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1、電工電子技術(shù),任萬強 張鋼 主編 中國水利水電出版社,返回章目錄,9.1 單相整流電路,9.3 集成穩(wěn)壓器,第9章 直流穩(wěn)壓電源,9.2 濾波電路,整流電路就是利用二極管的單向?qū)щ娦?,將交流電變換為單向脈動直流電的電路。根據(jù)交流電的相數(shù),整流電路分為單相整流、三相整流等。通過本章的學(xué)習(xí)要求掌握小功率直流電源中常用的單相半波、單相橋式整流電路及濾波穩(wěn)壓電路的原理和應(yīng)用要點。 電子設(shè)備的正常運行離不開穩(wěn)定的電源,除了在某些特定場合下采用太陽能電池或化學(xué)電池作電源外,多數(shù)電路的直流電是由電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換來的。這種直流電源的組成以及各處的電壓波形如圖9.1所示。,知識點和學(xué)習(xí)要求,,圖9.1 直流穩(wěn)壓
2、電源組成框圖,圖9.1中各組成部分的功能如下: (1)電源變壓器:將電網(wǎng)交流電壓(220V或380V)變換成符合需要的交流電壓,此交流電壓經(jīng)過整流后可獲得電子設(shè)備所需的直流電壓。因為大多數(shù)電子電路使用的電壓都不高,這個變壓器是降壓變壓器。,(2)整流電路:利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?,把方向和大小都變化?0Hz交流電變換為方向不變但大小仍有脈動的直流電。,(3)濾波電路:利用儲能元件電容器C兩端的電壓(或通過電感器L的電流)不能突變的性質(zhì),把電容C(或電感L)與整流電路的負(fù)載RL并聯(lián)(或串聯(lián)),就可以將整流電路輸出中的交流成分大部分加以濾除,從而得到比較平滑的直流電。在小功率整流電路中,經(jīng)
3、常使用的是電容濾波。,(4)穩(wěn)壓電路:當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時,濾波電路輸出的直流電壓的幅值也將隨之變化,因此,穩(wěn)壓電路的作用是使整流濾波后的直流電壓基本上不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。 在小功率直流電源中,常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋,式和三相整流電路等。 整流(和濾波)電路中既有交流量,又有直流量。對這些量經(jīng)常采用不同的表述方法:輸入(交流)用有效值或最大值;輸出(直流)用平均值;二極管正向電流用平均值;二極管反向電壓用最大值。,9.1 單相整流電路,利用二極管的單向?qū)щ娦越M成整流電路,可將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動電壓。本章為便于分析整流電路,把整流二極管當(dāng)作理想元件,即
4、認(rèn)為它的正向?qū)娮铻榱?,而反向電阻為無窮大。但在實際應(yīng)用中,應(yīng)考慮到二極管有內(nèi)阻,整流后所得波形,其輸出幅度會減少0.61V,當(dāng)整流電路輸入電壓大時,這部分壓降可以忽略。但輸入電壓小時,例如輸入為3V,則輸出只有2V多,需要考慮二極管正向壓降的影響。 單相整流電路有單相半波整流電路、單相全波整流電路和橋式整流電路三種形式。單相半波整流電路如圖9.2所示。,圖9.2 單相半波整流電路,9.1.1 單相半波整流電路,1單相半波整流電路的工作原理,利用二極管的單向?qū)щ娦?,在變壓器副邊電壓U2為正的半個周期內(nèi),二極管正向偏置,處于導(dǎo)通狀態(tài),負(fù)載RL上得到半個周期的直流脈動電壓和電流;而在U2為負(fù)的
5、半個周期內(nèi),二極管反向偏置,二極管VD截止,處于關(guān)斷狀態(tài),負(fù)載中沒有電流流過,負(fù)載上電壓為零。由于二極管的單向?qū)щ娮饔?,將變壓器副邊的交流電壓變換成為負(fù)載RL兩端的單向脈動電壓,達(dá)到整流目的,其波形如圖9.3所示。因為這種電路只在交流電壓的半個周期內(nèi)才有,電流流過負(fù)載,所以稱為單相半波整流電路。,設(shè)變壓器副邊繞組電壓為 。當(dāng)u2為正半周時,二極管VD導(dǎo)通,負(fù)載RL上的電壓uo、流過RL的電流io及二極管的電流iD分別為,,,,2直流電壓UO和直流電流IO的計算,利用傅立葉級數(shù)將單相半波脈動電壓分解為,,式中第一項為uo的直流分量,即uo在一個周期的平均值UO,即,,可以看出,在半波
