第八章直流穩(wěn)壓電源

1、 第八章第八章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源整流電路整流電路濾波電路濾波電路穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源的組成集成穩(wěn)壓器及其應(yīng)用集成穩(wěn)壓器及其應(yīng)用穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路 大小不合大小不合適的交流適的交流大小大小合適合適的交流的交流交流交流 電源電源 脈動(dòng)脈動(dòng)直流直流不穩(wěn)定不穩(wěn)定的直流的直流穩(wěn)定穩(wěn)定直流直流直流直流負(fù)載負(fù)載濾波濾波電路電路電源變電源變 壓器壓器 整流整流 電路電路 穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路電路電源變電源變壓器壓器將市電變換為整流所需的將市電變換為整流所需的 交流電壓交流電壓 整流整流電路電路將交流電變換為方向不變將交流電變換為方向不變 的直流電的直流電 濾波濾波電路電路將脈動(dòng)直流電變

2、換為平滑將脈動(dòng)直流電變換為平滑 的直流電壓的直流電壓 穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路電路將不穩(wěn)定的直流電壓變換將不穩(wěn)定的直流電壓變換 為穩(wěn)定直流電壓為穩(wěn)定直流電壓 電源變壓器電源變壓器: 將交流電網(wǎng)電壓將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流變?yōu)楹线m的交流電壓電壓u2。 整流電路整流電路: 將交流電壓將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3。 濾波電路濾波電路: 將脈動(dòng)直流電壓將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷髯優(yōu)槠交闹绷麟妷弘妷簎4。 穩(wěn)穩(wěn)壓電路壓電路: 清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響,保持保持輸出電壓輸出電壓uo的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。整整 流流 電電 路路濾濾 波波 電電 路路

3、穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路整整 流流 電電 路路濾濾 波波 電電 路路穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路u1u2u3u4uo單相單相三相三相二極管二極管可控硅可控硅橋式橋式倍壓整流倍壓整流半波半波全波全波整流：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動(dòng)的電壓。整流：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動(dòng)的電壓。整流電路分類：整流電路分類：?jiǎn)蜗嗾麟娐穯蜗嗾麟娐?.單相半波整流電路單相半波整流電路二極管導(dǎo)通，忽略二二極管導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，極管正向壓降， uo=u2u1u2aTbDRLuo為分析簡(jiǎn)單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理，即為分析簡(jiǎn)單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無(wú)窮大。二極管的正向?qū)?/p>

4、電阻為零，反向電阻為無(wú)窮大。二極管截止二極管截止, uo=0+io+u2 0 時(shí)時(shí):u20 時(shí)時(shí)D1,D4導(dǎo)通導(dǎo)通D2,D3截止截止電流通路電流通路:a D1RLD4bu20 時(shí)時(shí)D2,D3導(dǎo)通導(dǎo)通D1,D4截止截止電流通路電流通路:b D2RLD4a單相橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形單相橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形u2D3D2D1D4RLuoab整流輸出電壓平均值：整流輸出電壓平均值： Uo=0.9U2負(fù)載電流平均值負(fù)載電流平均值:Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL 二極管平均電流：二極管平均電流：ID=Io/2二極管最大反向電壓：二極管最大反向電壓：DRM22

5、UU=u2ttuD2,uD3uD1,uD4tuo集成硅整流橋：集成硅整流橋：u2uo+ +- +abT+- -u2+- -u1RL+- -uOiOD1 D3D2 D4 +- -uOabT+- -u2+- -u1u2 正半周，正半周， uO= u2 D1 和和 D3 導(dǎo)通，導(dǎo)通，電流通路：電流通路：aD1 RL D3 bRLiOD1 D3D2 D4 u2 負(fù)半周，負(fù)半周，uO = - -u2 D2 和和 D4 導(dǎo)通，導(dǎo)通，電流通路：電流通路：b D2 RL D4 a uo abRLTu1- - u2+IoD1 D3D2 D4 uo D4 D3 D1 D2RLu2u2tOuoiotOuD1 , D

