城市轨道交通电工电子技术单元9 直流电源

单元9.直流电源单元学习目标

1.掌握直流稳压电源的组成；2.掌握桥式整流电路；3.了解整流、滤波电路有关电流的计算，二极管、电容的选择；4.掌握电容滤波对整流电路的影响；5.掌握晶体管稳压电路。一．直流稳压电源1.直流电源的组成

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U1U2URUFUO交流电源电压电源变压器整流电路滤波电路稳压电路负载U1U2URUFUO图9-1直流稳压电源结构图

(1).电源变压器—电源变压器也称整流变压器。由于所需要的直流电压比电网的交流电压在数值上相差较大，因此利用变压器降压得到比较合适的交流电压再进行转换。有些电源利用其他方式进行降压，而不用变压器。

(2).整流电路—整流电路是将工频交流电转换为脉动直流电。

(3).滤波电路—滤波电路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。 (4).稳压电路—消除电网电压、负载变化对输出电压的影响2.电源变压器分类线性稳压电路直流稳压电源非线性稳压电路

二.整流电路整流电路的任务是将交流电变换成直流电

1.单相桥式整流电路的工作原理图9-2单相桥式整流电路

单相桥式整流电路的工作原理如下：u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→D1→RL→D3→b。u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：b→D2→RL→D4→a。上述工作状态如图9-3所示。图9-3单相桥式整流电路工作过程图

如此重复下去，结果在RL上便得到全波整流电压。利用图9-2可得单向整流电路波形如图9-4所示。图9-4单相桥式整流电路波形2.单相桥式整流电路的性能指标

(1).输出电压平均值Uo

(2).流过负载的电流平均值IL

(3).每只二极管的电流平均值IV

(4).二极管承受的最大反向电压URM

例9-1设计一个单相桥式整流电路，要求输出电压为120V，电流为3A。试求整流变压器次级绕组的电压，并选择合适的整流二极管。 解：根据单相桥式整流电路公式得： U2=UL/0.9=120/0.9=133V流过二极管的平均电流：IV=1/2IL=1/2×3=1.5A二极管承受的最大反向电压：V查阅晶体管手册，可选2CZ56E型二极管四只，其最大整流电流为3A，最大反向电压为300V。

桥式整流电路的优点是输出电压高，输出电压脉动小，每只整流二极管通过的电流小，管子所承受的最大反向电压较低；每半周内变压器二次绕组都有电流流过，电源变压器得到充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。电路的缺点是二极管用的较多。 需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。

知识链接 常见的几种整流电路 常见的几种整流电路的电路图、整流电压的波形及计算公式，见表9-1。

类型电路整流电压的波形整流电压平均值每管电流平均值每管承受最高反压单相半波0.45U2单相全波0.9

U2单相桥式0.9

U2三相半波1.17

U2三相桥式2.34

U2滤波就是保留脉动电压的直流成分，尽可能滤除它的不同频率的交流成分，使波形更为平滑。电感元件和电容元件可以起到滤波的作用。三.滤波电路1.电容滤波电路单相桥式整流电容滤波电路的工作原理如下：当接入电容C时，在输入电压U2正半周时间内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止。整流电流分两路，一路经二极管D1、D3向负载RL提供电流，另一路向电容器C充电，如图9-6中ab段，充电时间τ=RLC。当电容电压被充至最大值时，输入电压U2按正弦规律下降，而电容电压下降速度较慢，使得U2<UC，此时D1、D3反向截止。电源不能给负载提供电流，电容器C向负载RL放电，如图9-6中bcd段。当输入电压U2进入负半周时间内，D2、D4在短时间内不能导通，在U2电压高于UC绝对值时，D2、D4导通，电源向负载提供电流，并再一次对电容进行充电，重复上一个循环。当电容进行不断地充、放电时，负载上得到如图9-6所示的波形。该波形与整流后的波形相比脉动幅度减小，波形更为平滑。电容容量越大，放电越慢。一般电容取得较大时，输出电压按下式估算：图9-6单相桥式整流电容滤波电路波形输出电流Io(A)0.05以下0.05～0.10.1～0.50.5～112电解电容量C(μF)200200～500500100020003000电容滤波电路中电容的选用2.其他形式的滤波电路(1).电感滤波电路利用储能元件电感器L的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载相串联，也可以起到滤波的作用。图9-7桥式整流电感滤波在滤波电容C之前一个电感L构成了LC滤波电路。(如图9-8a）所示。这样可使输出至负载RL上的电压的交流成分进一步降低。该电路适用于高频或负载电流较大并要求脉动很小的电子设备中。(2).复式滤波电路a）LC型滤波器b）πLC滤波器c）πRC型滤波器

