第10章 直流電源

1、第十章第十章直流電源直流電源10.1直流電源的組成直流電源的組成10.2單相整流電路單相整流電路10.3濾波電路濾波電路10.4倍壓整流電路倍壓整流電路10.5硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路10.6串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路10.7集成穩(wěn)壓器集成穩(wěn)壓器*10.8開關型穩(wěn)壓電路開關型穩(wěn)壓電路*10.9可控整流電路可控整流電路1 10.1直流電源的組成直流電源的組成圖圖 10.1.1直流電源的組成直流電源的組成電網(wǎng)電網(wǎng)電壓電壓電源電源變壓器變壓器整流整流電路電路濾波濾波電路電路穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路電路負負載載l整流：整流：將交流變?yōu)槊}動直流的過程。將交流變?yōu)槊}動直流的過程。l濾波：濾波：將脈動

2、的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。l 電源變壓器電源變壓器: 將交流電網(wǎng)電壓變?yōu)楹线m的交流電壓。將交流電網(wǎng)電壓變?yōu)楹线m的交流電壓。l 穩(wěn)穩(wěn)壓電路壓電路: 清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響，保持輸出電清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響，保持輸出電壓壓uo的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。 10.2單相整流電路單相整流電路 10.2.1單相半波整流電路單相半波整流電路tU sin22LRU2222U22U優(yōu)點：優(yōu)點：使用元件少。使用元件少。缺點：缺點：輸出波形脈動大；輸出波形脈動大；直流成分?。蛔儔浩骼寐实?。直流成分?。蛔儔浩骼寐实?。圖圖 10.2.131. u2 0時，電流由時，電流由+

3、流出，經(jīng)流出，經(jīng)VD1、RL、VD2流入流入-。2. u2 0時，電流由時，電流由-流出，經(jīng)流出，經(jīng)VD3、RL、VD4流入流入+。圖圖 10.2.2(b)22UL22RU22U22UL22RUiD3iD4iD1iD2 10.2.2單相橋式整流電單相橋式整流電路路圖圖 10.2.2(a) 10.2.3整流電路的主要參整流電路的主要參數(shù)數(shù)一、輸出直流電壓一、輸出直流電壓 (輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值)UO( (A V) )(d2120oO(AV)tuU 二、脈動系數(shù)二、脈動系數(shù) SO(AV)O1mUUS 三、二極管正向平均電流三、二極管正向平均電流 ID( (A V) )四、二極管最大反向

4、峰值電壓四、二極管最大反向峰值電壓 URM在橋式整流電路中，在橋式整流電路中，1.輸出直流電壓：輸出直流電壓：202O(AV)9 . 0)(tdsin21UtUU 2.脈動系數(shù)：脈動系數(shù)：)4cos1542cos342(22OttUu 67. 02232422O(AV)O1m UUUUS3.二極管正向平均電流：二極管正向平均電流：O(AV)D(AV)21II 4.二極管最大反向峰值電壓：二極管最大反向峰值電壓：2RM2UU 1.輸出電壓平均值輸出電壓平均值 UO( (AV) )輸出電壓平均值就是負輸出電壓平均值就是負載電阻上電壓的平均值載電阻上電壓的平均值)(d2120oO(AV)tuU 22

5、02O(AV)45. 02)(tdsin21UUtUU 2.負載電流的平均值負載電流的平均值L2LAVOAVORU45. 0RUI）（）（3.脈動系數(shù)脈動系數(shù)222222O(AV)O1mUUUUS在半波整流電路中在半波整流電路中1.571.單相整流電路的主要參數(shù)單相整流電路的主要參數(shù) 主要參數(shù)主要參數(shù)電路形式電路形式UO（AV）/U2SID（AV）/ IO（AV）URM / U2半波整流半波整流0.45157%100%1.41橋式整流橋式整流0.9067%50%1.41整流電路小結：整流電路小結：2.整流電路二極管的選擇整流電路二極管的選擇根據(jù)流過二極管電流的平均值和它所承受的最大反根據(jù)流過二

