第07章-直流電源

第七章

直流電源

基本要求：理解整流電路和濾波電路的工作原理；掌握整流二極管和濾波電容的參數(shù)計(jì)算?；緝?nèi)容：整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路1半導(dǎo)體直流電源的組成變壓：將交流電源電壓變成符合整流要求的電壓值。整流：利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟妷鹤兂擅}動(dòng)的直流電壓。濾波：濾去脈動(dòng)直流電壓中的高次諧波，使之成為平滑的直流電壓。穩(wěn)壓：在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，保持輸出穩(wěn)定的直流電壓。27.1單相整流電路

一、單相半波整流電路波形圖

u2≤0u2＞0D導(dǎo)通uo=u2;D截止uo=0;

1.工作原理ui經(jīng)Tr

u2

37.1單相整流電路2.輸出電壓、電流平均值的計(jì)算

輸出電壓平均值UO輸出電流平均值IO3.脈動(dòng)系數(shù)S輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)定義為輸出電壓基波的最大值Uo1m與輸出電壓平均值UO之比。通過(guò)半波整流輸出電壓uo的富氏級(jí)數(shù)可求得Uo1m=U2/1.41447.1單相整流電路/單相半波整流電路4.二極管平均電流ID和二極管最高反向電壓UDRM單相半波整流電路中流過(guò)二極管的電流ID就是輸出電流IO；二極管正向?qū)?，相?dāng)于短路；二極管反向截止，相當(dāng)于斷路。二極管承受反向電壓就是輸入的交流電壓u2。

5.整流元件的選擇根據(jù)ID、UDRM

選擇合適的整流元件D;根據(jù)負(fù)載RL的要求決定變壓器副邊的有效值，U2=2.22UO,I2=2.22IO選擇變壓器.57.1單相整流電路/單相半波整流電路二、單相橋式整流電路

1.電路組成：原理圖如圖所示67.1單相整流電路2.工作原理當(dāng)u2＞0(正半周)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。i2的通路是a→D1

→RL

→

D3

→

b;當(dāng)u2＜0(負(fù)半周)，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止。i2

的通路是b→

D2

→RL

→

D4

→

a;77.1單相整流電路/單相橋式整流電路單相橋式整流電路波形圖87.1單相整流電路/單相橋式整流電路3.主要參數(shù)(1)單相橋式整流電壓的平均值UO=0.9U2

(2)單相橋式整流電流的平均值IO97.1單相整流電路/單相橋式整流電路4.二極管最大反向電壓UDRM3.二極管中的平均電流ID5.脈動(dòng)系數(shù)S由uo的傅氏級(jí)數(shù)求得107.1單相整流電路/單相橋式整流電路4.整流元件及變壓器的選擇(1)根據(jù)ID、UDRM選擇整流電路元件D1～D4;(2)根據(jù)負(fù)載RL的要求決定變壓器副邊的有效值，∵UO=0.9U2,IO=0.9I2∴U2=1.11UO,I2=1.11IO

(3)根據(jù)U2、I2和電源電壓U1選擇變壓器。變比：K=U1/U2容量：S=I2×U2

與單相整流電路相比，雖然單相橋式整流電路使用的整流元件較多，但它具有輸出電壓平均值高、輸出功率大，對(duì)整流元件要求較低、變壓器利用率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此廣泛應(yīng)用在直流電源整流環(huán)節(jié)中。

117.1單相整流電路/單相橋式整流電路例1:

已知負(fù)載電阻RL＝80Ω，負(fù)載電壓Uo＝110V。今采用單相橋式整流電路，交流電源電壓為380V。試求(1)如何選用二極管?(2)求整流變壓器的變比及容量。解:(1)二極管:選擇:IFM>0.69A，URM>172.8V。127.1單相整流電路/單相橋式整流電路(2)整流變壓器的變比和容量：變比∵I2=1.11IO≈1.53A∴變壓器的容量

S=I2×U2=1.53×122.21≈187VA選擇變壓器K=4S>187VA137.1單相整流電路/單相橋式整流電路7.2濾波電路一.電容濾波器1.電路組成142.工作原理分析:

設(shè)uC(0-)=0,(1)u2＞0(正半周)a)當(dāng)0＜u2

＜U2m

D1、D3導(dǎo)通，D2、D4

截止，iD=iC+iO,uC=uO，電容充電。157.2濾波電路/電容濾波器b)當(dāng)u2＜uC

，且π/2＜ωt＜π時(shí)D1、D3、D2、D4截止

，iD=0，iC=iO,uC=uO，電容向負(fù)載放電。167.2濾波電路/電容濾波器(2)u2＜0(負(fù)半周)，a)在π＜ωt＜3π/2，當(dāng)uC＜|u2|＜U2m

