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1、 第十章 直流电源 500 理理 工工 大大 学学 教教 案 案 第 二十九 次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：10.1 稳压电源的分类及组成 10.1.1 稳压电源的分类及其特点 10.1.2 直流稳压电源的组成 10.2 单相整流电路 10.2.1 单相半波整流电路 10.2.2 单相桥式整流电路 10.3 滤波电路 10.3.1 电容滤波电路 10.3.2 电感滤波电路 10.3.3 其它形式的滤波电路 重点：1.单相桥式整流电路原理及输出电压等参数的计算 2.整流二极管的选择,滤波电容的选择 难点：桥式整流电路的工作原理 教
2、学目的要求：1.了解直流电源的基本组成 2.掌握半波、单相桥式整流电路的工作原理，输出电压等参数的计算 3.电容滤波电路原理及输出电压等参数的计算及滤波电容的选择。教学方法和教学手段：板书和多媒体教学相结合，以教师讲授为主，结合学生的课堂练习和讨论。讨论、思考题、1.如何选择整流二极管?2.当输出的直流电压相同时请讨论二极管承受的最高反向电压是否一样?作业：10.2;10.5 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社 第十章 直流电源 501第十章第十章 直流电源直流电源 电子电路工作时一般都需要直流电源供电，电池因使用费用
3、高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。本章讨论如何把频率为 50Hz、有效值为 220V 交流电压变换为幅值稳定的直流电压。本章首先介绍稳压电源的分类及组成，论述小功率直流电源的基本组成，介绍常用的整流电路，随后介绍各种滤波电路，对于稳压电路，主要论述了稳压管稳压电路和串联型直流稳压电路，同时对于应用日益广泛的集成稳压器和开关型稳压电路也作了较详细的阐述。10.1 稳压电源的分类及组成稳压电源的分类及组成 10.1.1 稳压电源的分类及其特点稳压电源的分类及其特点 随着电子技术发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对稳压电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本
4、化，使稳压电源朝轻、薄、小和高效率的方向发展。在电路设计上，稳压电源也从传统的晶体管串联稳压电源向高效率、体积小、重量轻的开关型稳压电源迅速发展。在工程应用中，通常根据稳压电源中稳压器的稳定对象，把稳压电源分为直流稳压电源和交流稳压电源两种。1.交流稳压电源的种类及特点 交流稳压电源能够提供一个稳定的电压和频率的交流电，常用的交流稳压电源主要有参数调整型稳压电源、自耦调整型稳压电源、大功率补偿型、开关型稳压电源等。(1)参数调整型 这类稳压电源的优点是结构简单、无众多的元器件、可靠性相当高、稳压范围宽、抗干扰和抗过载能力强，缺点是能耗大、噪声大、笨重且造价高。(2)自耦(变比)调整型 自耦(变
5、比)调整型包括机械调压型和改变抽头型稳压电源。机械调压型的特点是结构简单、造价低、输出波形失真小；但由于炭刷滑动 第十章 直流电源 502接点易产生电火花，造成电刷损坏以至烧毁而失效；且电压调整速度慢。改变抽头型的优点是电路简单、稳压范围宽、效率高、价格低。而缺点是稳压精度低、工作寿命短，它适用于家庭给空调器供电。(3)大功率补偿型 它的优点是抗干扰性能好、稳压精度高、响应速度快、电路简单、工作可靠。缺点是带计算机、程控交换机等非线性负载时有低频振荡现象、输入侧电流失真度大、源功率因数较低、输出电压对输入电压有相移。(4)开关型交流稳压电源 它的优点是稳压性能好、控制功能强、易于实现智能化。但
6、其电路复杂、价格较高。2.直流稳压电源的种类及特点 直流稳压电源输出直流电压，可分为化学电源，线性稳压电源和开关型稳压电源等。(1)化学电源 我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，这类电源小巧，灵活，但供电能力有限，污染环境。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，发现了锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。(2)线性稳压电源 这类稳压电源从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。该类电源优点是稳定性高、纹波小、可靠性高、易做成多路输出并连续可调的成品。缺点是体积大、较笨