6、整流情況下,負(fù)載上的直流電壓只有變壓器副邊繞組電壓有效值的45%。如果考慮二極管正向電阻和變壓器內(nèi)阻引起的壓降,UO的數(shù)值還要低一些。 負(fù)載上的直流電流,,圖9.3 單相半波整流電路波形,3二極管參數(shù)的計算,在單相半波整流電路中,流 過二極管的電流就等于輸出電流,,從圖9.2可看出,二極管在截止時所承受的最高反向電壓u2就是的最大值,即,,在選擇二極管時,所選管子的最大整流電流和最高反向工作電壓,應(yīng)大于上式的計算值。,4紋波系數(shù)KT,整流輸出后的電壓除含有直流分量外,還含有不小的高次諧波分量,這些諧波分量總稱為紋波。常用紋波系數(shù)來衡量輸出電壓中的紋波大小,它定義為輸出電壓交流
7、有效值與平均值(直流分量)之比,即,,而輸出交流電壓有效值為,,對于半波整流電路 ,所以紋波系數(shù)為,,,可見半波整流電路輸出電壓的紋波是比較大的。 單相半波整流電路結(jié)構(gòu)簡單,只用一個整流管,但輸出波形脈動大,輸出直流電壓低,變壓器只工作半周,電源利用率低,故半波整流電路只用在對直流電源要求不高,輸出電流較小的場合。,9.1.2 單相橋式整流電路,單相橋式整流電路應(yīng)用最廣,采用四個整流二極管,組成橋式電路,如圖9.4(a)所示。 人們常常將圖中的四個二極管電路,稱為“整流橋”。圖9.4(b)采用了整流橋符號的電路圖。,圖9.4 單相橋式整流電路,1單相橋式整流電路的工作原理,在
8、圖9.4(a)中,當(dāng)u2為交流電的正半周時,a點電位高于b點電位。二極管VD1,VD2正偏導(dǎo)通,VD4,VD3反偏截止。電流從變壓器副邊a點,經(jīng)VD1,RL,VD2流通到b點。負(fù)載RL上得到正半周的輸出電壓。電流如實線方向。,當(dāng)u2為交流電的負(fù)半周時,b點電位高于a點電位。二極管VD4,VD3正偏導(dǎo)通,VD2,VD1反偏截止。電流從變壓器副邊b點,經(jīng)VD3,RL,VD4流通到a點。負(fù)載RL上依然得到正向半周的輸出電壓。電流如虛線方向。 可見,雖然u2為交流電壓,但負(fù)載RL上的輸出電壓uo,卻已經(jīng)變成為大小脈動而方向單一的直流電了。 單相橋式整流電路中各電壓、電流的波形,如圖9.5所示。,2單
9、相橋式整流電路的參數(shù)計算,整流電路的輸出電壓uO是脈動的直流電壓,直流電壓的大小用其平均值UO來衡量。 式中 U2變壓器副邊電壓的有效值。,,,圖9.5 單相橋式整流電路,整流電路的輸出電流io的平均值IO為,,由于在每個周期中,四個整流二極管分為兩組,輪流導(dǎo)通。所以流過每個二極管的平均電流ID是總負(fù)載電流的一半,,當(dāng)正向偏置的二極管導(dǎo)通時,另外兩個二極管承受反向電壓而截止。其承受的最高反向電壓UDRM為 (忽略二極管的導(dǎo)通壓降),即,,,由分析可知,流過變壓器副邊的電流是交流電流。其有效值為,上述幾個公式,是分析、設(shè)計整流電路的重要依據(jù)。我們可以根據(jù)它們來選擇電源變壓器和整流二極管的參數(shù)。
10、,【例9.1】設(shè)計一個輸出直流電壓為36V,輸出電流為1A的單相橋式整流電路。已知交流電壓為220V,要求(1)如何選取整流二極管的參數(shù)?(2)求電源變壓器的副邊電壓及容量。,解: (1) 流過每個二極管的平均電流為,,,,每個二極管承受的最高反向電壓為,,所以可以選用整流二極管1N4002,其參數(shù)為:IF =1A,URM =100V。 (2)變壓器副邊電壓U2 =40V,變壓器副邊電流為,,變壓器的容量為,,需要說明的是,以上計算為理論計算。在工程實踐中,各參數(shù)應(yīng)當(dāng)參照理論值有適當(dāng)?shù)挠嗔俊? 整流電路中的“電源變壓器”,除了具有變換電壓的作用之外,還擔(dān)任“安全隔離”的重要任務(wù)。即將整流
