第七章直流电源

1、1 教学目的与要求：教学目的与要求： 1 1、掌握直流电源的结构。、掌握直流电源的结构。 2 2、掌握单相半波整流电路、单相桥式整流、掌握单相半波整流电路、单相桥式整流电路的工作原理和主要参数。电路的工作原理和主要参数。 3 3、了解滤波电路和稳压电路的工作原理。、了解滤波电路和稳压电路的工作原理。2直流发电机直流发电机干电池干电池直流稳压电源直流稳压电源直流电源直流电源3 一、直流电源的结构一、直流电源的结构 直流电源将交流电转换成直流电。直流电源将交流电转换成直流电。 由由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。部分组成。4 一、直流电源的结构

2、一、直流电源的结构 1 1、变压器：、变压器： 根据负载对电压的要求，提供适当的电压。根据负载对电压的要求，提供适当的电压。 2 2、整流电路：、整流电路： 把变压器输出的交流电转换成脉动直流电。把变压器输出的交流电转换成脉动直流电。5 一、直流电源的结构一、直流电源的结构 3 3、滤波电路：、滤波电路： 降低整流电路输出电压中的脉动成分，使输出电压成降低整流电路输出电压中的脉动成分，使输出电压成为比较平滑的直流电压。为比较平滑的直流电压。 4 4、稳压电路：、稳压电路： 使输出电压在电网电压、负载变化时，保持稳定。使输出电压在电网电压、负载变化时，保持稳定。6tUusin222tUusin2

3、11复习：变压器复习：变压器原边副边7整流电路：整流电路： 将变压器输出的交流电压转换成单方向变化的脉将变压器输出的交流电压转换成单方向变化的脉动电压，即把交流电转换成脉动直流电。动电压，即把交流电转换成脉动直流电。整流电路原理：整流电路原理： 利用理想二极管的单向导电性来完成整流的目的。利用理想二极管的单向导电性来完成整流的目的。二、整流电路二、整流电路8 在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向截止电阻为无穷大。反向截止电阻为无穷大。方式：半波整流

4、、桥式整流方式：半波整流、桥式整流复习：二极管复习：二极管导通区导通区死区死区反向反向截止截止区区反向反向击穿击穿区区9工作原理：工作原理： 1 1、单相半波整流电路、单相半波整流电路tUuusin222o当变压器副边电压处于正半周时，二极管导通当变压器副边电压处于正半周时，二极管导通当变压器副边电压处于负半周时，二极管截止当变压器副边电压处于负半周时，二极管截止0ou组成：由一个二极管串联组成：由一个二极管串联tUusin22210ou0ktk22ktk222tUsin22 可见，半波整流电路只在变压器副边电压为正半周可见，半波整流电路只在变压器副边电压为正半周时才有电流通过负载，负半周无电

5、流通过负载，故称为时才有电流通过负载，负半周无电流通过负载，故称为半波整流。半波整流。 负载上得到的整流电压虽然是单方向的，但其大小负载上得到的整流电压虽然是单方向的，但其大小是变化的，即单向脉动电压。是变化的，即单向脉动电压。）、（321k1 1、单相半波整流电路、单相半波整流电路单相半波整流电路输出电压：单相半波整流电路输出电压：112 2、单相半波整流电路的主要参数、单相半波整流电路的主要参数（1 1）输出直流电压）输出直流电压 输出直流电压定义为输出直流电压定义为整流电路输出电压的平均值。整流电路输出电压的平均值。 oU2020222-cos22)(sin2UtUttdUUo245.

6、0UUo单相半波整流电路输出电压：单相半波整流电路输出电压：ou0ktk22ktk222tUsin22）、（321k12单相半波整流电路中输出电流的平均值：单相半波整流电路中输出电流的平均值：L2LoO45. 0RURUI（1 1）输出直流电压）输出直流电压245. 0UUo单相半波整流电路中流过二极管电流的平均值：单相半波整流电路中流过二极管电流的平均值：L2OD/45.0RUII13（2 2）脉动系数）脉动系数S S单相半波整流电路输出电压：单相半波整流电路输出电压：ou0ktk22ktk222tUsin22 整流电路输出电压的脉动系数整流电路输出电压的脉动系数S S定义为输出电压中定义为