6、3iD1 , D3tOuD2 , D4iD2 , D4tO(1) 負(fù)載直流電壓負(fù)載直流電壓 UO(2) 負(fù)載直流電流負(fù)載直流電流 (3) 二極管平均電流二極管平均電流 二極管反向電壓二極管反向電壓 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+- -+- -單相橋式整流電路中的兩個(gè)二極管用可控單相橋式整流電路中的兩個(gè)二極管用可控 的的 晶閘管替換晶閘管替換 半控。半控。 abT+- -u2+- -u1 + -uGT1D1 + -uGT2D2RL+- -uOiO正半周，正半周，T

7、2、D1 承受反向電壓截止，承受反向電壓截止， T1、D2 承受正向電壓，承受正向電壓，控制極電壓控制極電壓uG在在 t=時(shí)施加，時(shí)施加，故在故在 t 時(shí)，時(shí)， T1和和D2導(dǎo)通導(dǎo)通電流通路：電流通路：a T1 RL D2 babT+- -u2+- -u1 + -uGT1D1 + -uGT2D2RL+- -uOiO負(fù)半周，負(fù)半周，T1、D2承受反向電壓截止，承受反向電壓截止， T2、D1 承受正向電壓。承受正向電壓?？刂茦O電壓控制極電壓uG在在 t =+ 時(shí)施加，時(shí)施加，故在故在 + t2 時(shí)，時(shí)， T2 和和 D1 導(dǎo)通。導(dǎo)通。 電流通路：電流通路：bT2 RLD1 aabT+- -u2+-

8、 -u1 + -uGT1D1 + -uGT2D2RL+- -uOiO + + 2 ab+- -u2 + -uGT1D1 + -uGT2D2RL+- -uOiO負(fù)載負(fù)載 RL 上得到不完整上得到不完整 的全波脈動(dòng)電壓的全波脈動(dòng)電壓 。u2 t O t uGuO t OO uO 2 t UO(1) 負(fù)載直流電壓負(fù)載直流電壓 (2) 負(fù)載直流電流負(fù)載直流電流 UO= 2U2sin td( t)1 = U2 2 2 1+cos 2= 0.9U2 1+cos 2IO= UORL4. 4. 整流電路的主要參數(shù)整流電路的主要參數(shù) 負(fù)載電壓負(fù)載電壓 Uo的平均值為的平均值為:( )=ootduU2021負(fù)載上

9、的負(fù)載上的(平均平均)電流電流:LoRUIo=(1)(1)整流輸出電壓的平均值整流輸出電壓的平均值uo 2 0 t S定義：定義：整流輸出電壓的基波峰值整流輸出電壓的基波峰值Uo1M與與Uo平均值平均值之比。之比。S越小越好。越小越好。2. 脈動(dòng)系數(shù)脈動(dòng)系數(shù)6703222324221.UUUUSoMo=用傅氏級(jí)數(shù)對(duì)全波整流的輸出用傅氏級(jí)數(shù)對(duì)全波整流的輸出 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輸出電壓平均值輸出電壓平均值平均電流平均電流(ID)與反向峰值電壓與反向峰值電壓(UDRM)是選擇整流管是選擇

10、整流管的主要依據(jù)。的主要依據(jù)。oDII21=22UURM=例如：例如： 在橋式整流電路中，每個(gè)二極管只有半周在橋式整流電路中，每個(gè)二極管只有半周導(dǎo)通。因此，流過每只整流二極管的平均電流導(dǎo)通。因此，流過每只整流二極管的平均電流 ID 是負(fù)載平均電流的一半。是負(fù)載平均電流的一半。 二極管截止時(shí)兩端承受的最大反向電壓：二極管截止時(shí)兩端承受的最大反向電壓：(3)(3)二極管平均電流與反向峰值電壓二極管平均電流與反向峰值電壓（選購(gòu)時(shí)：二極管額定電流（選購(gòu)時(shí)：二極管額定電流 2ID)（選購(gòu)時(shí)：（選購(gòu)時(shí)：最大反向電壓最大反向電壓 2URM) 例例11.2.1 一單相橋式半控整流電路，要求直流輸一單相橋式半控