7、重、效率相对较低。(3)开关型直流稳压电源 开关型直流稳压电源的优点是体积小、重量轻、效率高、稳定可靠。缺点相对于线性直流稳压电源的纹波较大。开关型直流稳压电源主要有交流/直流变换(ACDC)电源、直流/直流变换(DCDC)电源、通信电源、电台电源、模块电源、特种电源等。本章主要讨论小功率直流稳压电源的基本组成及各部分电路的组成、工作原 第十章 直流电源 503理和应用电路等。10.1.2 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 常用电子仪器或设备(如示波器、电视机等)所需要的直流电源，均属于小功率直流电源(功率在 1000W 以下)。它的任务是将 220V、50Hz 的交流电压转换为幅值稳定的
8、直流电压(例如几伏或几十伏)，同时能提供一定的直流电流(比如几安甚至几十安)。小功率直流稳压电源的组成如图 10.1.1 所示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路 4 部分组成。图中各环节的功能如下。图 10.1.1 直流稳压电源组成框图 1.电源变压器 电源变压器是把 220V(或 380V)的电网电压(即市电)变换成符合整流、滤波、稳压需要的交流电压。2.整流电路 将变压器二次正负交替的正弦交流电压变换为单一方向的脉动电压，单方向的脉动电压还包含着较大的脉动成分，离理想的直流电还差得很远。整流元件常采用具有单向导电性的二极管或晶闸管。3.滤波电路 滤波电路的作用是将单一方向脉动电
9、压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，滤波电路主要由电容、电感等储能元件组成。4.稳压电路 由于滤波电路输出电压的幅值随着电网的波动、负载电流的变化而变化，因此还需接稳压电路。稳压电路的作用是使输出的直流电压在电网波动和负载电流 第十章 直流电源 504变化时保持稳定。【练习与思考】【练习与思考】10.1.1 常用的交流稳压电源有哪几种？说明他们的特点？10.1.2 常用的直流稳压电源有哪几类？说明他们的特点？10.1.1 直流稳压电源由哪几部分组成?各部分的功能是什么?10.2 单相整流电路单相整流电路 整流电路可以利用二极管的单向导电特性把交流电压变换为单方向的脉动电压，整
10、流电路可以分为三相整流电路和单相整流电路，在小功率整流电路中，一般采用单相整流。单相整流电路有单相半波、单相全波、单相桥式等整流电路。本节主要介绍单相半波、单相桥式整流电路 10.2.1 单相半波整流电路单相半波整流电路 为简单起见，分析整流电路时，二极管均认为是理想二极管，即正向导通电压为零，正向电阻为零，反向电阻为无穷大，忽略变压器的内阻。单相半波整流电路如图 10.2.1 所示，图中 T 为电源变压器，VD 为整流二极管，RL是负载电阻，电网电压为 u1，变压器二次电压为 u2，tUusin222，其波形如图10.2.2所示。1工作原理 在变压器二次电压u2的正半周，其极性为上正下负，即
11、a点的电位高于b点的电位，二极管VD因承受正向电压而导通，二极管VD的电压uD=0V，负载电阻RL上的电压uO=u2，流过负载电阻RL上电流iO与流过二极管VD的电流iD相等。在u2的负半周，其极性为上负下正，即a点的电位低于b点的电位，二极管VD因承受反向电压而截止，负载电阻RL上的电压uO=0，二极管VD承受的反向电压为uD=u2，iO与iD均为零，iO、iD、uO、uD的波形图如图10.2.2所示，由图可知，负载电阻RL上的电压和电流都有单一方向脉动的特性，因为这种电路只在交流电压的半个周期内才有电流流过负载，所以称为单相半波整流电路。第十章 直流电源 505 图 10.2.1 单相半波
12、整流电路 图 10.2.2 单相半波整流电路波形图 2主要参数计算(1)输出电压的平均值(也称输出直流电压)UO 在负载上得到的电压虽然是单方向脉动电压，但其大小是变化的，常用一个周期的平均值来说明它的大小。根据图10.2.2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，输出电压的平均值UO为 2202O45.02)(dsin221UUttUU (10.2.1)(2)输出电流平均值(也称输出直流电流)IO 输出电流平均值IO为 L2LO45.0RURUIO (10.2.2)(3)脉动系数S 用傅立叶级数将输出电压uO展开为.4cos15222cos322sin22
