第07章-直流电源

第七章

直流电源

基本要求：理解整流电路和滤波电路的工作原理；掌握整流二极管和滤波电容的参数计算。基本内容：整流电路滤波电路稳压电路1半导体直流电源的组成变压：将交流电源电压变成符合整流要求的电压值。整流：利用二极管的单向导电性将交流电压变成脉动的直流电压。滤波：滤去脉动直流电压中的高次谐波，使之成为平滑的直流电压。稳压：在电网电压波动或负载变化时，保持输出稳定的直流电压。27.1单相整流电路

一、单相半波整流电路波形图

u2≤0u2＞0D导通uo=u2;D截止uo=0;

1.工作原理ui经Tr

u2

37.1单相整流电路2.输出电压、电流平均值的计算

输出电压平均值UO输出电流平均值IO3.脉动系数S输出电压的脉动系数定义为输出电压基波的最大值Uo1m与输出电压平均值UO之比。通过半波整流输出电压uo的富氏级数可求得Uo1m=U2/1.41447.1单相整流电路/单相半波整流电路4.二极管平均电流ID和二极管最高反向电压UDRM单相半波整流电路中流过二极管的电流ID就是输出电流IO；二极管正向导通，相当于短路；二极管反向截止，相当于断路。二极管承受反向电压就是输入的交流电压u2。

5.整流元件的选择根据ID、UDRM

选择合适的整流元件D;根据负载RL的要求决定变压器副边的有效值，U2=2.22UO,I2=2.22IO选择变压器.57.1单相整流电路/单相半波整流电路二、单相桥式整流电路

1.电路组成：原理图如图所示67.1单相整流电路2.工作原理当u2＞0(正半周)，D1、D3导通，D2、D4截止。i2的通路是a→D1

→RL

→

D3

→

b;当u2＜0(负半周)，D2、D4导通，D1、D3截止。i2

的通路是b→

D2

→RL

→

D4

→

a;77.1单相整流电路/单相桥式整流电路单相桥式整流电路波形图87.1单相整流电路/单相桥式整流电路3.主要参数(1)单相桥式整流电压的平均值UO=0.9U2

(2)单相桥式整流电流的平均值IO97.1单相整流电路/单相桥式整流电路4.二极管最大反向电压UDRM3.二极管中的平均电流ID5.脉动系数S由uo的傅氏级数求得107.1单相整流电路/单相桥式整流电路4.整流元件及变压器的选择(1)根据ID、UDRM选择整流电路元件D1～D4;(2)根据负载RL的要求决定变压器副边的有效值，∵UO=0.9U2,IO=0.9I2∴U2=1.11UO,I2=1.11IO

(3)根据U2、I2和电源电压U1选择变压器。变比：K=U1/U2容量：S=I2×U2

与单相整流电路相比，虽然单相桥式整流电路使用的整流元件较多，但它具有输出电压平均值高、输出功率大，对整流元件要求较低、变压器利用率高等一系列优点。因此广泛应用在直流电源整流环节中。

117.1单相整流电路/单相桥式整流电路例1:

已知负载电阻RL＝80Ω，负载电压Uo＝110V。今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为380V。试求(1)如何选用二极管?(2)求整流变压器的变比及容量。解:(1)二极管:选择:IFM>0.69A，URM>172.8V。127.1单相整流电路/单相桥式整流电路(2)整流变压器的变比和容量：变比∵I2=1.11IO≈1.53A∴变压器的容量

S=I2×U2=1.53×122.21≈187VA选择变压器K=4S>187VA137.1单相整流电路/单相桥式整流电路7.2滤波电路一.电容滤波器1.电路组成142.工作原理分析:

设uC(0-)=0,(1)u2＞0(正半周)a)当0＜u2

＜U2m

D1、D3导通，D2、D4

截止，iD=iC+iO,uC=uO，电容充电。157.2滤波电路/电容滤波器b)当u2＜uC

，且π/2＜ωt＜π时D1、D3、D2、D4截止

，iD=0，iC=iO,uC=uO，电容向负载放电。167.2滤波电路/电容滤波器(2)u2＜0(负半周)，a)在π＜ωt＜3π/2，当uC＜|u2|＜U2m

时，D2、D4导通，D1、D3

截止，有:iD=iC+iO,uC=uO，电容充电。b)在3π/2＜ωt＜2π，当|u2|＜uC

时，D1～D4截止

，有:iD=0，iC=iO,uC=uO，电容放电。(3)此后电容周期性放电。177.2滤波电路/电容滤波器(3)电容滤波的外特性

电容滤波的输出电压UO随输出电流IO的变化曲线称为电容滤波的外特性。如图所示。电容一定，输出电流IO=0(RL为无穷大)时,UO=U2m；随着IO(RL减小)增加，输出电压UO下降。而输出电流IO一定时，输出电压UO随电容C的减小而减小。从图中可以看出，电容滤波电路外特性差。所以，电容滤波仅适于小负载（负载电阻RL的阻值较大）或负载基本不变的场合。187.2滤波电路/电容滤波器3.参数估算⑴电容器的选择放电时间常数τ=RLC，若RL愈大，即τ愈大，则uO愈平坦，脉动愈小，UO值愈高。因此，输出电压受负载变化的影响较大，电容滤波电路的外特性较差。为得到较好的滤波效果，一般取:式中T为交流电源电压的周期。电容器的耐压值应大于1.414U2。