7、输出电压中基波的最大值与输出电压的平均值之比。基波的最大值与输出电压的平均值之比。14（2 2）脉动系数）脉动系数S S.4cos15222cos322sin2222222tUtUtUUuo直流分量：直流分量：/22U交流谐波：交流谐波：直流分量以外各量直流分量以外各量 单相半波整流电路输出单相半波整流电路输出电压用付里叶级数展开为：电压用付里叶级数展开为：基波基波周期更小的谐波项周期更小的谐波项tUsin22215 半波整流电路的输出电压脉动程度很大，其基波峰半波整流电路的输出电压脉动程度很大，其基波峰值约为输出电压平均值的值约为输出电压平均值的1.571.57倍。倍。 脉动系数脉动系数S

8、S定义为输出电压中基波的最大值与输出定义为输出电压中基波的最大值与输出电压的平均值之比。电压的平均值之比。是整流电路输出波形平滑程度的一是整流电路输出波形平滑程度的一项指标。项指标。57. 1/2/2222UUs（2 2）脉动系数）脉动系数S S单相半波整流电路输出电压的脉动系数单相半波整流电路输出电压的脉动系数S S：16（3 3）二极管最大反向峰值电压）二极管最大反向峰值电压 二极管最大反向峰值电压定义为二极管最大反向峰值电压定义为在整流电路中，当在整流电路中，当二极管不导通时，二极管两端承受的最大反向电压。二极管不导通时，二极管两端承受的最大反向电压。2RM2UURMU 外加反向电压超过

9、了二极管最大允许值，二极管外加反向电压超过了二极管最大允许值，二极管就可能被击穿而损坏。就可能被击穿而损坏。 半波整流电路反向峰值电压就是变压器副边电压半波整流电路反向峰值电压就是变压器副边电压 的最大值，即的最大值，即17例题：有一单相半波整流电路如下图所示，已知负载电例题：有一单相半波整流电路如下图所示，已知负载电阻阻 ，电源变压器副边电压有效值，电源变压器副边电压有效值 ，试求试求v2722RMUUv192URMDoUIIUo、解：解：A171. 0R/LooUIv55. 80.452UUo 50LRA171. 0oD II18例题：为了安全，机床上常用36V直流电压供电的白炽灯作为照明

10、光源，假设变压器输出侧采用半波整流电路,那么变压器输出侧电压有效值为多少？ 解：根据半波整流电路公式：v8045. 0/v3645. 0/02UU245. 0UUo得答：当变压器输出侧采用半波整流电路时,变压器输出侧电压有效值80v。19组成：由四只二极管接成电桥形式组成：由四只二极管接成电桥形式3、单相桥式整流电路、单相桥式整流电路电路图电路图1u2u+-RLouD21DD3D4tUusin222tUusin21120当变压器副边电压处于正半周时，二极管当变压器副边电压处于正半周时，二极管D1、D3导通。导通。tUuusin222o）（ktk223、单相桥式整流电路、单相桥式整流电路tUus

11、in22221u1 当变压器副边电压处于负半周时，二极管当变压器副边电压处于负半周时，二极管D2、D4导通。导通。）（ktk222tUuusin2-22o3、单相桥式整流电路、单相桥式整流电路tUusin22222u2ttuou2D4D2D1D3RLuoab+_3、单相桥式整流电路、单相桥式整流电路23ouktk22ktk222tUsin22）、（321ktUsin2-2单相桥式整流电路输出电压：单相桥式整流电路输出电压：3、单相桥式整流电路、单相桥式整流电路 可见，桥式整流电路克服了半波整流电路只利用电可见，桥式整流电路克服了半波整流电路只利用电源半个周期的缺点，也是全波整流电路的一种。源半

12、个周期的缺点，也是全波整流电路的一种。 24桥式整流电路的常见画法桥式整流电路的常见画法3、单相桥式整流电路、单相桥式整流电路254 4、单相桥式整流电路的主要参数、单相桥式整流电路的主要参数（1 1）输出直流电压）输出直流电压 输出直流电压定义为整流电路输出电压的平均值。输出直流电压定义为整流电路输出电压的平均值。oU2022220oo222)(sin2-)(sin22)(UttdUttdUtduU29 . 0 UUoouktk22ktk222tUsin22）、（321ktUsin2-226单相桥式整流电路中输出电流的平均值：单相桥式整流电路中输出电流的平均值：L2O/9 . 0RUIu2D

