D3 3 如果如果D2或或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情因击穿烧坏而短

13、路则正半周时，情况与况与D2或或D4接反类似，电源及接反类似，电源及D1或或D3也将因电流过也将因电流过大而烧坏。大而烧坏。uiuo+_+_u+_RLD D2 2D D4 4D D1 1D D3 315.2 滤波电路15.2.1 电容滤波电路15.2.2 电感滤波电路15.2.1 15.2.1 电容滤波电路电容滤波电路 (1)(1)滤波的基本概念滤波的基本概念 滤波电路滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，的不同，实现滤波。实现滤波。电容器电容器C对直流开路，对对直流开路，对交流阻抗小，所以交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电应该并联在负载两端。电感器感器

14、L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。善了直流电压的质量。 （2 2）电容滤波电路）电容滤波电路 现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如图明。电容滤波电路如图15.06所示，在负载电阻所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容上并联了一个滤波电容C。图图15.0

15、6电容滤波电路电容滤波电路 当当v2到达到达90时时，v2开始下开始下降。先假设二极管关断，电容降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载就要以指数规律向负载L放电。放电。指数放电起始点的放电速率很大。指数放电起始点的放电速率很大。(3)(3)滤波原理滤波原理 若电路处于正半周，二极管若电路处于正半周，二极管D D1 1、D D3 3导通，变压器次端电压导通，变压器次端电压v v2 2给电容器给电容器C C 充电。此时充电。此时C C 相当于并联在相当于并联在v v2 2上，所以输出波形同上，所以输出波形同v v2 2 ，是正弦形。，是正弦形。图15.07电容滤波波形图 所以，在所以，在

16、t1到到t2时刻，二极管导时刻，二极管导电，电，充电，充电，vC=vL 按正弦规律变化按正弦规律变化；t2到到t3时刻二极管关断，时刻二极管关断，vC=vL按指按指数曲线下降，放电时间常数为数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图电容滤波过程见图15.07。 在刚过在刚过90时时，正弦曲线下降的，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过速率很慢。所以刚过90时二极管仍然时二极管仍然导通。导通。在超过在超过90后的某个点后的某个点，正弦曲线，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。起始放电速率时，二极管关断。需要指出的是，当放

17、电时间常数需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，增加时，t1点要右移，点要右移， t2点点 要左移，二极管关断时间加要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线长，导通角减小，见曲线3；反；反之，之，RLC减少时，导通角增加。减少时，导通角增加。显然，当显然，当L很小，即很小，即IL很大时，很大时，电容滤波的效果不好，电容滤波的效果不好，见图见图15.08滤波曲线滤波曲线中的中的2。反。反之，当之，当L很大，即很大，即IL很小时，很小时，尽管尽管C较小较小, RLC仍很大仍很大,电容滤电容滤波的效果也很好，见滤波曲线波的效果也很好，见滤波曲线中的中的3。所以电容滤波适合输出。所以电容滤波

18、适合输出电流较小的场合。电流较小的场合。问题：问题：有有 无无L 即空载，此时即空载，此时VC=VL=？图15.08 电容滤波的效果(动画15-3）(动画15-4）(4)(4)电容滤波的计算电容滤波的计算 电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：一般常采用以下近似估算法：)41 (2L2OLCRTVVV一种是用锯齿波近似表示，即：一种是用锯齿波近似表示，即： 另一种是在另一种是在RLC=(3 5)T/ 2的条件下，近似认的条件下，近似认为为V VL

19、L= =V VO O=1.2=1.2V V2 2 。(或者，或者，电容滤波要获得较好的电容滤波要获得较好的效果，效果，工程上也工程上也通常应满足通常应满足 RLC610。) （5 5）外特性）外特性 整流滤波电路中，输出直流电压整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载随负载电流电流 IO的变化关系曲线如图的变化关系曲线如图15.09所示。所示。 图图15.09 整流滤波电路的外特性整流滤波电路的外特性222VV2T)53(CRVV,0CVV,R1.2=0.9= 2=OLdOOL名名 称称VL(空载空载 )VL(带载带载)二极管反向二极管反向最大电压最大电压每管平均每管平均电流电流半波整流半波整流

20、245.0V22VIL全波整流全波整流电容滤波电容滤波22V1.2V2*222V0.5IL桥式整流桥式整流电容滤波电容滤波22V1.2V2*22V0.5IL桥式整流桥式整流电感滤波电感滤波0.9V222V0.5IL0.9V2245.0V * 使用条件：使用条件：2)53(LdTCR为基波周期为基波周期2T15.2.2 电感滤波电路 利用储能元件电感器利用储能元件电感器的电流不能突变的性的电流不能突变的性质，把电感质，把电感与整流电路的负载与整流电路的负载L相串联，也可相串联，也可以起到滤波的作用。以起到滤波的作用。 图15.10 电感滤波电路 图15.11 波形图 电感滤波电路如图电感滤波电路

21、如图15.10所示。电感滤波的波形图如所示。电感滤波的波形图如图图15.11所示。所示。 当当v2正半周时，正半周时，D1、D3导电，导电，电感中的电流将滞后电感中的电流将滞后v2。当负半周时，。当负半周时，电感中的电流将经由电感中的电流将经由D2、D4提供。因提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管连续性，四个二极管D1、D3 ； D2、 D4的导通角都是的导通角都是180。（动画动画15-5）16.1 稳压电路概述16.2 硅稳压二极管稳压电路16.3 线性串联型稳压电源16.4 开关型稳压电源其中稳压管稳压电路最简单，但是带其中稳压管稳压

22、电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。线性稳压电源稳压效果好，但效电源使用。线性稳压电源稳压效果好，但效率低，稳压范围不大。开关型稳压电源效率率低，稳压范围不大。开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多。较高，目前用的也比较多。常用稳压电路常用稳压电路 ( (小功率设备小功率设备) )稳压管稳压管稳压电路稳压电路 线性线性稳压电路稳压电路 开关型开关型稳压电路稳压电路 16.1 16.1 稳压电路概述稳压电路概述16.1.1 引起输出电压不稳定的原因16.1.2 稳压电路的技术指标 引起输出电压变化的原因是引起输出电压变化的原因是负载电流的变化负载电流的变化和和输入电压的变化，输入电压的变化，参见参见图图16.0116.01。16.1.1 16.1.1 引起输出电压不稳定的原因引起输出电压不稳定的原因负载电