13、22222OtUtUtUUu (10.2.3)由式10.2.3 可见，第一项是uO的直流分量，第二项为uO的基波分量，第三 第十章 直流电源 506项为uO的二次谐波分量，因此，整流输出电压uO中除了直流分量外还包含若干谐波分量，这些谐波分量总称为纹波，纹波的大小常用脉动系数S来表示，它定义为输出电压基波的最大值UO1M与其平均值UO的比值，即 OO1MUUS (10.2.4)S越大，说明脉动越大。由式10.2.3 可见，基波的最大值222O1MUU 所以 57.145.02222OO1MUUUUS (10.2.5)说明半波整流电路的脉动很大，其基波的峰值约为平均值的1.57倍。3.二极管的选
14、择 一般应根据流过二极管正向平均电流和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。(1)二极管正向平均电流ID 二极管正向平均电流ID为 L2OD45.0RUII (10.2.6)(2)二极管最大反向峰值电压URM 二极管承受的最大反向峰值电压等于变压器二次电压的最大值，即 2RM2UU (10.2.7)由于允许电网电压有10%的波动，为了安全起见，选择二极管时，变压器二次电压大约要高出10%，选择二极管的最大整流电流IF L2DF45.01.11.1RUII (10.2.8)选择二极管的最高反向工作电压UR 第十章 直流电源 507221.1UUR (10.2.9)例10.2.1单相半波整流电
15、路如图10.2.1所示，已知负载电阻RL=750，变压器二次电压的有效值18V，试求(1)输出电压的平均值UO、二极管正向平均电流ID、二极管最大反向峰值电压URM；(2)选择二极管。解：(1)根据式10.2.1，输出电压的平均值UO 1845.045.02OUUV=8.1V 根据式10.2.2，输出电流平均值IO mAmARUIO8.107501.8LO 根据式10.2.6，二极管正向平均电流ID mAII8.10OD(2)选择二极管 根据式10.2.7，二极管最大反向峰值电压URM VVUU5.2518222RM 根据式10.2.8，二极管的最大整流电流IF mAmAII88.118.10
16、1.11.1DF 根据式10.2.9，二极管的最高反向工作电压UR VVUUR05.285.251.121.12 二极管选用2AP4(2AP4的最大整流电流16mA，二极管的最高反向工作电压50V)。单相半波整流电路简单，二极管数量少，但它只利用了交流电压的半个周期，同时整流电压的脉动较大，效率低，因此这种电路只适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。为了克服单相半波整流电路的缺点，在实用电路中常采用单相桥式整流电路。第十章 直流电源 50810.2.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 单相桥式整流电路如图10.2.3(a)所示，图中T 为电源变压器。RL是负载电阻，设交流电网电压为u1，
17、变压器二次电压为u2，tUusin222，四个整流二极管VD1VD4接成电桥的形式，故称之为桥式整流电路。图9.2.3(b)是单相桥式整流电路的另一种常用画法，图9.2.3(c)是它的简化画法。(a)单相桥式整流电路 (b)单相桥式整流电路其他画法 (c)单相桥式整流电路简化画法 图 10.2.3 单相桥式整流电路 1工作原理 在变压器二次电压u2的正半周，其极性为上正下负，即a点的电位高于b点的电位，二极管VDl和VD3因承受正向电压而导通，VD2和VD4因承受反向电压而截止，电流由a点流出，经VD1、RL、VD3流入b点，如图10.2.4(a)所示，负载电阻RL上的电压uO等于变压器二次电
18、压u2。VD2和VD4阴极的电位等于a点的电位，阳极的电位等于b点的电位，因此VD2和VD4承受的电压为u2。在u2的负半周，其极性为上负下正，即a点的电位低于b点的电位，二极管VD2和VD4因承受正向电压而导通，二极管VDl和VD3因承受反向电压而截止，电 第十章 直流电源 509流由b点流出，经VD2、RL、VD4流入a点，如图10.2.4(b)所示，负载电阻RL上的电压uO等于u2，VDl和VD3承受的电压为u2。流过负载电阻RL上电流iO、流过二极管VD1的电流iD1、VD2的电流iD2、输出电压uO、二极管VD1两端的电压uD1的波形图如图10.2.5所示，由图可知，负载电阻RL上得