11、整流電路，要求直流輸 出電出電 壓壓 UO 在在 40 90 V的范圍內(nèi)可的范圍內(nèi)可 調(diào)，求輸入交流電調(diào)，求輸入交流電 壓和控制角的變壓和控制角的變 化范圍。化范圍。 解解 = 0 時(shí)，時(shí)， UO= UOmax = 90 V，U2 = UO / 0.9 故故 = 90 / 0.9 = 100 V UO = 40 V 時(shí)，時(shí)， cos = - -1 2UO 0.9U2 = - -1 240 0.9100 = - -0.111 = arccos(- -0.111) = 96.4故故 的變化范圍為的變化范圍為0 96.4 。 電容濾波電容濾波 電感濾波電感濾波 復(fù)式濾波復(fù)式濾波 濾波電路濾波電路濾波

12、電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 電容與負(fù)載電容與負(fù)載 RL 并聯(lián)，或并聯(lián)，或電感與負(fù)載電感與負(fù)載RL串聯(lián)。串聯(lián)。交流交流電壓電壓脈動(dòng)脈動(dòng)直流電壓直流電壓整流整流濾波濾波直流直流電壓電壓RLLRLC1. 電容濾波電路電容濾波電路以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，其電路如圖所示。其電路如圖所示。(1)電容濾波原理電容濾波原理a橋式整流電容濾波電路橋式整流電容濾波電路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL未接入時(shí)未接入時(shí)(忽略整流電路內(nèi)阻忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot設(shè)設(shè)t1時(shí)刻接時(shí)刻接通電源通電源t1整流電路為整流電路為電容充電電容充電充電結(jié)束充電

13、結(jié)束沒有電容沒有電容時(shí)的輸出時(shí)的輸出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucRL接入（且接入（且RLC較大）時(shí)較大）時(shí) (忽略整流電路內(nèi)阻忽略整流電路內(nèi)阻)u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot無(wú)濾波電容無(wú)濾波電容時(shí)的波形時(shí)的波形加入濾波電容加入濾波電容時(shí)的波形時(shí)的波形uotu2上升，上升， u2大于電容大于電容上的電壓上的電壓uc，u2對(duì)電容充電，對(duì)電容充電，uo= uc u2u2下降，下降， u2小于電容上的電壓。小于電容上的電壓。二極管承受反向電壓而截止。二極管承受反向電壓而截止。電容電容C通過通過RL放電，放電， uc按指數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降，時(shí)間常數(shù)規(guī)律下

14、降，時(shí)間常數(shù) = RL Cu2tuot只有整流電路輸只有整流電路輸出電壓大于出電壓大于uc時(shí)，時(shí)，才有充電電流。才有充電電流。因此二極管中的因此二極管中的電流是脈沖波。電流是脈沖波。二極管中的二極管中的電流電流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot電容充電時(shí)，電容充電時(shí)，電容電壓滯后電容電壓滯后于于u2。RLC越小，輸越小，輸出電壓越低。出電壓越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且接入（且RLC較大）時(shí)較大）時(shí) (考慮整流電路內(nèi)阻考慮整流電路內(nèi)阻)一般取一般取)105(TCRL=(T:電源電壓的周期電源電壓的周期)近似估算近似估算: Uo=1.2U2 Io

15、= Uo/RL(b) 流過二極管瞬時(shí)電流很大流過二極管瞬時(shí)電流很大RLC 越大越大 Uo越高越高負(fù)載電流的平均值越大負(fù)載電流的平均值越大 ; 整流管導(dǎo)電時(shí)間越短整流管導(dǎo)電時(shí)間越短 iD的峰值電流越大的峰值電流越大(2)電容濾波電路的特點(diǎn)電容濾波電路的特點(diǎn)(a) 輸出電壓輸出電壓 平均值平均值Uo與時(shí)間常數(shù)與時(shí)間常數(shù) RLC 有關(guān)有關(guān)RLC 愈大愈大 電容器放電愈慢電容器放電愈慢 Uo(平均值平均值)愈大愈大(c) 二極管承受的最高反向電壓二極管承受的最高反向電壓22UURM=一、電容濾波電路一、電容濾波電路uot O2 U2 C uo VD4 VD3VD1 VD2RLIou2u1 C 或或 R

