第八章直流稳压电源

1、 第八章第八章 直流稳压电源直流稳压电源整流电路整流电路滤波电路滤波电路稳压电路稳压电路直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成集成稳压器及其应用集成稳压器及其应用稳压电路稳压电路 大小不合大小不合适的交流适的交流大小大小合适合适的交流的交流交流交流 电源电源 脉动脉动直流直流不稳定不稳定的直流的直流稳定稳定直流直流直流直流负载负载滤波滤波电路电路电源变电源变 压器压器 整流整流 电路电路 稳压稳压电路电路电源变电源变压器压器将市电变换为整流所需的将市电变换为整流所需的 交流电压交流电压 整流整流电路电路将交流电变换为方向不变将交流电变换为方向不变 的直流电的直流电 滤波滤波电路电路将脉动直流电变

2、换为平滑将脉动直流电变换为平滑 的直流电压的直流电压 稳压稳压电路电路将不稳定的直流电压变换将不稳定的直流电压变换 为稳定直流电压为稳定直流电压 电源变压器电源变压器: 将交流电网电压将交流电网电压u1变为合适的交流变为合适的交流电压电压u2。 整流电路整流电路: 将交流电压将交流电压u2变为脉动的直流电压变为脉动的直流电压u3。 滤波电路滤波电路: 将脉动直流电压将脉动直流电压u3转转变为平滑的直流变为平滑的直流电压电压u4。 稳稳压电路压电路: 清除电网波动及负载变化的影响清除电网波动及负载变化的影响,保持保持输出电压输出电压uo的稳定。的稳定。整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路

3、稳稳 压压 电电 路路整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo单相单相三相三相二极管二极管可控硅可控硅桥式桥式倍压整流倍压整流半波半波全波全波整流：把交流电压转变为直流脉动的电压。整流：把交流电压转变为直流脉动的电压。整流电路分类：整流电路分类：单相整流电路单相整流电路1.单相半波整流电路单相半波整流电路二极管导通，忽略二二极管导通，忽略二极管正向压降，极管正向压降， uo=u2u1u2aTbDRLuo为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通

4、电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管截止二极管截止, uo=0+io+u2 0 时时:u20 时时D1,D4导通导通D2,D3截止截止电流通路电流通路:a D1RLD4bu20 时时D2,D3导通导通D1,D4截止截止电流通路电流通路:b D2RLD4a单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形u2D3D2D1D4RLuoab整流输出电压平均值：整流输出电压平均值： Uo=0.9U2负载电流平均值负载电流平均值:Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL 二极管平均电流：二极管平均电流：ID=Io/2二极管最大反向电压：二极管最大反向电压：DRM22

5、UU=u2ttuD2,uD3uD1,uD4tuo集成硅整流桥：集成硅整流桥：u2uo+ +- +abT+- -u2+- -u1RL+- -uOiOD1 D3D2 D4 +- -uOabT+- -u2+- -u1u2 正半周，正半周， uO= u2 D1 和和 D3 导通，导通，电流通路：电流通路：aD1 RL D3 bRLiOD1 D3D2 D4 u2 负半周，负半周，uO = - -u2 D2 和和 D4 导通，导通，电流通路：电流通路：b D2 RL D4 a uo abRLTu1- - u2+IoD1 D3D2 D4 uo D4 D3 D1 D2RLu2u2tOuoiotOuD1 , D

6、3iD1 , D3tOuD2 , D4iD2 , D4tO(1) 负载直流电压负载直流电压 UO(2) 负载直流电流负载直流电流 (3) 二极管平均电流二极管平均电流 二极管反向电压二极管反向电压 最大值最大值 UO= 2U2sin td( t)1 0 = U2 2 2 = 0.9U2 IO=UO RLID= IO 12URm= 2 U2 IFIDURURm+- -+- -单相桥式整流电路中的两个二极管用可控单相桥式整流电路中的两个二极管用可控 的的 晶闸管替换晶闸管替换 半控。半控。 abT+- -u2+- -u1 + -uGT1D1 + -uGT2D2RL+- -uOiO正半周，正半周，T