19、到单一方向脉动的电压。(a)u2正半周电流流向 (b)u2负半周电流流向 图 10.2.4 电流流向 图 10.2.5 波形图 2主要参数计算(1)输出电压的平均值(输出直流电压)UO 根据图10.2.5可知，在同样的变压器二次电压u2下，由于桥式整流电路输出电压uO的波形所包围的面积是半波整流电路的两倍，因此桥式整流电路输出电压的平均值UO比半波整流时增加了一倍，即 第十章 直流电源 510 22O9.045.02UUU (10.2.10)(2)输出电流平均值(输出直流电流)IO 输出电流平均值为 L2LO9.0RURUIO (10.2.11)(3)脉动系数S 用傅立叶级数将输出电压uO展开
20、为.)4cos1542cos342(22OttUu (10.2.12)由于桥式整流电路输出电压uo基波的角频率是u2的2倍，由式10.2.12可见，基波的最大值为 3242O1MUU (10.2.13)因此，脉动系数为 67.0OO1MUUS (10.2.14)说明基波的峰值约为平均值的0.67倍，所以桥式整流电路的脉动比单相半波整流电路小很多。3.二极管的选择(1)二极管正向平均电流ID 因为二极管VD1、VD2和VD3、VD4轮流导电，即每只二极管只在u2的半个周期通过电流，因此每只二极管正向平均电流ID只有负载电流的一半。L2OD45.02RUII (10.2.15)(2)二极管最大反向
21、峰值电压URM 二极管最大反向峰值电压等于变压器二次电压的最大值。2RM2UU (10.2.16)由于允许电网电压有10%的波动，为了安全起见，选择二极管时，变压器二 第十章 直流电源 511次电压大约要高出10%，选择二极管的最大整流电流IF L2DF45.01.11.1RUII (10.2.17)二极管最高反向工作电压UR 221.1UUR (10.2.18)例10.2.2 单相桥式整流电路如图10.2.3所示，已知负载电阻RL=100，负载电压UO=27V，试求:(1)变压器二次电压的有效值U2、二极管正向平均电流ID、二极管最大反向峰值电压URM。(2)若二极管VD1断开，则会出现什么
22、现象？解：(1)根据式10.2.10，变压器二次电压的有效值为 VVUUO309.0279.02 根据式10.2.11，输出电流平均值 AARUIO27.010027LO 根据式10.2.15，二极管正向平均电流 AAII135.0227.02OD 根据式10.2.16，二极管最大反向峰值电压 VVUU4.4230222RM(2)若二极管VD1开路，电路变为半波整流，如变压器二次电压的有效值不变，输出电压的平均值为13.5V，仅为原来的一半。单相桥式整流电路与半波整流电路相比，输出电压的平均值大一倍，而脉动系数降低很多，因此得到了广泛的应用，但单相桥式整流电路需用4只二极管，给安装带来不便，现
23、在已生产出硅桥堆，就是用集成技术将四个二极管(PN结)集成在一个硅片上，引出四根线，如图10.2.6所示。大家可以根据需要选择。第十章 直流电源 512 图10.2.6 硅桥堆 除了上述两种整流电路外，还有单相全波整流、三相半波整流和三相桥式整流等电路，在此就不介绍了【练习与思考】【练习与思考】10.2.1 在单相半波整流电路中，如果二极管接反，将出现什么现象？在桥式整流电路中，如果二极管接反，将出现什么现象？10.2.2 如果整流电路输出的直流电压为18V，采用单相半波整流电路和采用桥式整流电路，二极管所承受的最高反向电压是否一样？为什么？10.2.3单相桥式整流电路中有4个整流二极管，所以
24、流过每个二极管的电流平均值等于负载电流的14，这种说法对吗?为什么?10.3 滤波电路滤波电路 整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分，这远不能满足我们的要求，因此需要采取措施，尽量降低输出电压中的脉动成分，还要尽量保留其中的直流成分，使输出电压更加平滑，接近直流电压。滤波电路的任务就是完成此项工作。利用电容两端的电压不能突变和流过电感的电流不能突变的特点，将电容和负载电阻并联或将电感与负载电阻串联，即可达到使输出波形平滑的目的。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波、LC型滤波、RC型滤波和LC型滤波等。本节主要介绍电容滤波电路，简单介绍其它的滤波电路。10.3.1 电容滤波电路电容滤波电路 1
