第10章 直流电源

1、第十章第十章直流电源直流电源10.1直流电源的组成直流电源的组成10.2单相整流电路单相整流电路10.3滤波电路滤波电路10.4倍压整流电路倍压整流电路10.5硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路10.6串联型直流稳压电路串联型直流稳压电路10.7集成稳压器集成稳压器*10.8开关型稳压电路开关型稳压电路*10.9可控整流电路可控整流电路1 10.1直流电源的组成直流电源的组成图图 10.1.1直流电源的组成直流电源的组成电网电网电压电压电源电源变压器变压器整流整流电路电路滤波滤波电路电路稳压稳压电路电路负负载载l整流：整流：将交流变为脉动直流的过程。将交流变为脉动直流的过程。l滤波：滤波：将脉动

2、的直流电压变为平滑的直流电压。将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。l 电源变压器电源变压器: 将交流电网电压变为合适的交流电压。将交流电网电压变为合适的交流电压。l 稳稳压电路压电路: 清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压压uo的稳定。的稳定。 10.2单相整流电路单相整流电路 10.2.1单相半波整流电路单相半波整流电路tU sin22LRU2222U22U优点：优点：使用元件少。使用元件少。缺点：缺点：输出波形脉动大；输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。直流成分小；变压器利用率低。图图 10.2.131. u2 0时，电流由时，电流由+

3、流出，经流出，经VD1、RL、VD2流入流入-。2. u2 0时，电流由时，电流由-流出，经流出，经VD3、RL、VD4流入流入+。图图 10.2.2(b)22UL22RU22U22UL22RUiD3iD4iD1iD2 10.2.2单相桥式整流电单相桥式整流电路路图图 10.2.2(a) 10.2.3整流电路的主要参整流电路的主要参数数一、输出直流电压一、输出直流电压 (输出电压的平均值输出电压的平均值)UO( (A V) )(d2120oO(AV)tuU 二、脉动系数二、脉动系数 SO(AV)O1mUUS 三、二极管正向平均电流三、二极管正向平均电流 ID( (A V) )四、二极管最大反向

4、峰值电压四、二极管最大反向峰值电压 URM在桥式整流电路中，在桥式整流电路中，1.输出直流电压：输出直流电压：202O(AV)9 . 0)(tdsin21UtUU 2.脉动系数：脉动系数：)4cos1542cos342(22OttUu 67. 02232422O(AV)O1m UUUUS3.二极管正向平均电流：二极管正向平均电流：O(AV)D(AV)21II 4.二极管最大反向峰值电压：二极管最大反向峰值电压：2RM2UU 1.输出电压平均值输出电压平均值 UO( (AV) )输出电压平均值就是负输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值载电阻上电压的平均值)(d2120oO(AV)tuU 22

5、02O(AV)45. 02)(tdsin21UUtUU 2.负载电流的平均值负载电流的平均值L2LAVOAVORU45. 0RUI）（）（3.脉动系数脉动系数222222O(AV)O1mUUUUS在半波整流电路中在半波整流电路中1.571.单相整流电路的主要参数单相整流电路的主要参数 主要参数主要参数电路形式电路形式UO（AV）/U2SID（AV）/ IO（AV）URM / U2半波整流半波整流0.45157%100%1.41桥式整流桥式整流0.9067%50%1.41整流电路小结：整流电路小结：2.整流电路二极管的选择整流电路二极管的选择根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反根据流过二

6、极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。向电压来选择二极管的型号。P396【例例10.2.1 】 10.3.1 电容滤波电电容滤波电路路图图 10.3.1(a)滤波电路滤波电路滤波电容容量较大，一般采滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。用电解电容器。电容滤波电路利用电容滤波电路利用电容的充放电容的充放电作用电作用，使输出电压趋于平滑。，使输出电压趋于平滑。滤波电路输出电压波形滤波电路输出电压波形(b)理想情况下的波形理想情况下的波形 (c)考虑整流电路内阻时的波形考虑整流电路内阻时的波形 10.3滤波电路滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，以单向桥式整流电容滤波为

7、例进行分析，其电路如图所示。其电路如图所示。一、工作原理一、工作原理a桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC（电容器的充、放电）（电容器的充、放电）（1）RL未接入时未接入时(忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻)即即空载（空载（RL=）时）时u2tuot设设t1时刻接通时刻接通电源电源t1整流电路为整流电路为电容充电电容充电充电结束充电结束没有电容没有电容时的输出时的输出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuc22UUUCo（2）RL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时 (忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻)u2tuot无滤波电容无滤波