7、2、D1 承受反向电压截止，承受反向电压截止， T1、D2 承受正向电压，承受正向电压，控制极电压控制极电压uG在在 t=时施加，时施加，故在故在 t 时，时， T1和和D2导通导通电流通路：电流通路：a T1 RL D2 babT+- -u2+- -u1 + -uGT1D1 + -uGT2D2RL+- -uOiO负半周，负半周，T1、D2承受反向电压截止，承受反向电压截止， T2、D1 承受正向电压。承受正向电压。控制极电压控制极电压uG在在 t =+ 时施加，时施加，故在故在 + t2 时，时， T2 和和 D1 导通。导通。 电流通路：电流通路：bT2 RLD1 aabT+- -u2+-

8、 -u1 + -uGT1D1 + -uGT2D2RL+- -uOiO + + 2 ab+- -u2 + -uGT1D1 + -uGT2D2RL+- -uOiO负载负载 RL 上得到不完整上得到不完整 的全波脉动电压的全波脉动电压 。u2 t O t uGuO t OO uO 2 t UO(1) 负载直流电压负载直流电压 (2) 负载直流电流负载直流电流 UO= 2U2sin td( t)1 = U2 2 2 1+cos 2= 0.9U2 1+cos 2IO= UORL4. 4. 整流电路的主要参数整流电路的主要参数 负载电压负载电压 Uo的平均值为的平均值为:( )=ootduU2021负载上

9、的负载上的(平均平均)电流电流:LoRUIo=(1)(1)整流输出电压的平均值整流输出电压的平均值uo 2 0 t S定义：定义：整流输出电压的基波峰值整流输出电压的基波峰值Uo1M与与Uo平均值平均值之比。之比。S越小越好。越小越好。2. 脉动系数脉动系数6703222324221.UUUUSoMo=用傅氏级数对全波整流的输出用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUuo=uo 2 0 t基波基波基波峰值基波峰值输出电压平均值输出电压平均值平均电流平均电流(ID)与反向峰值电压与反向峰值电压(UDRM)是选择整流管是选择

10、整流管的主要依据。的主要依据。oDII21=22UURM=例如：例如： 在桥式整流电路中，每个二极管只有半周在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流 ID 是负载平均电流的一半。是负载平均电流的一半。 二极管截止时两端承受的最大反向电压：二极管截止时两端承受的最大反向电压：(3)(3)二极管平均电流与反向峰值电压二极管平均电流与反向峰值电压（选购时：二极管额定电流（选购时：二极管额定电流 2ID)（选购时：（选购时：最大反向电压最大反向电压 2URM) 例例11.2.1 一单相桥式半控整流电路，要求直流输一单相桥式半控

11、整流电路，要求直流输 出电出电 压压 UO 在在 40 90 V的范围内可的范围内可 调，求输入交流电调，求输入交流电 压和控制角的变压和控制角的变 化范围。化范围。 解解 = 0 时，时， UO= UOmax = 90 V，U2 = UO / 0.9 故故 = 90 / 0.9 = 100 V UO = 40 V 时，时， cos = - -1 2UO 0.9U2 = - -1 240 0.9100 = - -0.111 = arccos(- -0.111) = 96.4故故 的变化范围为的变化范围为0 96.4 。 电容滤波电容滤波 电感滤波电感滤波 复式滤波复式滤波 滤波电路滤波电路滤波

12、电路的结构特点滤波电路的结构特点: 电容与负载电容与负载 RL 并联，或并联，或电感与负载电感与负载RL串联。串联。交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波直流直流电压电压RLLRLC1. 电容滤波电路电容滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。其电路如图所示。(1)电容滤波原理电容滤波原理a桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL未接入时未接入时(忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻)u2tuot设设t1时刻接时刻接通电源通电源t1整流电路为整流电路为电容充电电容充电充电结束充电