25、.单相半波整流电容滤波电路(1)电路组成 电容滤波电路是最简单的滤波器，由于电容的容抗与信号频率成反比，对于整流输出电压的直流分量，电容的容抗为无穷大，相当于开路，而对于整流输出 第十章 直流电源 513电压的交流成分（基波及高次谐波），只要C的电容量足够大，电容的容抗可以很小。所以电容C应该并联在负载两端，一般采用大容量的电解电容，单相半波整流电容滤波电路如图10.3.1所示。图 10.3.1 单相半波整流电容滤波电路 图 10.3.2 单相半波整流电容滤波波形(2)工作原理 若u2处于正半周，二极管VD导通，变压器二次电压u2给电容C充电。在忽略二极管正向电压的情况下，充电电压uC与上升的
26、正弦电压u2一致，即uC=uO=u2，所以输出波形是正弦波。当u2在t=/2时，达到最大值，然后，开始按正弦规律下降。此时，电容上的电压也将由于放电而逐渐下降，当u2uC时，二极管VD再次导通，电容C再被充电，重复上述过程。uO、u2的波形如图10.3.2所示，可见输出电压的脉动大为减少，在同样的变压器二次电压u2下，uO波形包围的面积比图10.2.2包围的面积要大，因此输出电压的平均值增加了。(3)参数估算 第十章 直流电源 514 图 10.3.3 RLC 变化时对 uO波形的影响 由以上分析可知，在电容滤波电路中，电容放电时间常数=RLC越大，放电过程越慢，输出直流电压越高，脉动成分也越
27、小，即滤波效果也越好。RLC变化时对uO波形的影响如图10.3.3所示，当空载(IO=0，RL=)，=RLC=，22UuO，脉动系数S=0，如图10.3.3中线1所示，当IO增加，RL减少，电容放电时间常数=RLC减少，放电加快，脉动成分增加，如图10.3.3中线2所示。在实际工作中，为了得到平滑的直流电压，一般选择有极性的大电解电容，并取 CRL（35）2T (10.3.1)式中T为电网交流电压的周期，电容器耐压应大于22U。由以上分析可知，输出电压的平均值UO随输出电流的平均值IO的增加而减小，输出电压的平均值UO与输出电流的平均值IO之间的关系曲线称为外特性，如图10.3.4所示，由图可
28、见，与无电容滤波时比较，输出电压UO随负载的变化而变，外特性较差，带负载能力较差。图 10.3.4 单相半波整流电容滤波电路外特性 第十章 直流电源 515当C一定，RL=(负载开路)时，输出电压UO最大为22U，当C0时，输出电压最小为0.45U2。因此，对于不同的C值，有不同的输出电压，对于单相半波整流电容滤波电路，当满足式10.3.1的关系，并且整流电路的内阻不太大时，输出电压的平均值UO与U2的关系约为 UO=U2 (10.3.2)(4)二极管的导通角 由于二极管的导通时间短(导通角小于1800C)，且RLC的乘积越大，二极管的导通时间越短，即导通角越小，由于电容滤波后输出的电流平均值
29、增加，而二极管导通角减小，所以整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的冲击电流，容易使管子损坏，因而在选择二极管时要考虑此问题，通常选用较大容量的整流二极管。对于二极管的最大反向峰值电压，当负载开路时，因为在交流电压的正半周，电容上的电压充到等于交流电压的最大值22U，不能放电，这个电压维持不变；而在交流电压负半周的最大值22U时，二极管的最大反向峰值电压URM为交流电压负半周的最大值22U与电容上的电压22U之和，即 222UURM (10.3.3)2单相桥式整流电容滤波电路(1)电路组成 图 10.3.5 单相桥式整流电容滤波电路 单相桥式整流电容滤波电路如图10.3.5所示，在负载电阻上
30、并联了一个滤波电容C。(2)工作原理 第十章 直流电源 516若u2处于正半周，二极管VD1、VD3导通，变压器二次电压u2给电容C充电。在忽略二极管正向电压的情况下，充电电压uC与上升的正弦电压u2一致，即uC=uO=u2，所以输出波形uO是正弦波。当u2在t=/2时，达到最大值，然后，u2开始按正弦规律下降，此时，电容上的电压也将由于放电而逐渐下降，当u2uC，二极管VD2、VD4导通，电压u2给电容C充电，输出电压uO的波形如图10.3.6所示。图 10.3.6 单相桥式整流电容滤波波形 (4)电路参数的计算 为了得到平滑的直流电压，一般选择有极性的大电解电容，并取 CRL（35）2T
31、(10.3.4)外特性曲线如图10.3.7所示。图 10.3.7 外特性曲线 第十章 直流电源 517当C一定，RL=(负载开路)时，输出电压UO最大为22U，当C0时，输出电压最小为0.9U2。因此，对于不同的C值，有不同的输出电压，对于单相桥式整流电容滤波电路，当满足式10.3.4的关系，并且整流电路的内阻不太大时，输出电压UO与U2的关系约为 22.1 UUo (10.3.5)二极管的最大反向峰值电压 22UURM (10.3.6)整流电容滤波电路的主要参数如表10.3.1所示 表 10.3.1 整流电容滤波电路的主要参数 电路 变 压 器 二 次电压有效值 无 负 载 时的 UO 有负