8、电容时的波形时的波形加入滤波电容加入滤波电容时的波形时的波形充电充电放电放电au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，上升， u2大于电容大于电容上的电压上的电压uc，u2对电容充电，对电容充电，uo= uc u2时间常数时间常数 = (RL / Rint ) Cu2下降，下降， u2小于电容上的电压。小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。二极管承受反向电压而截止。电容电容C通过通过RL放电，放电， uc按指数按指数规律下降，时间常数规律下降，时间常数 = RL C二、滤波电容的选择和输出直流电压的估算二、滤波电容的选择和输出直流电压的估算适用于负载电流较小的场合。适用

9、于负载电流较小的场合。滤波电容大，效果好。滤波电容大，效果好。输出直流电压为：输出直流电压为：2O(AV)2 . 1 UU 脉动系数脉动系数 S 约为约为 10% 20%。2)53(LTCR 当当图图 10.3.1整流管的导电角整流管的导电角16三、电容滤波电路的特点三、电容滤波电路的特点 1.电容滤波电路适用于小电流负载。因为电容滤波电路适用于小电流负载。因为RLC愈大，则愈大，则滤波效果愈好。为此，要求滤波效果愈好。为此，要求RL尽量大，即负载电流比较小。尽量大，即负载电流比较小。 2.电容滤波电路的外特性比较软。因为随着电容滤波电路的外特性比较软。因为随着IO(AV)的增加，的增加，UO

10、(AV)下降很快，即外特性比较软，所以电容滤波适用于负下降很快，即外特性比较软，所以电容滤波适用于负载电流变化不大的场合。载电流变化不大的场合。 3.采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击电采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。为此，必须选用较大容量的整流二极管。流。为此，必须选用较大容量的整流二极管。 10.3.2电感滤波电路电感滤波电路一、电路组成和工作原理一、电路组成和工作原理图图 10.3.417 如图所示，将一个电感如图所示，将一个电感L与负载电阻与负载电阻RL 串联，组成了串联，组成了电感虑波电路。电感虑波电路。 接入虑波电感以后，直流成分基本上没有损失，但是交流

11、接入虑波电感以后，直流成分基本上没有损失，但是交流分量很大部分降落在电感上，从而降低了输出电压中的脉动成分量很大部分降落在电感上，从而降低了输出电压中的脉动成分，而且分，而且 L愈大，愈大，RL愈小，则滤波效果愈好。愈小，则滤波效果愈好。二、输出直流电压和脉动系数二、输出直流电压和脉动系数A 设设A点的直流电压为点的直流电压为 ，基波电压的最大值为，基波电压的最大值为 ，脉动系数为脉动系数为S 。如果忽略电感的直流电阻，则输出直流电压为。如果忽略电感的直流电阻，则输出直流电压为O(AV)U O1mU 18O(AV)O(AV)UU输出的基波电压最大值为输出的基波电压最大值为O1m22LO1m)(

12、ULRRUL输出电压的脉动系数为输出电压的脉动系数为SLRSL若若L RL,则上式可简化为则上式可简化为22)(122L)(1)()(SLRRUULRRUUSLLAVOmOLAVOmO19三、电感虑波电路的特点三、电感虑波电路的特点1.电感滤波电路适用于大电流负载。电感滤波电路适用于大电流负载。2.电感滤波电路的外特性比较硬。电感滤波电路的外特性比较硬。3.在整流管中的冲击电流较小。在整流管中的冲击电流较小。 10.3.3复式滤波电路复式滤波电路一、一、LC 滤波电路滤波电路输出直流电压为：输出直流电压为：2O(AV)O(AV)9 . 0 UUU 脉动系数脉动系数 S ：SLCS 21 LC滤

13、波电路的特点：滤波电路的特点：在负载电流较大或较小的情况下在负载电流较大或较小的情况下均有良好的滤波作用，故适用于各种场合。均有良好的滤波作用，故适用于各种场合。图图 10.3.520 为了保证整流管的导为了保证整流管的导电角为电角为1800，近似条件为，近似条件为RL 3 L。 在在LC滤波电路中，输出电压的脉动成分更小，滤波电路中，输出电压的脉动成分更小， L、 C愈大，脉动系数愈小。愈大，脉动系数愈小。LA二、二、LC - 型滤波电路型滤波电路输出直流电压提高了，为：输出直流电压提高了，为：图图 10.3.6212O(AV)2 . 1 UU 但整流管的但整流管的冲击电流比较大，冲击电流比

