模擬電子技術(shù)基礎 安徽理工大學電氣工程系 主講 黃友銳 第十八講 15整流濾波電路 15 1單相整流電路15 2濾波電路 電子電路工作時都需要直流電源提供能量 電池因使用費用高 一般只用于低功耗便攜式的儀器設備中 本章討論如何把交流電源變換為直流穩(wěn)壓電源 一般直流電源由如下部分組成 電源的方框圖如圖15 01所示 整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)為具有直流電成分的脈動直流電 濾波電路是將脈動直流中的交流成分濾除 減少交流成分 增加直流成分 穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用負反饋技術(shù)進一步穩(wěn)定直流電壓 15 1 1單相橋式整流電路15 1 2單相半波整流電路15 1 3單相全波整流電路 15 1單相整流電路 15 1 1單相橋式整流電路 1 工作原理單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路 其電路如圖15 02 a 所示 a 橋式整流電路 b 波形圖 圖15 02單相橋式整流電路 在分析整流電路工作原理時 整流電路中的二極管是作為開關(guān)運用 具有單向?qū)щ娦?根據(jù)圖15 02 a 的電路圖可知 當正半周時二極管D1 D3導通 在負載電阻上得到正弦波的正半周 當負半周時二極管D2 D4導通 在負載電阻上得到正弦波仍是正半周 單相橋式整流電路的波形圖見圖15 02 b 動畫15 1 動畫15 2 動畫15 8exe 根據(jù)圖15 02 b 可知 輸出電壓是單相脈動電壓 通常用它的平均值與直流電壓等效 輸出平均電壓為 2 參數(shù)計算 流過負載的平均電流為 流過二極管的平均電流為 二極管所承受的最大反向電壓 流過負載的脈動電壓中包含有直流分量和交流分量 可將脈動電壓做傅里葉分析 此時諧波分量中的二次諧波幅度最大 最低次諧波的幅值與平均值的比值稱為脈動系數(shù)S 3 單相橋式整流電路的負載特性曲線 單相橋式整流電路的負載特性曲線是指輸出電壓與負載電流之間的關(guān)系曲線 該曲線如圖15 03所示 曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻 圖15 03單相橋式整流電路的負載特性曲線 15 1 2單相半波整流電路 a 電路圖 b 波形圖圖15 04單相半波整流電路 單相整流電路除橋式整流電路外 還有單相半波和全波兩種形式 單相半波整流電路如圖15 04 a 所示 波形圖如圖15 04 b 所示 根據(jù)圖15 04可知 輸出電壓在一個工頻周期內(nèi) 只是正半周導電 在負載上得到的是半個正弦波 負載上輸出平均電壓為 流過負載和二極管的平均電流為 二極管所承受的最大反向電壓 單相全波整流電路如圖15 05 a 所示 波形圖如圖15 05 b 所示 15 1 3單相全波整流電路 a 電路圖圖15 05單相全波整流電路 b 波形圖 根據(jù)圖15 05 b 可知 全波整流電路的輸出 與橋式整流電路的輸出相同 輸出平均電壓為 流過負載的平均電流為 二極管所承受的最大反向電壓 單相全波整流電路的脈動系數(shù)S與單相橋式整流電路相同 注意 整流電路中的二極管是作為開關(guān)運用的 整流電路既有交流量 又有直流量 通常對 輸入 交流 用有效值或最大值 輸出 交直流 用平均值 整流管正向電流 用平均值 整流管反向電壓 用最大值 單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過 而半波和全波整流電路中均有直流分量流過 所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高 在同樣的功率容量條件下 體積可以小一些 單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路 故廣泛應用于直流電源之中 解 變壓器副邊電壓有效值 考慮到變壓器副繞組及二極管上的壓降 變壓器副邊電壓一般應高出5 10 即取 U 1 1 111 122V 每只二極管承受的最高反向電壓 例 單相橋式整流電路 已知交流電網(wǎng)電壓為220V 負載電阻RL 50 負載電壓Uo 100V 試求變壓器的變比和容量 并選擇二極管 解 整流電流的平均值 I 1 11Io 2 1 11 2 2A 變壓器副邊電流有效值 變壓器容量S UI 122 2 2 207 8VA 例 單相橋式整流電路 已知交流電網(wǎng)電壓220V 負載電阻RL 50 負載電壓Uo 100V 試求變壓器的變比和容量 并選擇二極管 流過每只二極管電流平均值 舉例 4 試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2或D4斷開時負載電壓的波形 如果D2或D4接反 后果如何 如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路 后果又如何 解 當D2或D4斷開后電路為單相半波整流電路 正半周時 D1和D3導通 負載中有電流流過 兩端有電壓uo u 負半周時 D1和D3截止 負載中無電流通過 兩端無電壓 u0 0 波形如圖所示 uo 如果D2或D4接反則正半周時 二極管D1 D4或D2 D3導通 電流經(jīng)D1 D4或D2 D3而造成電源短路 電流很大 因此變壓器及D1 D4或D2 D3將被燒壞 如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時 情況與D2或D4接反類似 電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞 15 2濾波電路 15 2 1電容濾波電路15 2 2電感濾波電路 15 2 1電容濾波電路 1 濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對交 直流阻抗的不同 實現(xiàn)濾波 電容器C對直流開路 對交流阻抗小 所以C應該并聯(lián)在負載兩端 電感器L對直流阻抗小 對交流阻抗大 因此L應與負載串聯(lián) 經(jīng)過濾波電路后 既可保留直流分量 又可濾掉一部分交流分量 改變了交直流成分的比例 減小了電路的脈動系數(shù) 改善了直流電壓的質(zhì)量 2 電容濾波電路現(xiàn)以單相橋式電容濾波整流電路為例來說明 電容濾波電路如圖15 06所示 在負載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容C 圖15 06電容濾波電路 當v2到達90 時 v2開始下降 先假設二極管關(guān)斷 電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負載 L放電 指數(shù)放電起始點的放電速率很大 3 濾波原理 若電路處于正半周 二極管D1 D3導通 變壓器次端電壓v2給電容器C充電 此時C相當于并聯(lián)在v2上 所以輸出波形同v2 是正弦形 圖15 07電容濾波波形圖 所以 在t1到t2時刻 二極管導電 充電 vC vL按正弦規(guī)律變化 t2到t3時刻二極管關(guān)斷 vC vL按指數(shù)曲線下降 放電時間常數(shù)為RLC 電容濾波過程見圖15 07 在剛過90 時 正弦曲線下降的速率很慢 所以剛過90 時二極管仍然導通 在超過90 后的某個點 正弦曲線下降的速率越來越快 當剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時 二極管關(guān)斷 需要指出的是 當放電時間常數(shù)RLC增加時 t1點要右移 t2點要左移 二極管關(guān)斷時間加長 導通角減小 見曲線3 反之 RLC減少時 導通角增加 顯然 當 L很小 即IL很大時 電容濾波的效果不好 見圖15 08濾波曲線中的2 反之 當 L很大 即IL很小時 盡管C較小 RLC仍很大 電容濾波的效果也很好 見濾波曲線中的3 所以電容濾波適合輸出電流較小的場合 問題 有 無 L即空載 此時VC VL 圖15 08電容濾波的效果 動畫15 3 動畫15 4 4 電容濾波的計算 電容濾波的計算比較麻煩 因為決定輸出電壓的因素較多 工程上有詳細的曲線可供查閱 一般常采用以下近似估算法 一種是用鋸齒波近似表示 即 另一種是在RLC 3 5 T 2的條件下 近似認為VL VO 1 2V2 或者 電容濾波要獲得較好的效果 工程上也通常應滿足 RLC 6 10 5 外特性整流濾波電路中 輸出直流電壓VL隨負載電流IO的變化關(guān)系曲線如圖15 09所示 圖15 09整流濾波電路的外特性 15 2 2電感濾波電路 利用儲能元件電感器 的電流不能突變的性質(zhì) 把電感 與整流電路的負載 L相串聯(lián) 也可以起到濾波的作用 圖15 10電感濾波電路圖15 11波形圖 電感濾波電路如圖15 10所示 電感濾波的波形圖如圖15 11所示 當v2正半周時 D1 D3導電 電感中的電流將滯后v2 當負半周時 電感中的電流將經(jīng)由D2 D4提供 因橋式電路的對稱性 和電感中電流的連續(xù)性 四個二極管D1 D3 D2 D4的導通角都是180 動畫15 5 16穩(wěn)壓電路 16 1穩(wěn)壓電路概述16 2硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路16 3線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源16 4開關(guān)型穩(wěn)壓電源 其中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路最簡單 但是帶負載能力差 一般只提供基準電壓 不作為電源使用 線性穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓效果好 但效率低 穩(wěn)壓范圍不大 開關(guān)型穩(wěn)壓電源效率較高 目前用的也比較多 16 1穩(wěn)壓電路概述 16 1 1引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因 16 1 2穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標 引起輸出電壓變化的原因是負載電流的變化和輸入電壓的變化 參見圖16 01 16 1 1引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因 負載電流的變化會在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降 從而使輸入電壓發(fā)生變化 圖16 01穩(wěn)壓電源方框圖 即 16 1 2穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標 用穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標去衡量穩(wěn)壓電路性能的高低 VI和 IO引起的 VO可用下式表示 有時穩(wěn)壓系數(shù)也用下式定義 當輸出電流從零變化到最大額定值時 輸出電壓的相對變化值 4 電流調(diào)整率SI 2 電壓調(diào)整率SV 一般特指 Vi Vi 10 時的Sr 3 輸出電阻Ro 輸入電壓交流紋波峰峰值與輸出電壓交流紋波峰峰值之比的分貝數(shù) 如果考慮溫度對輸出電壓的影響 則輸出電壓是輸入電壓 負載電流和溫度的函數(shù) 5 紋波抑制比Srip 6 輸出電壓的溫度系數(shù)ST