图9-8复式滤波电路

交流电经过滤波后变成较为平滑的直流电压，但是当交流电网U2的数值波动或负载RL发生变化时，负载电压不稳定。利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。

四.稳压电路1.硅稳压管稳压电路(1).硅稳压二极管的特性稳压管工作在反向击穿状态。当工作电流满足条件时，稳压管两端电压几乎不变。图9-9硅稳压管的伏安特性及符号(2).稳压二极管的主要参数a.稳定电压—稳压管在规定电流下的反向击穿电压b.稳定电流IZ—稳压管在稳定电压下的工作电流。c.最大稳定电流IZmax—稳压管允许长期通过的最大反向电流。d.动态电阻rZ—稳压管两端电压变化量与电流变化量的比值。此值越小，管子稳压性能越好。a.电路图稳压管稳压电路如图9-10所示。V为稳压管，起电流调整作用；R为限流电阻，起电压调整作(3).稳压管稳压电路的工作原理

图9-10硅稳压管整流稳压电路b.电路的稳压过程 UO↓→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑c.应用小功率场合。(1).电路组成串联型可调直流稳压电路如图9-11所示，其输入端接整流、滤波电路的输出端。该电路由四部分组成a.取样电路—由R1、R2、RP组成的电阻分压电路b.基准电压—由稳压管VDZ与R3串联组成。c.比较放大电路—由运算放大器完成。d.调整电路—由调整管V组成。

2.串联型可调直流稳压电路

图9-11串联型直流稳压电路(2).稳压原理当交流电网电压U2升高时有U2↑→UI↑→UO↑→运放反相输入电压U-↑→（UZ-U-）↓→VB↓→IB↓→IC↓→UCE↑→UO↓ 当交流电网电压不变，负载RL变小时，有 RL↓→IO↑→UO↓→运放反相输入电压U-↓→（UZ-U-）↑→VB↑→IB↑→IC↑→UCE↓→UO↑

想一想

当交流电网电压有效值U2下降时，分析图9-11串联型直流稳压电路的稳压过程。

知识链接

集成稳压器 集成稳压器是把一个完整的稳压电路制作在一片半导体芯片上，形成具有稳压功能的固体集成电路。集成稳压器具有体积小、价格低、使用方便、工作可靠、稳压精度高等特点，广泛应用于各种仪器、仪表等电子设备中。常见的有W78××和W79××系列的三端集成稳压器。3.直流稳压电路在城市轨道交通供电系统中的应用

1—发电厂（站）2—升压变压器3—电力网4—主降压变压站5—直流牵引变电所6—馈电线7—接触网8—行走轨道9—回流线图9-12城市轨道交通直流电力牵引供电系统直流牵引变电所从双电源受电，经整流机组变压器降压，分相后，按一定整流接线方式由大功率硅整流器把三相交流电变换为与直流牵引网相应电压等级的直流电，向电动车组供电，图9-13所示的是直流牵引变电所的接线原理图。图9-13直流牵引变电所接线图

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9-1（1）为什么稳压管的动态电阻愈小，则稳压愈好？（2）利用稳压管或二极管的正向导通区是否也可以稳压？（3）用两个稳压值相等的稳压管反向串联起来使用可获得较好的温度稳定性，这是为什么？

9-2如题图9-1所示电路中，稳压管DZ1的稳定电压为8V，DZ2的稳定电压为10V，正向压降均为0.7V，试求图中输出电压Uo。题图9-1复习与思考9-29-3

（1）设一半波整流电路和一桥式整流电路的输出电压平均值和所带负载大小完全相同，均不加滤波，试问两个整流电路中整流二极管的电流平均值和最高反向电压是否相同？

（2）单相桥式整流电路中，若某一整流管发生开路，短路，或反接三种情况，电路中将会发生什么问题？

（3）在某一特殊场合，将单相桥式整流电路，不经变压器直接接入交流电源，试问：若负载RL一端接“地”，结果如何？

（4）电容滤波和电感滤波电路的特性有什么区别？各适用于什么场合？9-4如题图9-2所示。试标出输出电压Uo1、Uo2的极性，画出输出电压的波形。并求出Uo1、Uo2的平均值。题图9-2复习与思考