6、極管電流的平均值和它所承受的最大反向電壓來選擇二極管的型號。向電壓來選擇二極管的型號。P396【例例10.2.1 】 10.3.1 電容濾波電電容濾波電路路圖圖 10.3.1(a)濾波電路濾波電路濾波電容容量較大，一般采濾波電容容量較大，一般采用電解電容器。用電解電容器。電容濾波電路利用電容濾波電路利用電容的充放電容的充放電作用電作用，使輸出電壓趨于平滑。，使輸出電壓趨于平滑。濾波電路輸出電壓波形濾波電路輸出電壓波形(b)理想情況下的波形理想情況下的波形 (c)考慮整流電路內阻時的波形考慮整流電路內阻時的波形 10.3濾波電路濾波電路以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，以單向橋式整流電容濾波為

7、例進行分析，其電路如圖所示。其電路如圖所示。一、工作原理一、工作原理a橋式整流電容濾波電路橋式整流電容濾波電路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC（電容器的充、放電）（電容器的充、放電）（1）RL未接入時未接入時(忽略整流電路內阻忽略整流電路內阻)即即空載（空載（RL=）時）時u2tuot設設t1時刻接通時刻接通電源電源t1整流電路為整流電路為電容充電電容充電充電結束充電結束沒有電容沒有電容時的輸出時的輸出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuc22UUUCo（2）RL接入（且接入（且RLC較大）時較大）時 (忽略整流電路內阻忽略整流電路內阻)u2tuot無濾波電容無濾波

8、電容時的波形時的波形加入濾波電容加入濾波電容時的波形時的波形充電充電放電放電au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，上升， u2大于電容大于電容上的電壓上的電壓uc，u2對電容充電，對電容充電，uo= uc u2時間常數(shù)時間常數(shù) = (RL / Rint ) Cu2下降，下降， u2小于電容上的電壓。小于電容上的電壓。二極管承受反向電壓而截止。二極管承受反向電壓而截止。電容電容C通過通過RL放電，放電， uc按指數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降，時間常數(shù)規(guī)律下降，時間常數(shù) = RL C二、濾波電容的選擇和輸出直流電壓的估算二、濾波電容的選擇和輸出直流電壓的估算適用于負載電流較小的場合。適用

9、于負載電流較小的場合。濾波電容大，效果好。濾波電容大，效果好。輸出直流電壓為：輸出直流電壓為：2O(AV)2 . 1 UU 脈動系數(shù)脈動系數(shù) S 約為約為 10% 20%。2)53(LTCR 當當圖圖 10.3.1整流管的導電角整流管的導電角16三、電容濾波電路的特點三、電容濾波電路的特點 1.電容濾波電路適用于小電流負載。因為電容濾波電路適用于小電流負載。因為RLC愈大，則愈大，則濾波效果愈好。為此，要求濾波效果愈好。為此，要求RL盡量大，即負載電流比較小。盡量大，即負載電流比較小。 2.電容濾波電路的外特性比較軟。因為隨著電容濾波電路的外特性比較軟。因為隨著IO(AV)的增加，的增加，UO

10、(AV)下降很快，即外特性比較軟，所以電容濾波適用于負下降很快，即外特性比較軟，所以電容濾波適用于負載電流變化不大的場合。載電流變化不大的場合。 3.采用電容濾波時，整流二極管中將流過較大的沖擊電采用電容濾波時，整流二極管中將流過較大的沖擊電流。為此，必須選用較大容量的整流二極管。流。為此，必須選用較大容量的整流二極管。 10.3.2電感濾波電路電感濾波電路一、電路組成和工作原理一、電路組成和工作原理圖圖 10.3.417 如圖所示，將一個電感如圖所示，將一個電感L與負載電阻與負載電阻RL 串聯(lián)，組成了串聯(lián)，組成了電感慮波電路。電感慮波電路。 接入慮波電感以后，直流成分基本上沒有損失，但是交流