32、载时的 UO 二极管的最大反向峰值电压 URM 二极管的正向平均电流 半波整流电容滤波 U2 22U U2 222U IO 桥式整流电容滤波 U2 22U 1.2 U2 22U 0.5 IO *使用条件：2)53(LTCR 例10.3.1 单相桥式整流电容滤波电路如图10.3.5所示。交流电源频率f50 Hz，负载电阻RL120，变压器二次电压的有效值U225V，试求(1)确定输出直流电压UO，二极管的正向平均电流，二极管的最大反向峰值电压URM；(2)选滤波电容；(3)当RL开路时，确定输出直流电压UO；(4)当一个二极管断开时，确定输出直流电压UO；解：(1)根据式10.3.5，输出直流电
33、压UO为 UO=1.2U2=1.225V=30V 根据式10.3.6，二极管的最大反向峰值电压 第十章 直流电源 518VVUURM35.3525222(2)选滤波电容根据 RLC(35)2T 式中T为：T=1/f=0.02s C(35)LRT2=(35)120202.0uF=(250417)uF 可以选用容量为470uF，耐压值为50V的电解电容器。(3)当RL开路时，输出直流电压UO为 VVUUo35.3525222(4)当一个二极管断开时，电路为单相半波整流电容滤波电路，输出直流电压UO为 UO=U2=25V 电容滤波电路结构简单，输出电压较高，脉动较小，但电路的带负载能力不强。因此，电
34、容滤波通常适用于小电流负载。10.3.2 电感滤波电路电感滤波电路 由于电感的感抗与信号频率成正比，对于整流输出电压的直流分量，电感的感抗很小，而对于输出电压的交流成分（基波及高次谐波），电感的感抗较大，因此将一个电感线圈L和负载电阻RL串联，组成电感滤波电路，如图10.3.8所示为桥式整流电感滤波电路。图 10.3.8 桥式整流电感滤波电路 1工作原理 滤波电感也是一种储能元件，当通过的电流发生变化时，电感线圈L中产生的 第十章 直流电源 519自感电动势将阻止电流变化。当通过电感线圈的电流增加时，自感电动势与电流方向相反，将阻止电流增加，同时把一部分能量储存于线圈的磁场中；当电流减小时，自
35、感电动势与电流方向相同，将阻止电流减小，同时把储存的磁场能量释放出来。所以通过电感滤波后，输出电压和电流的脉动都将大为减小。线圈的电感愈大，产生的感应电动势愈大，阻止负载电流变动的能力就愈强，输出电压的脉动愈小，滤波效果就愈好。但电感大，不但成本高，而且线圈匝数增加，导致直流电阻也要增加，从而引起直流能量损失，故线圈电感一般选为几亨到十几亨。2输出电压的平均值 整流电路输出电压可分解为两部分：直流分量和交流分量，直流分量是整流电路输出电压的平均值，用UO表示，对于半波整流为0.45U2，对于桥式整流为0.9U2，交流分量用ua表示。电感线圈对直流分量呈现的电抗为线圈本身的电阻R，此值较小，电感
36、线圈对交流分量呈现的电抗为L，此值较小，因此电感滤波电路输出电压的平均值(输出的直流电压)为 OLLOURRRU 如果忽略线圈本身的电阻R，有 OOUU (10.3.7)电感滤波电路输出电压的交流分量为 aLLOuRLRu22)(10.3.8)从式10.3.8可以看出，在电感线圈不变的情况下，负载电阻RL越小(负载电流越大)，输出电压的交流分量越小，脉动越小。因此电感滤波电路适用于负载电流较大的场合。10.3.3 其它形式的滤波电路其它形式的滤波电路 为了得到更好的滤波效果，可以将滤波电感和滤波电容组合成复式滤波电路。常用的复式滤波电路有LC滤波电路、LC 型滤波电路和RC 型滤波电路。第十章
37、 直流电源 520 1LC滤波电路 它是在电感滤波的基础上，在RL上并联滤波电容C构成的，如图10.3.9所示。由图可知，在LC滤波电路中输出电压的交流分量在cjRL1/和Lj之间分压得到，所以输出电压脉动成分比仅用电感滤波时更小。LC滤波电路在负载电流较大或较小时，均有良好的滤波作用，也就是说，它对负载的适应性较强。图 10.3.9 LC 滤波电路 图 10.3.10 LC 型滤波电路 2LC 型滤波电路 在电容滤波的基础上再加一级LC滤波，就可以构成LC 型滤波电路。如图10.3.10所示。由于输入端接了电容，输出的直流电压均值比LC滤波电路的高些，因此提高了输出直流电压。由于在电容C1两