時(shí)，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3

截止，有:iD=iC+iO,uC=uO，電容充電。b)在3π/2＜ωt＜2π，當(dāng)|u2|＜uC

時(shí)，D1～D4截止

，有:iD=0，iC=iO,uC=uO，電容放電。(3)此后電容周期性放電。177.2濾波電路/電容濾波器(3)電容濾波的外特性

電容濾波的輸出電壓UO隨輸出電流IO的變化曲線(xiàn)稱(chēng)為電容濾波的外特性。如圖所示。電容一定，輸出電流IO=0(RL為無(wú)窮大)時(shí),UO=U2m；隨著IO(RL減小)增加，輸出電壓UO下降。而輸出電流IO一定時(shí)，輸出電壓UO隨電容C的減小而減小。從圖中可以看出，電容濾波電路外特性差。所以，電容濾波僅適于小負(fù)載（負(fù)載電阻RL的阻值較大）或負(fù)載基本不變的場(chǎng)合。187.2濾波電路/電容濾波器3.參數(shù)估算⑴電容器的選擇放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC，若RL愈大，即τ愈大，則uO愈平坦，脈動(dòng)愈小，UO值愈高。因此，輸出電壓受負(fù)載變化的影響較大，電容濾波電路的外特性較差。為得到較好的濾波效果，一般取:式中T為交流電源電壓的周期。電容器的耐壓值應(yīng)大于1.414U2。

197.2濾波電路/電容濾波器在C=(3~5)T/2的條件下，有：UO=(1.1~1.4)U2,一般取：UO=1.2U2

(3)二極管的選擇由于合閘時(shí)電源電壓可能出現(xiàn)最大值，則電路將產(chǎn)生很大的沖擊電流；另外，引入濾波后，二極管導(dǎo)通時(shí)間縮短，且τ放越大輸出電壓又越高，故整流管在短暫的時(shí)間內(nèi)流過(guò)的電流比沒(méi)有濾波時(shí)大大增加。選用二極管時(shí)，其電流參數(shù)應(yīng)考慮較大的余量。(2)輸出平均電壓和電流207.2濾波電路/電容濾波器例2:有一單相橋式電容濾波整流電路，已知交流電源頻率f＝50HZ，U1=220V，負(fù)載電阻RL＝300Ω，要求直流輸出電壓uo＝30V，選擇整流二極管及濾波電容器。解:(1)選擇整流二極管取:UO=1.2U2，則:U2=UO/1.2=25V∴D承受的最大反向電壓為故選用整流二極管為2CP11，其最大整流電流為100mA,反向工作峰值電壓為50V。217.2濾波電路/電容濾波器(2)選擇濾波電容器據(jù)式τ=RL×C≥（3～5）T/2取RL×C=5T/2且f=50HZT=1/f=0.02s選C=250μF，耐壓為40V的電容作濾波元件。

227.2濾波電路/電容濾波器二.電感濾波電路它是利用流過(guò)電感線(xiàn)圈的電流不能突變的原理而組成的。因此，電感線(xiàn)圈必須與負(fù)載電阻串聯(lián)。當(dāng)電路中流過(guò)的電流增加時(shí)，電感將產(chǎn)生反電勢(shì)以阻止電流的增加；而流過(guò)的電流減小時(shí)，反電勢(shì)又阻止電流減小。所以，輸出電流和電壓的脈動(dòng)減小，起到和電容濾波相同的效果。電感濾波電路具有良好的外特性，但為了增大電感量，往往要帶鐵心，使得電感濾波電路笨重，體積大，也容易產(chǎn)生電磁干擾，使用不太方便。一般只適用于低電壓大電流的場(chǎng)合。

237.2濾波電路一、穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)1.穩(wěn)壓系數(shù)SrSr是指在負(fù)載和環(huán)境溫度不變時(shí)，穩(wěn)壓電路的輸出電壓相對(duì)變化率和輸入電壓的相對(duì)變化率之比。2.穩(wěn)壓電路的輸出電阻roro是指在輸入電壓和環(huán)境溫度不變時(shí)，穩(wěn)壓電路的輸出電壓的變化量和輸出電流的變化量之比。3.

