整流和滤波电路

1、第二十七讲 整流和滤波电路第十章 整流和滤波电路教学目的1、了解直流电源的组成,理解半波、全波桥式整流电路的工作原理及电路参数2、理解滤波电路的原理,学会定量分析其性能,理解倍压整流电路原理3、掌握稳压电路的工作原理、主要指标限流电阻的计算,了解稳压电路中的保护措施4、掌握串联型稳压电路的组成、工作原理,估算输出电压的调节范围。5、掌握集成稳压器 W7800、 W7900、 W117的应用教学重点和难点1、稳压二极管稳压电路2、串联型稳压电路3、三端稳压器的应用教学内容第一节 直流电源的组成及各部分的作用第二节 整流电路一、整流电路的分析方法及其基本参数二、单相桥式整流电路第三节 滤波电路第四

2、节 稳压二极管稳压电路第五节 串联型稳压电路一、串联型稳压电路的工作原理二、集成稳压器中的基准电压电路和保护电路三、集成稳压器电路四、三端稳压器的应本章讨论的问题:1. 如何将 50Hz 、 220V 的交流电压变为 6V 的直流电压? 2.220V的交流电压经整流后是否输出 220V 的直流电压? 3. 将市场销售的 6V 直流电源接到收音机 上,为什么有的声音清晰,有的含有交流声?4. 对于同样标称输出电压为 6V 的直流电源, 在未接收音机时, 为什么测量输出端子的电压, 有的为 6V ,而有的为 7-8V ?5. 为什么有的直流电源在电网电压变化和负载变化时输出电压不变,而有的随之变化

3、? 6. 一个 5V 交流电压是否可能转换为 6V 直流电压?一个 3V 电池是否可以转换成为 6V 的直 流电压?7. 对于一般直流电源,若不慎将输出端短路,则一定会使损坏吗? 8. 线性电源和开关型电源有和区别?它们分别应用在什么场合?10.1直流电源的组成及各部分的作用电子电路工作时都需要直流电源提供能量,电池因使用费用高 , 一般只用于低功耗便携 式的仪器设备中。 本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源。 一般直流电源由如下部分 组成 :整流电路是将工频交流电转换为脉动直流电。滤波电路将脉动直流中的交流成分滤除,减少交流成分,增加直流成分。 稳压电路采用负反馈技术,对整流后的直流电压

4、进一步进行稳定。 直流电源的方框图如图 10.1所示。 图 10.1.1整流滤波方框图10.2整流电路10.2.1整流电路的分析方法及其基本参数一、工作原理优点:使用元件少。缺点:输出波形脉动大;直流成分小;变压器利用率低。 二、主要参数 1. 输出电压平均值 U O(AV输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值图 10.2.1单相半波整流电路 tUsin 22LR U 2222U22U图 10.2.2半波整流电路的波形图(d 2120o O(AVt u U=2202O(AV45. 02 (td sin 21U U t U U =22. 负载电流的平均值3. 脉动系数三、二极管的选择根 据流过

5、二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。 二极管的正 向电流等于负载电流平均值二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压对于二极管最大整流平均电流 I F 和最高反向工作电压 U R 均应留 10%的余地, 以保证二极管 安全工作。 10.2.2 单相桥式整流电路一、单向桥式整流电路的组成 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路,如图 10.2.4(a 所示。在分析整流电路工作原理时, 整流电路中的二极管是作为开关运用, 具有单向导电性。二、工作原理根据图 10.2.4(a 的电路图可知:当正半周时,二极管 D 1、 D 3导通,在负载电阻上得到正弦波的正

6、半周。 当负半周时,二极管 D 2、 D 4导通,在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、 负半周经过合成, 得到的是同一个方向的单向脉动电压。 单相桥式整流电 路的波形图见图 10.2.4(b 。三、输出电压平均值 UO(AV 和输出电流的平均值 IO(AV根据图 15.02(b 可知,输出电压是单相脉动电压,通常用它的平均值与直流电压等效。 输出平均电压 为2202L O 9. 022d s i n 21V V t t V V V =L2LAV O AV O R U 45. 0R U I ( (=O(AVO1m U U S =L2AV O AV D R U 45. 0I I ( (

7、=2max R 2U U = (a 桥式整流电路 (b 波形图图 10.2.4单相桥式整流电路 (动画 15-1 (动画 15-2流过负载的平均电流 为L2L2L 9. 022R V R V I =流过二极管的平均电流 为L2L2L D 45. 022R V R V I I =二极管所承受的最大反向电压2Rmax 2V V =流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量,可将脉动电压做傅里叶分析,此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数 S 定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。4cos 1542cos 342(22O +-=t t V v 67. 03222 32422=V V S四、二极管