14、较大，滤波电路的滤波电路的外特性比较软。外特性比较软。S脉动系数比仅有脉动系数比仅有LC滤波时更小了，波形更加平滑。滤波时更小了，波形更加平滑。 在电容滤波的基础上在电容滤波的基础上加上一级加上一级LC滤波。滤波。三、三、RC - 型滤波电路型滤波电路输出直流电压为：输出直流电压为：O(AV)LLO(AV)URRRU 脉动系数脉动系数 S 约为：约为：SRRCS )/(1L2 缺点是：缺点是：在电阻在电阻R上有直流压降，整流管的冲击电流比较上有直流压降，整流管的冲击电流比较大，外特性比电容滤波更软。大，外特性比电容滤波更软。图图 10.3.722 经过第一级电容滤波经过第一级电容滤波以后，以后

15、，C1两端的电压包含一两端的电压包含一个直流分量和一个交流分量。个直流分量和一个交流分量。在在R上直流成分衰减较少，上直流成分衰减较少，交流成分衰减较多，所以输交流成分衰减较多，所以输出电压的脉动成分进一步降出电压的脉动成分进一步降低。低。图图 10 - 2各种滤波电路的性能比较各种滤波电路的性能比较序号序号 性能性能类型类型U O（AV）/U2适用场合适用场合整流管的整流管的冲击电流冲击电流外特性外特性1电容滤波电容滤波 1.2小电流小电流大大软软2电感滤波电感滤波0.9大电流大电流小小硬硬3LC 滤波滤波0.9适应性较强适应性较强小小硬硬4LC - 型滤波型滤波 1.2小电流小电流大大软软

16、5RC - 型滤波型滤波 1.2小电流小电流大大更软更软23 10.4倍压整流电路倍压整流电路 10.4.1二倍压整流电路二倍压整流电路22UiD1iD222U图图 10.4.1二倍压整流电路二倍压整流电路24u2 0， VD1导通，导通，C1被充电至被充电至 ， u2 0， VD2导通，导通， C2被充电至被充电至 ，极性也是上正下负。所以在理想情况下，输，极性也是上正下负。所以在理想情况下，输出直流电压为出直流电压为 ，实现了二倍压整流。，实现了二倍压整流。22U22U222U222 UUO 10.4.2多倍压整流电路多倍压整流电路+- -+- -22U- -+ +u2+ 222U+ 22

17、2U+ 222U+ 222U+ 222U适用于要求输出电压较高、负载电流较小的场合。适用于要求输出电压较高、负载电流较小的场合。图图 10.4.2多倍压整流电路多倍压整流电路25 10.5硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路 10.5.1稳压电路的主要指标稳压电路的主要指标整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因：整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因：负载变化；负载变化；电网电压波动。电网电压波动。一、内阻一、内阻 Ro常常数数 IOOoUIUR二、稳压系数二、稳压系数 Sr常常数数常常数数 LLOIIOIIOOr/RRUUUUUUUUS26 10.5.2硅稳压管稳压电路的组成和工作原理硅稳压管稳压电

18、路的组成和工作原理稳压原理：稳压原理：1. UI 不变，不变，RL 减小减小RLILURUOIZIR=IL+IZ基本不变基本不变2. RL 不变，不变， UI 升高升高UIUOIZURUO=UI UR基本不变基本不变UOUO图图 10.5.127 整流滤波后得到的直整流滤波后得到的直流电压作为稳压电路的输流电压作为稳压电路的输入电压入电压UI,稳压管稳压管VDZ与负与负载电阻载电阻RL并联。并联。硅稳压管的伏安特性硅稳压管的伏安特性 O图图 10.5.2硅稳压管的伏安特性硅稳压管的伏安特性IU在反向击穿区，流在反向击穿区，流过稳压管的电流发生很过稳压管的电流发生很大变化，两端电压基本大变化，两

