《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第11章

11.1單相橋式整流電路11.2電容濾波器11.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

習(xí)題電源是電路的能量提供者。除了廣泛使用的交流電源外，有時(shí)還需使用直流電源供電，例如電解，電鍍，蓄電池充電，直流電動(dòng)機(jī)等;另外，許多電子線路和電子產(chǎn)品也需要電壓非常穩(wěn)定的直流電源，它們一般采用半導(dǎo)體直流電源。圖11.1是半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖，它表明了交流電源變換為直流電源的各個(gè)環(huán)節(jié)。圖11.1半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖其中各環(huán)節(jié)的功能說明如下：

(1)變壓環(huán)節(jié):將電網(wǎng)電壓變成整流電路所需要的交流電壓。

(2)整流環(huán)節(jié):利用整流二極管或晶閘管的單向?qū)щ娦?，將交流電壓變換為單向脈動(dòng)電壓。

(3)濾波環(huán)節(jié):減少整流電壓的脈動(dòng)成分，滿足負(fù)載對(duì)直流電源的要求。

(4)穩(wěn)壓環(huán)節(jié):在交流電源電壓或負(fù)載變化時(shí)，使輸出的直流量基本不變。11.1單相橋式整流電路

圖11.1.1是單相橋式整流電路，它是應(yīng)用最廣的單相整流電路。該電路包括整流變壓器Tr、由整流二極管VD1~VD4構(gòu)成的整流橋及負(fù)載電阻RL，如圖11.1.1(a)所示。圖11.1.1(b)是其簡化畫法。圖11.1.1單相橋式整流電路設(shè)，其波形如圖11.1.2(a)所示。當(dāng)u處于正半周時(shí)，a點(diǎn)較b點(diǎn)電位高，VD1和VD3承受正向電壓導(dǎo)通，而VD2和VD4受反向電壓截止，電流i1從a點(diǎn)經(jīng)VD1→RL→VD3→b形成回路，此時(shí)uo=u;而當(dāng)u處于負(fù)半周時(shí)，b點(diǎn)較a點(diǎn)電位高，VD2和VD4承受正向電壓導(dǎo)通，VD1和VD3受反向電壓截止，電流i2從b點(diǎn)經(jīng)VD2→RL→VD4→a形成回路，此時(shí)uo=-u(大于零)。由此可得，不論u處于正半周或負(fù)半周，負(fù)載電壓uo是一個(gè)方向不變、大小變化的單向脈動(dòng)電壓。其波形如圖11.1.2(b)所示。圖11.1.2單相橋式整流電路中的波形圖為衡量脈動(dòng)直流電壓的大小，常用一個(gè)周期的平均值來定義，這個(gè)平均值就是它的直流分量，可用直流電壓表測(cè)量，即上兩式表示了橋式整流電路輸出電壓和輸出電流的平均值與輸入電壓有效值的關(guān)系。(11.1.1)(11.1.2)整流二極管的平均電流是負(fù)載電流的一半，即(11.1.3)截止二極管所承受的反向電壓為變壓器副邊電壓的最大值，即(11.1.4)從圖11.1.2(b)可見，此時(shí)變壓器的副邊電流仍為正弦波，其有效值為(11.1.5)

【例11.1.1】已知負(fù)載電阻RL=80Ω，負(fù)載電壓U0=100V，如采用單相橋式整流電路，交流電源電壓為380V。(1)如何選用晶體二極管？(2)求變壓器的副邊電壓和電流有效值。

解

(1)負(fù)載電流為每個(gè)二極管通過的平均電流為變壓器副邊電壓的有效值為考慮到變壓器繞組及管子上的壓降，副邊電壓大約要高出10%，即111×1.1=122.2V，于是。因此可選用2CZ55E二極管，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。

(2)變壓器的副邊電流為I=1.11I0=1.11×1.25=1.39A單相橋式整流電路應(yīng)用普遍，現(xiàn)已生產(chǎn)出集成的硅橋堆，就是將四個(gè)二極管集成在一個(gè)硅片上，引出四根線，如圖11.1.3所示。

