第10章直流稳压电源.

1湖南科技大学信息与电气工程学院第十章直流稳压电源2本章内容：重点与难点：1、直流电源的组成2、整流电路的结构、原理及性能指标3、滤波电路的工作原理及性能指标4、串联稳压电路的工作原理5、开关稳压电路310.1直流电源的组成及各部分的作用在工业生产和日常生活中，许多电气设备和家用电器中，通常需要电压电流稳定的直流电源供电，而电网提供的通常为单相220伏或三相380伏的交流电源；将交流电源通过变压、整流、滤波、稳压后变为幅值稳定、电流稳定的直流电的设备称为直流稳压电源。输入电压为单相220V，输出电流在10A以下，调整管工作在线性工作区的稳压电源称为小功率线性直流稳压电源。4电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。整流电路滤波电路稳压电路整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo5单相三相二极管可控硅桥式倍压整流半波全波本课主要介绍：单相半波整流，单相全波整流，单相桥式整流把交流电压转变为直流脉动的电压。整流电路分类：整流电路的任务：10-1单相整流电路为分析方便，假设所用元件为理想元件。61.单相半波整流电路二极管导通，uo=u2u1u2aTbDRLuo二极管截止,uo=0+–io+–当u20时:当u20时:以单相半波整流电路为例说明整流电路的工作原理。设变压器附边输出电压有效值为U2。tsinU2u227单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouDt2340工作效率为50%。8输出电压平均值（Uo(AV)）,输出电流平均值（Io(AV))：u1u2aTbDRLuouDioIo(AV)=Uo(AV)/RL=0.45U2/RLuo20t主要参数：22200200200)AV(OU45.0U2)]t(tdsinU2[21)]t(du)t(du[21)t(du21U9二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2aTbDRLuouDiouD20tUDRM二极管上的平均电流：ID=IOUDRM=22U承受的最高反向电压:应用时选择反向耐压≥1.1UDRM的整流二极管。10脉动系数S：输出电压的基波峰值UO1M与平均电压UO(AV)之比。57.12U22UUUS22)AV(OO1M2U)t(tdtcos2cosU21U22O1M22纹波系数Kγ：输出电压交流分量有效值与输出电压平均值之比。)AV(OOUUK112.单相全波整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+–+–原理：+–+–变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2当u2正半周时，D1导通，D2截止。当u2负半周时，D2导通，D1截止。12u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形u2uouD1t2340uD2+–+–0~：uD2=2u2+忽略二极管正向压降13输出电压平均值Uo(AV)；输出电流平均值Io(AV)u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo20t()01tduUoO(AV)()01tdsint22UIo(AV)=Uo/RL=0.9U2/RL229.02UU2主要参数：14二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2aTbD1RLuoD2u2io二极管上的平均电流：oDII21uD20tDRM22UU2二极管承受的最高反向电压：153.单相桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo16+–u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周时电流通路D1、D4导通，D2、D3截止17-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2负半周时电流通路D2、D3导通，D1、D4截止18u20时D1,D4导通D2,D3截止电流通路:aD1RLD4bu20时D2,D3导通D1,D4截止电流通路:bD2RLD4a单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形u2D3D2D1D4RLuoab整流输出电压平均值：Uo=0.9U2负载电流平均值:Io=Uo/RL=0.9U2/RL二极管平均电流：ID=Io/2二极管最大反向电压：DRM22UUu2ttuD2,uD3uD1,uD4tuo19几种常见的硅整流桥外形：+AC-~+~-~+-~u2uo+–20整流电路的主要参数：负载电压Uo(AV)的平均值为:()πoO(AV)tduπU2021负载上的(平均)电流:LO(AV)RUIo(1)整流输出电压的平均值uo20t22U9.0U22L2RU9.021S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值之比。S越小越好。(2).脉动系数Ｓ6703222324221.πUπUUUSoMo用傅氏级数对全波整流的输出uo分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUuouo20t基波基波峰值输出电压平均值22平均电流(ID)与反向峰值电压(UDRM)是选择整流管的主要依据。oDII2122UURM在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流ID是负载平均电流的一半。二极管截止时两端承受的最大反向电压：(3)二极管平均电流与反向峰值电压（选购时：二极管额定电流1.1ID)（选购时：最大反向电压1.1URM)23自行分析输出双极性电压单相桥式整流电路和三相桥式整流电路工作原理。242510.3滤波电路交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利用其对电压、电流的储能特性达到滤波的目的。26一、电容滤波电路电容滤波电路是使用最多也是最简单的滤波电路。其结构为在整流电路的输出端并联一较大容量的电解电容，利用电容对电压的充放电作用使输出电压趋于平滑。