医学直流电源

许多电子仪器和设备都需要稳定的直流电源供电。除少数使用化学电源外，绝大多数是由交流电网供电，这就需要将交流电转换为稳定的直流电。直流稳压电源就是完成这种转换的装置，它一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。第1页/共47页第一页，共48页。电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。直流稳压电源的组成和功能整流电路滤波电路稳压电路整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo第2页/共47页第二页，共48页。第七章直流电源第一节整流电路

一、单相半波整流电路三、单相桥式整流电路二、整流电路的主要参数四、三相桥式整流电路五、倍压整流电路第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第3页/共47页第三页，共48页。第七章直流电源整流（rectifier）：是利用二极管的单向导电性，把交流电转换成脉动直流电的过程。

分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：利用二极管的单向导电性常见的整流电路：半波、全波、桥式、三相桥式和倍压整流。第一节整流电路第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第4页/共47页第四页，共48页。u2>0时，二极管导通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正向压降：

uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u2<0时，二极管截止,输出电流为0。uo=0一、单相半波整流电路第5页/共47页第五页，共48页。uo(1)输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL

半波整流电路只在正半周时才有电流流过附载，负半周无电流通过，故称半波整流。负载上得到的整流电压虽然是单方向的，但大小是变化的，即单向脉动电压。第6页/共47页第六页，共48页。第七章直流电源二、整流电路的主要参数1.输出直流电压半波2.整流电流平均值Io3.脉动系数S

4.二极管最大反向峰值电压URM半波第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路例7.1第7页/共47页第七页，共48页。桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo三、单相桥式整流电路第8页/共47页第八页，共48页。桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路第9页/共47页第九页，共48页。u2>0时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A

D1RLD3Bu2<0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:BD2RLD4A输出是脉动的直流电压！u2桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uou2D4D2D1D3RLuoAB第10页/共47页第十页，共48页。第七章直流电源桥式整流电路参数2.整流电流平均值Io3.脉动系数S

4.二极管最大反向峰值电压URM1.输出直流电压第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第11页/共47页第十一页，共48页。输出电压平均值：全波：UL=0.9u2半波：

UL=0.45u2

输出电流平均值:全波：IL=UL/RL=0.9u2

/RL

；

半波：IL=UL/RL=0.45u2/RL

流过二极管的平均电流：ID=IL/2比较二极管承受的最大反向电压：URM=22u

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，而且输出电压和电流的平均值也提高了一倍。一次桥式整流电路也得到了广泛的应用。许多X线机中由于X线管的管电压高达100～150kV，因此采用高压硅组成桥式整流器。第12页/共47页第十二页，共48页。

在有些电子仪器和设备中，需要有能供给高电压(kV级)、小电流(mA以下)的直流电源，若采用上述整流电路，变压器副边电压很高，需要副绕组的匝数很多，体积大，而二极管的反向耐压也需很高。为避免这些缺点，可采用倍压整流电路，它对变压器次级电压要求不高，利用低耐压二极管，便可获得比输入交流电压峰值高很多倍的直流电压。作用：整流和倍压五、倍压整流电路第13页/共47页第十三页，共48页。第七章直流电源2.工作原理1.电路3.电路特点：适用于高电压、小电流（大负载电阻）的负载。电流通路a→C1→D1→b新“电源”（UC1+u2）给C2充电构成了二倍压整流电路。第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路二倍压整流电路第14页/共47页第十四页，共48页。+–多倍压整流电路+–u2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：u2的第一个负半周：u2、C2、D2、C1构成回路，C2充电到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6第15页/共47页第十五页，共48页。+–+–+–+–+–+–C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周：u2、C1、C3、D3、C2构成回路，C1补充电荷，C3充电到：u2的第二个负半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1构成回路，C2补充电荷，C4充电到：把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。第16页/共47页第十六页，共48页。第二节滤波电路一、电容滤波电路二、电感滤波电路三、π型滤波电路第七章直流电源第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第17页/共47页第十七页，共48页。第七章直流电源滤波(filter)

：滤掉整流电路输出电压中的交流成分滤波原理：利用电容存储电量和电感对交流电阻抗小的特性。常见的滤波电路：电容滤波电路、电感滤波电路和π型滤波电路整流电路输出的是脉动直流，其中有直流成分又有交流成分，滤波电路就是滤掉交流成分。第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第18页/共47页第十八页，共48页。(忽略整流电路内阻)u2tuot电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。一、电容滤波(capacitorfilter)电路u1u2TD4D2D1D3RLuo第19页/共47页第十九页，共48页。第七章直流电源下降阶段：在m点之后，电压下降，在n点之后，二极管承受反向电压而截止，电容对负载电阻放电，按放电曲线nh下降，直到的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。第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第20页/共47页第二十页，共48页。3.电路的特点(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。估算取(

桥式、全波）

Uo

=1.2U

（半波）Uo

=1.0U(2)外特性曲线变差(3)流过二极管的瞬时电流变大第七章直流电源第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第21页/共47页第二十一页，共48页。电路结构:

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。电感滤波电路u2u1RLLuo二、电感滤波电路第22页/共47页第二十二页，共48页。1、滤波原理对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:

f

越高，XL越大,电压大部分降在XL上。

因此，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，输出平均电压约为：u2u1RLLuo第23页/共47页第二十三页，共48页。2、电感滤波的特点整流管导电角较大，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。u2u1RLLuo第24页/共47页第二十四页，共48页。第七章直流电源三、形滤波器LC-π、RC-π型滤波电路较常见