11、電路的用戶與電網(wǎng)電壓隔離開來。 這樣就保證了用戶在接觸變壓器副邊電路時,不會出現(xiàn)單相觸電事故。,9.2 濾波電路,整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,但脈動較大,在某些應(yīng)用中如電鍍、蓄電池充電等可直接使用脈動直流電源。但許多電子設(shè)備需要平穩(wěn)的直流電源。這種電源中的整流電路后面還需加濾波電路將交流成分濾除,以得到比較平滑的輸出電壓。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲功能來實現(xiàn)的。,濾波電路一般由電容、電感、電阻等元件組成。濾波電路對直流和交流反映出不同的阻抗,電感L對直流阻抗為零(線圈電阻忽,略不計),對于交流卻呈現(xiàn)較大的阻抗( )。若把電感L與負(fù)載RL串聯(lián),則整流后的直流分量幾乎無衰減地
12、傳到負(fù)載,交流分量卻大部分降落在電感上。負(fù)載上的交流分量很小,因此負(fù)載上的電壓接近于直流。,,電容器C對于直流相當(dāng)于開路,對于交流卻呈現(xiàn)較小的阻抗( )。若將電容C與負(fù)載電阻并聯(lián),則整流后的整流分量全部流過負(fù)載,而交流分量則被電容器旁路,因此在負(fù)載上只有直流電壓,其波形平滑。 常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波等。,,9.2.1 電容濾波電路,圖9.6為單相橋式整流及電容濾波電路。在分析電容濾波電路時,要特別注意電容器兩端電壓uc對整流組件導(dǎo)電的影響,整流組件只有受正向電壓作用時才導(dǎo)通,否則便截止。,1工作原理,負(fù)載RL未接入時的情況:設(shè)電容器兩端初始電壓為零,接入交流電源后
13、,當(dāng)u2為正半周時,u2通過VD1、VD2向電容器C充,電;u2為負(fù)半周時,經(jīng)VD3、VD4向電容器C充電,充電時間常數(shù)為,,其中,Rn包括變壓器副繞組的電阻和二極管VD的正向電阻。接通電源時,變壓器副邊電壓u2 由0開始上升,二極管VD1,VD2導(dǎo)通,電源向負(fù)載RL供電,同時,也向電容C充電,電容器很快就充電到交流電壓u2的最大值 , 達(dá)峰值后u2減小,當(dāng) 時,二極管VD1,VD2截止,充電電流中斷,電容C開始通過RL放電,使 逐漸下降,直到下個半周u2幅度上升至 ,此后電源通過VD3,VD4又向負(fù)載RL供電,同時又給電容C充電,如此周而復(fù)始。圖9.6(b)所示
14、為輸出電壓波形。,,,,,,注意,電容充電電流出現(xiàn)不到半個周期,只有當(dāng) 那一段時間充電( )。由于電容器無放電回路,故輸出電壓(即電容器C兩端的電壓uc)保持在 ,輸出為一個恒定的直流,如圖9.6(b)所示。顯然,當(dāng)RL很小,即IO很大時,電容濾波的效果不好。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。,,,,圖9.6 電容濾波電路電流、電壓波形圖,2濾波電容的選擇,從電容濾波器的工作原理來看,電容越大,濾波效果越好。因為輸出電壓的脈動程度與電容放電的時間常數(shù)RLC有關(guān)。為了得到,比較平直的輸出電壓,橋式整流電路要求放電時間常數(shù) 應(yīng)大于u2的周期T,一般要求按照,,所以在滿足式的條件下,
15、負(fù)載電壓的平均值可按下式估算: 單相半波整流電容濾波,,單相橋式整流電容濾波,,電容越大,波形越平滑,輸出電壓的平均值上升越大。,9.2.2 復(fù)式濾波電路,為進(jìn)一步提高濾波效果,可將電容和電感組合成復(fù)式濾波電路。常見的有 型LC, 型LC和 型RC復(fù)式濾波電路,其具體接線形式如圖9.7所示。,,,1. 型LC濾波,在電感濾波之后,再在負(fù)載兩端并聯(lián)一個電容C組成,如圖9.7(a)所示。經(jīng)整流后輸出的脈動直流電壓經(jīng)過電感L時,大部分交流成分降落在L上,再經(jīng)電容C濾波,即可得到比單電感或單電,容濾波更加平滑的直流電壓。,圖9.7 復(fù)式濾波電路,(a),(b),(c),2 型LC濾波,為進(jìn)一步提高輸