13、结束没有电容没有电容时的输出时的输出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucRL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时 (忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻)u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot无滤波电容无滤波电容时的波形时的波形加入滤波电容加入滤波电容时的波形时的波形uotu2上升，上升， u2大于电容大于电容上的电压上的电压uc，u2对电容充电，对电容充电，uo= uc u2u2下降，下降， u2小于电容上的电压。小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。二极管承受反向电压而截止。电容电容C通过通过RL放电，放电， uc按指数按指数规律下降，时间常数规律下

14、降，时间常数 = RL Cu2tuot只有整流电路输只有整流电路输出电压大于出电压大于uc时，时，才有充电电流。才有充电电流。因此二极管中的因此二极管中的电流是脉冲波。电流是脉冲波。二极管中的二极管中的电流电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot电容充电时，电容充电时，电容电压滞后电容电压滞后于于u2。RLC越小，输越小，输出电压越低。出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时 (考虑整流电路内阻考虑整流电路内阻)一般取一般取)105(TCRL=(T:电源电压的周期电源电压的周期)近似估算近似估算: Uo=1.2U2 Io

15、= Uo/RL(b) 流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大RLC 越大越大 Uo越高越高负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大 ; 整流管导电时间越短整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大的峰值电流越大(2)电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点(a) 输出电压输出电压 平均值平均值Uo与时间常数与时间常数 RLC 有关有关RLC 愈大愈大 电容器放电愈慢电容器放电愈慢 Uo(平均值平均值)愈大愈大(c) 二极管承受的最高反向电压二极管承受的最高反向电压22UURM=一、电容滤波电路一、电容滤波电路uot O2 U2 C uo VD4 VD3VD1 VD2RLIou2u1 C 或或 R

16、L 电容放电电容放电 1. 电容滤波的原理电容滤波的原理 (1) 当二极管导通时当二极管导通时 电容被充电储能。电容被充电储能。 (2) 当二极管截止时当二极管截止时 电容放电。电容放电。RL 电容的耐压：电容的耐压： UCN2 U2 结论结论 滤波使滤波使 uo 的波形更平滑，提高了的波形更平滑，提高了 uo 的平均值。的平均值。 uo 的平滑程度取决于放电时间常数的平滑程度取决于放电时间常数 = RLC 。 二极管的导通时间缩短了。二极管的导通时间缩短了。2. 电容滤波电路的计算电容滤波电路的计算 (1) 输出电压的平均值输出电压的平均值 取取: Uo = U2（半波）（半波） Uo =

17、1.2 U2（全波）（全波）(2) 滤波电容的选择滤波电容的选择 取取: C(3 5) T2RL=1.52.52RLf 结论结论 电容滤波电路适用于电容滤波电路适用于 输出电压较高，负载输出电压较高，负载 电流较小且负载变动电流较小且负载变动 不大的场合。不大的场合。(3) 整流二极管的选择整流二极管的选择 电容滤波电容滤波 1.414U2 0.9U2uo Io O 3. 输出特性（外特性）输出特性（外特性） IF 2ID（电容充电产生冲击电流）（电容充电产生冲击电流） UR URm 例、例、 一桥式整流、电容滤波电路，已知电源频率一桥式整流、电容滤波电路，已知电源频率 f = 50 Hz ，

18、负载电阻，负载电阻 RL=100 ，输，输 出直流电压出直流电压 UO = 30 V 。试求。试求：(1) 选择整流二极管；选择整流二极管；(2) 选择滤波电容器；选择滤波电容器；(3) 负载电阻负载电阻 断路时的输出电压断路时的输出电压UO ；(4) 电容断路时的输出电压电容断路时的输出电压UO。解：解：(1) 选择整流二极管选择整流二极管IO=UORL=30100=0.3 AID=0.15 A12IO=120.3 U2=UO1.230 1.2= 25 V=IF2ID=20.15 =0.3 AURURm=34.5 VURm= 2 U2 = 2 25 =35.4 V查附录，选用查附录，选用 2

