整流滤波及稳压电路

10.1单相整流电路10.2滤波电路10.3稳压电路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为具有直流电成分的脉动直流电。滤波电路是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。稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。直流电源的方框图如图15.01所示。10.1.1单相桥式整流电路10.1.2单相半波整流电路10.1.3单相全波整流电路10.1单相整流电路10.1.1单相桥式整流电路(1)工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图15.02（a）所示。（a）桥式整流电路（b）波形图图15.02单相桥式整流电路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。根据图15.02(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。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15.02(b)。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。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）参数计算22π02LO9.0π22dsin2π1VVttVVV流过负载的平均电流为L2L2L9.0π22RVRVIL2L2LD45.0π22RVRVII流过二极管的平均电流为2Rmax2VV二极管所承受的最大反向电压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，最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S。)4cosπ1542cosπ34π2(22OttVv67.032π22π32422VVS（3）单相桥式整流电路的负载特性曲线单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线)(OOIfV该曲线如图15.03所示。曲线的斜率代表了整流电路的内阻。图15.03单相桥式整流电路的负载特性曲线10.1.2单相半波整流电路单相整流电路除桥式整流电路外，还有单相半波和全波两种形式。单相半波整流电路如图15.04(a)所示，波形图如图15.04(b)所示。(a)电路图(b)波形图图15.04单相半波整流电路根据图15.04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22π02LO45.0π2)d(sin2π21VVttVVVL2L2LD45.0π2RVRVII流过负载和二极管的平均电流为2Rmax2VV二极管所承受的最大反向电压单相全波整流电路如图15.05(a)所示，波形图如图15.05(b)所示。10.1.3单相全波整流电路(a)电路图图15.05单相全波整流电路(b)波形图根据图15.05（b）可知，全波整流电路的输出，与桥式整流电路的输出相同。输出平均电压为22π02LO9.0π22)d(sin2π1VVttVVVL2L2Lo9.0π22RVRVII流过负载的平均电流为2Rmax22VV二极管所承受的最大反向电压67.032π22π32422VVS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。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。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，在同样的功率容量条件下，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。10.2滤波电路10.2.1电容滤波电路10.2.2电感滤波电路10.2.1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电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如图15.06所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图15.06电容滤波电路当v2到达90°时，v2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。(3)滤波原理若电路处于正半周，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，是正弦形。图15.07电容滤波波形图所以，在t1到t2时刻，二极管导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图15.07。在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90°时二极管仍然导通。在超过90°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。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，见曲线3；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15.08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=VL=？图15.08电容滤波的效果(4)电容滤波的计算电容滤波的计算比较麻烦，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：)41(2L2OLCRTVVV一种是用锯齿波近似表示，即另一种是在RLC=(35)T/2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC≥6~10。）（5）外特性整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流IO的变化关系曲线如图15.09所示。图15.09整流滤波电路的外特性2OLd2O2OL1.22)53(=0.9=,02=,=VVTCRVVCVVR～*使用条件：2)5~3(LdTCR名称VL(空载)VL(带载)二极管反向最大电压每管平均电流半波整流22V245.0V22VIL全波整流电容滤波22V1.2V2*222V0.5IL桥式整流电容滤波22V1.2V2*22V0.5IL桥式整流电感滤波22V0.9V222V0.5IL10.2.2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。图15.10电感滤波电路图15.11波形图电感滤波电路如图15.10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的导通角都是180°。10.3.1稳压电路概述10.3.2硅稳压二极管稳压电路10.3.3线性串联型稳压电源10.3.4开关型稳压电源10.3.1稳压电路概述一、引起输出电压不稳定的原因二、稳压电路的技术指标引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图16.01。一、引起输出电压不稳定的原因负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。图16.01稳压电源方框图),(=OIOIVfV即二、稳压电路的技术指标用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。VI和IO引起的VO可用下式表示(1)稳压系数Sr0=IOIOrO=IVVVVS定义为OoIrOOOIIOOIRVSIIVVVVV有时稳压系数也用下式定义0=IIOOrO//=IVVVVS当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。（4）电流调整率SI%100=0=OOIIVVVS(3)输出电阻Ro0=OOoI=VIVR%1001=0=IOOVOIVVVS(2)电压调整率SV一般特指ΔVi/Vi=±10%时的Sr输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。（6）输出电压的温度系数ST%1001=0=0,=OOTIOVITVVS如果考虑温度对输出电压的影响,则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数),,(=OIOTIVfV（5）纹波抑制比Sripp-opp-iprip20lg=VVS10.3.2硅稳压二极管稳压电路一、硅稳压二极管稳压电路的原理二、稳压电阻的计算三、基准源一、硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的电路图如图16.02所示。它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。图16.02硅稳压二极管稳压电路(1)当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知ZLR+=IIIRIVVVVVRIRIZO==输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：这里VO减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓图16.02硅稳压二极管稳压电路(2)当负载电流变化时如何稳压负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程可概括如下：IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑二、稳压电阻的计算稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关。稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好。稳压电阻R的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。显然R的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的VR变化，就可达到足够的稳压效果。但R的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加大。稳压电阻的计算如下当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即LmaxZminZIminmax=IIVVR当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即LminZmaxZImaxmin=IIVVRmaxminRRR(1)(2)稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！三、基准源基准源一般是指击穿电压十分稳定，电压温度系数经过补偿了的稳压二极管。也称为参考源这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个10-6/℃。型号稳定电压(V)工作电流(mA)电压温度系数(10-6/℃)MC14032.5±1％1.210～100.LM136/236/3362.510305.01030.TL4312.5～360.4～10050.LM3999±6.95±5％105.AD2710K/L10.000±1mV102/1.MAX6764.096±0.01％516775.000±0.01％5167810.000