第七章直流电源

1、 一、直流电源的结构一、直流电源的结构 二、整流电路二、整流电路 1 1、单相半波整流电路工作原理、单相半波整流电路工作原理 2 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 3 3、单相桥式整流电路工作原理、单相桥式整流电路工作原理 4 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 三、滤波电路三、滤波电路 四、稳压电路四、稳压电路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、单相桥式整流电路的工、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。作原理和主要参数。 3 3、了解滤

2、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。 教学重点：教学重点：单相半波整流电路、单相桥式整流电路单相半波整流电路、单相桥式整流电路。 教学难点：教学难点：滤波电路和稳压电路的工作原理。滤波电路和稳压电路的工作原理。23电池电池直流稳压电源直流稳压电源直流发电机直流发电机3功能：把交流电转换成直流电输出。功能：把交流电转换成直流电输出。直直流流电电源源4一、直流电源的结构一、直流电源的结构 由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。部分组成。51 1、变压器、变压器根据不同负载对电压的要求，提供适当的电压。根据不同负载对电压

3、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。一、直流电源的结构一、直流电源的结构6一、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或负载电阻变化时，保持稳定。使输出电压在电网电压或负载电阻变化时，保持稳定。7变压器输入变压器输入端（原边）端（原边）变压器输出变压器输出端（副边）端（副边）复习：变压器复习：变压器8

4、二、整流电路二、整流电路整整流流电电路路半半波波整整流流桥桥式式整整流流整流电路：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动电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。压，即把交流电转换成脉动直流电。 利用二极管的单向导电性来完成整流的目的。利用二极管的单向导电性来完成整流的目的。整流方式：整流方式：9复习：二极管复习：二极管10 在分析整流电路工作原理时，把二极管当在分析整流电路工作原理时，把二极管当作理想元件来处理，即二极管的正向导通电阻作理想元件来处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。为零，反向电阻为无穷大。111 1、半波

5、整流电路的工作原理、半波整流电路的工作原理组成：由一只二极管与负载电阻串联而成。组成：由一只二极管与负载电阻串联而成。121 1、半波整流电路的工作原理、半波整流电路的工作原理13tUuusin222o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0ou14 可见，半波整流电路只在变压器副边电压为正半周时可见，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，负半周时没有电流流过负载，故称为才有电流通过负载，负半周时没有电流流过负载，故称为半波整流。半波整流。 负载上得到的

6、整流电压虽然是单方向的，但其大小是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。变化的，即单向脉动电压。半波整流电路输出电压：半波整流电路输出电压：152 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。 oUOsin()cos0-UtdtUtUU220222222o.UU20 45半波整流电路输出电压：半波整流电路输出电压：16 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

7、 1）输出直流电压）输出直流电压 单相半波整流电路中流过二极单相半波整流电路中流过二极管电流的平均值：管电流的平均值：.DOLUIIR20 45o.UU20 4517（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： 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。18（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

8、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tUsin22219 半波整流电路的输出电压脉动程度很大，其基波峰值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约为输出电压平均值的1.571.57倍。倍。 脉动系数是整流电路输出波形平滑程度的一项指标。脉动系数是整流电路输出波形平滑程度的一项指标。 脉动系数脉动系数S S定义为输出电压中基波的最大值与输出电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。压的平均值之比。57. 1/2/2222UUs（2 2）脉动系数）脉动系数S S单

9、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：20（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在整流电路中，当二极管最大反向峰值电压定义为在整流电路中，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 外加反向电压超过了二极管最大允许值，二极管就可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。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的最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，即大值，即21 例题：有一单相半波整流电

10、路如下图所示，已知负载例题：有一单相半波整流电路如下图所示，已知负载电阻电阻 ，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RMVUU2227VU 219RMDoUIIUo、解：解：A171. 0R/LooUI.0. 45VoUU28 55 50LRA171. 0oD II22 例题：为了安全，机床上常用例题：为了安全，机床上常用36V36V直流电压供电的白直流电压供电的白炽灯作为照明光源，假设变压器输出侧采用半波整流电路炽灯作为照明光源，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？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：解：根

11、据半波整流电路公式：/ .V/ .VUU200 45360 4580245. 0UUo得得 答：当变压器输出侧采用半波整流电路时答：当变压器输出侧采用半波整流电路时, ,变压器输变压器输出侧电压有效值出侧电压有效值80V80V。23思考：思考：能否实现对副边电压的全波整流？能否实现对副边电压的全波整流？24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 3、单相桥式整流电路的工作原理、单相桥式整流电路的工作原理电电路路图图1u2u+-RLouD21DD3D4tUusin222tUusin21125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D D1