16、出電壓平滑度,可在型LC濾波電路的輸入端再并聯(lián)一個電容,就形成了 型LC濾波電路,如圖9.7(b)所示。 型LC濾波電路的濾波效果很好,但電感體積較大,故只適用于負(fù)載電流不大的場合,且其帶負(fù)載能力差。,3 型RC濾波,在負(fù)載電流小、濾波要求不高情況下,常用電阻R代替電感L來組成 型RC濾波電路,如圖9.7(c)所示。這種濾波電路的體,積小、成本低,濾波效果也不錯,但由于電阻R的存在,會使輸出電壓降低。它也只適用于負(fù)載電流不大的場合。,9.3 集成穩(wěn)壓器,經(jīng)整流濾波后輸出的直流電壓,雖然平滑程度較好,但其穩(wěn)定性是比較差的。 濾波電路之后通常還有穩(wěn)壓電路,穩(wěn)壓電路的作用是使直流電源的輸出電壓
17、穩(wěn)定,盡可能不隨負(fù)載電流和電網(wǎng)電壓的變化而變化。在某此要求更高的場合,還要求輸出電壓具有較小的溫度系數(shù)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,集成電路得到了廣泛的應(yīng)用,集成穩(wěn)壓器具有體積小、外圍元件少、可靠性高、使用方便、價格低廉等優(yōu)點。,9.3.1 集成穩(wěn)壓器,集成穩(wěn)壓器可分為輸出電壓固定式和輸出電壓可調(diào)式。由于集成穩(wěn)壓器僅有三個外接端腳,所以也常被稱為三端集成穩(wěn)壓器。,集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部電路除了包括基準(zhǔn)、取樣、調(diào)整和比較放大環(huán)節(jié)外,還包括啟動電路和保護電路。啟動電路用于集成穩(wěn)壓器的,啟動,保護電路可以使電路在過載、短路、過熱等情況下仍不被損壞。圖9.8是集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。,圖9.8 集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部結(jié)
18、構(gòu)框圖,9.3.2 78xx和79xx系列的集成穩(wěn)壓器,78xx和79xx系列的集成穩(wěn)壓器是輸出電壓固定的三端穩(wěn)壓器如圖9.9所示。78xx為輸出“正電壓”的集成穩(wěn)壓器,79xx為輸出“負(fù)電壓”的集成穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器型號末尾的兩位數(shù)字xx,代表電路的輸出電壓數(shù)值。例如:7805、7812分別是輸出電壓為5V、12V的正電壓集成穩(wěn)壓器。,,圖9.9 三端集成穩(wěn)壓器的外形及管腳排列,(a),(b),78xx和79xx系列集成穩(wěn)壓器的輸出電壓值分為:5V、6V、9V、10V、12V、15V、18V、24V共8個數(shù)值。,78xx和79xx的三端集成穩(wěn)壓器的最大輸出電流為1A。同類型的產(chǎn)品,還有78L
19、xx和79Lxx。它們的最大輸出電流為0.1A。以及78Mxx和79Mxx產(chǎn)品,最大輸出電流為0.5A。 三端集成穩(wěn)壓器使用時,應(yīng)當(dāng)注意輸入電壓Ui與輸出電壓Uo之間的電壓差,不能過小,一般應(yīng)在(23)V以上。集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖9.10所示。 三端集成穩(wěn)壓器的基本穩(wěn)壓電路如圖9.10所示,使用時根據(jù)輸出電,壓和輸出電流來選擇集成穩(wěn)壓器的型號。穩(wěn)壓電路中只需外接兩個電容,輸入電容C2和輸出電容C3是用于減小輸入、輸出電壓的脈動和改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)的,其值均在0.11F之間。 當(dāng)集成穩(wěn)壓器工作于輸出電流較大狀態(tài)時,應(yīng)當(dāng)注意安裝散熱器。 圖9.11為利用輸出正負(fù)15V的“雙電源直流穩(wěn)壓電路”。很多電子儀器中配有。 選擇和使用三端穩(wěn)壓器時,除關(guān)注它的輸出電壓和電流外,還應(yīng)查閱產(chǎn)品手冊,注意它的穩(wěn)壓性能及對輸入電壓的要求。,圖9.10 基本穩(wěn)壓電路,圖9.11 利用輸出正負(fù)15V的“雙電源電路”,本章學(xué)習(xí)結(jié)束,