11、接入慮波電感以后，直流成分基本上沒有損失，但是交流分量很大部分降落在電感上，從而降低了輸出電壓中的脈動成分量很大部分降落在電感上，從而降低了輸出電壓中的脈動成分，而且分，而且 L愈大，愈大，RL愈小，則濾波效果愈好。愈小，則濾波效果愈好。二、輸出直流電壓和脈動系數(shù)二、輸出直流電壓和脈動系數(shù)A 設設A點的直流電壓為點的直流電壓為 ，基波電壓的最大值為，基波電壓的最大值為 ，脈動系數(shù)為脈動系數(shù)為S 。如果忽略電感的直流電阻，則輸出直流電壓為。如果忽略電感的直流電阻，則輸出直流電壓為O(AV)U O1mU 18O(AV)O(AV)UU輸出的基波電壓最大值為輸出的基波電壓最大值為O1m22LO1m)(

12、ULRRUL輸出電壓的脈動系數(shù)為輸出電壓的脈動系數(shù)為SLRSL若若L RL,則上式可簡化為則上式可簡化為22)(122L)(1)()(SLRRUULRRUUSLLAVOmOLAVOmO19三、電感慮波電路的特點三、電感慮波電路的特點1.電感濾波電路適用于大電流負載。電感濾波電路適用于大電流負載。2.電感濾波電路的外特性比較硬。電感濾波電路的外特性比較硬。3.在整流管中的沖擊電流較小。在整流管中的沖擊電流較小。 10.3.3復式濾波電路復式濾波電路一、一、LC 濾波電路濾波電路輸出直流電壓為：輸出直流電壓為：2O(AV)O(AV)9 . 0 UUU 脈動系數(shù)脈動系數(shù) S ：SLCS 21 LC濾

13、波電路的特點：濾波電路的特點：在負載電流較大或較小的情況下在負載電流較大或較小的情況下均有良好的濾波作用，故適用于各種場合。均有良好的濾波作用，故適用于各種場合。圖圖 10.3.520 為了保證整流管的導為了保證整流管的導電角為電角為1800，近似條件為，近似條件為RL 3 L。 在在LC濾波電路中，輸出電壓的脈動成分更小，濾波電路中，輸出電壓的脈動成分更小， L、 C愈大，脈動系數(shù)愈小。愈大，脈動系數(shù)愈小。LA二、二、LC - 型濾波電路型濾波電路輸出直流電壓提高了，為：輸出直流電壓提高了，為：圖圖 10.3.6212O(AV)2 . 1 UU 但整流管的但整流管的沖擊電流比較大，沖擊電流比

14、較大，濾波電路的濾波電路的外特性比較軟。外特性比較軟。S脈動系數(shù)比僅有脈動系數(shù)比僅有LC濾波時更小了，波形更加平滑。濾波時更小了，波形更加平滑。 在電容濾波的基礎上在電容濾波的基礎上加上一級加上一級LC濾波。濾波。三、三、RC - 型濾波電路型濾波電路輸出直流電壓為：輸出直流電壓為：O(AV)LLO(AV)URRRU 脈動系數(shù)脈動系數(shù) S 約為：約為：SRRCS )/(1L2 缺點是：缺點是：在電阻在電阻R上有直流壓降，整流管的沖擊電流比較上有直流壓降，整流管的沖擊電流比較大，外特性比電容濾波更軟。大，外特性比電容濾波更軟。圖圖 10.3.722 經(jīng)過第一級電容濾波經(jīng)過第一級電容濾波以后，以后

15、，C1兩端的電壓包含一兩端的電壓包含一個直流分量和一個交流分量。個直流分量和一個交流分量。在在R上直流成分衰減較少，上直流成分衰減較少，交流成分衰減較多，所以輸交流成分衰減較多，所以輸出電壓的脈動成分進一步降出電壓的脈動成分進一步降低。低。圖圖 10 - 2各種濾波電路的性能比較各種濾波電路的性能比較序號序號 性能性能類型類型U O（AV）/U2適用場合適用場合整流管的整流管的沖擊電流沖擊電流外特性外特性1電容濾波電容濾波 1.2小電流小電流大大軟軟2電感濾波電感濾波0.9大電流大電流小小硬硬3LC 濾波濾波0.9適應性較強適應性較強小小硬硬4LC - 型濾波型濾波 1.2小電流小電流大大軟軟