16、L 電容放電電容放電 1. 電容濾波的原理電容濾波的原理 (1) 當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí) 電容被充電儲(chǔ)能。電容被充電儲(chǔ)能。 (2) 當(dāng)二極管截止時(shí)當(dāng)二極管截止時(shí) 電容放電。電容放電。RL 電容的耐壓：電容的耐壓： UCN2 U2 結(jié)論結(jié)論 濾波使濾波使 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 的平滑程度取決于放電時(shí)間常數(shù)的平滑程度取決于放電時(shí)間常數(shù) = RLC 。 二極管的導(dǎo)通時(shí)間縮短了。二極管的導(dǎo)通時(shí)間縮短了。2. 電容濾波電路的計(jì)算電容濾波電路的計(jì)算 (1) 輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值 取取: Uo = U2（半波）（半波） Uo =

17、1.2 U2（全波）（全波）(2) 濾波電容的選擇濾波電容的選擇 取取: C(3 5) T2RL=1.52.52RLf 結(jié)論結(jié)論 電容濾波電路適用于電容濾波電路適用于 輸出電壓較高，負(fù)載輸出電壓較高，負(fù)載 電流較小且負(fù)載變動(dòng)電流較小且負(fù)載變動(dòng) 不大的場(chǎng)合。不大的場(chǎng)合。(3) 整流二極管的選擇整流二極管的選擇 電容濾波電容濾波 1.414U2 0.9U2uo Io O 3. 輸出特性（外特性）輸出特性（外特性） IF 2ID（電容充電產(chǎn)生沖擊電流）（電容充電產(chǎn)生沖擊電流） UR URm 例、例、 一橋式整流、電容濾波電路，已知電源頻率一橋式整流、電容濾波電路，已知電源頻率 f = 50 Hz ，

18、負(fù)載電阻，負(fù)載電阻 RL=100 ，輸，輸 出直流電壓出直流電壓 UO = 30 V 。試求。試求：(1) 選擇整流二極管；選擇整流二極管；(2) 選擇濾波電容器；選擇濾波電容器；(3) 負(fù)載電阻負(fù)載電阻 斷路時(shí)的輸出電壓斷路時(shí)的輸出電壓UO ；(4) 電容斷路時(shí)的輸出電壓電容斷路時(shí)的輸出電壓UO。解：解：(1) 選擇整流二極管選擇整流二極管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查附錄，選用查附錄，選用 2

19、CZ53B 的二極管的二極管 4 個(gè)個(gè) （IF=300mA，UR=50V）。）。(2) 選擇濾波電容器選擇濾波電容器C1.52.5 RLf1.52.510050 =(300500)FFUCN= 2 25 =35.4 V 2 U2 (3) 負(fù)載電阻斷路時(shí)負(fù)載電阻斷路時(shí)UO= 2 U2 = 2 25 =35.4 V(4) 電容斷路時(shí)電容斷路時(shí)UO = 0.9U2=0.925 = 22.5 V2. 電感濾波電路電感濾波電路電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu): 在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。就構(gòu)成了電感濾波電路。u2u1RLLuo電感濾波原理電感濾波原理對(duì)諧波分

20、量對(duì)諧波分量: f 越高，越高，XL 越大越大,電壓大部分降在電壓大部分降在XL上。上。 因此，因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。在輸出端得到比較平滑的直流電壓。Uo=0.9U2當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓約為：約為：u2u1RLLuo對(duì)直流分量對(duì)直流分量: XL=0 相當(dāng)于短路相當(dāng)于短路,電壓大部分降在電壓大部分降在RL上上3. RC 型型濾波器濾波器改善濾波特性的方法：改善濾波特性的方法：采取多級(jí)濾波采取多級(jí)濾波uoRu2u1C1C2uo1 RLRC 型型濾波器濾波器將將RC 型型濾波器中的電阻換為電感，濾波器中的電阻換為電感，變?yōu)樽?/p>

