第十章直流电源 本章讨论的问题:1如何将50H、22的交流电压变为6V的直流电压?22 的交流电压经整流后是否输出220V的直流电压?3将市场销售的6V直流电源接到收音机 上,为什么有的声音清晰,有的含有交流声? 4对于同样标称输出电压为6V的直流电源,在未接收音机时,为什么测量输出端子的电压, 有的为6V,而有的为7-8v? 5为什么有的直流电源在电网电压变化和负教变化时输出电压不变,而有的随之变化? 6.一个5V交流电压是否可能转换为6V直流电压?一个3V电池是否可以转换成为6v的直 流电压? 7对于一般直流电源,若不慎将输出端短路,则一定会使损坏吗? 8线性电源和开关型电源有和区别?它们分别应用在什么场合? 10.1直流电源的组成及各部分的作用 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 整流电路是将工频交流电转换为脉动直流电 滤波电路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。 稳压电路采用负反馈技术,对整流后的直流电压进一步进行稳定 直流电源的方框图如图10.1所示。 负 流 工频交流 脉动直流 直流 图10.1.1整流滤波方框图 10.2整流电路 10.2.1整流电路的分析方法及其基本参数 图10.2.单相半波整流电路
本章讨论的问题：1.如何将 50Hz、220V 的交流电压变为 6V 的直流电压？2.220V 的交流电压经整流后是否输出 220V 的直流电压？3.将市场销售的 6V 直流电源接到收音机 上，为什么有的声音清晰，有的含有交流声？ 4.对于同样标称输出电压为 6V 的直流电源，在未接收音机时，为什么测量输出端子的电压， 有的为 6V，而有的为 7－8V？ 5.为什么有的直流电源在电网电压变化和负载变化时输出电压不变，而有的随之变化？ 6.一个 5V交流电压是否可能转换为 6V直流电压？一个 3V电池是否可以转换成为 6V的直 流电压？ 7.对于一般直流电源，若不慎将输出端短路，则一定会使损坏吗？ 8.线性电源和开关型电源有和区别？它们分别应用在什么场合？ 10.1 直流电源的组成及各部分的作用 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: 整流电路是将工频交流电转换为脉动直流电。 滤波电路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。 稳压电路采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。 直流电源的方框图如图 10.1 所示。 图 10.1.1 整流滤波方框图 10.2 整流电路 10.2.1 整流电路的分析方法及其基本参数 一、工作原理 图 10.2.1单相半波整流电路 2U sint 2 RL 2U2
图1022半波整流电路的波形图 优点:使用元件少。 缺点:输出波形脉动大:直流成分小;变压器利用率低。二、主要参数 1输出电压平均值Uo(A输出电压平均值就是负载 √2L O(A共 4bd(at) O (AV) LU, sinad(ar)= v2 045U U2=045U2 2 2负载电流的平均值 3脉动系数 图10.2.3单相半波整流电路输出电压平均值 二极管的选择 根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。二极管的正 向电流等于负载电流平均值 20 0.45U V)O (AV) R 二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压 对于二极管最大整流平均电流l和最高反向工作电压UR均应留10%的余地,以保证二极管 安全工作。10.2.2单相桥式整流电路 、单向桥式整流电路的组成单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的 电路,如图10.24(a)所示 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。 二、工作原理 根据图1024(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的负半周 在负载电阻上正、负半周经过合成,得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电 路的波形图见图1024(b)
优点：使用元件少。 缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。二、主要参数 1.输出电压平均值 UO(AV)输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值 2.负载电流的平均值 3.脉动系数 三、二极管的选择 根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。二极管的正 向电流等于负载电流平均值 二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压 对于二极管最大整流平均电流 IF 和最高反向工作电压 UR 均应留 10%的余地，以保证二极管 安全工作。10.2.2 单相桥式整流电路 一、单向桥式整流电路的组成单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的 电路，如图 10.2.4（a）所示。 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。 二、工作原理 根据图 10.2.4（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的负半周。 在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电 路的波形图见图 10.2.4（b）。 2U2 2U2 图 10.2.2半波整流电路的波形图 d( ) 2 1 2 0 O(AV) o U u t = O(AV) 0 2 2 45 2 0. 2 2 sin td( ) 1 U = U t = U = U L 2 L O AV O AV R 0.45U R U I （ ） （ ） ＝ O(AV) O1m U U S = L 2 D AV O AV R 0.45U I （ ） ＝I （ ） URmax = 2U2
三、输出电压平均值UO(AV)和输出电流的平均值IO(AV) 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, sin a tdo t 2=0.92 4兀 D D3 D2 Vo LRL o J2V2 (a)桥式整流电路 (b)波形图 图1024单相桥式整流电路(动画15-1)(动画15-2) 流过负载的平均电流为 2√2V209V2 IR RL 流过二极管的平均电流为 2兀RLRL 二极管所承受的最大反向电压 V2 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 脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值
