单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,12,章 直流稳压电源,12.1,直流稳压电源的组成,12.2,整流电路,12.3,滤波电路,12.4,稳压管稳压电路,12.5,串联型直流稳压电路,实验十五 整流、滤波及串联型稳压电源,本章小结,第,12,章 直流稳压电源,任何电子设备都需要用直流电源供电，获得直流电源的方法较多，如干电池、蓄电池、直流电机等。但比较经济实用的办法是将交流电网提供的,50 Hz,、,220 V,的正弦交流电经整流、滤波和稳压后变换成直流电。对于直流电源的主要要求是：输出电压的幅值稳定，即当电网电压或负载电流波动时能基本保持不变；直流输出电压平滑，脉动成分小；交流电变换成直流电时的转换效率高。,本章主要介绍单相整流电路、各种滤波电路、硅稳压管稳压电路以及串联型直流稳压电路的工作原理、主要指标等；对于近年来迅速发展起来的集成化稳压电源以及开关型稳压电源也将作简单介绍。,12.1,直流稳压电源的组成,一般的小功率直流稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四个部分组成。其框图及各部分的输出波形如图,12.1,所示。下面简要介绍各部分的功能。,1.,电源变压器,交流电网提供,50 Hz,、,220 V,（单相）或,380 V,（三相）的正弦电压，但各种电子设备所需直流电压的幅值却各不相同。因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器进行降压，将,220V,或,380 V,的交流电变成大小合适的交流电以后在进行交、直流转换。当然，有的电源不是利用变压器而是利用其它方法降压的。,2.,整流电路,整流电路的主要任务是利用二极管的单向导电性，将变压器副边输出的正负交替的正弦交流电压整流成单方向的脉动电压。但是，这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远，故不能直接供给电子设备使用。,3.,滤波电路,滤波电路一般由电容、电感等储能元件组成。它的作用是将整流电路输出的单向脉动电压中的交流成分滤除掉，变成比较平滑的直流电压输出。但是，当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出直流电压的幅值也将随之变化，在要求比较高的电子设备中，这种直流电压是不符合要求的。,4.,稳压电路,稳压电路往往是利用自动调整的原理，使得输出直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。,下面分别介绍各部分的具体电路和它们的工作原理。,12.2,整流电路,整流电路是利用二极管的单向导电性，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压。在小功率的直流电源中，整流电路的主要形式有单相半波整流电路、单相全波整流电路和单相桥式整流电路。其中，单相桥式整流电路用得最为普遍。,12.2.1,单相半波整流电路,图,12.2,（,a,）所示为单相半波整流电路，它是最简单的整流电路，由变压器、二极管和负载电阻组成。,u,1,是变压器初级线圈的输入电压，通常有效值为,220 V,，频率为,50 Hz,，,u,2,是变压器次级的输出电压（也称副边电压）。一般设,u,2,的波形如图,12.2,（,b,）所示,。,设二极管为理想二极管，在电压,u,2,的正半周，二极管,D,正偏导通，电流,i,D,经二极管流向负载,R,L,，在,R,L,上就得到一个上正下负的电压；在,u,2,的负半周，二极管,D,反偏截止，流过负载的电流为,0,，因而,R,L,上电压为,0,。这样以来，在,u,2,信号的一个周期内，,R,L,上只有半个周期有电流通过，结果在,R,L,两端得到的输出电压,u,O,就是单方向的，且近似为半个周期的正弦波，所以叫“半波整流电路”。半波整流电路中各段电压、电流的波形如图,12.2,（,b,）所示。