第十章 直流电源

第十章直流电源1第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五第十章直流电源§10.1直流电源的组成§10.2单相整流电路§10.3滤波电路§10.4倍压整流电路的工作原理§10.5硅稳压电路§10.6串联型直流稳压电路§10.7集成稳压电源***2第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2，起到降低电压的幅度的作用。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo整流电路滤波电路稳压电路整流电路:将正负交替的交流电压u2整流成为单方向的脉动电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。§10.1直流电源的组成3第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五整流电路的任务：把交流电压转变为单方向的脉动电压。§10.2单相整流电路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。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。4第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五§10.2.1单相半波整流电路u2>0时，二极管导通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正向压降：

uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u2<0时，二极管截止，输出电流为0。uo=05第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五(2)输出电压平均值（Uo）：(1)输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiLU2是u2的有效值uo6第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五(4)二极管上承受的最高反向电压：(3)二极管上的平均电流：优点：电路简单，元件少。缺点：直流成分低，变压器的利用率低。元件的选择：最大整流电流最高反向工作电压至少有10%的余地7第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五图10.2.1半波整流电路的波形图8第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五§10.2.2单相桥式整流电路的工作原理桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo9第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路10第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五桥式整流电路的其他画法11第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五u2>0时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A

D1RLD3Bu2<0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:BD2RLD4A输出是脉动的直流电压！u2（1）桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB12第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五桥式整流电路波形图(2)uo平均值Uo：(3)二极管上的平均电流：(4)二极管上承受的最高电压：13第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五整流电路的主要参数

1.整流输出电压平均值（Uo）全波整流时，负载电压Uo的平均值为:负载上的(平均)电流: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Uo和输出电压的脉动系数S是衡量整流电路性能的两个主要指标。14第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五

S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1m与平均值Uo之比。2.脉动系数Ｓ用傅氏级数对全波整流的输出uo

分解后可得:15第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五平均电流(ID)与反向峰值电压(URM)是选择整流管的主要依据。例如：在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流ID

是负载平均电流的一半。二极管截止时两端承受的最大反向电压：二、二极管的选择参数16第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五

主要参数电路形式半波整流全波整流桥式整流单相整流电路主要参数的比较（忽略变压器内阻和整流管压降）17第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五§10.3滤波电路滤波电路的结构特点:电容与负载RL并联，或电感与负载RL串联。交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压原理：利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。18第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五§10.3.1电容滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。一、滤波原理桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–19第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五1.RL未接入时(忽略整流电路内阻)u2tuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–20第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五2.RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻)u2tuot电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–21第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五u2tuot只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流iD。因此整流电路的输出电流是脉冲波。整流电路的输出电流iDau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–iD可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。22第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五u2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。整流电路的输出电流RLC越小，输出电压越低。3.RL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–23第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五一般取(T:电源电压的周期)近似估算:Uo=1.2U2。(2)流过二极管瞬时电流很大。RLC越大Uo越高

负载电流的平均值越大;

整流管导电时间越短iD的峰值电流越大故一般选管时，取二、电容滤波电路的特点(1)输出电压Uo与放电时间常数RLC有关。RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大24第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,Uo

和S也随之改变。如:RL愈小(IL

越大),Uo下降多,S增大。结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。(3)输出特性(外特性)uo电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IL25第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五§10.3.2电感滤波电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。电感滤波电路u2u1RLLuo26第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五一、滤波原理对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:

f越高，XL越大,电压大部分降在XL上。

因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLuo27第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五二、电感滤波的特点整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。u2u1RLLuo28第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五*§10.3.3其他形式的滤波电路改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：L-C型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC–型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。LC–

型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C型滤波电路。29第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五uoRu2u1C1C2uo1´RL一、RC–型滤波电路设uo1的直流分量为U´O，交流分量的基波的幅值为U´O1m，则：uo的直流分量：30第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五uoRu2u1C1C2uo1´RLuo的交流分量的基波的幅值：31第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五通常选择滤波元件的参数使得：uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：32第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五二、L-C

型滤波电路u2u1LuoCRLuo1设uo1的直流分量为U´O，交流分量的基波的幅值为U´O1m，：33第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五通常选择滤波元件的参数使得：uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：34第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五三、LC–

