电子技工业务2 电子技工业务-第7节 单相整流和滤波电路

第2章

船舶电子电气基础一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

在船舶自动化装置中为了得到直流电,除了用直流发电机、蓄电池外,目前广泛采用半导体直流电源。把交流电转换成直流电叫整流电路,它是半导体直流电源的重要组成部分。(一)单相半波不可控整流电路图2-57所示是单相半波不可控整流电路,由整流变压器T1、整流元件二极管VD及负载RL组成。图2-57单相半波整流一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(一)单相半波不可控整流电路设整流变压器的副边电压为其波形如图2-58(a)所示：由于二极管的单向导电性,在变压器副边电压的正半周时,其极性为RL上正下负,二极管因承受正向电压而导通,这时负载电阻上的电压为uo,如图2-58(b)所示。

图2-58单相半波整流波形一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(一)单相半波不可控整流电路图2-58单相半波整流波形通过的电流为io,在电压的负半周时二极管反向截止,负载电阻上没有电压,而电压全部落在二极管上,如图2-58(c)所示。因此,负载电阻上得到的半波整流电压和电源电压的正半波是相同的。因为是电阻性负载,所以整流电流的波形与电压波形相同。二极管导通时的正向压降很小,可忽略不计;而截止时,承受最大反向峰值电压。

一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(一)单相半波不可控整流电路单相半波整流后的电压特点:负载上电压单方向的,大小变化,常叫单向脉动电压。在一个周期的平均值,即电压的平均值为电路中只有一个二极管向负载供电,所以负载的平均电流与流过二极管的相等二极管的最高反向电压就是变压器副边交流电压的最大值,即:

一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(二)单相桥式全波不可控整流电路单相半波整流电路简单,电压的脉动较大;为了克服上述缺点,常采用全波整流电路。实际中应用最多的是单相桥式整流电路,由4个二极管接成电桥的形式构成。图2-59(a)所示的是单相桥式整流电路最常见的画法,另外还有多种画法,但实质都是一样的。图2-59单相半波整流电路两个二极管(1、4)串联,再与另一组串联的二极管(2、3)同向并联,共阳极的为整流后的正极,共阴极的为整流后的负极,中间串联首尾相连的两个极接交流电压。一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(二)单相桥式全波不可控整流电路电路交流供电波形如图2-60(a)所示图2-59单相半波整流电路图2-60单相桥式整流波形负载上得到一个半波电压,如图2-60(b)中uD1、uD3输出波形所示。而截止的两个二极管2和4的波形如图2-60(c)中uD2、uD4承受电压的波形所示。在电压的正半周时,极性上正下负,即a点的电位高于b点,二极管1、3导通,2和4截止。电流的通路是a—1—RL—3—b,如图2-59(b)所示。一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(二)单相桥式全波不可控整流电路在电压的负半周,输入电压极性为上负下正,即b点电位高于a点,此时1、3截止,2和4导通,电流的通路是b—2—RL—4—a,如图2-59(c)所示。图2-59单相半波整流电路图2-60单相桥式整流波形同样,在负载电阻上得到另一个同方向的半波电压,如图2-60(b)中uD2、uD4输出波形所示。

而截止的两个二极管1和3的波形如图2-60(c)中uD1、uD3承受电压的波形所示。一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

全波整流电路的整流电压的平均值比半波整流时增加了1倍,即:负载电阻中通过的直流电流也增加了1倍,即:

因两组二极管轮流导通,故流过每个二极管中的平均电流只有负载电流的一半,即:

(二)单相桥式全波不可控整流电路一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

二极管截止时承受的最高反向电压与半波整流电路相同,也是电源电压的最大值,即:使用中,如果二极管2或4接反,则正半周时,二极管1、4或2、3导通,电流经二极管1、4或2、3而造成电源短路,电流很大,因此前级供电变压器及二极管1、4或2、3将被烧坏;而如果二极管2或4因击穿烧坏而短路,则正半周时,情况与二极管2或4接反类似,电源及二极管1或3因电流过大而烧坏。(二)单相桥式全波不可控整流电路一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(三)单相半控桥式整流电路单相桥式整流电路虽然电路简单,但不能调节输出电压。较常用的是半控桥式整流电路(简称半控桥),其电路如图2-61所示。图2-61单相半控桥式整流在变压器副边电压u的正半周(a端为正)时,T1和D2承受正向电压,这时如对晶闸管T1引入触发信号,则T1和D2导通,电流的通路为a—T1—RL—D2—b。这时T2和D1都因承受反向电压而截止。同样,在电压u的负半周时,T2和D1承受正向电压,这时如对晶闸管T2引入触发信号,则T2和D1导通,电流的通路为b—T2—RL—D1—a,这时T1和D2截止。一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(三)单相半控桥式整流电路如图2-62所示,触发角为α时,输出电压u波形为α角后的两个半控桥式的正弦波形,0~α期间晶闸管因未触发而正向截止,无输出电压。晶闸管导通时可近似认为晶闸管两端没有电压,而反向截止时,承受另一个导通晶闸管过来的正弦最高电压,而在正向触发前,晶闸管承受了自身的正向电压。

图2-62单相半波桥式整流波形一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(三)单相半控桥式整流电路当整流电路接电阻性负载时,桥式半控整流电路输出电压为:当α为0°时,半控桥式整流与不可控桥式整流是一样的;当α为180°时,晶闸管被关断，没有输出电压。一、单相整流电路第七节单相整流和滤波电路