,12.2.2,单相全波整流电路,为提高电源的利用率，可将两个单相半波整流电路合起来组成一个单相全波整流电路。它的指导思想是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在,u,2,的正半周和负半周轮流导通，而且两种情况下流过,R,L,的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。,单相全波整流电路的原理图如图,12.3,（,a,）所示。图中变压器的两个副边电压大小相等，同名端如图所示。在,u,2,的正半周，整流管,D1,导通，电流,i,D1,经过,D1,流向负载,R,L,，在,R,L,上产生上正下负的单向脉动电压，此时,D2,因承受反向电压而截止；在,u,2,的负半周，整流管,D2,导通，电流,i,D2,经过,D2,流向负载,R,L,，在,R,L,上也产生上正下负的单向脉动电压，此时,D1,因承受反向电压而截止。这样，在,u,2,的整个周期内，,R,L,上均能得到单方向的直流脉动电压，故称之为全波整流电路，其波形如图,12.3,（,b,）所示。,由图,12.3,（,b,）所示波形可见，全波整流电路输出电压,u,O,的波形所包围的面积是半波整流电路的两倍，所以其平均值也是半波整流的两倍。另外，全波整流输出波形的脉动成分比半波整流时有所下降。但是，由图,8.3,（,a,）全波整流电路可知，在,u,2,的负半周时，,D2,导通，,D1,截止，此时变压器副边两个绕组的电压全部加到二极管,D1,的两端，因此二极管承受的反向电压较高，其最大值等于 。此外，全波整流电路必须采用具有中心抽头的变压器，而且每个线圈只有一半时间通过电流，所以变压器的利用率不高。,12.2.3,单相桥式整流电路,针对单相全波整流电路的缺点，希望仍用只有一个副边线圈的变压器，而能达到全波整流的目的。为此，提出了如图,12.4,（,a,）所示的单相桥式整流电路。电路中采用了,D1,D4,四只二极管，并且接成电桥形式，因此得名。,在变压器副边电压,u,2,的正半周，,D1,、,D2,导通，,D3,、,D4,截止，电流流经,D1,、,R,L,、,D,2,，在负载,R,L,上产生上正下负的单向脉动电压。在,u,2,的负半周，,D3,、,D4,导通，,D1,、,D2,截止，电流流经,D3,、,R,L,、,D,4,，在负载,R,L,上也产生上正下负的单向脉动电压。这样，在,u,2,的整个周期内，负载,R,L,上均能得到直流脉动电压，这与全波整流电路一样。它与全波整流电路不同之处是，每个半周均有两只二极管导通，且由于变压器副边只有一个绕组，因而每个二极管截止时所承受的反向电压,u,2,仅是全波整流电路的一半。所有波形如图,12.4,（,d,）所示。桥式整流电路还可以有其它画法，如图,12.4,（,b,）、（,c,）所示。,由图可见，桥式整流电路无需采用具有中心抽头的变压器，仍能达到全波整流的目的。而且，整流二极管承受的反向电压也不高。但是电路中需用四只二极管。,12.2.4,整流电路的主要参数,描述整流电路技术性能的主要参数有以下几项：整流电路输出直流电压（即输出电压）及输出电流的平均值,U,O,（,AV,）和,I,O,（,AV,），整流电路输出电压的脉动系数,S,，整流二极管正向平均电流,I,D,（,AV,）以及整流二极管承受的最大反向峰值电压,U,RM,。,现以应用比较广泛的单相桥式整流电路为例，具体分析上述各项主要参数。,1.,输出电压及输出电流的平均值,输出直流电压,U,O,（,AV,）是整流电路的输出电压瞬时值,u,O,在一个周期内的平均值，即,由图,12.4,（,d,）可见，在桥式整流电路中,(12-1),上式说明，在桥式整流电路中，负载上得到的直流电压约为变压器副边电压,u,2,有效值的,90%,。这个结果是在理想情况下得到的，如果考虑到整流电路内部二极管正向内阻和变压器等效内阻上的压降，输出直流电压的实际数值还要低一些。