第7章 直流电源

1、第一节第一节 整流电路整流电路第二节第二节 滤波电路滤波电路第三节第三节 稳压电路稳压电路第四节第四节 开关稳压电路开关稳压电路第五节第五节 可控硅整流电路可控硅整流电路直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 电源变压器电源变压器: 将交流电网电压将交流电网电压u1变为合适的交流电压变为合适的交流电压u2。整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路 整流电路整流电路: 将交流电压将交流电压u2变为脉动的直流电压变为脉动的直流电压u3。 滤波电路滤波电路: 将脉动直流电压将脉动直流电压u3

2、转转变为平滑的直流电压变为平滑的直流电压u4。 稳稳压电路压电路: 清除电网波动及负载变化的影响清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压保持输出电压uo的稳定。的稳定。1.0 直流稳压电源的组成和功能直流稳压电源的组成和功能第一节第一节 整流电路整流电路 一、单相半波整流电路一、单相半波整流电路三、单相桥式整流电路三、单相桥式整流电路二、整流电路的主要参数二、整流电路的主要参数四、三相桥式整流电路四、三相桥式整流电路五、倍压整流电路五、倍压整流电路常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。桥式和倍压整流等。基本原理：基本原理：二极管的正

3、向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流（整流（rectifier）：）：是利用二极管的单向导电性，是利用二极管的单向导电性，把交流电转换成把交流电转换成脉动直流电脉动直流电的过程。的过程。 1.1 单相半波整流电路的工作原理单相半波整流电路的工作原理u2 0 时，二极管时，二极管导通。导通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正忽略二极管正向压降：向压降： uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u20时，二极时，二极管截止管截止,输出电输出电流流为为0。uo=0t uo(4) 输出电压平均值（输出电压平均值（Uo）：）：(1) 输出电压波形：输

4、出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL2220210.452ooUUu dtU(3) 二极管上承受的最高电压：二极管上承受的最高电压：22UURM(2) 二极管上的平均电流：二极管上的平均电流：1.2 单相半波整流电路的参数单相半波整流电路的参数I ID D=I=I0 0=0.45U=0.45U2 2/R/RL L单相半波整流电路输出电压平均值单相半波整流电路输出电压平均值1.3 输出电压脉动系数输出电压脉动系数补充：频域及傅里叶变换简述补充：频域及傅里叶变换简述以时间作为参照来观察动态世界的方法我们称其为时域分析。以时间作为参照来观察动态世界的方法我们称其为时域分析。世间万物都在随着时间不

5、停的改变，并且永远不会静止下来。世间万物都在随着时间不停的改变，并且永远不会静止下来。用另一种方法来观察世界的话，会发现变化的世界也可以是用另一种方法来观察世界的话，会发现变化的世界也可以是不变的，就叫做频域。不变的，就叫做频域。一段音乐一段音乐一段频谱一段频谱傅里叶告诉我们，任何周期函数，都可以看作是不同振幅，傅里叶告诉我们，任何周期函数，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的叠加。不同相位正弦波的叠加。在第一个例子里我们可以理解为，在第一个例子里我们可以理解为，利用对不同琴键不同力利用对不同琴键不同力度，不同时间点的敲击，可以组合出任何一首乐曲度，不同时间点的敲击，可以组合出任何一首乐曲。

6、贯穿时域与频域的方法之一，就是傅里叶分析。贯穿时域与频域的方法之一，就是傅里叶分析。傅里叶分析可分为傅里叶级数（傅里叶分析可分为傅里叶级数（Fourier Serie）和傅里叶变）和傅里叶变换（换（Fourier Transformation）例子：用正弦曲线波叠加出一个带例子：用正弦曲线波叠加出一个带90度角的矩形波度角的矩形波第一幅图是一个正弦波第一幅图是一个正弦波cos（wt）第二幅图是第二幅图是2个正弦波的叠加个正弦波的叠加cos（ wt ）+a.cos（ 3wt ）第三幅图是第三幅图是4个正弦波的叠加个正弦波的叠加第四幅图是第四幅图是10个正弦波的叠加个正弦波的叠加随着正弦波数量逐渐

7、的增长，他们最终会叠加成一个标准的矩形。随着正弦波数量逐渐的增长，他们最终会叠加成一个标准的矩形。上图的正弦波累加成矩形波，上图的正弦波累加成矩形波，我们换一个角度来看看：我们换一个角度来看看：要多少个正弦波叠加起来才能要多少个正弦波叠加起来才能形成一个标准形成一个标准90度角的矩形波度角的矩形波呢？呢？答案是无穷多个。答案是无穷多个。一个矩形波，在频域里的另一个模样一个矩形波，在频域里的另一个模样 S定义：定义：整流输出电压的基波峰值整流输出电压的基波峰值Uo1m与平均值与平均值Uo之比。之比。输出电压脉动系数输出电压脉动系数用傅氏级数对单相半波整流的输出用傅氏级数对单相半波整流的输出 uo