197.2滤波电路/电容滤波器在C=(3~5)T/2的条件下，有：UO=(1.1~1.4)U2,一般取：UO=1.2U2

(3)二极管的选择由于合闸时电源电压可能出现最大值，则电路将产生很大的冲击电流；另外，引入滤波后，二极管导通时间缩短，且τ放越大输出电压又越高，故整流管在短暂的时间内流过的电流比没有滤波时大大增加。选用二极管时，其电流参数应考虑较大的余量。(2)输出平均电压和电流207.2滤波电路/电容滤波器例2:有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率f＝50HZ，U1=220V，负载电阻RL＝300Ω，要求直流输出电压uo＝30V，选择整流二极管及滤波电容器。解:(1)选择整流二极管取:UO=1.2U2，则:U2=UO/1.2=25V∴D承受的最大反向电压为故选用整流二极管为2CP11，其最大整流电流为100mA,反向工作峰值电压为50V。217.2滤波电路/电容滤波器(2)选择滤波电容器据式τ=RL×C≥（3～5）T/2取RL×C=5T/2且f=50HZT=1/f=0.02s选C=250μF，耐压为40V的电容作滤波元件。

227.2滤波电路/电容滤波器二.电感滤波电路它是利用流过电感线圈的电流不能突变的原理而组成的。因此，电感线圈必须与负载电阻串联。当电路中流过的电流增加时，电感将产生反电势以阻止电流的增加；而流过的电流减小时，反电势又阻止电流减小。所以，输出电流和电压的脉动减小，起到和电容滤波相同的效果。电感滤波电路具有良好的外特性，但为了增大电感量，往往要带铁心，使得电感滤波电路笨重，体积大，也容易产生电磁干扰，使用不太方便。一般只适用于低电压大电流的场合。

237.2滤波电路一、稳压电路的性能指标1.稳压系数SrSr是指在负载和环境温度不变时，稳压电路的输出电压相对变化率和输入电压的相对变化率之比。2.稳压电路的输出电阻roro是指在输入电压和环境温度不变时，稳压电路的输出电压的变化量和输出电流的变化量之比。3.

系数STST是指在输入电压和负载电阻不变时，且在规定的温度范围内，单位温度变化所引起的输出电压的相对变化量。7.3稳压电路

2410.1单相整流电路二、并联稳压电路

1.电路工作原理

电路中各量将满足以下两个方程UO=UZ=UI－IRRIR=IZ+IO(1)RL不变，Ui波动的稳压过程：Ui↑→UO↑、UZ↑→IZ↑↑→IR↑↑→UR↑→UZ↓，使UO保持不变。(2)Ui不变，RL波动的稳压过程：RL↑→UO↑、UZ↑→IZ↑↑→IR↑↑→UR↑→UZ↓，使UO保持不变。257.3稳压电路综上所述在实际使用时，以上两种因素可能会同时存在。不管怎样，并联稳压电路的稳压过程都是：不论何种原因引起输出电压变化时，都将引起稳压管中流过的电流发生较大的变化，使得流过调节电阻R的电流亦发生较大的变化，调节电阻将调节自身两端电压降，最终达到保持输出电压基本不变的目的。

267.3稳压电路/并联稳压电路2.元件的选择(1)稳压管的选择和输入电压的确定由于输出电压就是稳压管的击穿电压UZ=UO根据负载电阻的变化范围可以求出输出电流的变化范围。为了保持有较好的稳压特性，一般取

Izmax≥(2～3)Iomax根据公式：UI=UO+IRR，在选择UI数量时应大于输出电压UO。一般取

UI=(2～3)UO277.3稳压电路/并联稳压电路(2)调节电阻R的选择调节电阻两端的电压是借助流过稳压管的电流IZ的变化来加以调整的。为使稳压电路能正常工作，必须保证在输入电压和负载电阻变化时，IZmin<IZ<IZmax由于IZ=IR-IO，则R的选择应满足以下两个极端情况：

①当输入电压UI最低而负载电流最大IO时，要保证流过稳压管的电流IZ不得小于稳压管工作电流的最小值IZmin

287.3稳压电路/并联稳压电路②当输入电压UI最高而负载电流IO最小时，要保证流过稳压管的电流IZ不得大于稳压管工作电流的最大值IZmax调节电阻R的取值范围为电阻的额定功率为PR≥(UI-UO)2/R297.3稳压电路/并联稳压电路3.