,输出平均电流,I,O,（,AV,）为,2.,脉动系数,S,整流电路输出电压的脉动系数,S,定义为输出电压基波的最大值,U,O1m,与其平均值,U,O,（,AV,）之比，即,为了估算,U,O1m,，可将图,12.4,（,d,）中桥式整流电路的输出波形用傅立叶级数表示如下：,(12-2),式中第一项为输出电压的平均值，第二项即是其基波成分。由式可见，基波频率为,2,w,，基波的最大值为,因此脉动系数为,即桥式整流电路输出脉动系数为,67%,。通过比较可知，桥式整流电路的脉动成分虽然比半波整流电路有所下降，但数值仍然比较大。,(12-3),3.,二极管正向平均电流,I,D,（,AV,）,温升是决定半导体器件使用极限的一个重要指标，整流二极管的温升本来应该与通过二极管的电流有效值有关，但是由于平均电流是整流电路的主要工作参数，因此在出厂时已将二极管允许的温升折算成半波整流电流的平均值，在器件手册中给出。,在桥式整流电路中，二极管,D1,、,D2,和,D3,、,D4,轮流导通，由图,12.4,（,d,）所示波形图可以看出，每个整流二极管的平均电流等于输出电流平均值的一半，即,当负载电流平均值已知时，可以根据,I,O,（,AV,）来选定整流二极管的,I,D,（,AV,）。在实际选用二极管时，要使得二极管的最大整流电流,I,F,I,D,（,AV,）。,4.,二极管最大反向峰值电压,U,RM,每个整流管的最大反向峰值电压,U,RM,是指整流管不导电时，在它两端出现的最大反向电压。选管时应注意，二极管的最大反向工作电压,U,R,U,RM,，以免被击穿。由图,8.4,（,d,）波形容易看出，整流二极管承受的最大反向电压就是变压器副边电压的最大值，即,(12-4),(12-5),例,12.1,已知交流电压,u,1=220 V,，负载电阻,R,L=50,，采用桥式整流电路，要求输出电压,U,O=24 V,。试问如何选用二极管？,解：,先求通过负载的直流电流,则二极管的平均电流,变压器次级电压有效值,选管时应满足,因此可选用型号为,2CZ54C,的二极管，其最大整流电流为,500,mA,，反向工作峰值电压为,100 V,。,例,12.2,某电子设备要求电压值为,15 V,的直流电源，已知负载电阻,R,L=50,，试问,（,1,）若选用单相桥式整流电路，则电源变压器副边电压有效值,U,2,应为多少？整流二极管正向平均电流,I,D,（,AV,）和最大反向电压,U,RM,各为多少？输出电压的脉动系数,S,等于多少？,（,2,）若改用单相半波整流电路，则,U,2,、,I,D,（,AV,）、,U,RM,和,S,各为多少？,解：,（,1,）由式（,12-1,）可知,根据所给条件，可得输出直流电流为,由式（,12-4,）和式（,12-5,）可得,I,D,（,AV,）,=,I,O,（,AV,）,/2=0.3/2=0.15 A=150,mA,U,RM=,U,2 16.723.6 V,此时脉动系数为,S,=0.67=67%,（,2,）若改用半波整流电路，则,I,D,（,AV,）,=,I,O,（,AV,）,=300,mA,U,RM=,U,2 33.347.1 V,S,=1.57=157%,12.3,滤波电路,为了降低整流电路输出电压的脉动成分，需要采取由电容或电感等储能元件组成的滤波电路进行滤波，以得到波形平滑的直流电压。,12.3.1,电容滤波电路,1.,电路组成及工作原理,图,12.5,（,a,）所示为单相桥式整流的电容滤波电路。其中与负载并联的电容,C,称为滤波电容。图,12.5,（,b,）所示为滤波电路的工作波形图。如前所述，在整流电路不接电容,C,时，负载,R,L,上的脉动电压波形如图,12.5,（,b,）中虚线所示。,当电路接入滤波电容,C,之后，在,u,2,正半周里，,D1,和,D2,导通，电源除向负载,R,L,提供电流,i,O,之外，还有一个电流,i C,向电容充电。若忽略变压器绕组的内阻和二极管导通电阻，则电容上电压,uC,将随着,u,2,的上升很快充电到,u,2,的峰值,U,2,。此后，,u,2,按正弦规律从峰值开始下降。当,u,2,u C,后，四只二极管由于反偏而全部截止。电容,C,则通过,R,L,进行放电，同时电容上的电压,uC,（即负载,R,L,两端电压,u,O,）按指数规律慢慢下降，