电工与电子技术第 十二章 整流与直流稳压电源.ppt
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1、第十二章整流与直流稳压电源第十二章整流与直流稳压电源12.112.1整流电路整流电路12.212.2滤波电路滤波电路12.312.3直流稳压电路直流稳压电路12.112.1整流电路整流电路下一页日前,电力网供给的电能都是交流电,而几乎所有电子设备日前,电力网供给的电能都是交流电,而几乎所有电子设备却都需要直流电源才能正常工作。因此,作为提供直流能量却都需要直流电源才能正常工作。因此,作为提供直流能量的直流稳压电源,在各种电子设备中有着极其重要的地位它的直流稳压电源,在各种电子设备中有着极其重要的地位它的性能好坏直接影响整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。的性能好坏直接影响整个电子产品的精度、稳
2、定性和可靠性。而直流稳压电源的主要任务就是将交流电变为直流电。直流而直流稳压电源的主要任务就是将交流电变为直流电。直流稳压电源的基本组成如稳压电源的基本组成如图图12.112.1所示。它由电源变压器、整流、所示。它由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成,各部分作用如下。滤波和稳压电路四部分组成,各部分作用如下。返回图图 12 12.1.1直流稳压电源的组成框图直流稳压电源的组成框图返回12.112.1整流电路整流电路下一页12.1.112.1.1单相半波整流电路单相半波整流电路图图12.2(a)12.2(a)为一单相半波整流电路。图中为一单相半波整流电路。图中TrTr是电源变压器,是电源
3、变压器,D D为整流元件,为整流元件,R RL L为负载,为负载,R R0 0是整流电路的内阻,一般可忽略不是整流电路的内阻,一般可忽略不计。电路的工作原理如下计。电路的工作原理如下:u u0 0波形如波形如图图12.2(b)12.2(b)所示,它是一个单相脉冲电压,好像将所示,它是一个单相脉冲电压,好像将正弦波削掉一半,所以称它为半波整流电路。正弦波削掉一半,所以称它为半波整流电路。返回上一页12.112.1整流电路整流电路下一页二极管两端所承受的最大反向电压二极管两端所承受的最大反向电压U URMRM=U=U2m2m显然,要使半波整流电路中的二极管安全工作,应当满足下显然,要使半波整流电路
4、中的二极管安全工作,应当满足下列两个条件列两个条件:(1)(1)二极管的最大整流电流必须大于二极管实际平均电流,二极管的最大整流电流必须大于二极管实际平均电流,即即 I IFMFM=I=ID D。(2)(2)二极管所承受的最大反向峰值电压二极管所承受的最大反向峰值电压UrmUrm必须小于二极管的必须小于二极管的最大反向工作电压最大反向工作电压U URMRM即即UrmUrmU URMRM。由由图图12.2 12.2(a)a)及上述分析可知,半波整流电路结构简单,及上述分析可知,半波整流电路结构简单,但其输出电压较低,还不到输入电压有效值的一半。此外,但其输出电压较低,还不到输入电压有效值的一半。
5、此外,电压脉动也太大,变压器的利用率低,只利用了半周输出。电压脉动也太大,变压器的利用率低,只利用了半周输出。为克服这些缺点,广泛采用全波桥式整流电路。为克服这些缺点,广泛采用全波桥式整流电路。返回上一页图图12.212.2半相半波整流电路及波形图半相半波整流电路及波形图返回12.112.1整流电路整流电路下一页12.1.212.1.2全波桥式整流电路全波桥式整流电路目前,在工程上最常用的是全波桥式整流电路,其典型电路目前,在工程上最常用的是全波桥式整流电路,其典型电路如如图图12.312.3所示,电路由变压器、四只二极管和负载组成。其所示,电路由变压器、四只二极管和负载组成。其工作原理如下工
6、作原理如下:设设 ,在电压,在电压u u2 2的正半周时,即上正下负,二的正半周时,即上正下负,二极管极管D D1 1 、D D3 3因受正向偏压而导通因受正向偏压而导通;D;D2 2,D,D4 4因承受反向电压而截因承受反向电压而截止。电流的通路是止。电流的通路是1 1D D1 1R RL LD D3 32 21 1,如图,如图12.3(a)12.3(a)中虚线所示。于是在负载中虚线所示。于是在负载R RL L上得到上得到u u0 0的半波电压。在电压的半波电压。在电压u u2 2的的负半周时,即上负下正,二极管负半周时,即上负下正,二极管D D1 1,D,D3 3截止截止D D2 2 、D