(三)单相半控桥式整流电路与单相半波整流电路相比,桥式整流电路输出电压的平均值要大1倍。晶闸管承受的反向电压为

。晶闸管正向截止期间,虽然与二极管共同分担电压,但由于二极管承担正向电压可忽略不计,所以晶闸管承受的最大正向电压也为

。与单相半控桥式整流电路类似的还有单相全控桥式整流，除电阻性负载外,更普遍性质的负载是电感性负载,由于电流落后电压,能够控制的有效触发角α范围也有所不同。二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

整流电路虽然能把交流电转换为直流电,但得到的输出电压是单向脉动电压。这种脉动电压只能用于电镀、蓄电池充电等设备中,大多数电子设备都要求脉动程度小或恒定的直流电源,因此在整流电路后必须增加滤波与稳压电路。二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(一)滤波电路的组成与滤波器件的作用滤波原理:滤波电路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分,保留其直流成分,达到平滑输出电压波形的目的。图2-63(a)中与负载并联的电容器就是一个最简单的滤波器,是根据电容器两端电压不能突变的原理制成的。图2-63单相半波整流滤波电路及波形二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(一)滤波电路的组成与滤波器件的作用如图2-63(a)单相半波整流电路中,如不接电容滤波器,其输出电压波形如图2-63(c)中的半波曲线,接上电容滤波器后,输出电压的波形就变成图2-63(c)所示较平直的形状。从其波形看,输出电压平均值明显增大,输出电压脉动程度也小很多了。图2-63(a)所示电路在二极管导通时,一方面供给负载RL的电流为io,同时对电容器C充电电流为ic。在忽略二极管正向压降的情况下,充电电压与上升的正弦电压一致,如图2-63(c)起始段波形所示。图2-63单相半波整流滤波电路及波形二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(一)滤波电路的组成与滤波器件的作用输出电压与电源电压按正弦波形同时达到最大值,而后输出电压和电源电压都开始下降,电源仍按正弦波形下降,但电容需要通过负载电阻RL放电,输出电压是指数形式下降;

当u<uc时,二极管承受整流反向电压而截止,电容器对负载电阻继续放电,负载中仍有电流。

图2-63单相半波整流滤波电路及波形在下一个正半周内,当u>uc时,二极管又导通,电源在给负载RL供电的同时也给电容充电,重复上述过程。

二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(一)滤波电路的组成与滤波器件的作用可见带电容滤波器的输出电压脉动程度减小,输出平均电压增高。在忽略二极管正向压降的情况下,空载输出电压可达电源电压幅值,即

。这种电容滤波电路不足之处是带负载能力较差,只适用于负载电流较小且电流变化不大的场合。一般情况下,取Uo=U(半波整流),Uo=1.2U(全波整流)

电容滤波电路输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数有关。为了获得以上输出整流电压的平均值,一般要求

式中,T是交流电源的周期。通常滤波电容在几十微法到几千微法,其耐压应大于输入电压的最大值。

二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(一)滤波电路的组成与滤波器件的作用除了上述最简单的滤波电路外,为了减小输出电压的脉动程度,在滤波电容前串接一个铁芯电感线圈,就组成了电感电容滤波器,如图2-64(a)所示。但空载时,电容C没有放电回路,所以正向充电到最高值

后,电源电压正弦下降到反向最大时,二极管承受了最高反向电压,即

,所以,选择二极管的耐压时,需要注意该耐压与单纯的整流电路不同。

图2-64整流滤波电路由于通过电感线圈的电流发生变化时,线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化,因而使负载电流和负载电压的脉动大为减小。频率越高,电感越大,滤波的效果也越好。二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(一)滤波电路的组成与滤波器件的作用它的滤波效果比LC滤波器更好,但整流二极管的冲击电流也较大。如果要求输出电压的脉动更小,可以在滤波器的前面再并联一个滤波电容,如图2-64(b)所示,就构成了π型滤波器。

图2-64整流滤波电路二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(二)稳压电路的组成与三端稳压电路一些精密测量仪器、自动控制装置等都要求有稳定的直流电源供电,图2-65就是一种最简单的稳压管稳压电路,其原理已在稳压管电路中分析。整流滤波后的电压虽然交流分量已很小,但在负载变动和电源电压波动时,输出电压仍有变化。

图2-65整流滤波稳压电路由于稳压效果不够理想,只能用于负载电流较小的场合。要想得到理想的稳压效果,必须采用集成稳压电源或使用开关电源。二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(二)稳压电路的组成与三端稳压电路稳压电路具有靠性高、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。

按其输出电压的可调性分为固定电压和可调输出电压两种,输出固定电压除了有3V、5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等,还有正负稳压的区别,常用输出正电压的三端稳压集成电路为78××,××表示输出稳定电压值,而输出负电压的三端稳压集成电路为79××。

二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(二)稳压电路的组成与三端稳压电路输出可调的三端稳压集成电路如LM317可以输出1.25~37V连续可调的电压。W7800和W7900系列的稳压器外形如图2-66所示,最常用的5V三端稳压电路如图2-67所示。

图2-66三端稳压集成电路

外形和管脚图图2-67

5V三端稳压电路二、滤波与稳压电路第七节单相整流和滤波电路

(二)稳压电路的组成与三端稳压电路5V三端稳压电路中的输入滤波电容Ci,用来抵消输入端接线较长时的电感效应,防止产生自励振荡,即用以改善波形。输出滤波电容