电子电路基本原理.ppt

模拟电子技术基础 安徽理工大学电气工程系 主讲 黄友锐 第十八讲 15整流滤波电路 15 1单相整流电路15 2滤波电路 电子电路工作时都需要直流电源提供能量 电池因使用费用高 一般只用于低功耗便携式的仪器设备中 本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源 一般直流电源由如下部分组成 电源的方框图如图15 01所示 整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电 滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除 减少交流成分 增加直流成分 稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压 15 1 1单相桥式整流电路15 1 2单相半波整流电路15 1 3单相全波整流电路 15 1单相整流电路 15 1 1单相桥式整流电路 1 工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路 其电路如图15 02 a 所示 a 桥式整流电路 b 波形图 图15 02单相桥式整流电路 在分析整流电路工作原理时 整流电路中的二极管是作为开关运用 具有单向导电性 根据图15 02 a 的电路图可知 当正半周时二极管D1 D3导通 在负载电阻上得到正弦波的正半周 当负半周时二极管D2 D4导通 在负载电阻上得到正弦波仍是正半周 单相桥式整流电路的波形图见图15 02 b 动画15 1 动画15 2 动画15 8exe 根据图15 02 b 可知 输出电压是单相脉动电压 通常用它的平均值与直流电压等效 输出平均电压为 2 参数计算 流过负载的平均电流为 流过二极管的平均电流为 二极管所承受的最大反向电压 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量 可将脉动电压做傅里叶分析 此时谐波分量中的二次谐波幅度最大 最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S 3 单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线 该曲线如图15 03所示 曲线的斜率代表了整流电路的内阻 图15 03单相桥式整流电路的负载特性曲线 15 1 2单相半波整流电路 a 电路图 b 波形图图15 04单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外 还有单相半波和全波两种形式 单相半波整流电路如图15 04 a 所示 波形图如图15 04 b 所示 根据图15 04可知 输出电压在一个工频周期内 只是正半周导电 在负载上得到的是半个正弦波 负载上输出平均电压为 流过负载和二极管的平均电流为 二极管所承受的最大反向电压 单相全波整流电路如图15 05 a 所示 波形图如图15 05 b 所示 15 1 3单相全波整流电路 a 电路图图15 05单相全波整流电路 b 波形图 根据图15 05 b 可知 全波整流电路的输出 与桥式整流电路的输出相同 输出平均电压为 流过负载的平均电流为 二极管所承受的最大反向电压 单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同 注意 整流电路中的二极管是作为开关运用的 整流电路既有交流量 又有直流量 通常对 输入 交流 用有效值或最大值 输出 交直流 用平均值 整流管正向电流 用平均值 整流管反向电压 用最大值 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过 而半波和全波整流电路中均有直流分量流过 所以单相桥式整流电路的变压器效率较高 在同样的功率容量条件下 体积可以小一些 单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路 故广泛应用于直流电源之中 解 变压器副边电压有效值 考虑到变压器副绕组及二极管上的压降 变压器副边电压一般应高出5 10 即取 U 1 1 111 122V 每只二极管承受的最高反向电压 例 单相桥式整流电路 已知交流电网电压为220V 负载电阻RL 50 负载电压Uo 100V 试求变压器的变比和容量 并选择二极管 解 整流电流的平均值 I 1 11Io 2 1 11 2 2A 变压器副边电流有效值 变压器容量S UI 122 2 2 207 8VA 例 单相桥式整流电路 已知交流电网电压220V 负载电阻RL 50 负载电压Uo 100V 试求变压器的变比和容量 并选择二极管 流过每只二极管电流平均值 举例 4 试分析图示桥式整流电路中的二极管D2或D4断开时负载电压的波形 如果D2或D4接反 后果如何 如果D2或D4因击穿或烧坏而短路 后果又如何 解 当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路 正半周时 D1和D3导通 负载中有电流流过 两端有电压uo