三、输出电压平均值 UO(AV) 和输出电流的平均值 IO(AV) 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 2 0 O L 2 0.9 π 2 2 2 sin d π 1 V =V = V ω t ω t = V = V （a）桥式整流电路 （b）波形图 图 10.2.4 单相桥式整流电路 （动画 15-1）（动画 15-2） 流过负载的平均电流为 L 2 L 2 L 0.9 π 2 2 R V R V I = = 流过二极管的平均电流为 L 2 L L 2 D 0.45 π 2 2 R V R I V I = = = 二极管所承受的最大反向电压 VRmax = 2V2 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。 脉动系数 S 定义为二次谐波的幅值与平均值的比值
24 4 vo=√22(=-cos2ot cos 4ot 4√22/22V22 =二=0.67 四、二极管的选择 1每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流, 所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。 URmux =202 R 2二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压 3对于二极管最大整流平均电流l和最高反向工作电压Uk均应留10%的余地,以保证二 极管安全工作。 问题:如何实现正、负电源?将桥式整流电路变压器副边中点接地,并将二个负载电阻相 连接,且连接点接地。 lo1为正;o2为负 D D -32Hx 「体体a (+)-B 问题:三相整流电路如锢现?利用桥式整流电路实现正、负电源 变压器副边的三个端均应接二只二极管,一只接阳极,另一只接阴极。D1D2D3轮流导通, 阳极电位高的D先导通;D4D3D6轮流导通,阴极电位低的D先导通 D,不D R D 图10.2.8三相流电路
cos4 ) 15π 4 cos2 3π 4 π 2 2 ( vO = V2 − t − t + 0.67 3 2 π 2 2 3π 4 2 2 2 = = = V V S 四、二极管的选择 1.每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流， 所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。 2.二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压 3.对于二极管最大整流平均电流 IF和最高反向工作电压 UR均应留 10%的余地，以保证二 极管安全工作。 问题：如何实现正、负电源？将桥式整流电路变压器副边中点接地，并将二个负载电阻相 连接，且连接点接地。 uO1 为正； uO2 为负 问题：三相整流电路如何实现？ 变压器副边的三个端均应接二只二极管，一只接阳极，另一只 接阴极。D1 D2 D3 轮流导通， 阳极电位高的 D 先导通； D4D5D6 轮流导通，阴极电位低的 D 先导通。 L O AV 2 D AV R 0.45U 2 I I （ ） （ ） ＝URmax = 2U2 图10.2.7 利用桥式整流电路实现正、负电源 图10.2.8 三相整流电路
附1单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外还有有单相半波和单相全波两种形式。单相半波整流 电路如图(a)所示,波形图如图(b)所示。 根据图可知,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 VO=VL V2sinotd(or)=V2=0. 45v2 流过负载和二极管的平均电流为 H20.4 R R V2 (a)电路图 (b)波形图 图单相半波整流电路 二极管所承受的最大反向电压 附2.单相全波整流电路 单相全波整流电路如图(a)所示,波形图如图(b)所示
附 1 单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外还有有单相半波和单相全波两种形式。单相半波整流 电路如图 (a)所示，波形图如图 (b)所示。 根据图可知，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 2 2 0 O L 2 0.45 π 2 2 sinω d(ω ) π 1 V =V = V t t = V = V 流过负载和二极管的平均电流为 L 2 L 2 D L 0.45 π 2 R V R V I = I = = (a)电路图 (b)波形图 图单相半波整流电路 二极管所承受的最大反向电压 VRmax = 2V2 附 2.单相全波整流电路 单相全波整流电路如图 (a)所示，波形图如图 (b)所示
r oot Nt RL V2 2v2 (a)电路图 (b)波形图 图单相全波整流电路 根据图(b)可知,全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出相同。输出平均电 压为 V=1=-|√22 sin ot dot V,=0.9V 流过负载的平均电流为 √2V,0.9 πR1R1 二极管所承受的最大反向电压 RITE √22 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。 4√2V2/2√222 ==0.67 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 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)一一用有效值或最大值: 输出(交直流)一一用平均值; 整流管正向电流一一用平均值 整流管反向电压一一用最大值
(a)电路图 (b)波形图 图 单相全波整流电路 根据图（b）可知，全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出相同。输出平均电 压为 2 2 0 O L 2 0.9 π 2 2 2 sin d π 1 V =V = V ωt ωt = V = V 流过负载的平均电流为 L 2 L 2 D L 0.9 π 2 2 R V R V I = I = = 二极管所承受的最大反向电压 VRmax = 2 2V2 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。 0.67 3 2 π 2 2 3π 4 2 2 2 = = = V V S 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。 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