稳压性能指标计算将稳压管用其等效电阻代替，可得并联稳压电路的交流等效电路如图所示。

⑴稳压系数Sr

由此可见，R越大，rz越小，电路的稳压系数越小⑵输出电阻rO

当Ui=0，断开RL，从输出端看进去等效电阻即为稳压电路的输出电阻rO=rZ//R≈rZ

（R>>rZ）

307.3稳压电路/并联稳压电路三、串联稳压电路

1.

串联稳压原理当UI↑或RL↑时，可使电阻R↑，以保持输出电压不变；反之，减小电阻R值，也能达到同样目的。以这种原理进行稳压的电路称为串联稳压电路。

如果将晶体管代替可变电阻，利用晶体管在放大状态，电压UCE和电流IC均电流IB控制的特性，当IB↑→IC↑→UCE↓→rce等效电阻↓；反之，rce等效电阻↑，同样能够稳定输出电压UO。因此，在串联稳压电路中，用晶体管作为调节UO的调节管，它是串联稳压的核心元件。317.3稳压电路2.串联稳压电路的组成调整管T1接成射极输出器形式，具有电压串联负反馈作用，能够稳定输出电压UO。放大管T2组成比较放大器。T2发射极的电位是UZ，它是由限流电阻R1和稳压管DZ构成的并联稳压电路提供的基准电压UR。T2基极电位是电阻R3、RW、R4分压器的输出电压Uf，由于Uf正比于输出电压UO，故称之为采样电路。

327.3稳压电路/串联稳压电路3.串联稳压电路的工作原理当UO↑→

Uf

↑→

，Uf与基准电压UZ比较后，使得T2的UBE2↑→IB2↑→IC2↑→UR2

↑→UB↓→UBE1↓→IB1↓→IC1↓→UCE1↑→UO=UI-UCE1↓使UO基本保持不变。反之，当UO下降时，通过类似上述过程，也能使得输出电压UO基本不变。可见，UO的微小变化，都可以通过放大后影响到调整环节，通过电路的负反馈作用，从而实现对输出电压UO的调整。所以，串联稳压电路的稳压性能远远优于并联稳压电路。337.3稳压电路/串联稳压电路串联稳压电路的四个基本环节

⑴基准电压：由稳压管和限流电阻组成，为电路提供一个稳定的电压；⑵采样电路：通常采用分压器将输出电压的一部分取出，它反映输出量的变化；⑶比较放大器：将采样电压与基准电压比较后加以放大；⑷调整管：将经过比较放大后的信号送入调整管，以调整管子的集-射极间的电压，保证输出电压的稳定。347.3稳压电路/串联稳压电路串联稳压电路的保护环节

常用限流保护电路⑴在稳压电路正常工作时，输出电流在检测电阻R两端的压降UR较小，不能使保护管T2导通，保护管不影响电路的正常工作。⑵当输出短路或负载电流过大时，R两端的压降增加，保护管T2导通，IC2的增加使得流过调整管的电流IB1减小，从而限制了输出电流IO的增加，达到了保护电路的目的。

357.3稳压电路/串联稳压电路4.输出电压的调节范围

改变RW1和RW2的大小，即可改变输出电压UO的大小。当电位器调至最下端时，输出电压最大；电位器调至最上端时，输出电压最小。367.3稳压电路/串联稳压电路5.调整管的选择

调整管是串联稳压电路的核心元件，为保证它能正常工作，一般应选择大功率管。在选择时应注意以下几点：⑴流过调整管中的电流ICM应为ICM＞Icmax=Iomax+I式中，Icmax为调整管的最大集电极电流，Iomax为负载电流的最大额定值，I为采样、比较放大和基准等环节所消耗的电流之和。⑵调整管的击穿电压U(BR)CEO应为U(BR)CEO＞UCEmax=UImax式中，UCEmax为调整管的最大集-射极间电压。UImax为输入电压的最大值，当电路输出端发生短路故障时，输入电压全部加在调整管上。⑶调整管的最大集电极功耗PCM应为PCM＞Pcmax=UCEmaxIcmax=UImax(Iomax+I)377.3稳压电路/串联稳压电路四、集成稳压电路

三端固定电压式集成稳压电路是使用十分广泛集成稳压电路。它只有一个输入端、一个输出端和一个公共接地端，故常称为三端稳压器。根据输出电压极性，三端稳压器分为W78XX系列（输出正电压）和W79XX系列（输出负电压）两种。型号后面的两位数字表示输出电压的标称值。如型号为W7805、W7912的稳压管，对应输出+5V、－12V的电压。三端稳压器的最大输出电流分为三档：W78XX(W79XX)的最大输出电流为1～1.5A，W78MXX(W79MXX)的最大输出电流为0.5A，W78LXX（W79LXX）的最大输出电流为0.1A。387.3稳压电路1.基本应用