圖11.1.3硅橋堆11.2電容濾波器

經(jīng)過整流后的電壓，仍有較大的脈動(dòng)成分，可以作為電鍍、蓄電池充電電路的電源。但在多數(shù)電子設(shè)備中，還需在整流電路后加接濾波器，以減少輸出電壓的脈動(dòng)程度。下面僅介紹最常見的電容濾波器。圖11.2.1中與負(fù)載并聯(lián)的電容器就是電容濾波器。它是根據(jù)電容的電壓在電路狀態(tài)改變時(shí)不能躍變的原理制成的。下面分析電容濾波器的工作情況。圖11.2.1橋式整流加電容濾波電路設(shè)電容器原先未充電，當(dāng)時(shí)，u>uC，二極管VD1、VD3導(dǎo)通，電容被充電，忽略二極管的壓降，uo=u。當(dāng)時(shí)，uC充至為最大，此后u按正弦規(guī)律下降，但在內(nèi)，電容仍按正弦規(guī)律放電，即VD1、VD3仍導(dǎo)通，uo=u;當(dāng)ωt>ωt1后，正弦下降已快于指數(shù)衰減，二極管VD1、VD3截止，電容器通過負(fù)載繼續(xù)放電，此時(shí)uo按指數(shù)規(guī)律變化;在u負(fù)半周，當(dāng)|u|>uC時(shí)，再對(duì)電容器按正弦規(guī)律充電，二極管VD2、VD4導(dǎo)通，uo又按正弦規(guī)律上升。這樣在一個(gè)周期內(nèi)，電容器充放電兩次，反復(fù)循環(huán)，得到圖11.2.2(b)中的實(shí)線波形(虛線為不接電容濾波的波形)。圖11.2.2電容濾波器的波形圖從工作原理上看，電容越大，濾波效果越好。因此uo的脈動(dòng)程度與電容放電的時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)。一般要求(11.2.1)式中T為交流電壓的周期。而電容器的耐壓值應(yīng)取輸出電壓的兩倍左右，并用極性電容器。

該濾波電路簡單，且效率較好，輸出電壓平均值也較高，一般單相橋式整流帶電容濾波取Uo=1.2U

(11.2.2)圖11.2.3是電容濾波器的外特性。當(dāng)負(fù)載開路時(shí)，輸出電壓為。隨著輸出電流的增大(RL減小)，放電常數(shù)RLC減小，放電加快，Uo下降，即外特性變差，或說帶負(fù)載能力較差。所以該濾波器適用于輸出電壓高、負(fù)載電流小且變化不大的場(chǎng)合。圖11.2.3單相橋式整流帶電容濾波和電阻性負(fù)載的外特性曲線

【例11.2.1】有一單相橋式帶電容濾波電路，已知交流電源頻率為50Hz，負(fù)載電阻RL=200Ω，要求輸出Uo=20V。請(qǐng)選擇整流二極管及濾波電容器。

解

(1)選擇整流二極管。取Uo=1.2U2，二極管承受的最高反向工作電壓為可選用2CZ52B二極管，其最大整流電流為100mA，反向工作峰值工作電壓為50V。

(2)選擇濾波電容器。取，得選用250μF、耐壓為50V的極性電容器11.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

經(jīng)整流濾波后的電壓，還會(huì)因電源電壓和負(fù)載的變化而變化。為獲得穩(wěn)定的直流電壓，必須在整流濾波后接入穩(wěn)壓電路。下面先介紹串聯(lián)穩(wěn)壓電路的工作原理，再介紹該電路的集成電路及其應(yīng)用。11.3.1串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理圖11.3.1(a)是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的原理框圖。它由取樣電路、比較放大電路、基準(zhǔn)電壓電路和調(diào)整管四部分組成，如圖11.3.1(b)所示。Ui為整流濾波后的電壓;R1和R2組成取樣電路，其;R3與VDZ提供基準(zhǔn)電壓UZ，運(yùn)算放大器構(gòu)成比較放大電路，其輸出UB=AUo(U+-U-)=AUo(UZ-UF);而UCE是調(diào)整管的管壓降;Uo是該電路的穩(wěn)壓輸出直流電壓，Uo=Ui-UCE。

圖11.3.1串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理如下：當(dāng)Ui增大或RL增大使Uo升高時(shí)，UF隨之升高，反相輸入電壓提高，而同相輸入不變，則輸出UB下降，調(diào)整管的UBE下降，IC下降，從而UCE上升，Uo=Ui-UCE也下降,使Uo保持穩(wěn)定。這個(gè)過程實(shí)際上是一個(gè)負(fù)反饋過程。根據(jù)同相比例運(yùn)算，有(11.3.1)

11.3.2集成穩(wěn)壓芯片的應(yīng)用

將上述電路集成在一個(gè)芯片上，就構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路。它具有體積小，可靠性高，使用方便，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。本節(jié)主要討論W7800系列(輸出正電壓)和W7900系列(輸出負(fù)電壓)穩(wěn)壓器的使用。圖11.3.2是W7800系列穩(wěn)壓器的外形、管腳和接線圖。該穩(wěn)壓器有輸入端1、輸出端2和公共端3三個(gè)引出端，又稱三端集成穩(wěn)壓器。使用時(shí)在輸入端1和公共端3接入Ci，用以抵消輸入端接較長線時(shí)的電感效應(yīng)(若接線不長也可不用);在輸出端2和公共端3接入Co，以使輸出電壓減少波動(dòng)。Ci一般在0.1~1μF之間，Co可用1μF。