38、端所得到的已较平滑的输出电压，再经过电感L和电容C2进行滤波，使输出电压的脉动大大减小，波形更加平滑，所以，LC 型滤波器的滤波性能比LC滤波更好，输出电压也高，在各种电子设备中得到了广泛应用。但是，LC 型滤波同样也带来了整流管冲击电流比较大的缺点。3RC 型滤波电路 当负载电流较小时，为了使滤波电路结构简单、经济，常常采用RC 型滤波电路，电路如图10.3.11所示，经电容Cl滤波后，较小的脉动电压又被R衰减，再经C2滤波，使滤波效果更好。同时也应注意到，整流管冲击电流比较大，电流流过电阻时，会有直流分量的压降，所以RC 型滤波一般适用于输出电流小且负载较稳定的场合。第十章 直流电源 52
39、1 图 10.3.11 RC 型滤波电路 下面对桥式整流的各种滤波电路进行了比较，如表10.3.2所示。表 10.3.2 各种滤波器的比较 名称 UO 对整流管的冲击电流适用场合 带负载能力 电容滤波 1.2U2 大 小电流 差 电感滤波 0.9U2 小 大电流 强 LC 滤波 0.9U2 小 适应性较强 强 LC 型滤波 1.2U2 大 小电流 较差 RC 型滤波 1.2U2 大 小电流 很差【练习与思考】【练习与思考】10.3.1什么是滤波?常用的滤波电路形式有哪些?10.3.2滤波电路的主要目的是什么?电容和电感为什么能起滤波作用?它们在滤波电路中应如何与RL连接?10.3.3在电容滤波
40、电路中，应如何选择电容C？10.3.4 为什么电容滤波适合于负载电流比较小的场合？电感滤波适合于负载电流比较大的场合？第十章 直流电源 522山山 东东 理理 工工 大大 学学 教教 案案 第 三十 次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：10.4 稳压管稳压电路 10.4.1 电路组成和工作原理 10.4.2 稳压电路的主要指标 10.4.3 稳压电路中限流电阻 R 的选择 10.5 串联型直流稳压电路 10.5.1 串联型直流稳压电路的组成 10.5.2 串联型直流稳压电路的稳压原理 10.5.3 串联型直流稳压电路的参数计算 重点：
41、1.串联型稳压电路的稳压原理及各元件的作用等 难点：串联型稳压电路的稳压原理 教学目的要求：1.了解稳压电路的质量指标 2.掌握串联型线性集成稳压电路的工作原理;输出电压的调节范围 教学方法和教学手段：板书和多媒体教学相结合，以教师讲授为主，结合学生的课堂练习和讨论。讨论、思考题、1.当负载变化时,写出稳压过程?指出串联型稳压电路各元件的作用?2.请计算串联型稳压电路输出电压的变化范围 作业 10.9 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社 第十章 直流电源 52310.4 稳压管稳压电路稳压管稳压电路 从前面的分析可知，
42、整流滤波电路的输出电压平均值是不稳定的，引起输出电压变化的原因是：1.因整流滤波电路的输出电压UO与变压器二次电压U2有关，当电网电压波动时，UO将随之产生相应的变化。2.因整流滤波电路存在内阻，当负载电流变化时，输出电压平均值将随之发生变化。因此，必须通过稳压电路(也称稳压器)进行稳压，才能使负载获得稳定的直流电压。本节介绍稳压管稳压电路。10.4.1 电路组成和工作原理电路组成和工作原理 1.电路组成 稳压管稳压电路是最简单的一种稳压电路，这种电路主要用于对稳压要求不高的场合，有时也作为基准电压源。稳压管稳压电路如图10.4.1所示，输入电压UI是整流滤波后的电压，经限流电阻R和稳压管VD
43、Z组成稳压电路接到负载电阻上，因其稳压管VDZ与负载电阻RL并联，此电路也叫并联型稳压电路。图 10.4.1 稳压管稳压电路 图 10.4.2 稳压管的伏安特性 2.工作原理 因为引起输出电压变化的原因是电网电压波动和负载电流变化，因此应从这两方面来分析稳压电路的作用。(1)当电网电压波动时如何稳压 第十章 直流电源 524根据电路图10.4.1可知,输出电压OU就是稳压管的稳定电压ZU，即 ZO=UU (10.4.1)输入电压UI等于限流电阻R两端的电压与输出电压的和，即 ROI=UUU (10.4.2)并且 ZLR+=III (10.4.3)假设负载电阻RL保持不变，当电网电压升高，输入电
44、压UI随之增加，必然引起输出电压UO的增加，根据式10.4.1，UZ增加，根据稳压管的伏安特性，如图10.4.2所示，UZ增加，将使IZ急剧增加，根据式10.4.3，IR也将急剧增加，使电阻R上的压降UR增加，根据式10.4.2，从而使输出电压UO减小。这一稳压过程可概括如下：电网电压 UIUOUZIZIRUR UO 当电网电压下降，各电量的变化与上述过程相反。这里UO减小应理解为，由于输入电压UI的增加，在稳压二极管的调节下，使UO的增加没有那么大而已。UO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。(2)当负载变化时如何稳压 假设电网电压保持不变，当负载电阻RL减小，即负载电流IL增加时，根据