19、CZ53B 的二极管的二极管 4 个个 （IF=300mA，UR=50V）。）。(2) 选择滤波电容器选择滤波电容器C1.52.5 RLf1.52.510050 =(300500)FFUCN= 2 25 =35.4 V 2 U2 (3) 负载电阻断路时负载电阻断路时UO= 2 U2 = 2 25 =35.4 V(4) 电容断路时电容断路时UO = 0.9U2=0.925 = 22.5 V2. 电感滤波电路电感滤波电路电路结构电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。就构成了电感滤波电路。u2u1RLLuo电感滤波原理电感滤波原理对谐波分

20、量对谐波分量: f 越高，越高，XL 越大越大,电压大部分降在电压大部分降在XL上。上。 因此，因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：约为：u2u1RLLuo对直流分量对直流分量: XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上上3. RC 型型滤波器滤波器改善滤波特性的方法：改善滤波特性的方法：采取多级滤波采取多级滤波uoRu2u1C1C2uo1 RLRC 型型滤波器滤波器将将RC 型型滤波器中的电阻换为电感，滤波器中的电阻换为电感，变为变

21、为LC 型型滤波器滤波器二、电感滤波电路二、电感滤波电路 1. 电感滤波的原理电感滤波的原理 对直流分量对直流分量: XL = 0，大部分整，大部分整 流电压降在流电压降在 RL 上。上。 对谐波分量对谐波分量: f 越高，越高，XL 越大，越大， 电压大部分降在电压大部分降在 XL 上。上。 输出电压平均值约为：输出电压平均值约为： Uo = 0.9 U2 （忽略电感线圈的电阻压降）（忽略电感线圈的电阻压降） uo VD4 VD3VD1 VD2RLIou2u1 L 2. 电感滤波的特点电感滤波的特点 由于电感的低通特性，使由于电感的低通特性，使 uo 的波形更平滑。的波形更平滑。 二极管的导

22、通时间较长。二极管的导通时间较长。 电感线圈的电感值较大，其等效电阻也较大，电感线圈的电感值较大，其等效电阻也较大， 使使 uo 的平均值下降；而且笨重、体积大。的平均值下降；而且笨重、体积大。 电感线圈易对周围环境产生电磁干扰。电感线圈易对周围环境产生电磁干扰。 一般只适用于低电压、大电流的场合。一般只适用于低电压、大电流的场合。 uo RLIoC2 C1 三、复式滤波电路三、复式滤波电路 C2 C1 1. LC 形滤波电路形滤波电路 2. RC 形滤波电路形滤波电路 L uo RLIoRL 稳压电路的作用稳压电路的作用: :交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波有波纹的有

23、波纹的直流电压直流电压稳压稳压直流直流电压电压稳压电源类型稳压电源类型:以下主要讨以下主要讨论线性稳压论线性稳压电路。电路。稳压管稳压管稳压电路稳压电路开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路( (小功率设备小功率设备) )电路最简单，电路最简单，但是带负载能但是带负载能力差，一般只力差，一般只提供基准电压，提供基准电压，不作为电源使不作为电源使用。用。效率较高，效率较高，目前用的也目前用的也比较多，但比较多，但因学时有限，因学时有限，这里不做介这里不做介绍。绍。稳压电路的主要性能指标稳压电路的主要性能指标(1)稳压系数稳压系数 S（越小越好）（越小越好）

24、稳压系数稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。量与输入电压的相对变化量之比。IIooUUUUS=(2)输出电阻输出电阻Ro （越小越好）（越小越好） 输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。电路的内阻。稳压管稳压电路稳压管稳压电路T+- -u2+- -u1CUi RLUO IIOR DZIZ稳压过程：稳压过程： UO IZ I IR UO 稳压管稳压电路稳压管稳压电路1. 1. 稳压原理稳压原理利用稳压管的反向击穿特性。利用稳压管的反向击穿特性。 由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起