7、 D4 4导通。导通。返回上一页图图12.312.3单相桥式整流电路单相桥式整流电路返回12.112.1整流电路整流电路下一页电流的通路是电流的通路是2 2D D2 2R RL LD D4 41 12 2,如图,如图12.3(h)12.3(h)中中虚线所示同样,在负载虚线所示同样,在负载R RL L上得到与正半周时的电压波形相同上得到与正半周时的电压波形相同的半波电压。的半波电压。由此可见,当由此可见,当u u2 2变化一个周期时,变化一个周期时,D D1 1、D D3 3与与D2,D4D2,D4是轮流导电是轮流导电的,在负载电阻的,在负载电阻R RL L上得到的电压和电流是单向全波脉动波形,
8、上得到的电压和电流是单向全波脉动波形,如如图图12.412.4所示。所示。返回上一页图图12.412.4全波整流的波形图全波整流的波形图返回12.112.1整流电路整流电路全波桥式整流电路的优点是输出电压高,脉动系数小,每管全波桥式整流电路的优点是输出电压高,脉动系数小,每管所承受的反向工作电压低,变压器利用率高,因而整流效率所承受的反向工作电压低,变压器利用率高,因而整流效率也较高。缺点是使用的二极管数量多,整流管总的压降较大,也较高。缺点是使用的二极管数量多,整流管总的压降较大,在大电流工作状态下,会使电路效率下降。在大电流工作状态下,会使电路效率下降。有时,为了绘图方便,桥式整流电路也常
9、画成如有时,为了绘图方便,桥式整流电路也常画成如图图12.512.5所示。所示。如如图图12.612.6所示电路,为一种变压器带中心抽头的全波整流电所示电路,为一种变压器带中心抽头的全波整流电路,它和桥式整流电路有着较相似的工作原理和电路参数。路,它和桥式整流电路有着较相似的工作原理和电路参数。读者可自行进行分析。读者可自行进行分析。返回上一页图图12.512.5单相桥式全波整流电路单相桥式全波整流电路的其他画法的其他画法返回图图12.612.6全波整流电路全波整流电路返回12.212.2滤波电路滤波电路下一页12.2.112.2.1电容滤波电容滤波图图12.712.7所示的单相半波整流电路中
10、,与负载所示的单相半波整流电路中,与负载R RL L并联的电容并联的电容C C,就是一个最简单的滤波器,称之为滤波电容。在分析电容,就是一个最简单的滤波器,称之为滤波电容。在分析电容滤波电路时,要特别注意电容器两端电压对整流元件导电的滤波电路时,要特别注意电容器两端电压对整流元件导电的影响影响返回图图12.712.7具有电容滤波的具有电容滤波的单相半波整流电路单相半波整流电路返回12.212.2滤波电路滤波电路下一页由电路图看出,二极管导通时,在给负载供电的同时,对电由电路图看出,二极管导通时,在给负载供电的同时,对电容容C C允电。若忽略二极管的正向压降,允电电压允电。若忽略二极管的正向压降
11、,允电电压u uC C。随着正弦。随着正弦电压电压u u0 0(即即u u2 2的正半周的正半周)升至峰值,如图升至峰值,如图12.812.8中中0 0一一1 1段波形所段波形所示。但示。但u u2 2由峰值下降时,由于由峰值下降时,由于u uC C下降较慢,当下降较慢,当u u2 2 u uC C为止,二极管又重新导为止,二极管又重新导电,电源再一次给负载供电,且对电容电,电源再一次给负载供电,且对电容G G允电,当允电,当u u2 2再由峰值再由峰值下降到下降到u u2 2 u uC C时,电容时,电容G G再一次放电再一次放电如此重复,就可得到如如此重复,就可得到如图图12.812.8实
12、线所示的实线所示的u u0 0波形。因此,负载得到的是在全周期内波形。因此,负载得到的是在全周期内都变化不大的平滑直流电。都变化不大的平滑直流电。返回上一页图图12.812.8半波整流电容滤波波形图半波整流电容滤波波形图返回12.212.2滤波电路滤波电路下一页由此可见,采用滤波电容器可以得到脉动较小的直流电压,由此可见,采用滤波电容器可以得到脉动较小的直流电压,但输出电压但输出电压u u0 0受负载变云的影响很大如空载时输出将达到交受负载变云的影响很大如空载时输出将达到交流电压的幅值流电压的幅值2 2 U U2 2,而负载,而负载R RL L减小时,则输出显著减小减小时,则输出显著减小(放放
13、电速度加快电速度加快),故外特性很差。,故外特性很差。图图12.912.9是具有电容滤波的桥式全波整流电路及其工作过程波是具有电容滤波的桥式全波整流电路及其工作过程波形图。形图。由波形图看出,具有电容滤波的全波整流,一周期内电源两由波形图看出,具有电容滤波的全波整流,一周期内电源两次对电容器允电、电容器两次对负载放电,使负载得到的整次对电容器允电、电容器两次对负载放电,使负载得到的整流电压的平均值更高。为了获得较好的滤波效果,尽量提高流电压的平均值更高。为了获得较好的滤波效果,尽量提高输出电压的直流成分,通常选择放电时间常数输出电压的直流成分,通常选择放电时间常数:r=Rr=RL LC(3-5