型滤波电路u2u1LuoC2RLuo1C1显然，LC–型滤波电路输出电压的脉动系数比只有LC滤波时更小，波形更加平滑；由于在输入端接入了电容，因而较只有LC滤波时，提高了输出电压。请自行分析LC–

型滤波电路的输出电压和脉动系数等基本参数。35第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五

性能类型各种滤波电路的性能比较适用场合整流管的冲击电流外特性序号1电容滤波电感滤波LC滤波RC-滤波小电流小电流大电流小电流适应性较强大小小大大软硬硬更软软2345LC-滤波36第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五§10.5硅稳压管稳压电路稳压管稳压电路开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)以下主要讨论线性稳压电路。电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。37第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五§10.5.1稳压电路的主要性能指标稳压原因：（1）负载的变化会引起输出直流电压的变化；（2）电网电压的波动也会引起输出直流电压的变化。性能指标：一、输出电阻Ro输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。38第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五二、稳压系数S稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。39第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五§10.5.2硅稳压管的伏安特性

从图中可以清楚地看出当二极管处于反向击穿时，电流有很大的变化，而电压的变化却很小，基本保持不变。把稳压管两端的电压送到负载上就可以得到比较稳定的电压。稳压管的参数：（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ（3）内阻rZ40第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五§10.5.3稳压管稳压电路变压器整流电路滤波电路稳压电路电网电压负载一、电路的组成和工作原理41第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五假设现在稳压管工作a点分析：RL不变（1）UI增大，则R中的电流就增加，但增加的部分由稳压管承担，此时稳压管的工作状态从a点到c点，负载中的电流不变，故输出电压也不变。其实此时增加的电压全部降在限流电阻上。（2）UI减小，则R中的电流就减少，但减少的部分由稳压管提供，此时稳压管的工作状态从a点到b点，负载中的电流不变，故输出电压也不变。稳压管的工作状态只要符合IZ的范围，稳压管就可以正常稳压。42第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五分析：UI不变（1）RL增大，要保证输出电压不变，就要减小负载中的电流，而此时R中的电流不变，则多余的电流就由稳压管承担，此时稳压管的工作状态从a点到c点，故输出电压也不变。（2）RL减小，要保证输出电压不变，就要增加负载中的电流，而此时R中的电流不变，则缺少的电流就由稳压管提供，此时稳压管的工作状态从a点到b点，故输出电压也不变。由分析可知，稳压管是通过调整流过自身的电流，而两端的电压却不改变来进行稳压的。43第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五二、内阻和稳压系数的估算等效电路：1、内阻44第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五2、稳压系数45第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五三、限流电阻的选择也就是要保证稳压管能正常工作，IZ要在稳压范围内。

假设稳压管的工作电流在IZmin~IZmax之间，电网电压的范围为UImin~UImax，负载的范围为RImin~RImax。46第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五【例10.5.1】在我们讨论的稳压电路中，设稳压管的UZ＝6V，IZmax=40mA，IZmin=5mA；UZmax=15V，UZmin=12V；RLmax=600欧，RLmin=300欧。给定当IZ由IZmin变到IZmax时，UZ的变化量为0.35V。（1）试选择限流电阻R；（2）估算在上述条件下的输出电阻和稳压系数。解：（1）略直接代入公式（2）先求此时UI取中间值13.5V47第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五*§10.7集成稳压器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，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。48第四十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五1端:输入端2端:公共端3端:输出端W7800系列稳压器外形1231端:公共端2端:输入端3端:输出端W7900系列稳压器外形12349第四十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五注：型号后XX两位数字代表输出电压值输出电压额定电压值有:5V、9V、12V、18V、24V等。三端集成稳压器固定式可调式正稳压W78XX负稳压W79XX§9.6.2集成稳压电源的分类50第五十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五一、输出为固定电压的电路§9.6.2应用电路输出为固定正压时的接法如图所示。注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！+_W7800系列稳压器基本接线图CoW7800CIUI+_Uo1320.1~1F1µF51第五十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五二、输出正负电压的电路正负电压同时输出电路W78XXCIUI+