19、端电压基本不变。不变。28 10.5.3 稳压电路的内阻和稳压系数稳压电路的内阻和稳压系数1. 内阻内阻 RoZZIOo/rRrUUR 2. 稳压系数稳压系数 Sr当当 rZ RL ， rZ uA 时，时，uB = + UOPP，调整管饱和导通，调整管饱和导通，iE 向负向负载提供电流，并将能量储存在电感的磁场中；载提供电流，并将能量储存在电感的磁场中；当当 ut uA 时，时，uB = - - UOPP，调整管截止，调整管截止， iE = 0，电感，电感释放能量，产生的电流流过负载和二极管。释放能量，产生的电流流过负载和二极管。图图 10.8.256结论：结论：调整管处于开关状态，发射极电位

20、是高低交替调整管处于开关状态，发射极电位是高低交替的脉冲波形，经的脉冲波形，经 LC 滤波电路后，负载上得到较平滑的输滤波电路后，负载上得到较平滑的输出电压互感器出电压互感器 uO。 110DCESI0EOd)(d)(1d1TTTTtUtUUTtuTUII10IO1d1DUUTTtUTUT 脉冲波形的占空比。脉冲波形的占空比。TTD1 图图 10.8.3图图 10.8.2 电路的波形图电路的波形图57*10.9可控整流电路可控整流电路10.9.1晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性一、结构与符号一、结构与符号图图 10.9.2晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号阳极阳极阴极阴极控制极控制极58二、

21、工作原理二、工作原理图图 10.9.41. 控制极不加电压，无论在阳极与阴控制极不加电压，无论在阳极与阴极之间加正向或反向电压，晶闸管都不导极之间加正向或反向电压，晶闸管都不导通。通。称为阻断称为阻断2. 控制极与阴极间加正向电压，阳极控制极与阴极间加正向电压，阳极与阴极之间加正向电压，晶闸管与阴极之间加正向电压，晶闸管导通导通。NPNPNPIG1 2IG1IG图图 10.9.359结论：结论：晶闸管由阻断变为晶闸管由阻断变为导通的条件是在阳极和阴极之间导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压时，再在控制极加一个正的触发脉冲；加正向电压时，再在控制极加一个正的触发脉冲；晶闸管由导通变为晶闸管由导

22、通变为阻断的条件是减小阳极电流阻断的条件是减小阳极电流 IA 。晶闸管导通后，管压降很小，约为晶闸管导通后，管压降很小，约为 1 V 左右。左右。60三、伏安特性和主要参数三、伏安特性和主要参数1. 伏安特性伏安特性OUAKIAUBOABCIHIG= 0正向阻断特性正向阻断特性：当：当 IG= 0 ，而，而阳极电压不超过一定值时，管子阳极电压不超过一定值时，管子处于阻断状态。处于阻断状态。UBO 正向转折电压正向转折电压正向导通特性正向导通特性：管子导：管子导通后，伏安特性与二极管的通后，伏安特性与二极管的正向特性相似。正向特性相似。IH 维持电流维持电流当控制极电流当控制极电流 IG 0 时

23、，时， 使晶闸管由阻断变为导通所使晶闸管由阻断变为导通所需的阳极电压减小。需的阳极电压减小。IG 增大增大反向特性反向特性：与二极管的反向特性相似。：与二极管的反向特性相似。UBR图图 10.9.6晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性612. 主要参数主要参数 断态重复峰值电压断态重复峰值电压 UDRM 反向重复峰值电压反向重复峰值电压 URRM 额定通态平均电流额定通态平均电流 IT 额定通态平均电压额定通态平均电压 UT 维持电流维持电流 IH ： 控制极触发电压控制极触发电压 UGT 控制极触发电流控制极触发电流 IGT6210.9.2单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路+- -uG在在 u2 正半周，当控制极加触发正半周，当控制极加触发脉冲，脉冲，VT1 和和 VD2 导通；导通；在在 u2 负半周，当控制极加触发负半周，当控制极加触发脉冲，脉冲，VT2和和 VD1 导通；导通； ：控制角；：控制角； ：导电角：导电角一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理图图 10.9.7图图 10.9.863二、电路参数的估算二、电路参数的估算)(dsin212O(AV)ttUU 2cos19 . 02O(AV) UU即：即： 输出电压平均值：输出电压平均值： 输出电流平均值：输出电流平均值：2cos19 . 0L2LO(AV)O(A