直流穩(wěn)壓電源教學教案

主要內(nèi)容:
小功率整流濾波電路
基本要求:
1、掌握直流穩(wěn)壓電源的構(gòu)成及作用
2、掌握幾種橋式整流、濾波電路的參數(shù)和波形分析
教學要點：
重點介紹單相橋式整流電容濾波電路的工作原理及各項指標的計算。
講義摘要：
10.1 單相整流電路
一、引言
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進一步穩(wěn)定直流電壓。
直流電源的方框圖如圖10.1.1所示。

如圖10.1.1
二、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10.1.2所示。

圖10.1.2單相橋式整流電路
（a）整流電路???????????????????????? (b)波形圖
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運用，具有單向?qū)щ娦浴８鶕?jù)圖10.1.2(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的負半周。
??? 在負載電阻上正負半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖10.1.2(b)。
2.參數(shù)計算
根據(jù)圖10.1.2（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
?
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系曲線?????????? 該曲線如圖10.1.3所示。曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。
?圖10.1.3? 負載特性曲線
三、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10.1.4(a)所示，波形圖如圖10.1.4(b)所示。

圖10.1.4? 單相半波整流電路
?(a)電路圖????????????????? (b)波形圖
根據(jù)圖10.1.4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
?
四、單相全波整流電路
單相全波整流電路如圖10.1.5(a)所示，波形圖如圖10.1.5(b)所示。

圖10.1.5?? 單相全波整流電路
??? (a)電路圖???????????????????? (b)波形圖
根據(jù)圖10.1.5（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

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。

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。
注意：整流電路中的二極管是作為開關運用的。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。
10.2 濾波電路
一、電容濾波電路
?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10.2.1? 單相橋式電容濾波整流電路

? 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10.2.1?? 橋式整流、電容濾波
時的電壓、電流波形

當v2到達90°時，v2開始下降。先假設二極管關斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負載ＲL放電。指數(shù)放電起始點的放電速率很大。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，二極管關斷。
所以，在t1到t2時刻，二極管導電，Ｃ充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時刻二極管關斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為RLC。電容濾波過程見上圖10.2.1。

圖10.2.2? RLC不同時VO的波形

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ＲL很小，即IL很大時，電容濾波的效果不好，見圖10.2.2濾波曲線中的2。反之，當ＲL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。
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wRLC≥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的變化關系曲線如圖10.2.3所示。
??????????
圖10.2.3 純電阻和電容濾波電路的輸出特性

二、電感濾波電路
利用儲能元件電感器Ｌ的電流不能突變的性質(zhì)，把電感Ｌ與整流電路的負載ＲL相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。電感濾波電路如圖10.2.3所示。電感濾波的波形圖如圖10.2.4所示。

圖10.2.3? 電感濾波電路?????????????? 圖10.2.4? 電感濾波的波形圖
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°。