13、4D2D1D3RLab（1 1）输出直流电压）输出直流电压 oU27（2 2）脉动系数）脉动系数S S单相桥式整流电路输出电压：单相桥式整流电路输出电压：ouktk22ktk222tUsin22用付里叶级数表示为：用付里叶级数表示为：直流分量：直流分量：交流谐波：交流谐波：直流分量以外各量直流分量以外各量tUsin2-2.4cos15242cos32422222tUtUUuo/222U基波基波周期更小的谐波项周期更小的谐波项28 桥式整流电路输出电压的脉动系数比半波整流电路桥式整流电路输出电压的脉动系数比半波整流电路小得多，输出电压的质量得到了明显提高，而且输出小得多，输出电压的质量得到了明显

14、提高，而且输出电压和电流的平均值也提高了一倍。电压和电流的平均值也提高了一倍。 整流电路输出电压的脉动系数整流电路输出电压的脉动系数S S定义为输出电压中定义为输出电压中基波的最大值与输出电压的平均值之比。基波的最大值与输出电压的平均值之比。67. 02232422OO1MUUUUS（2 2）脉动系数）脉动系数S S29（3 3）二极管最大反向峰值电压）二极管最大反向峰值电压 在整流电路中，当二极管不导通时，二极管两端承在整流电路中，当二极管不导通时，二极管两端承受的最大反向电压。受的最大反向电压。 反向电压超过了最大允许值，二极管就可能被击穿反向电压超过了最大允许值，二极管就可能被击穿而损坏

15、。而损坏。 单相桥式整流电路反向峰值电压就是变压器副边电单相桥式整流电路反向峰值电压就是变压器副边电压压 的最大值，即的最大值，即RMU2RM2UU2u30单相半波整流电路中流过二极管电流的平均值：单相半波整流电路中流过二极管电流的平均值：L2OD/45. 02/RUIIu2D4D2D1D3RLab313233小结：1、单相桥式整流电路采用了四只二极管组成、单相桥式整流电路采用了四只二极管组成了电桥电路。了电桥电路。2、四只二极管每两只轮流工作，完成了对交、四只二极管每两只轮流工作，完成了对交流电源的整流作用，输出为全波脉动电压。流电源的整流作用，输出为全波脉动电压。3、桥式整流电路输出波形脉

16、动较小，输出电、桥式整流电路输出波形脉动较小，输出电压高，对二极管的要求较低。压高，对二极管的要求较低。4、在实际应用中要注意二极管不能接反。、在实际应用中要注意二极管不能接反。34半波整流桥式整流电路图输出电压波形输出直流电压Uo输出电流的平均值流过每个二极管的电流平均值每个二极管承受的最大反向电压电路特点 电路简单，但整流效率低，脉动系数大，输出波形不好。 电路元件多，但整流效率高，脉动系数较小，输出直流电压较大。35第二节第二节 滤波电路滤波电路 从前面的分析整流电路中可以看出，无论是半波整从前面的分析整流电路中可以看出，无论是半波整流电路，还是桥式整流电路，从负载上所获得的都是脉流电路

17、，还是桥式整流电路，从负载上所获得的都是脉动的直流信号，也就是说输出的电压有着非常大的交流动的直流信号，也就是说输出的电压有着非常大的交流分量，为了减小这种脉动就需要滤波电路。分量，为了减小这种脉动就需要滤波电路。 滤波电路的作用：滤掉整流电路输出电压中的交流滤波电路的作用：滤掉整流电路输出电压中的交流成分，减小直流电压中包含的滤波分量，降低直流电源成分，减小直流电压中包含的滤波分量，降低直流电源电压的脉动成分。电压的脉动成分。将整流电路输出的脉动的直流电压变将整流电路输出的脉动的直流电压变换为平滑的直流电压，也就是说通过滤波电路以后使输换为平滑的直流电压，也就是说通过滤波电路以后使输出的交流