8、 分解后可得分解后可得:222/21.572/OIMoUUSUU输出电压脉动系数输出电压脉动系数:基波峰值基波峰值平均值平均值)4cos1522cos32sin21 (u 2u2o ttt基波峰值基波峰值平均值平均值单相半波整流电路单相半波整流电路tU sin22LRU2222U优点：使用元件少。优点：使用元件少。缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。单相桥式整流电路的习惯画法单相桥式整流电路的习惯画法1.3 单相桥式整流电路单相桥式整流电路1.3.1 单相桥式整流电路的工作原理单相桥式整流电路的工作原理桥式整流电路桥式整流电路+-

9、u2正半周时正半周时电流通路电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo桥式整流电路桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时负半周时电流通路电流通路工作过程分析：工作过程分析：*当当u2 0 (正半周正半周)，D1、D3导通，导通，D2、D4 截止。截止。 i1 的通路是的通路是a D1RL D3 b ;i1i2*当当u2 0 (负半周负半周)， D2、D4 导通，导通，D1、D3 截止。截止。 i2 的通路是的通路是b D2 RL D4 a ;单相桥式整流电路波形图单相桥式整流电路波形图 输出是脉动的输出是脉动的直流电压和电流！直流电压和电流！1.3.2 单相桥式整流电路

10、单相桥式整流电路的主要参数的主要参数 1. 整流输出电压平均值（整流输出电压平均值（Uo）全波整流时，负载电压全波整流时，负载电压 Uo的平均值为的平均值为:负载上的负载上的(平均平均)电流电流:LLRU.I290一、整流输出电压的平均值与脉动系数一、整流输出电压的平均值与脉动系数整流输出电压的平均值整流输出电压的平均值Uo和输出电压的脉动系数和输出电压的脉动系数S是是衡量整流电路性能的两个主要指标。衡量整流电路性能的两个主要指标。ooU.tduU20290212 S定义：定义：整流输出电压的基波峰值整流输出电压的基波峰值Uo1m与平均值与平均值Uo之比。之比。2. 脉动系数脉动系数67032

11、22324221.UUUUSomo用傅氏级数对全波整流的输出用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUuo基波峰值基波峰值平均值平均值1.4 三相整流电路及其波形三相整流电路及其波形t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6t t7 7u uo oto o负载电压负载电压u uo ou ua au ub bu uC C2 2 t 在在 t1 t2 期间期间共阴极组中共阴极组中a点电位最高，点电位最高，D1 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中b点电位最低，点电位最低，D4 导通。导通。在在 t2

12、 t3 期间期间共阴极组中共阴极组中a点电位最高，点电位最高，D1 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中c点电位最低，点电位最低，D6 导通。导通。在在 t3 t4 期间期间共阴极组中共阴极组中b点电位最高，点电位最高，D3 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中c点电位最低，点电位最低，D6 导通。导通。在在 t4 t5 期间期间共阴极组中共阴极组中b点电位最高，点电位最高，D3 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中a点电位最低，点电位最低，D2 导通。导通。1.5 1.5 参数计算参数计算整流电压平均值整流电压平均值 ： 整流电流平均值整流电流平均值 ：流过每管电流平均值流过每管电流平均值 ：每管

13、承受的最高反向电压每管承受的最高反向电压 ：2.34U) )d(30 sin(231ab260ttUULL34. 2oRURUIo31DIIUU23DRM%100maxminmaxUUU%4 .13%100732. 15 . 1732. 1 2.工作原理工作原理 3.电路特点：适用于高电压、小电流（大负载电阻）的负载。电路特点：适用于高电压、小电流（大负载电阻）的负载。 电流通路：电流通路： aC1D1b新新“电源电源”（UC1+u2）给）给C2充电构成了二倍压整流电路。充电构成了二倍压整流电路。2、滤波电路、滤波电路滤波电路的结构特点滤波电路的结构特点: 电容与负载电容与负载 RL 并联，或

14、并联，或电感与负载电感与负载RL串联。串联。交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波直流直流电压电压原理：原理：利用储能元件电容两端的电压利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中或通过电感中的电流的电流)不能突变的特性不能突变的特性，达到平滑输出电压，达到平滑输出电压波形的目的。波形的目的。2.1 电容滤波电路电容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例进行分析，其电路如图所示。其电路如图所示。一、滤波原理一、滤波原理桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+当当U U2 2到达到达9090时时，U U2