系數(shù)STST是指在輸入電壓和負(fù)載電阻不變時(shí)，且在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，單位溫度變化所引起的輸出電壓的相對(duì)變化量。7.3穩(wěn)壓電路

2410.1單相整流電路二、并聯(lián)穩(wěn)壓電路

1.電路工作原理

電路中各量將滿(mǎn)足以下兩個(gè)方程UO=UZ=UI－IRRIR=IZ+IO(1)RL不變，Ui波動(dòng)的穩(wěn)壓過(guò)程：Ui↑→UO↑、UZ↑→IZ↑↑→IR↑↑→UR↑→UZ↓，使UO保持不變。(2)Ui不變，RL波動(dòng)的穩(wěn)壓過(guò)程：RL↑→UO↑、UZ↑→IZ↑↑→IR↑↑→UR↑→UZ↓，使UO保持不變。257.3穩(wěn)壓電路綜上所述在實(shí)際使用時(shí)，以上兩種因素可能會(huì)同時(shí)存在。不管怎樣，并聯(lián)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過(guò)程都是：不論何種原因引起輸出電壓變化時(shí)，都將引起穩(wěn)壓管中流過(guò)的電流發(fā)生較大的變化，使得流過(guò)調(diào)節(jié)電阻R的電流亦發(fā)生較大的變化，調(diào)節(jié)電阻將調(diào)節(jié)自身兩端電壓降，最終達(dá)到保持輸出電壓基本不變的目的。

267.3穩(wěn)壓電路/并聯(lián)穩(wěn)壓電路2.元件的選擇(1)穩(wěn)壓管的選擇和輸入電壓的確定由于輸出電壓就是穩(wěn)壓管的擊穿電壓UZ=UO根據(jù)負(fù)載電阻的變化范圍可以求出輸出電流的變化范圍。為了保持有較好的穩(wěn)壓特性，一般取

Izmax≥(2～3)Iomax根據(jù)公式：UI=UO+IRR，在選擇UI數(shù)量時(shí)應(yīng)大于輸出電壓UO。一般取

UI=(2～3)UO277.3穩(wěn)壓電路/并聯(lián)穩(wěn)壓電路(2)調(diào)節(jié)電阻R的選擇調(diào)節(jié)電阻兩端的電壓是借助流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ的變化來(lái)加以調(diào)整的。為使穩(wěn)壓電路能正常工作，必須保證在輸入電壓和負(fù)載電阻變化時(shí)，IZmin<IZ<IZmax由于IZ=IR-IO，則R的選擇應(yīng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)極端情況：

①當(dāng)輸入電壓UI最低而負(fù)載電流最大IO時(shí)，要保證流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ不得小于穩(wěn)壓管工作電流的最小值IZmin

287.3穩(wěn)壓電路/并聯(lián)穩(wěn)壓電路②當(dāng)輸入電壓UI最高而負(fù)載電流IO最小時(shí)，要保證流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ不得大于穩(wěn)壓管工作電流的最大值IZmax調(diào)節(jié)電阻R的取值范圍為電阻的額定功率為PR≥(UI-UO)2/R297.3穩(wěn)壓電路/并聯(lián)穩(wěn)壓電路3.

穩(wěn)壓性能指標(biāo)計(jì)算將穩(wěn)壓管用其等效電阻代替，可得并聯(lián)穩(wěn)壓電路的交流等效電路如圖所示。

⑴穩(wěn)壓系數(shù)Sr

由此可見(jiàn)，R越大，rz越小，電路的穩(wěn)壓系數(shù)越?、戚敵鲭娮鑢O

當(dāng)Ui=0，斷開(kāi)RL，從輸出端看進(jìn)去等效電阻即為穩(wěn)壓電路的輸出電阻rO=rZ//R≈rZ

（R>>rZ）

307.3穩(wěn)壓電路/并聯(lián)穩(wěn)壓電路三、串聯(lián)穩(wěn)壓電路

1.

串聯(lián)穩(wěn)壓原理當(dāng)UI↑或RL↑時(shí)，可使電阻R↑，以保持輸出電壓不變；反之，減小電阻R值，也能達(dá)到同樣目的。以這種原理進(jìn)行穩(wěn)壓的電路稱(chēng)為串聯(lián)穩(wěn)壓電路。

如果將晶體管代替可變電阻，利用晶體管在放大狀態(tài)，電壓UCE和電流IC均電流IB控制的特性，當(dāng)IB↑→IC↑→UCE↓→rce等效電阻↓；反之，rce等效電阻↑，同樣能夠穩(wěn)定輸出電壓UO。因此，在串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，用晶體管作為調(diào)節(jié)UO的調(diào)節(jié)管，它是串聯(lián)穩(wěn)壓的核心元件。317.3穩(wěn)壓電路2.串聯(lián)穩(wěn)壓電路的組成調(diào)整管T1接成射極輸出器形式，具有電壓串聯(lián)負(fù)反饋?zhàn)饔?，能夠穩(wěn)定輸出電壓UO。放大管T2組成比較放大器。T2發(fā)射極的電位是UZ，它是由限流電阻R1和穩(wěn)壓管DZ構(gòu)成的并聯(lián)穩(wěn)壓電路提供的基準(zhǔn)電壓UR。T2基極電位是電阻R3、RW、R4分壓器的輸出電壓Uf，由于Uf正比于輸出電壓UO，故稱(chēng)之為采樣電路。