8、的选择1. 每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流,所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。2. 二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压3. 对于二极管最大整流平均电流 I F 和最高反向工作电压 U R 均应留 10%的余地,以保证二极管安全工作。问题:如何实现正、负电源?将桥式整流电路变压器副边中点接地,并将二个负载电阻相 连接,且连接点接地。u O1 为正; u O2为负 问题:三相整流电路如何实现?变压器副边的三个端均应接二只二极管, 一只接阳极, 另一只 接阴极。 D 1 D 2 D 3轮流导通, 阳极电位高的 D 先导通; D 4D 5D 6轮流导

9、通,阴极电位低的 D 先导通。 附 1单相半波整流电路单相整流电路除桥式整流电路外还有有单相半波和单相全波两种形式。单相半波整流 电路如图 (a所示,波形图如图 (b所示。根据图可知, 输出电压在一个工频周期内, 只是正半周导电, 在负载上得到的是半个正 弦波。负载上输出平均电压为 2202L O 45. 02 (d sin 21V V t t V V V =L2AV O AV D R U 45.0I I ( (=2max R 2U U =图 10.2.7 利用桥式整流电路实现正、负电源图 10.2.8 三相整流电路流过负载和二极管的平均电流为L2L2L D 45. 02R V R V I I

10、 = (a电路图 (b波形图图单相半波整流电路二极管所承受的最大反向电压2Rmax 2V V =附 2. 单相全波整流电路单相全波整流电路如图 (a所示,波形图如图 (b所示。 (a电路图 (b波形图图 单相全波整流电路根据图(b 可知,全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出相同。输出平均电压为2202L O 9. 022d s i n 21V V t t V V V =流过负载的平均电流为 L2L2L D 9. 022R V R V I I =二极管所承受的最大反向电压 2R m a x 22V V =单相全波整流电路的脉动系数 S 与单相桥式整流电路相同。 67. 0322232422

11、=V V S单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过,而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。 所以单相桥式整流电路的变压器效率较高, 在同样功率容量条件下, 体积可以小 一些。 单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路, 故广泛应用于直流电源 之中。注意,整流电路中的二极管是作为开关运用的。整流电路既有交流量,又有直流量,通常对 输入(交流用有效值或最大值; 输出(交直流用平均值; 整流管正向电流用平均值; 整流管反向电压用最大值。10.3滤波电路滤波:将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。 滤波电路的结构特点 : 电容与负载 R L 并联 或电感与负载 R L 串联。10.3.

12、1电容滤波电路1.滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同,实现滤波。电容器 C 对直流开路, 对交流阻抗小,所以 C 应该并联在负载两端。电感器 L 对直流阻抗小,对交流阻抗大,因 此 L 应与负载串联。经过滤波电路后,既可保留直流分量,又可滤掉一部分交流分量,改 变了交直流成分的比例,减小了电路的脉动系数,改善了直流电压的质量。2. 电容滤波电路现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。 电容滤波电路如图 10.3.1所示, 在负载电 阻上并联了一个滤波电容 C 。 图 10.3.1 电容滤波电路3. 滤波原理若 v 2处于正半周,二极管 D 1、 D 3导通,变压器次端电压

13、 v 2给电容器 C 充电。此时 C 相当于并联在 v 2上,所以输出波形同 v 2,是正弦波。当 v 2到达 t =/2时,开始下降。先假设二极管关断,电容 C 就要以指数规律向负载 R L 放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过 t =/2时,正弦曲线下降的速率很慢。所 以刚过 t =/2时二极管仍然导通。在超过 t =/2后的某个点,正弦曲线下降的速率越来越 快,当刚超过指数曲线起始放电速率时,二极管关断。所以在 t 2到 t 3时刻,二极管导电, C 充电, V i =V o 按正弦规律变化; t 1到 t 2时刻二极管关断, V i =V o 按指数曲线下降,放电时间 常数为 R