10.3滤波电路 滤波:将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。滤波电路的结构特点:电容与负载RL并联 或电感与负载RL串联 10.3.1电容滤波电路 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 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图10.3.1所示,在负载电 阻上并联了一个滤波电容C 图103.1电容滤波电路 3.滤波原理 若吃处于正半周,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v上,所以输出波形同v,是正弦波 当以到达=π时,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RL 放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过or=π2时,正弦曲线下降的速率很慢。所 以刚过o=π/2时二极管仍然导通。在超过o=/2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。所以在t到t时刻,二极管导电 C充电,V=V按正弦规律变化:n1到h2时刻二极管关断,V=V按指数曲线下降,放电时间 常数为R1C。电容滤波过程见图1032
10.3 滤波电路 滤波：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。滤波电路的结构特点: 电容与负载 RL 并联 或电感与负载 RL串联。 10.3.1 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 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图 10.3.1 所示，在负载电 阻上并联了一个滤波电容 C。 图 10.3.1 电容滤波电路 3.滤波原理 若 v2 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 ，是正弦波。 当 v2 到达t=/2 时，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ＲL 放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过t=/2 时，正弦曲线下降的速率很慢。所 以刚过t=/2 时二极管仍然导通。在超过t=/2 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。所以在 t2 到 t3 时刻，二极管导电， Ｃ充电，Vi=Vo 按正弦规律变化；t1 到 t2 时刻二极管关断，Vi=Vo 按指数曲线下降，放电时间 常数为 RLC。电容滤波过程见图 10.3.2
MA t t tt3 图10.32电容滤波电路波形 需要指出的是,当放电时间常数RC增加时,n点要右移,1点要左移,二极管关断时 间加长,导通角减小:反之,RC减少时,导通角增加。显然。当R1很小,即h很大时, 电容滤波的效果不好,见图18.05滤波曲线中的2。反之,当R1很大,即l很小时,尽管C 较小,RC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C无RL即空载,此时Vc=o=? 导通角 图1034电容滤波的效果(动画15-3)(动画15-4) 4.电容滤波电路参数的计算 电容滤波电路的计算比较麻烦,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: 种是用锯齿波近似表示,即=V2-7 4R.C 另一种是在R1C=(3~5)-的条件下,近似认为Vo=12V2
图 10.3.2 电容滤波电路波形 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；反之，RLC 减少时，导通角增加。显然。当ＲL 很小，即 IL 很大时， 电容滤波的效果不好，见图 18.05 滤波曲线中的 2。反之，当ＲL 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Ｃ无ＲL 即空载，此时 VC=VO=？ 图 10.3.4 电容滤波的效果（动画 15-3） （动画 15-4） 4.电容滤波电路参数的计算 电容滤波电路的计算比较麻烦，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 ) 4 2 (1 L O 2 R C T V = V − 另一种是在 RLC=（35） 2 T 的条件下，近似认为 VO=1.2V2
5.外特性 整流滤波电路中,输出直流电压Vo随负载电流lo的变化关系曲线如图10.3.5所示 √2V 0.9V 图1035电容滤波外特性曲线 名称vo(空载) lo(带载) 极管反向最大每管平均电流 电压 半波整流 0.45V2 全波整流、电 1.2V2 √2V 2√2V 容滤波 桥式整流、电 1.2V 0.5l0 √2V2 √2J 容滤波 桥式整流、电 0.9V2 0.5l 2 滤波 R1C≥(3~5) *使用条件: 10.3.3其它形式的滤波电路 、电感滤波电路 利用储能元件电感器L的电流不能突变的性质,把电感L与整流电路的负载R相串联 也可以起到滤波的作用。 桥式整流电感滤波电路如图1038所示。电感滤波的波形图如图15.11所示。当n2正半 周时,D1、D3导电,电感中的电流将滞后v2。当负半周时,电感中的电流将更换经由D 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的导电 角都是180°。 D3 D2 vo 图1038电感滤波电路
5.外特性 整流滤波电路中，输出直流电压 VO 随负载电流 IO 的变化关系曲线如图 10.3.5 所示。 图 10.3.5 电容滤波外特性曲线 名 称 VO(空载) VO(带载) 二极管反向最大 电压 每管平均电流 半波整流 2V2 45 2 0. V 2V2 IO 全波整流、电 容滤波 2V2 1.2V2 * 2 2V2 0.5IO 桥式整流、电 容滤波 2V2 1.2V2 * 2V2 0.5IO 桥式整流、电 感滤波 2V2 0.9V2 2V2 0.5IO *使用条件： 2 (3 ~ 5) d L T = R C 10.3.3 其它形式的滤波电路 一、电感滤波电路 利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL 相串联， 也可以起到滤波的作用。 桥式整流电感滤波电路如图 10.3.8 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，电感中的电流将更换经由 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 的导电 角都是 180°。 图 10.3.8 电感滤波电路
t 导通角 t 图10.3.8电感滤波电路波形图(动画15-5) L愈大,滤波效果愈好:适用于负载电流较大的场合 二、LC滤波电路 ) CR 图10.39LC滤波电路波形图 输出直流电压为 脉动系数S OAM AUOAV=0.9U2 S≈ 2LC 适用于各种场合。三、LC-P型滤波电路 四、RC-P型滤波电路 五、各种滤波电路的比较 10.4稳压二极管稳压电路
图 10.3.9LC 滤波电路波形图 图 10.3.8 电感滤波电路波形图 （动画 15-5） L 愈大，滤波效果愈好；适用于负载电流较大的场合。 二、LC 滤波电路 输出直流电压为： 脉动系数 S ： 适用于各种场合。三、LC - P 型滤波电路 四、RC - P 型滤波电路 五、各种滤波电路的比较 10.4 稳压二极管稳压电路 O(AV) O(AV) 9 2 U U = 0. U S LC S 2 1