327.3穩(wěn)壓電路/串聯(lián)穩(wěn)壓電路3.串聯(lián)穩(wěn)壓電路的工作原理當(dāng)UO↑→

Uf

↑→

，Uf與基準(zhǔn)電壓UZ比較后，使得T2的UBE2↑→IB2↑→IC2↑→UR2

↑→UB↓→UBE1↓→IB1↓→IC1↓→UCE1↑→UO=UI-UCE1↓使UO基本保持不變。反之，當(dāng)UO下降時(shí)，通過(guò)類(lèi)似上述過(guò)程，也能使得輸出電壓UO基本不變。可見(jiàn)，UO的微小變化，都可以通過(guò)放大后影響到調(diào)整環(huán)節(jié)，通過(guò)電路的負(fù)反饋?zhàn)饔茫瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓UO的調(diào)整。所以，串聯(lián)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于并聯(lián)穩(wěn)壓電路。337.3穩(wěn)壓電路/串聯(lián)穩(wěn)壓電路串聯(lián)穩(wěn)壓電路的四個(gè)基本環(huán)節(jié)

⑴基準(zhǔn)電壓：由穩(wěn)壓管和限流電阻組成，為電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓；⑵采樣電路：通常采用分壓器將輸出電壓的一部分取出，它反映輸出量的變化；⑶比較放大器：將采樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較后加以放大；⑷調(diào)整管：將經(jīng)過(guò)比較放大后的信號(hào)送入調(diào)整管，以調(diào)整管子的集-射極間的電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定。347.3穩(wěn)壓電路/串聯(lián)穩(wěn)壓電路串聯(lián)穩(wěn)壓電路的保護(hù)環(huán)節(jié)

常用限流保護(hù)電路⑴在穩(wěn)壓電路正常工作時(shí)，輸出電流在檢測(cè)電阻R兩端的壓降UR較小，不能使保護(hù)管T2導(dǎo)通，保護(hù)管不影響電路的正常工作。⑵當(dāng)輸出短路或負(fù)載電流過(guò)大時(shí)，R兩端的壓降增加，保護(hù)管T2導(dǎo)通，IC2的增加使得流過(guò)調(diào)整管的電流IB1減小，從而限制了輸出電流IO的增加，達(dá)到了保護(hù)電路的目的。

357.3穩(wěn)壓電路/串聯(lián)穩(wěn)壓電路4.輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍

改變RW1和RW2的大小，即可改變輸出電壓UO的大小。當(dāng)電位器調(diào)至最下端時(shí)，輸出電壓最大；電位器調(diào)至最上端時(shí)，輸出電壓最小。367.3穩(wěn)壓電路/串聯(lián)穩(wěn)壓電路5.調(diào)整管的選擇

調(diào)整管是串聯(lián)穩(wěn)壓電路的核心元件，為保證它能正常工作，一般應(yīng)選擇大功率管。在選擇時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：⑴流過(guò)調(diào)整管中的電流ICM應(yīng)為ICM＞Icmax=Iomax+I式中，Icmax為調(diào)整管的最大集電極電流，Iomax為負(fù)載電流的最大額定值，I為采樣、比較放大和基準(zhǔn)等環(huán)節(jié)所消耗的電流之和。⑵調(diào)整管的擊穿電壓U(BR)CEO應(yīng)為U(BR)CEO＞UCEmax=UImax式中，UCEmax為調(diào)整管的最大集-射極間電壓。UImax為輸入電壓的最大值，當(dāng)電路輸出端發(fā)生短路故障時(shí)，輸入電壓全部加在調(diào)整管上。⑶調(diào)整管的最大集電極功耗PCM應(yīng)為PCM＞Pcmax=UCEmaxIcmax=UImax(Iomax+I)377.3穩(wěn)壓電路/串聯(lián)穩(wěn)壓電路四、集成穩(wěn)壓電路

三端固定電壓式集成穩(wěn)壓電路是使用十分廣泛集成穩(wěn)壓電路。它只有一個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端和一個(gè)公共接地端，故常稱(chēng)為三端穩(wěn)壓器。根據(jù)輸出電壓極性，三端穩(wěn)壓器分為W78XX系列（輸出正電壓）和W79XX系列（輸出負(fù)電壓）兩種。型號(hào)后面的兩位數(shù)字表示輸出電壓的標(biāo)稱(chēng)值。如型號(hào)為W7805、W7912的穩(wěn)壓管，對(duì)應(yīng)輸出+5V、－12V的電壓。三端穩(wěn)壓器的最大輸出電流分為三檔：W78XX(W79XX)的最大輸出電流為1～1.5A，W78MXX(W79MXX)的最大輸出電流為0.5A，W78LXX（W79LXX）的最大輸出電流為0.1A。387.3穩(wěn)壓電路1.基本應(yīng)用