14、 L C 。电容滤波过程见图 10.3.2。 图 10.3.2电容滤波电路波形需要指出的是,当放电时间常数 R L C 增加时, t 1点要右移, t 2点要左移,二极管关断时 间加长,导通角减小;反之, R L C 减少时,导通角增加。显然。当 R L 很小,即 I L 很大时, 电容滤波的效果不好, 见图 18.05滤波曲线中的 2。 反之, 当 R L 很大, 即 I L 很小时, 尽管 C 较小 , R L C 仍很大 , 电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的 3。所以电容滤波适合输出电流 较小的场合。问题 :有 C 无 R L 即空载,此时 V C =V O =? 图 10.3.4电

15、容滤波的效果(动画 15-3 (动画 15-44.电容滤波电路参数的计算电容滤波电路的计算比较麻烦, 因为决定输出电压的因素较多。 工程上有详细的曲线可 供查阅,一般常采用以下近似估算法: 一种是用锯齿波近似表示,即 41(2L 2O CR T V V -=另一种是在 R L C =(35 2T 的条件下,近似认为 V O =1.2V 2。5. 外特性整流滤波电路中,输出直流电压 V O 随负载电流 I O 的变化关系曲线如图 10.3.5所示。 图 10.3.5电容滤波外特性曲线 *使用条件:253(L d T C R =10.3.3其它形式的滤波电路 一、电感滤波电路利用储能元件电感器 L

16、 的电流不能突变的性质, 把电感 L 与整流电路的负载 R L 相串联, 也可以起到滤波的作用。桥式整流电感滤波电路如图 10.3.8所示。 电感滤波的波形图如图 15.11所示。 当 v 2正半 周时,D 1、 D 3导电,电感中的电流将滞后 v 2。当负半周时,电感中的电流将更换经由 D 2、 D 4提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性,四个二极管 D 1、 D 3; D 2、 D 4的导电 角都是 180°。 图 10.3.8电感滤波电路 图 10.3.8电感滤波电路波形图 (动画 15-5L 愈大,滤波效果愈好;适用于负载电流较大的场合。 图 10.3.9LC 滤波电

17、路波形图二、 LC 滤波电路输出直流电压为:脉动系数 S :适用于各种场合。 三、 LC - P 型滤波电路四、 RC - P 型滤波电路五、各种滤波电路的比较O 引言倍流整流电路首先是由 A . Cook 在 1924年出版的 E1ements of Electrical Enginee ring 书中加以描述, 并于 20世纪 30年代在电子管电路中得到使用。 1987年 7月 Ole S . S eiersen 首次在丹麦申请专利,并在 1991年 FIFPC 会议上发表相关的学术论文。本文分析了一种新型的倍流整流电路拓扑, 如果在通信电源中得到应用, 可以提高大电 流输出时副边整流电路

18、的效率。l 全波整流和倍流整流传统上,通信电源变压器副边整流电路大多采用图 1(a所示带中心抽头的全波整流电 路, 该电路拓扑结构简单. 器件总数少, 二极管通态损耗小, 但是变压器副边绕组的利用率 较低。 随着开关电源技术的迅速发展, 通信电源要求更大的输出电流和更小的输出电压纹波。 对低压大电流输出的变压器而言, 中心抽头不仅给变压器的没计和制造带来很大困难, 而且 外部引线的安装和焊接也很难处理。2O(AVO(AV9. 0U U U ='S LC S '21常用的倍流整流电路拓扑如图 l(b所示, 与传统的变压器副边带中心抽头的全波整流电 路相比, 倍流整流电路有以下优点

19、:减小了变压器副边绕组的电流有效值; 变压器利用率较 高, 无需中心抽头, 结构简单; 输出电感纹波电流抵消可以减小输出电压纹波; 双电感也更 适合于分布式功率耗散的要求。 与全波整流电路相比, 倍流整流器的高频变压器的副边绕组仅需一个单一绕组, 不用中 心抽头; 与全桥整流电路相比, 倍流整流电路使用的二极管数量少一半。 因此, 倍流整流电 路结合了全波整流电路和全桥整流电路两者的优点。 当然, 倍流整流电路要多使用一个输出 滤波电感, 结构略显复杂。 但此电感的工作频率及输送电流均为全波整流电路所用电感的一 半,因此可做得较小。2 工作原理倍流整流电路可以被看成是由传统的全桥整流电路演变而

20、来。如图 2所示,将图 2(a中全桥整流电路中的两个下方二极管用两个电感取代, 即可获得图 2(b, 经过整理后即可得 到如图 2(c所示的倍流整流电路。实际上倍流整流电路也可以由全波整流电路通过拓扑变换得来。 在图 3(a中, 输出电感 与输出电容和负载电阻串联, 而串联连接的兀件可以互换位置, 因此将输出电感换到输出负 母线,可得图 3(b;将变压器的副边绕组看成电压源,而把输出电感看成电流源,可得图 3 (c;由虚线框内三端口网络的 Y/变换,可得图 3(d;再将电流源恢复成输出电感,将电 压源恢复成变压器的副边绕组,可得图 3(e所示的倍流整流电路。 倍流整流电路的原理图如图 4所示,