1.LC-π滤波电路2.工作原理直流分量，感抗XL＝0，可视为短路全部加在了负载电阻两端。交流分量，电容的容抗很小，使交流成分通过C2构成了回路降在了电感上。第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第25页/共47页第二十五页，共48页。

整流滤波电路都不能保证输出稳定的直流电压，其原因主要有两个：一是交流电网的电压不稳定，引起输出电压发生变化；二是整流滤波电路存在内阻，当负载变化引起电流变化时，内阻上产生的压降会随之变化，使输出的直流电压不稳定。因此，为了得到稳定的输出直流电压，必须在整流滤波电路之后加稳压电路，以保证当电网电压波动或负载电流变化时，输出的电压能维持相对稳定。第三节稳压电路(regulationcircuit)第26页/共47页第二十六页，共48页。四、稳压电路的主要性能指标

三、集成稳压器

二、串联型稳压电路

一、稳压管稳压电路第七章直流电源第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第三节稳压电路第27页/共47页第二十七页，共48页。第七章直流电源2.工作原理一、稳压管稳压电路(zenervoltageregulator)1.电路

↑→（UZ）↑→IZ↑→IR↑→UR↑

UR＝（IZ＋）R

(1)设负载RL一定，UI

升高情况的稳压过程第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第28页/共47页第二十八页，共48页。第七章直流电源3.电路特点稳压管的电流调节作用和限流电阻的电压调节作用。

适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。(2)如果输入电压UI不变，当负载电流增大时稳压过程（UZ）↓→IZ↓→IR↓→UR↓第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路UR＝（IZ＋）R

第29页/共47页第二十九页，共48页。第七章直流电源2.工作原理二、串联型稳压电路(seriesvoltageregulator)1.电路

↑→UF↑→(UZ－UF)↓→UB↓→UCE↑第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第30页/共47页第三十页，共48页。第七章直流电源2.分类三、集成稳压器(integratedregulationcircuit)1.特点

单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。三端稳压器输出固定电压（78××、79××）输出可调电压（1.2~39V）第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第31页/共47页第三十一页，共48页。第七章直流电源3.外形4.应用电路第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第32页/共47页第三十二页，共48页。第七章直流电源1.稳压系数Su

四、稳压电源的主要性能指标当负载电阻不变时，输出直流电压相对变化量与输入电压相对变化量之比2.输出电阻电网电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比。第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第33页/共47页第三十三页，共48页。

二、电路组成及工作原理

一、开关型稳压电路的特点第四节开关型稳压电路第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第34页/共47页第三十四页，共48页。第七章直流电源

效率高，一般可达65%～70%，功耗低、体积小、重量轻。一、开关型稳压电路的特点电路：第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第35页/共47页第三十五页，共48页。第七章直流电源三、工作原理当＞时，T导通，电源通过调整管T向负载供电和给电容C充电，同时电感L储存能量。二极管D承受反向电压而截止。当＜时，为低电平，T截止，电感中储存的能量通过D向负载RL释放，使负载在调整管截止时仍然有电流通过，因此称二极管D为续流二极管。第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第36页/共47页第三十六页，共48页。第七章直流电源

正常工作状态时UF=UREF放大器B的输出只与三角波发生器产生的三角波有关，即放大器B的输出脉冲电压的占空比q=50%；

二、工作原理UI的增加使输出电压增加时，放大器A输出负电压,T的导通时间变短了,输出电压下降。第37页/共47页第三十七页，共48页。第五节可控硅整流电路二、单结晶体管及触发电路

一、可控硅的结构与导通条件

三、单相桥式可控整流电路第七章直流电源第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第38页/共47页第三十八页，共48页。第七章直流电源2.导通条件1.结构可控硅(thyristor)也称晶闸管一、可控硅的结构与导通条件四层半导体材料组成，形成三个PN结

①阳极和阴极之间加正向电压UAK。②控制极和阴极之间加正向触发电压UG。第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第39页/共47页第三十九页，共48页。第七章直流电源可控硅导通后，控制极便失去作用，依靠正反馈仍可维持导通状态。3.关断的条件：

①必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。

②将阳极电源断开或者在可控硅的阳极和阴极间加反相电压。第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第40页/共47页第四十页，共48页。第七章直流电源导通时电流IA的大小由可控硅所在回路的电阻和电源电压决定。转折电压、正向平均电流、触发电流、管压降。4.伏安特性第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第41页/共47页第四十一页，共48页。第七章直流电源二、单结晶体管及触发电路单结晶体管(unijunctiontransistor)

1.单结晶体管的结构第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第42页/共47页第四十二页，共48页。第七章直流电源2．单结晶体管的伏安特性曲线

突变点P称峰点，对应P点的电压UE称峰点电压UP、电流IE称峰点电流IP。

曲线中的最低点V称谷点，对应的电压和电流分别称谷点电压UV和谷点电流IV。截止区、负阻区、饱和区第三节稳压电路第一节整流电路第二节滤波电路第四节开关稳压电路第五节可控硅整流电路第43页/共47页第四十三页，共48页。第七章直流电源

3．单结晶体管振荡电路