理解单相整流电路课件.ppt
第10章 直流电源,主要内容：10.1 直流稳压电源的组成及各部分的作用（重点）10.2单相整流电路 10.3 滤波电路 10.4 稳压管稳压电路 10.5线性稳压电路（难点）10.6开关型稳压电路（难点）,教学目标与要求：掌握直流稳压电源的组成及各部分的作用。理解单相整流电路、滤波电路及各种稳压电路的基本组成原理、结构和特性。,一、直流电源的组成及各部分的作用,改变电压值通常为降压,交流变脉动的直流,减小脉动,1)负载变化输出电压基本不变；2)电网电压变化输出电压基本不变。,直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。,半波整流,全波整流,在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动10，且负载有一定的变化范围。,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,滤 波 电 路,稳 压 电 路,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。,10.2单相整流电路,对整流电路要研究清楚以下问题：1.电路的工作原理：二极管工作状态、波形分析2.输出电压和输出电流的平均值：输出为脉动的直流电压3.整流二极管的选择：二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压,为分析问题简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为0。,整流二极管的伏安特性：,实际特性,理想化特性,正向导通电压为0，正向电阻为0。,10.2.1半波整流电路,（1）工作原理,u2的正半周，D导通，ADRLB，uO=u2。,u2的负半周，D截止，承受反向电压，为u2；uO=0。,2.UO（AV）和 IL（AV）的估算 已知变压器副边电压有效值为U2,考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：,3.二极管的选择,10.2.2 单相桥式整流电路,桥式整流电路,u2正半周时电流通路,一、单相桥式整流电路的组成,二、工作原理,桥式整流电路,u0,u2负半周时电流通路,u20 时,D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A D1RLD3B,u20 时,D2,D4导通D1,D3截止电流通路:B D2RLD4A,输出是脉动的直流电压！,桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形,桥式单相格式整流电路.swf整流仿真,图 单相桥式整流电路的习惯画法,几种常见的硅整流桥外形：,1.整流输出电压平均值Uo（AV）,3.二极管电流的平均值ID（AV）,三、主要参数,2.输出电流平均值Io（AV）,4.反向峰值电压,二极管截止时两端承受的最大反向电压：,用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得:,5.脉动系数S,脉动系数1:,用傅氏级数对桥式整流的输出 uL 分解后可得:,四、二极管的选择,10.2 滤波电路,滤波电路的结构特点:电容与负载 RL 并联，或电感与负载RL串联。,交流电压,脉动直流电压,直流电压,10.3.1 电容滤波电路,以单相桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。,1 工作原理,RL未接入时(忽略整流电路内阻),充电结束,没有电容时的输出波形,uc,RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻),无滤波电容时的波形,加入滤波电容时的波形,u2上升，u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，uo=uc u2,u2下降，u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数=RL C,只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。,二极管中的电流,RL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻),电容充电时，电容电压滞后于u2。,RLC越小，输出电压越低。,C 越大，RL越大，放电将越大，曲线越平滑，脉动越小。,内阻使,近似估算:Uo=1.2U2 Io=Uo/RL,(b)流过二极管瞬时电流很大,RLC 越大 Uo越高负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大,电容滤波电路的特点,(a)输出电压 平均值Uo与时间常数 RLC 有关,RLC 愈大 电容器放电愈慢 Uo(平均值)愈大,(c)二极管承受的最高反向电压,2 二极管的导通角,导通角,无滤波电容时。有滤波电容时，且二极管平均电流增大，故其峰值很大！,小到一定程度，难于选择二极管！,简单易行，UO（AV）高，C 足够大时交流分量较小；不适于大电流负载。,3 电容的选择及UO（AV）的估算,4 优缺点,10.3.2 其它形式的滤波电路,1 电感滤波电路,图 单相桥式整流电感滤波电路,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。,（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：,（2）电感滤波的特点,整流管导电角较大，峰值电流很小，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。,电感滤波后的输出电压平均值为,输出电压的交流分量为,2 复式滤波电路,LC滤波电路,RC型滤波电路,为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合起来使用。,3 各种滤波电路的比较,稳压电路的作用:,10.4 稳压二极管稳压电路,稳压管,稳压电路,开关型,稳压电路,串联型,稳压电路,常用稳压电路,(小功率设备),线性稳压电路。