45、式10.4.3必然引起IR的增加，即UR增加，根据式10.4.2，从而使输出电压UO减小。根据式10.4.1，使UZ减小，根据稳压管得伏安特性，UZ减小，将使IZ急剧减小，根据式10.4.3，因此IR急剧减小。如果参数选择恰当，就可使IZ-IL，使IR基本不变，UO也基本不变。这一稳压过程可概括如下：RL ILIRURUOUZIZIRIZ-ILIR基本不变UO基本不变 10.4.2 稳压电路的主要指标稳压电路的主要指标 用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路的稳压性能，稳压电路的主要指标有 第十章 直流电源 525稳压系数Sr和输出电阻Ro。1.稳压系数Sr 稳压系数Sr定义为当负载不变时，输出电
46、压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。常数LRUUUUSIIOOr/=(10.4.4)Sr表明电网电压波动的影响，其值越小，说明稳压电路的稳压性能越好。估算稳压系数Sr的等效电路如图10.4.3所示，rz为稳压管的动态电阻。图 10.4.3 估算稳压系数 Sr 的等效电路 由图10.4.3可得 ILzLzOURRrRrU)/(/=通常，rzRL，rzR，上式简化为 IzOURrU=因此 OIzUURrUUUUSIIOOr/=(10.4.5)UI是整流滤波后的直流电压。由上式可知，rz越小，R越大，Sr越小，说明稳压电路的稳压性能越好。2.输出电阻Ro 输出电阻Ro定义为稳压电路输入电压UI
47、一定时，输出电压的变化量与输出电流变化量之比。常数=OOoI=UIUR (10.4.6)第十章 直流电源 526根据定义，求输出电阻Ro等效电路如图10.4.4所示，负载电阻RL开路，因输入电压UI不变，因此UI=0，得 RrIURZ/=OOo 通常，rzIR+ILmax (10.5.5)(2)集电极和发射极之间的最大允许电压U(BR)CEO 当电网电压最高(即输入电压最高，为UImax)，输出电压最低，为UOmin时，调整管VT承受的管压降最大，因此集电极和发射极之间的最大允许电压 U(BR)CEOUImaxUOmin (10.5.6)(3)集电极最大允许耗散功率PCM 当调整管VT的集电极
48、电流IC最大(即满载)，且管压降最大时，调整管的功率损耗最大。集电极最大允许耗散功率 PCM(IR+ILmax)(UImaxUOmin)(10.5.7)在实际选用时，要考虑一定的余量，还应按手册上的规定采取散热措施。例10.5.1 电路如图10.5.1所示，输出电压的调节范围为1220V，变压器二次电压有效值为21V，波动范围10%，如果最大负载电流为500mA，假设采样电阻总的阻值2K，估算调整管的极限参数。解：根据式10.5.5可得 ICMIR+ILmax=AmAmA51.0510)500220(输入电压 UI=1.2U2=(1.221)V=25V 由于电网电压波动范围10%，最高输入电压
49、 UImax=1.125=27.5V 根据式10.5.6可得 U(BR)CEOUImaxUOmin=27.5V12V=15.5V 根据式10.5.7可得 PCM(IR+ILmax)(UImaxUOmin)=(0.5115.5)W=7.9W 第十章 直流电源 534【练习与思考】【练习与思考】10.5.1串联型直流稳压电源由哪几部分组成?各部分的功能是什么?10.5.2 说明图10.5.1串联型直流稳压电路的稳压原理？如果集成运放两个输入端接反，电路能否正常工作？10.5.3 如何选择串联型直流稳压电路的调整管？10.5.4 试分别说明图10.5.2和图10.5.3电路中调整电路、采样电路、比较
50、放大电路、基准电压电路由哪些元件组成？10.6 串联型集成稳压器串联型集成稳压器 随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。如前所述，构成一个串联型稳压器最基本的单元电路有调整电路、采样电路、基准电压源和比较放大电路，实用的集成稳压器往往还有一些附加电路，如保证稳压器安全工作的保护电路，使稳压器能正常启动的启动电路等。一个完整的集成稳压器的方框图如图10.6.1所示。由于启动电路只能根据具体的集成稳压器来分析。下面仅介绍基准电压源和保护电路。图 10.6.1 集成稳压器的方框图 10.6.1 基准电压源基准电压源 由式10.5