21、為L(zhǎng)C 型型濾波器濾波器二、電感濾波電路二、電感濾波電路 1. 電感濾波的原理電感濾波的原理 對(duì)直流分量對(duì)直流分量: XL = 0，大部分整，大部分整 流電壓降在流電壓降在 RL 上。上。 對(duì)諧波分量對(duì)諧波分量: f 越高，越高，XL 越大，越大， 電壓大部分降在電壓大部分降在 XL 上。上。 輸出電壓平均值約為：輸出電壓平均值約為： Uo = 0.9 U2 （忽略電感線圈的電阻壓降）（忽略電感線圈的電阻壓降） uo VD4 VD3VD1 VD2RLIou2u1 L 2. 電感濾波的特點(diǎn)電感濾波的特點(diǎn) 由于電感的低通特性，使由于電感的低通特性，使 uo 的波形更平滑。的波形更平滑。 二極管的導(dǎo)

22、通時(shí)間較長(zhǎng)。二極管的導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)。 電感線圈的電感值較大，其等效電阻也較大，電感線圈的電感值較大，其等效電阻也較大， 使使 uo 的平均值下降；而且笨重、體積大。的平均值下降；而且笨重、體積大。 電感線圈易對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾。電感線圈易對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾。 一般只適用于低電壓、大電流的場(chǎng)合。一般只適用于低電壓、大電流的場(chǎng)合。 uo RLIoC2 C1 三、復(fù)式濾波電路三、復(fù)式濾波電路 C2 C1 1. LC 形濾波電路形濾波電路 2. RC 形濾波電路形濾波電路 L uo RLIoRL 穩(wěn)壓電路的作用穩(wěn)壓電路的作用: :交流交流電壓電壓脈動(dòng)脈動(dòng)直流電壓直流電壓整流整流濾波濾波有波紋的有

23、波紋的直流電壓直流電壓穩(wěn)壓穩(wěn)壓直流直流電壓電壓穩(wěn)壓電源類型穩(wěn)壓電源類型:以下主要討以下主要討論線性穩(wěn)壓論線性穩(wěn)壓電路。電路。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路開關(guān)型開關(guān)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路線性線性穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路( (小功率設(shè)備小功率設(shè)備) )電路最簡(jiǎn)單，電路最簡(jiǎn)單，但是帶負(fù)載能但是帶負(fù)載能力差，一般只力差，一般只提供基準(zhǔn)電壓，提供基準(zhǔn)電壓，不作為電源使不作為電源使用。用。效率較高，效率較高，目前用的也目前用的也比較多，但比較多，但因?qū)W時(shí)有限，因?qū)W時(shí)有限，這里不做介這里不做介紹。紹。穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)(1)穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù) S（越小越好）（越小越好）

24、穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù)S反映電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)穩(wěn)壓電路的影反映電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)穩(wěn)壓電路的影響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比。量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比。IIooUUUUS=(2)輸出電阻輸出電阻Ro （越小越好）（越小越好） 輸出電阻用來(lái)反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響。輸出電阻用來(lái)反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響。定義為當(dāng)輸入電壓固定時(shí)輸出電壓變化量與輸出定義為當(dāng)輸入電壓固定時(shí)輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實(shí)際上就是電源戴維南等效電流變化量之比。它實(shí)際上就是電源戴維南等效電路的內(nèi)阻。電路的內(nèi)阻。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路T+- -u2+- -u1CUi RLUO IIOR DZIZ穩(wěn)壓過程：穩(wěn)壓過程： UO IZ I IR UO 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1. 1. 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理利用穩(wěn)壓管的反向擊穿特性。利用穩(wěn)壓管的反向擊穿特性。 由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會(huì)引起由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會(huì)引起