W7800系列的輸出固定正電壓有5V、8V、12V、15V、18V、24V等多種，最大輸出電流是2.2A。要保證穩(wěn)壓電路正常工作，就必須使輸入電壓的絕對(duì)值至少高于輸出2~3V，最高輸入電壓為35V。W7900系列輸出固定負(fù)電壓，其參數(shù)與W7800基本相同。三端集成穩(wěn)壓器使用方便、靈活，有以下幾種常用電路。

圖11.3.2

W7800系列穩(wěn)壓器

(1)正負(fù)電壓同時(shí)輸出的電路。正負(fù)電壓同時(shí)輸出的電路如圖11.3.3所示。圖11.3.3正負(fù)電壓同時(shí)輸出的電路

(2)提高輸出電壓的電路。圖11.3.4所示的電路能使輸出電壓高于固定輸出電壓。圖中U××為W78××穩(wěn)壓器的固定輸出電壓，顯然，Uo=U××+UZ。

圖11.3.4提高輸出電壓的電路

(3)擴(kuò)大輸出電流的電路。圖11.3.5所示電路中，可擴(kuò)大輸出電流。I2為穩(wěn)壓器輸出電流，IC

為功率管的集電極電流，IR是電阻R上的電流，忽略I3，可得設(shè)β=10，UBE=-0.3V，R=0.5Ω，I2=1A，則IC=4A?？梢?，輸出Io=I2+IC，它比I2擴(kuò)大了。圖中，電阻R的阻值要使功率管只能在輸出電流較大時(shí)才導(dǎo)通。圖11.3.5擴(kuò)大輸出電流的電路

(4)輸出電壓可調(diào)的電路。在圖11.3.6中，由U-=U+，可得用可調(diào)電阻調(diào)整電阻R2與R1的比值，便可調(diào)節(jié)輸出電壓Uo

的大小。

圖11.3.6輸出電壓可調(diào)的電路練習(xí)與思考

(1)在圖11.1.1所示的單相橋式整流電路中，如果①VD3接反，②因過電壓VD3被擊穿短路，③VD3斷開，試分別說明其后果如何。

(2)簡述負(fù)載增大時(shí)，串聯(lián)式穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理。

本章小結(jié)本章介紹了直流穩(wěn)壓電源中整流、濾波、穩(wěn)壓各環(huán)節(jié)中，最基本、最典型的單相橋式整流、電容濾波和串聯(lián)穩(wěn)壓電路及其集成電路的應(yīng)用。讀者應(yīng)掌握各種電路的工作原理，了解元器件的選擇及集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路。本章知識(shí)點(diǎn)

(1)單相橋式整流電路的工作原理，指標(biāo)的計(jì)算及元件的選擇。

(2)電容濾波電路的工作原理、外特性及元件的選擇。

(3)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理和集成穩(wěn)壓電源的典型應(yīng)用電路。習(xí)題

11.1圖11.1.1所示的單相橋式整流電路中，已知變壓器二次側(cè)電壓有效值U=100V，RL=100Ω。試問:(1)輸出電壓和輸出電流的平均值Uo和Io各為多少？(2)若電源電壓波動(dòng)±10%，則二極管承受的最高反向電壓為多少？

11.2有一整流電路如圖11.1所示。(1)試求負(fù)載電阻RL1和RL2上整流電壓的平均值Uo1和Uo2，并標(biāo)出極性。(2)試求二極管VD1、VD2、VD3中的平均電流ID1、ID2、ID3以及各管所承受的最高反向電壓。

圖11.1習(xí)題11.2圖

11.3試分析圖11.2所示的變壓器二次繞組有中心抽頭的單相整流電路，二次繞組兩段的電壓有效值為U。

(1)試分析在交流電壓的正半周和負(fù)半周時(shí)電流的通路，并標(biāo)出負(fù)載電阻RL上的電壓uo和濾波極性電容器C的極性。

(2)分別畫出無濾波電容器和有濾波電容器兩種情況下負(fù)載電阻上電壓uo的波形，是全波還是半波整流？

(3)如無濾波電容器，負(fù)載整流電壓的平均值U0和變壓器二次繞組每段的有效值U之間的數(shù)值關(guān)系如何？如有濾波電容，則又如何？

(4)如果把VD2的極性接反，則能否正常工作？會(huì)出現(xiàn)什么問題？