该形式电路多用于小功率电源电路中。1．电容滤波原理以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。a桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC27当RL未接入时(电容初始电压为0)：u2tuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucuo=uc=U22τc=RintC（Rint为充电回路等效电阻）28当RL接入时（假设RL是u2在从0上升时接入的）：u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形29uotu2上升,u2大于电容上的电压uc,u2对电容充电，uo=ucu2u2下降，u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数=RLC30u2tuot只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。二极管中的电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC31u2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。RLC越小，输出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC较大）时322．电容滤波的主要参数因为滤波的过程中含有正弦波、指数曲线及谐波成分，一般很难用精确的数学表达式进行计算，所以一般使用中多采用近似估算来确定其参数。输出电压可以近似看成锯齿波，如图所示。设uc每次充电到峰值Uomax=U2后按RLC放电的初始斜率线性下降，经过τ=RLC放电结束交于横轴；2并令在（T为正弦波周期）处为电容充放电转换时的电压值Uomin。2T则：2UUUOminOmax)AV(O33CR2TUUULOmaxOminOmax由相似三角形关系可得：OmaxLOminOmaxUC4RT2UU2UUUOminOmax)AV(O则：2UUUOminOmaxOmax)C4RT1(ULOmax即：)C4RT1(U2UL2O(AV)Io(AV)=Uo(AV)/RL34脉动系数S：采用近似波形计算。以（Uomax－Uomin）为基波峰-峰值，则OmaxLOminOmaxUC4RT2UU1TC4R1TC4RT)C4RT1(UUC4RTSLLLOmaxOmaxL实际uo的波动没有近似波形误差大，故实际S比计算值要小。35一般取近似估算:Uo(AV)≈1.2U2(b)流过二极管瞬时电流很大RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短iD的峰值电流越大(a)输出电压平均值Uo与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大(c)二极管承受的最高反向电压：22UURMT)5.2~5.1(2T)5~3(CRL(d)滤波电容应选用耐压1.1的电解电容。2U236由UO(AV)的表达式可看出，C越大，UO(AV)也越大，IO(AV)也会增大，而整流管的通电时间却越短，整流管的导通电流加大，如果C太大则初始充电时间要长，整流管中通过的冲击电流时间加长，长时间会影响整流管使用寿命。所以一般选择整流管时ID(AV)＞（2~3）IO(AV)。改变RLC会对UO(AV)和S有影响，将UO(AV)和IO(AV)的关系曲线称为输出特性，将S和IO(AV)的关系曲线称为滤波特性，如果RLC越小，UO(AV)越低，则S越大，而加大C可使滤波效果和负载能力增强，但C不能无限增大。所以电容滤波形式电路一般适用于输出电流较小且负载变化不大的场合。37电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。u2u1RLLuo二、电感滤波电路38电感滤波原理对谐波分量:f越高，XL越大,电压大部分降在XL上。因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo(AV)≈0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压:u2u1RLLuo对直流分量:XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上39三、其他形式的滤波电路改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：L-C型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC–型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。LC–型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C型滤波电路。40１.RC–型滤波器改善滤波特性的方法：采取多级滤波uoRu2u1C1C2uo1´RLRC–型滤波器41uoRu2u1C1C2uo1´RLuo的交流分量的基波的幅值：moCLCLmo'UXRRXRU1221)j//()j//(moLLLmoU'CRRCRRRU122221)1()//(142通常选择滤波元件的参数使得：)//(12LRRCmoLLLmoU'RRCRRRU121)//(1moLLLmoU'CRRCRRRU122221)1()//(1uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：S'RRCU'U'RRCUUSLomoLomo)//(1)//(1212143２、L-C型滤波电路u2u1LuoCRLuo1设uo1的直流分量为U´O，交流分量的基波的幅值为U´O1m，：29.0UU'Uoo67.0S'moCLLCLmo'UXRXXRU11)j//(j)j//(44moCLLCLmo'UXRXXRU11)j//(j)j//(通常选择滤波元件的参数使得：LRC1momoCLCmoU'LCU'XXXU121111jjjuo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：S'LCU'U'LCUUSomoomo2121111145３、LC–型滤波电路u2u1LuoC2RLuo1