12、1、D D3 3导通。导通。tUuusin222o）（ktk22tUusin2223 3、单相桥式整流电路的工作原理、单相桥式整流电路的工作原理26u1 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D D2 2、D D4 4导通。导通。）（ktk222tUuusin2-22otUusin2223 3、单相桥式整流电路的工作原理、单相桥式整流电路的工作原理27u2ttuou2D4D2D1D3RLuoab+_3 3、单相桥式整流电路的工作原理、单相桥式整流电路的工作原理28ou ktk22ktk222tUsin22）、（321ktUsin2-2单相桥式整流电路输出电压：

13、单相桥式整流电路输出电压： 可见，桥式整流电路克服了半波整流电路只利用电源可见，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。半个周期的缺点，也是全波整流电路的一种。 3 3、单相桥式整流电路的工作原理、单相桥式整流电路的工作原理29桥式整流电路的常见画法桥式整流电路的常见画法3 3、单相桥式整流电路的工作原理、单相桥式整流电路的工作原理304 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)(s

14、in2-)(sin22)(UttdUttdUtduU29 . 0 UUoou ktk22ktk222tUsin22）、（321ktUsin2-231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：./oLIUR20 9u2D4D2D1D3RLab（1 1）输出直流电压）输出直流电压 oU32（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：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：直流分量以外各量交流谐波：直流分量以外各量.4cos15242cos32422222tUtUUuo/222U基波基波周期更小的谐

15、波项周期更小的谐波项ou ktk22ktk222tUsin22）、（321ktUsin2-233 桥式整流电路输出电压的脉动系数比半波整流电路小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，而且输出电压和得多，输出电压的质量得到了明显提高，而且输出电压和电流的平均值也提高了一倍。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定义为输出电压中基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。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 S34（3 3）二极

16、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，二极管两端承受在整流电路中，当二极管不导通时，二极管两端承受的最大反向电压。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而反向电压超过了最大允许值，二极管就可能被击穿而损坏。损坏。 单相桥式整流电路反向峰值电压就是变压器副边电压单相桥式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RMU2RM2UU35单相桥式整流电路中流过二极管电流的平均值：单相桥式整流电路中流过二极管电流的平均值：L2OD/45. 02/RUIIu2D4D2D1D3RLab363738小结：小结： 1 1、单相桥

17、式整流电路采用了四只二极管组成了、单相桥式整流电路采用了四只二极管组成了电桥电路。电桥电路。 2 2、四只二极管每两只轮流工作，完成了对交流、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。电源的整流作用，输出为全波脉动电压。 3 3、桥式整流电路输出波形脉动较小，输出电压、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。高，对二极管的要求较低。 4 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。39405 5、三相桥式整流电路、三相桥式整流电路上面三个二极管中电位最高的二极管导通；上面三个二极管中电位最高的二极管导通； V1

18、RLuLV6 V3V5V4V2iL WVUu+NL1L2L3T41 在在 t1 t2 期间期间:上面上面U点电位最高，点电位最高，V1 导通导通, 下面下面V点电位最低，点电位最低，V4 导通。导通。 V1RLuLV6 V3V5V4V2iL WVUu+ N负载电压负载电压变压器副边电压变压器副边电压u2ou2Uu2Vu2W2 t uLott1t2t3t4t5t6t7t8t942 在在 t2 t3 期间：期间：上面：上面：U点电位最高点电位最高,V1 导通导通, 下面：下面：W点电位最低点电位最低,V6 导通。导通。 V1RLuLV6 V3V5V4V2iLWVUu+ N负载电压负载电压变压器副边

19、电压变压器副边电压uou2Uu2Vu2W2 t t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoto43 在在 t3 t4 期间期间:上面：上面：V点电位最高点电位最高,V3 导通导通,下面：下面：W点电位最低点电位最低,V6 导通导通. V1RLuLV6 V3V5V4V2iL WVUu+ N负载电压负载电压变压器副边电压变压器副边电压u2ou2Uu2Vu2W2 t t1t2t3t4t5t6t7t8t9uLto44 在在 t4 t5 期间期间上面：上面：V点电位最高点电位最高,V3 导通导通; 下面：下面：U点电位最低点电位最低,V2 导通。导通。 V1RLuLV6 V3V5V4V2iL WVUu+

20、N负载电压负载电压变压器副边电压变压器副边电压u2ou2Uu2Vu2W2 t t1t2t3t4t5t6t7t8t9uLto45t1t2t3t4t5t6t7t8t9uLto 电路中只有两只二极管电路中只有两只二极管导电，在一个周期中，每个导电，在一个周期中，每个二极管只有二极管只有1/31/3的时间导通。的时间导通。 V1RLuLV6 V3V5V4V2iLWVUu+ N变压器副边电压变压器副边电压负载电压负载电压u2ou2Uu2Vu2W2 t T46第二节第二节 滤波电路滤波电路滤波电路：滤波电路： 滤掉整流电路输出电压中的交流成分，减小直流电压滤掉整流电路输出电压中的交流成分，减小直流电压中包