18、分量更加小了。出的交流分量更加小了。36滤波的基本原理：滤波的基本原理： 滤波电路利用电抗性元件（电容或电感）对交流、滤波电路利用电抗性元件（电容或电感）对交流、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C C通交阻直，所以通交阻直，所以C C应该并联在负载两端。电感器应该并联在负载两端。电感器L L通直阻交，因此通直阻交，因此,L,L应与应与负载串联。负载串联。常见的滤波电路：常见的滤波电路： 电容滤波电路、电感滤波电路和电容滤波电路、电感滤波电路和型滤波电路型滤波电路37一、电容滤波电路一、电容滤波电路以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明以单相桥式整流电容滤波电路为例

19、来说明 1 1、电容滤波电路工作原理、电容滤波电路工作原理38 当变压器副边电压当变压器副边电压u u2 2处于正半周上升阶段时，二极处于正半周上升阶段时，二极管管D1D1、D3D3导通，变压器给电容器导通，变压器给电容器C C充电。此时电容器充电。此时电容器C C相相当于并联在变压器输出端。所以此阶段当于并联在变压器输出端。所以此阶段R RL L两端电压两端电压u uo o的的波形与波形与u u2 2相同，都是正弦波相同，都是正弦波，就形成，就形成omom段波形。段波形。一、电容滤波电路一、电容滤波电路39 当变压器副边电压当变压器副边电压u u2 2达到最大值达到最大值m m点处时，电点处

20、时，电容器容器C C的充电电压的充电电压u uC C也达到最大值，也达到最大值，u uC C等于等于 。一、电容滤波电路一、电容滤波电路40 在刚过最高峰在刚过最高峰m m点时，点时，u u2 2按照正弦曲线规律下降，按照正弦曲线规律下降，而电容器而电容器C C按照指数规律下降。按照指数规律下降。它们下降的波形几乎它们下降的波形几乎是一样的，所以可以认为，此时二极管导通，加在负是一样的，所以可以认为，此时二极管导通，加在负载两端的电压波形和副边电压波形就是一样的，载两端的电压波形和副边电压波形就是一样的，也就也就是是mnmn段波形。段波形。41 当当u u2 2超过超过n n点时，点时，u u

21、2 2正弦曲线下降的速率越来越快，正弦曲线下降的速率越来越快，而而u uC C按指数规律缓慢变化。在按指数规律缓慢变化。在n n点之后点之后, ,u u2 2 u uc c。当刚超。当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管过指数曲线起始放电速率时，二极管D1D1、D3D3承受反向承受反向电压截止，电容对负载电阻放电。所以输出电压电压截止，电容对负载电阻放电。所以输出电压u uo o与与u uc c波形相同，按指数曲线规律下降，也就是波形相同，按指数曲线规律下降，也就是nhnh段。段。 直到下一个半周电源电压大于电容电压时，二极直到下一个半周电源电压大于电容电压时，二极管导通，电容器再次被充电。管

22、导通，电容器再次被充电。422 2、电容滤波电路的特点、电容滤波电路的特点（1 1）输出电压的脉动程度）输出电压的脉动程度 整流电路加上滤波电容后，当二极管导通时，整流电路加上滤波电容后，当二极管导通时，滤波电容将能量储存在电场中，然后在二极管截滤波电容将能量储存在电场中，然后在二极管截止期间将储存的能量释放出来，使流过负载电阻止期间将储存的能量释放出来，使流过负载电阻的电流没有因的电流没有因u2u2的迅速下降而变小，因而负载上的迅速下降而变小，因而负载上的电流和电压的波形比较平滑，减小了输出电压的电流和电压的波形比较平滑，减小了输出电压脉动程度。脉动程度。43（2 2）增大了输出直流电压）增