,电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。,效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。,稳压电源类型:,图 稳压二极管组成的稳压电路,图10.4.2 稳压管的伏安特性,稳压原理：,(1)当输入电压变化时,由图知：,(2)当负载电流变化时,稳压过程：,不变，负载减小,2.电路参数计算,(1)稳压管型号的确定,一般选用稳压管型号要看 UZ，IZM 和rZ。一般选取,rZRo,Ro为所要求的输出电阻,(2)输入电压UI的确定,一般选取,(3)稳压电阻的计算,稳压电阻R的作用:,稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好。,将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。,显然R 的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的UR变化，就可达到足够的稳压效果。,但R 的数值越大，就需要较大的输入电压UI值，损耗就要加大。,稳压电阻的计算如下,(1)当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即,(2)当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即,10.5线性稳压电路,10.5.1串联型稳压电路的工作原理,负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（1+）倍。,实际上是射极输出器，Uo=UZ-UBE。但带负载的能力比稳压管强。,1、基本调整管电路,稳压管稳压电路的缺点：（1）带负载能力差（2）输出电压不可调,改进：（1）提高带负载能力在输出端加一射极输出器,UO=UZ-0.7V,10.5 串联型稳压电源,10.5.1 串联型稳压电路的组成和稳压原理,改进：（2）使输出电压可调在射极输出器前加一带有负反馈的放大器。调节反馈系数即可调节放大倍数,UO=AUFUZ-0.7V,为了进一步稳定输出电压，将反馈元件接到输出端。,1.组成：基准电压、调整管、取样电路、放大比较环节。,2.工作原理,（1）输入电压变化时,实质：电压负反馈,（2）负载电流变化时,10.5.2 输出电压的调节,可见，调节R1或R2可以改变输出电压。,用负反馈的理论计算：,10.5.3 分立元件组成的串联式稳压电路,稳压原理,当 Ui 增加或输出电流减小使 Uo升高时,(3)输出电压的调节范围,因为：,所以：,将参数代入，可求出输出电压的调节范围。,10.5.2集成线性稳压电路,1端:输入端2端:公共端3端:输出端,W7800系列稳压器外形,1端:公共端2端:输入端3端:输出端,W7900系列稳压器外形,三端集成稳压器的外形及电路符号,图 三端集成稳压器的组成,三端集成稳压器的主要参数,注：型号后XX两位数字代表输出电压值,输出电压额定电压值有:,5V、9V、12V、18V、24V等。,三端集成稳压器,集成稳压电源的分类,基本应用,消除高频噪声,使Co不通过稳压器放电,抵销长线电感效应，消除自激振荡,将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路。,输出电流扩展电路,为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大。,很小,三端稳压器的输出电压,若UBE=UD，则,二极管的作用：消除UBE对UO的影响。,输出电压扩展电路,IW为几mA，UO与三端稳压器参数有关。,隔离作用,基准电压,电路复杂,2.可调式三端稳压器 W117,输出电压UREF1.25V，调整端电流只有几微安。,减小纹波电压,1.开关型稳压电源的特点,线性稳压电源：结构简单，调节方便，输出电压稳定性强，纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态，因而功耗大，效率低（2049）；需加散热器，因而设备体积大，笨重，成本高。若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高效率，开关型稳压电源的效率可达7095。体积小，重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的场合。,10.6开关型稳压电路,开关型稳压电路的特点和分类,分类：,有脉冲宽度调制型(PWM)、,有低压开关稳压电路、高压开关稳压电路；,脉冲频率调制型(PFM)和混合调制型；,有自激式、他激式；双极型三极管、MOS 场效应管和可控硅开关电路等。,构成开关型稳压电源的基本思路,将交流电经变压器、整流滤波 得到直流电压 控制调整管按一定频率开关，得到矩形波 滤波，得到直流电压,引入负反馈，控制占空比，使输出电压稳定。,10.6.1.串联开关型稳压电路 1 换通电路的基本原理 电路组成及工作原理,T截止，D导通，uE UD；L 释放能量，C 放电。,T、D 均工作在开关状态。,T饱和导通，D截止，uE UI；L 储能，C 充电。,uBUH时,uBUL时,波形分析及输出电压平均值,关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比。,稳压原理,脉冲宽度调制式：PWM电路作用：UO Ton UO,其它控制方式：脉冲频率调制式：UO T（脉宽不变）UO 混合调制式：UO T Ton UO,在串联开关型稳压电路中 UO UI，故为降压型电路。,脉宽调制电路的基本原理,比较放大电路,电压比较器,调整管,UO UN1 UO1(UP2)uB1的占空比 UO,UO UN1 UO1(UP2)uB1的占空比UO,uP2与uB1占空比的关系,UP2,稳压原理：,10.6.2 并联开关型稳压电路（升压型）（1）工作原理,T截止，L产生感生电动势，D导通；UI与L所产生的感生电动势相加对C 充电。,T饱和导通，L 储能，D截止，C 对负载放电。,uBUH时,uBUL时,要研究调整管在饱和导通和截止状态下电路的工作情况。,（2）输出电压,只有L足够大，才能升压；只有C足够大，输出电压交流分量才足够小!,在周期不变的情况下，uB占空比越大，输出电压平均值越高。,（3）稳压原理,脉宽调制式：UO Ton（频率不变）UO,