21、含的滤波分量，降低直流电源电压的脉动成分。中包含的滤波分量，降低直流电源电压的脉动成分。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滤波电路利用电抗性元件（电容或电感）对交流、直流（电容或电感）对交流、直流阻抗的不同，实现滤波。阻抗的不同，实现滤波。 电容器电容器C C通交流阻直流，通交流阻直流，电感器电感器L L通直流阻交流。通直流阻交流。u2D4D2D1D3RLab47第二节第二节 滤波电路滤波电路滤波的基本原理：滤波的基本原理： 电容器电容器C C通交流阻直流，所以通交流阻直流，所以C C应该并联在负载两端。应该并联在负载两端。电感器电感器L L通直流阻交流，因此，通直流阻交

22、流，因此，L L应与负载串联。应与负载串联。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48一、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49 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，二极管处于正半周上升阶段时，二极管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相当于相当于并联在变压器输出端。所以此阶段并联在变压器输出端。所以此阶段R R

23、L L两端电压两端电压u uo o的波形与的波形与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。1 1、电容滤波电路工作原理、电容滤波电路工作原理50 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 。1 1、电容滤波电路工作原理、电容滤波电路工作原理51 当变压器副边电压当变压器副边电压u u2 2达到最大值之后开始下降时，达到最大值之后开始下降时，u u2 2以正弦曲线规律下降，而电容器以正弦曲线规律下降，而电容器C

24、 C以指数规律下降。以指数规律下降。 在刚过最高峰在刚过最高峰m m点时，指数放电起始点的放电速率很点时，指数放电起始点的放电速率很大，正弦曲线下降的速率很慢。所以输出电压大，正弦曲线下降的速率很慢。所以输出电压u uo o的波形与的波形与u u2 2波形近似，也就是波形近似，也就是mnmn段波形。段波形。52 当当u u2 2超过超过n n点时，点时，u u2 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

25、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。直到段。直到下一个半周电源电压大于电容电压时，二极管导通，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。电容器再次被充电。53 经过滤波电路后，既可保留直流分量，又经过滤波电路后，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，改善了直流电比例，减小了电路的

26、脉动系数，改善了直流电压的质量。压的质量。542 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。55（2 2）增

27、大了输出直流电压）增大了输出直流电压 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。56（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

28、了。 由于二极管导通角变小了，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。57 利用储能元件电感器利用储能元件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

29、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58三、三、 形形滤波器滤波器LC-LC-、RC-RC-型滤波电路较常见。型滤波电路较常见。 以以LC-LC-滤波电路为例：滤波电路为例： 工作原理工作原理 ： 电容电容C1C1的作用与前面所分析的电容滤波电路一样。的作用与前面所分析的电容滤波电路一样。59三、三、 形形滤波器滤波器1 1、直流分量、直流分量 直流分量通过电感几乎没有损失，全部加在了负载电直流分量通过电感几乎没有损失，全部加在了负载电阻两端。电容阻两端。电容C2

30、C2和负载电阻并联不会影响负载电阻上的直和负载电阻并联不会影响负载电阻上的直流分量。流分量。以以LC-LC-滤波电路为例：滤波电路为例：60以以LC-LC-滤波电路为例：滤波电路为例：2 2、交流分量、交流分量 对于交流分量来说，电容的容抗相对电阻对于交流分量来说，电容的容抗相对电阻RLRL来说非常来说非常小，使交流成分通过小，使交流成分通过C C2 2构成了回路降在了电感上。电容构成了回路降在了电感上。电容C2C2保护了负载电阻保护了负载电阻RLRL，使负载电阻，使负载电阻RLRL上的交流成分变小，而上的交流成分变小，而电感电感L L上交流分量变大。上交流分量变大。三、三、 形形滤波器滤波器

31、61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。电压降也会随着变化，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621 1、稳压管稳压电路、稳压管稳压电路 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。由于稳压二极管与负载并联，又称并联稳压电路。又称并联稳压电路。63稳压二极管稳压二极管工作在反向击穿区的特殊二极管工作在反向击穿区的特殊二极管 稳压管的正向特性与稳压管的正向特性与一般的二极管相同，但反一般的二极管相同，但反向击穿区比较陡。所以，向击穿区比较陡。所以，当外加反向电压超过反向当外加反向电压超过反向击穿电压时，稳压管将被