16、5RC - 型濾波型濾波 1.2小電流小電流大大更軟更軟23 10.4倍壓整流電路倍壓整流電路 10.4.1二倍壓整流電路二倍壓整流電路22UiD1iD222U圖圖 10.4.1二倍壓整流電路二倍壓整流電路24u2 0， VD1導通，導通，C1被充電至被充電至 ， u2 0， VD2導通，導通， C2被充電至被充電至 ，極性也是上正下負。所以在理想情況下，輸，極性也是上正下負。所以在理想情況下，輸出直流電壓為出直流電壓為 ，實現(xiàn)了二倍壓整流。，實現(xiàn)了二倍壓整流。22U22U222U222 UUO 10.4.2多倍壓整流電路多倍壓整流電路+- -+- -22U- -+ +u2+ 222U+ 22

17、2U+ 222U+ 222U+ 222U適用于要求輸出電壓較高、負載電流較小的場合。適用于要求輸出電壓較高、負載電流較小的場合。圖圖 10.4.2多倍壓整流電路多倍壓整流電路25 10.5硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 10.5.1穩(wěn)壓電路的主要指標穩(wěn)壓電路的主要指標整流濾波電路輸出電壓不穩(wěn)定的主要原因：整流濾波電路輸出電壓不穩(wěn)定的主要原因：負載變化；負載變化；電網(wǎng)電壓波動。電網(wǎng)電壓波動。一、內阻一、內阻 Ro常常數(shù)數(shù) IOOoUIUR二、穩(wěn)壓系數(shù)二、穩(wěn)壓系數(shù) Sr常常數(shù)數(shù)常常數(shù)數(shù) LLOIIOIIOOr/RRUUUUUUUUS26 10.5.2硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的組成和工作原理硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電

18、路的組成和工作原理穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓原理：1. UI 不變，不變，RL 減小減小RLILURUOIZIR=IL+IZ基本不變基本不變2. RL 不變，不變， UI 升高升高UIUOIZURUO=UI UR基本不變基本不變UOUO圖圖 10.5.127 整流濾波后得到的直整流濾波后得到的直流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓入電壓UI,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管VDZ與負與負載電阻載電阻RL并聯(lián)。并聯(lián)。硅穩(wěn)壓管的伏安特性硅穩(wěn)壓管的伏安特性 O圖圖 10.5.2硅穩(wěn)壓管的伏安特性硅穩(wěn)壓管的伏安特性IU在反向擊穿區(qū)，流在反向擊穿區(qū)，流過穩(wěn)壓管的電流發(fā)生很過穩(wěn)壓管的電流發(fā)生很大變化，兩端電壓基本大變化，兩

19、端電壓基本不變。不變。28 10.5.3 穩(wěn)壓電路的內阻和穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓電路的內阻和穩(wěn)壓系數(shù)1. 內阻內阻 RoZZIOo/rRrUUR 2. 穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù) Sr當當 rZ RL ， rZ uA 時，時，uB = + UOPP，調整管飽和導通，調整管飽和導通，iE 向負向負載提供電流，并將能量儲存在電感的磁場中；載提供電流，并將能量儲存在電感的磁場中；當當 ut uA 時，時，uB = - - UOPP，調整管截止，調整管截止， iE = 0，電感，電感釋放能量，產(chǎn)生的電流流過負載和二極管。釋放能量，產(chǎn)生的電流流過負載和二極管。圖圖 10.8.256結論：結論：調整管處于開關狀態(tài)，發(fā)射極電位