14、)*T/2C(3-5)*T/2返回上一页图图12.912.9具有电容滤波的具有电容滤波的桥式全波整流电路及波形图桥式全波整流电路及波形图返回12.212.2滤波电路滤波电路下一页12.2.212.2.2电感滤波电感滤波在桥式整流电路和负载电阻在桥式整流电路和负载电阻R RL L之间串接一个电感量较大,带之间串接一个电感量较大,带铁心的线圈铁心的线圈L L,如,如图图12.10(a)12.10(a)即构成电感滤波电路电感滤波即构成电感滤波电路电感滤波是利用电感的储能作用来减小输出电压脉动的。当电感中的是利用电感的储能作用来减小输出电压脉动的。当电感中的电流变化时,自感电动势的方向与原电流方向相反
15、,自感电电流变化时,自感电动势的方向与原电流方向相反,自感电动势将阻碍电流的变化。如电流增加时,自感电动势阻碍电动势将阻碍电流的变化。如电流增加时,自感电动势阻碍电流的增加,同时也将能量储存了起来,使电流变化率减小流的增加,同时也将能量储存了起来,使电流变化率减小;反反之,当电感中电流减小时,自感电动势的作用又阻碍电流的之,当电感中电流减小时,自感电动势的作用又阻碍电流的减小,同时释放能量,使电流变化率减小。这样电流的变化减小,同时释放能量,使电流变化率减小。这样电流的变化小了,电压的脉动程度也就得到了抑制。小了,电压的脉动程度也就得到了抑制。L L值越大,值越大,R RL L越小,越小,滤波
16、效果越好。滤波效果越好。返回上一页12.212.2滤波电路滤波电路下一页图图12.10 12.10(b)(b)所示是桥式整流电感滤波电路工作稳定后的电所示是桥式整流电感滤波电路工作稳定后的电压、电流波形。当忽略电感压、电流波形。当忽略电感L L上的电阻,负载上所得到的平均上的电阻,负载上所得到的平均电压电压U U0 0=0.9U=0.9U2 2,与不加电感的全波整流电路相同。,与不加电感的全波整流电路相同。比较电感滤波和前述的电容滤波后可知,电感滤波一个较显比较电感滤波和前述的电容滤波后可知,电感滤波一个较显著的特点就是整流管的导电角大,流过二极管的峰值电流小,著的特点就是整流管的导电角大,流
17、过二极管的峰值电流小,平均值大,输出特性平坦,适用于负载电流较大以及负载变平均值大,输出特性平坦,适用于负载电流较大以及负载变化较大的场合。它的主要缺点是体积大、笨重、成本高及易化较大的场合。它的主要缺点是体积大、笨重、成本高及易引起电磁干扰。引起电磁干扰。返回上一页图图12.1012.10电感滤波电路及波形图电感滤波电路及波形图返回12.212.2滤波电路滤波电路12.2.312.2.3复式滤波器复式滤波器电容滤波和电感滤波,在一定程度上来说都还不是理想的滤电容滤波和电感滤波,在一定程度上来说都还不是理想的滤波器,想。为了进一步减小脉动,可采用复式滤波器,如波器,想。为了进一步减小脉动,可采
18、用复式滤波器,如图图12.1112.11所示。所示。它们的性能和应用场合可从电容滤波电路和电感滤波电路得它们的性能和应用场合可从电容滤波电路和电感滤波电路得到结论优缺点和使用场合列于到结论优缺点和使用场合列于表表12.112.1中。其脉动成分仍不理中。其脉动成分仍不理以上几种滤波器的。以上几种滤波器的。返回上一页图图12.1112.11复式滤波器复式滤波器返回表表12.112.1各种滤波器的比较各种滤波器的比较下一页 返回表表12.112.1各种滤波器的比较各种滤波器的比较上一页 返回12.312.3直流稳压电路直流稳压电路下一页12.3.112.3.1稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路当电
19、网电压波动或负载电流变化时,稳压电路能维持直流电当电网电压波动或负载电流变化时,稳压电路能维持直流电压基本不变。简单的稳压电路是利用硅稳压二极管组成的。压基本不变。简单的稳压电路是利用硅稳压二极管组成的。由于稳压电路与负载是并联的,所以又称并联型稳压电路。由于稳压电路与负载是并联的,所以又称并联型稳压电路。1.1.硅稳压二极管硅稳压二极管硅稳压二极管是一种杂质浓度较高,硅稳压二极管是一种杂质浓度较高,PNPN结较薄的硅二极管。结较薄的硅二极管。图图12.1212.12是它们伏安特性,和普通二极管的特性相似,只是是它们伏安特性,和普通二极管的特性相似,只是稳压二极管的反向击穿特性比较陡直。稳压二
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