23、大了输出直流电压 输出电压曲线包围的面积比没有滤波电容时的曲输出电压曲线包围的面积比没有滤波电容时的曲线所包围的面积大了，说明输出电压的平均值增大了。线所包围的面积大了，说明输出电压的平均值增大了。44（3 3）减小了整流二极管的导通角）减小了整流二极管的导通角 在桥式整流电路中，每个二极管有半个周期处于在桥式整流电路中，每个二极管有半个周期处于导通状态，二极管的导通角等于导通状态，二极管的导通角等于180180度。电路加上滤波度。电路加上滤波电容后，只有当电容充电时，二极管才导通。所以每电容后，只有当电容充电时，二极管才导通。所以每只二极管导通角变小了。只二极管导通角变小了。 由于二极管导通

24、角变小了，二极管在较短时间内由于二极管导通角变小了，二极管在较短时间内将产生一个很大的冲击电流，这就要求选用较大容量将产生一个很大的冲击电流，这就要求选用较大容量的整流二极管。的整流二极管。45 输出电压输出电压U UO O与输出电流与输出电流I IO O之间的关系曲线之间的关系曲线称为电路的外特性称为电路的外特性。 当负载电阻减小，即输出电流增大时，输当负载电阻减小，即输出电流增大时，输出电压迅速下降，因此电容滤波电路不适用于出电压迅速下降，因此电容滤波电路不适用于负载电流变化较大的场合。负载电流变化较大的场合。(4)(4)电路的外特性欠佳电路的外特性欠佳46 利用储能元件电感器利用储能元件

25、电感器的直流电阻很小，而交流阻抗的直流电阻很小，而交流阻抗很大，故把电感很大，故把电感与整流电路的负载与整流电路的负载L L串联后，直流分串联后，直流分量基本没有衰减，而交流分量分别降在电感和负载电阻上，量基本没有衰减，而交流分量分别降在电感和负载电阻上，这样减小了负载电阻上的交流分量，因此降低了输出电压这样减小了负载电阻上的交流分量，因此降低了输出电压的脉动系数，也起到滤波的作用。的脉动系数，也起到滤波的作用。以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明 二、电感滤波电路二、电感滤波电路47引起输出电压不稳定的原因：引起输出电压不稳定的原因： （1 1）电网电压的

26、波动，会使输出电压发生变化。电网电压的波动，会使输出电压发生变化。 （2 2）当当负载电流变化时，在直流电源内阻上产生的电负载电流变化时，在直流电源内阻上产生的电压降也会随着变化，从而使输出电压发生变化。压降也会随着变化，从而使输出电压发生变化。 因此，为了得到稳定的直流电压输出，必须在整流滤因此，为了得到稳定的直流电压输出，必须在整流滤波电路之后加上稳压电路，使输出电压维持相对稳定。波电路之后加上稳压电路，使输出电压维持相对稳定。第三节第三节 稳压电路稳压电路48 电路由稳压二极管（简称稳压管）和限电路由稳压二极管（简称稳压管）和限流电阻组成。由于稳压二极管与负载并联，流电阻组成。由于稳压二

27、极管与负载并联，又称并联稳压电路。又称并联稳压电路。49 稳压二极管具有和一般二极管相类似的特性，稳压二极管具有和一般二极管相类似的特性，只只是由于它采用了特殊的工艺使得它在反向击穿以后在是由于它采用了特殊的工艺使得它在反向击穿以后在一定条件下不会损坏，而具有稳压的特性。简称稳压一定条件下不会损坏，而具有稳压的特性。简称稳压管。管。复习：稳压二极管复习：稳压二极管50 当外加反向电压超过反向击穿电压时，稳压管当外加反向电压超过反向击穿电压时，稳压管将被迅速击穿，击穿后反向电流急剧增大。将被迅速击穿，击穿后反向电流急剧增大。 在稳压管的反向击穿区，流过稳压管的电流在在稳压管的反向击穿区，流过稳压管的电流在一定范围内变化时，稳压管两端的电压变化很小。一定范围内变化时，稳压管两端的电压变化很小。 稳压管稳压电路就是利用了这一特点。稳压管稳压电路就是利用了这一特点。其就是其就是工作在反向击穿区的特殊二极管，所以，在工作在反向击穿区的特殊二极管，所以，在连接电连接电路时，稳压管应反接。路时，稳压管应反接。 复习：稳压二极管复习：稳压二极管51RIZZOUDUUU两端电压稳压管稳压电路输出电压RUOZR）（限流电阻的电压II IU稳压电路的