u 负半周时 D1和D3截止 负载中无电流通过 两端无电压 u0 0 波形如图所示 uo 如果D2或D4接反则正半周时 二极管D1 D4或D2 D3导通 电流经D1 D4或D2 D3而造成电源短路 电流很大 因此变压器及D1 D4或D2 D3将被烧坏 如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时 情况与D2或D4接反类似 电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏 15 2滤波电路 15 2 1电容滤波电路15 2 2电感滤波电路 15 2 1电容滤波电路 1 滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交 直流阻抗的不同 实现滤波 电容器C对直流开路 对交流阻抗小 所以C应该并联在负载两端 电感器L对直流阻抗小 对交流阻抗大 因此L应与负载串联 经过滤波电路后 既可保留直流分量 又可滤掉一部分交流分量 改变了交直流成分的比例 减小了电路的脉动系数 改善了直流电压的质量 2 电容滤波电路现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明 电容滤波电路如图15 06所示 在负载电阻上并联了一个滤波电容C 图15 06电容滤波电路 当v2到达90 时 v2开始下降 先假设二极管关断 电容C就要以指数规律向负载 L放电 指数放电起始点的放电速率很大 3 滤波原理 若电路处于正半周 二极管D1 D3导通 变压器次端电压v2给电容器C充电 此时C相当于并联在v2上 所以输出波形同v2 是正弦形 图15 07电容滤波波形图 所以 在t1到t2时刻 二极管导电 充电 vC vL按正弦规律变化 t2到t3时刻二极管关断 vC vL按指数曲线下降 放电时间常数为RLC 电容滤波过程见图15 07 在刚过90 时 正弦曲线下降的速率很慢 所以刚过90 时二极管仍然导通 在超过90 后的某个点 正弦曲线下降的速率越来越快 当刚超过指数曲线起始放电速率时 二极管关断 需要指出的是 当放电时间常数RLC增加时 t1点要右移 t2点要左移 二极管关断时间加长 导通角减小 见曲线3 反之 RLC减少时 导通角增加 显然 当 L很小 即IL很大时 电容滤波的效果不好 见图15 08滤波曲线中的2 反之 当 L很大 即IL很小时 尽管C较小 RLC仍很大 电容滤波的效果也很好 见滤波曲线中的3 所以电容滤波适合输出电流较小的场合 问题 有 无 L即空载 此时VC VL 图15 08电容滤波的效果 动画15 3 动画15 4 4 电容滤波的计算 电容滤波的计算比较麻烦 因为决定输出电压的因素较多 工程上有详细的曲线可供查阅 一般常采用以下近似估算法 一种是用锯齿波近似表示 即 另一种是在RLC 3 5 T 2的条件下 近似认为VL VO 1 2V2 或者 电容滤波要获得较好的效果 工程上也通常应满足 RLC 6 10 5 外特性整流滤波电路中 输出直流电压VL随负载电流IO的变化关系曲线如图15 09所示 图15 09整流滤波电路的外特性 15 2 2电感滤波电路 利用储能元件电感器 的电流不能突变的性质 把电感 与整流电路的负载 L相串联 也可以起到滤波的作用 图15 10电感滤波电路图15 11波形图 电感滤波电路如图15 10所示 电感滤波的波形图如图15 11所示 当v2正半周时 D1 D3导电 电感中的电流将滞后v2 当负半周时 电感中的电流将经由D2 D4提供 因桥式电路的对称性 和电感中电流的连续性 四个二极管D1 D3 D2 D4的导通角都是180 动画15 5 16稳压电路 16 1稳压电路概述16 2硅稳压二极管稳压电路16 3线性串联型稳压电源16 4开关型稳压电源 其中稳压管稳压电路最简单 但是带负载能力差 一般只提供基准电压 不作为电源使用 线性稳压电源稳压效果好 但效率低 稳压范围不大 开关型稳压电源效率较高 目前用的也比较多 16 1稳压电路概述 16 1 1引起输出电压不稳定的原因 16 1 2稳压电路的技术指标 引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化 参见图16 01 16 1 1引起输出电压不稳定的原因 负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降 从而使输入电压发生变化 图16 01稳压电源方框图 即 16 1 2稳压电路的技术指标 用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低 VI和 IO引起的 VO可用下式表示 有时稳压系数也用下式定义 当输出电流从零变化到最大额定值时 输出电压的相对变化值 4 电流调整率SI 2 电压调整率SV 一般特指 Vi Vi 10 时的Sr 3 输出电阻Ro 输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数 如果考虑温度对输出电压的影响 则输出电压是输入电压 负载电流和温度的函数 5 纹波抑制比Srip 6 输出电压的温度系数ST