15、 2开始下开始下降。电容降。电容C C就要以指数规律就要以指数规律向负载向负载L L放电。放电。 在刚过在刚过9090时时，正弦曲，正弦曲线下降的速率很慢。所线下降的速率很慢。所以刚过以刚过9090时二极管仍时二极管仍然导通。在超过然导通。在超过9090后后的某个点，正弦曲线下的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。电速率时，二极管关断。整流电路内阻上还存在整流电路内阻上还存在一定的压降一定的压降电容滤波的计算一般常采用以下近似估算法：电容滤波的计算一般常采用以下近似估算法：输出直流电压：输出直流电压：022(1

16、)4LTUUR C脉动系数：脉动系数：4LTSR CT2.2 电感滤波电感滤波电路结构电路结构: 在桥式整流电路与负载间在桥式整流电路与负载间串联入串联入电感电感L就就构成了电感滤波电路。构成了电感滤波电路。电感滤波电路电感滤波电路u2u1RLLuo一、滤波原理一、滤波原理对直流分量对直流分量: XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上。上。对谐波分量对谐波分量: f 越高，越高，XL 越大越大,电压大部分降在电压大部分降在XL上。上。因此，因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。u2u1RLLuo+4123LD+DLu4-R220V32

17、DD1u21uL(a) RC 型滤波电路型滤波电路 (b)LC 型滤波电路型滤波电路二二. 型滤波电路型滤波电路C2+RC1+uo- -+ui- -RL(a)C2+LC1+uo- -+ui- -RL(b)3.0 稳压电路的指标稳压电路的指标稳压电源稳压电源技术指标技术指标质量指标质量指标特性指标特性指标输入电压、输出电压输入电压、输出电压输出电流、输出电流、输出电压调节范围输出电压调节范围稳压系数、输出电阻稳压系数、输出电阻温度系数、纹波电压温度系数、纹波电压3.1 3.1 稳压管稳压管稳压电路稳压电路 适用于输出适用于输出电压固定、输出电流不大、且电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合

18、负载变动不大的场合。引起输出电压变化的原。引起输出电压变化的原因是：因是：1 1、交流电网电压波动交流电网电压波动，这将使整流电压的直，这将使整流电压的直流分量随之变化；流分量随之变化；2 2、负载电阻的变化负载电阻的变化导致电流变化导致电流变化，会在整流会在整流电源的内阻上产生电压降，使输入电压变化。电源的内阻上产生电压降，使输入电压变化。分析：分析：1 1）OAOA段段: :当当0 0U UU UZ Z 时，时，I IZ Z很小；很小；2 2）ABAB段段: :当当 U UU UZ Z 时，时，I IZ Z很大，虽很大，虽 I IZ Z 变化范围很大，但稳压管两变化范围很大，但稳压管两 端

19、的电压端的电压U UZ Z变化很小；体现了稳变化很小；体现了稳压特性。压特性。结论：结论：1 1）稳压管的）稳压管的 U UI I 特性为非线性，特性为非线性， 且反向特性很陡；且反向特性很陡；2 2）稳压管工作于反向击穿区。）稳压管工作于反向击穿区。稳压管伏安特性稳压管伏安特性稳压管稳压电路组成和工作原理稳压管稳压电路组成和工作原理稳压原理：稳压原理：利用稳压管的反向击穿特性。当电路利用稳压管的反向击穿特性。当电路电源电压或负载电流变化时，引起电源电压或负载电流变化时，引起 I IZ Z 变化，使变化，使 R R 上的电压发生变化来维持输出电压不变。上的电压发生变化来维持输出电压不变。(1)

20、 (1) 当输入电压变化时当输入电压变化时U Ui i U UO O I IZ Z I I U UR R U UO O (2) (2) 当负载变化时当负载变化时U UO O I IZ Z I I U UR R U UO O 2.2.工作原理工作原理 OUOUUF(UZUF)UBIC、IE3.3 集成稳压电源集成稳压电源随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有源只有输入，输出和公共端输入，输出和公共端，故称之为三端集成稳，故称之为三端集成稳压器。压器。 三端集成稳压器是将调整三端集成稳压器是将调整管、比较放大电路、基准电源、管、比较放大电路、基准电源、取样电路及连接导线等制作在取样电路及连接导线等制作在一片硅片上，它有三个端子：一片硅片上，它有三个端子：输入端、输出端和公共端。输入端、输出端和公共端。TO-92 TO-3 T0-220TO-92 TO-3 T0-220注：注：型号后型号后XX两位数字代表输出电压值两位数字代表输出电压值输出电压额定电压值有输出电压额定电压值有: :5V5V、 6V