20、是高低交替調整管處于開關狀態(tài)，發(fā)射極電位是高低交替的脈沖波形，經(jīng)的脈沖波形，經(jīng) LC 濾波電路后，負載上得到較平滑的輸濾波電路后，負載上得到較平滑的輸出電壓互感器出電壓互感器 uO。 110DCESI0EOd)(d)(1d1TTTTtUtUUTtuTUII10IO1d1DUUTTtUTUT 脈沖波形的占空比。脈沖波形的占空比。TTD1 圖圖 10.8.3圖圖 10.8.2 電路的波形圖電路的波形圖57*10.9可控整流電路可控整流電路10.9.1晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性一、結構與符號一、結構與符號圖圖 10.9.2晶閘管的結構和符號晶閘管的結構和符號陽極陽極陰極陰極控制極控制極58二、

21、工作原理二、工作原理圖圖 10.9.41. 控制極不加電壓，無論在陽極與陰控制極不加電壓，無論在陽極與陰極之間加正向或反向電壓，晶閘管都不導極之間加正向或反向電壓，晶閘管都不導通。通。稱為阻斷稱為阻斷2. 控制極與陰極間加正向電壓，陽極控制極與陰極間加正向電壓，陽極與陰極之間加正向電壓，晶閘管與陰極之間加正向電壓，晶閘管導通導通。NPNPNPIG1 2IG1IG圖圖 10.9.359結論：結論：晶閘管由阻斷變?yōu)榫чl管由阻斷變?yōu)閷ǖ臈l件是在陽極和陰極之間導通的條件是在陽極和陰極之間加正向電壓時，再在控制極加一個正的觸發(fā)脈沖；加正向電壓時，再在控制極加一個正的觸發(fā)脈沖；晶閘管由導通變?yōu)榫чl管由導

22、通變?yōu)樽钄嗟臈l件是減小陽極電流阻斷的條件是減小陽極電流 IA 。晶閘管導通后，管壓降很小，約為晶閘管導通后，管壓降很小，約為 1 V 左右。左右。60三、伏安特性和主要參數(shù)三、伏安特性和主要參數(shù)1. 伏安特性伏安特性OUAKIAUBOABCIHIG= 0正向阻斷特性正向阻斷特性：當：當 IG= 0 ，而，而陽極電壓不超過一定值時，管子陽極電壓不超過一定值時，管子處于阻斷狀態(tài)。處于阻斷狀態(tài)。UBO 正向轉折電壓正向轉折電壓正向導通特性正向導通特性：管子導：管子導通后，伏安特性與二極管的通后，伏安特性與二極管的正向特性相似。正向特性相似。IH 維持電流維持電流當控制極電流當控制極電流 IG 0 時

23、，時， 使晶閘管由阻斷變?yōu)閷ㄋ咕чl管由阻斷變?yōu)閷ㄋ璧年枠O電壓減小。需的陽極電壓減小。IG 增大增大反向特性反向特性：與二極管的反向特性相似。：與二極管的反向特性相似。UBR圖圖 10.9.6晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性612. 主要參數(shù)主要參數(shù) 斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓 UDRM 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓 URRM 額定通態(tài)平均電流額定通態(tài)平均電流 IT 額定通態(tài)平均電壓額定通態(tài)平均電壓 UT 維持電流維持電流 IH ： 控制極觸發(fā)電壓控制極觸發(fā)電壓 UGT 控制極觸發(fā)電流控制極觸發(fā)電流 IGT6210.9.2單相橋式可控整流電路單相橋式可控整流電路+- -uG在在 u2 正半周，當控制極加觸發(fā)正半周，當控制極加觸發(fā)脈沖，脈沖，VT1 和和 VD2 導通；導通；在在 u2 負半周，當控制極加觸發(fā)負半周，當控制極加觸發(fā)脈沖，脈沖，VT2和和 VD1 導通；導通； ：控制角；：控制角； ：導電角：導電角一、電路組成及工作原理一、電路組成及工作原理圖圖 10.9.7圖圖 10.9.863二、電路參數(shù)的估算二、電路參數(shù)的估算)(dsin212O(AV)ttUU 2cos19 . 02O(AV) UU即：即： 輸出電壓平均值：輸出電壓平均值： 輸出電流平均值：輸出電流平均值：2cos19 . 0L2LO(AV)O(A