21、对中、大功率的通信电源而言,移相全桥电路是 较为常见的电路拓扑形式, 在原边电路处于续流状态时, 变压器的原边绕组和副边绕组都被 短路。 因此倍流整流电路在稳态运行时, 每个开关周期有 4种工作模式。 为便于分析作如 F 假设:高频变压器原副边匝比为 n=N1/N2,忽略高频变压器原副边漏感,所有器件均为理 想器件。可得关键波形如图 5所示。 模式 lt0t1 变压器副边电压 VT 为 VS ,电压极性为正,两个滤波电感的电流 IL1和 IL2极性都为正,二极管 D1正向偏置导通,而 D2反向截止。电感 L1的电流 IL1经二极管 D1和输出电容 C0续流,电感 L1上的电压 VL1为一 Vo

22、 ,极性为负,因此电流 IL1线性减小, 下降斜率由输出电压 Vo 和电感 L1的比值决定。 变压器副边电压 VT 通过二极管 D1和输出 电容 Co 加到电感 L2上,因此电感 L2上的电压 VL2为 VS-Vo ,极性为正,电流 IL2线性 增加,上升斜率由变压器副边电压与输出电压的差 VS 一 V0和电感 L2的比值决定。变压 器的副边电流 IT 等于 IL2,电流 I01为两个滤波电感电流的和 IL1+IL2,由于输出大电容 C o 的滤波作用,输出电流 I0为 I01的直流分量。变压器的副边电流 IT 等于 IL2。模式 2t1t2 变压器副边电压 VT 为 0,两个滤波电感的电流

23、IL1和 IL2极性都为正, 二极管 D1和 D2均为正向偏置导通。 电感 L1的电流 IL1经二极管 D1和输出电容 Co 续流, 电感 L1上的电压 VL1为一 Vo , 极性为负, 因此电流 IL1线性减小, 下降斜率由输出电压 V o 和电感 L1的比值决定。电感 L2的电流 IL2经二极管 D2和输出电容 Vo 续流,电感 L2上的电压 VL2为一 Vo ,极性为负,因此电流 IL2线性减小,下降斜率由输出电压 Vo 和电 感 L2的比值决定。变压器的副边电流 IT 等于 O 。模式 3t2t3 变压器副边电压 VT 为一 VS ,电压极性为负,两个滤波电感的屯流 IL1和 IL2极

24、性都为正,二极管 D1反向截止,而 D2正向偏置导通。变压器剐边电压 VT 通过 二极管 D2和输出电容 Co 加到电感 L1上, 因此电感 L1上的电压 VL1为 VS V0, 极性为 正,电流 IL1线性增加,上升斜率由变压器副边电压与输出电压的差 VS 一 V0和电感 L1的比值决定。电感 L2的电流 IL2经二极管 D2和输出电容 Co 续流,电感 L2上的电压 VL2为一 Vo ,极性为负,因此电流 IL2线性减小,下降斜率由输出电压 Vo 和电感 L2的比值决 定。变压器的副边电流 IT 等于一 IL1。模式 4t3t4 与模式 2的工作状态相同,变压器副边电压 VT 为 O ,两

25、个滤波电感的电 流 IL1和 IL2极性都为正, 二极管 D1和 D2均为正向偏置导通。 电感 L1的电流 IL1经二极 管 D1和输出电容 Co 续流,电感 L1上的电压 VL1为一 Vo ,极性为负,因此电流 IL1线性 减小,下降斜率由输出电压 Vo 和电感 L1的比值决定。电感 L2的电流 IL2经二极管 D2和输出电容 Co 续流, 电感 L2上的电压 VL2为一 Vo , 极性为负, 因此电流 IL2线性减小, 下 降斜率由输出电压 Vo 和电感 L2的比值决定。变压器的副边电流 IT 等于 0。由此可见. 倍流整流电路的变压器副边平均输送电流仅为输出负载电流的一半。 当一个 电感在高频变压器副边的电压驱动下通过副边输送一半负载电流时, 另一个电感也输送着相 对于输出负载电流相同方向的另一半续流电流