直流穩(wěn)壓電源教學(xué)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(xué)要點(diǎn)：
重點(diǎn)介紹單相橋式整流電容濾波電路的工作原理及各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)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(fù)反饋技術(shù)進(jìn)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(shí)，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦?。根?jù)圖10.1.2(a)的電路圖可知：
當(dāng)正半周時(shí)二極管D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。
??? 當(dāng)負(fù)半周時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。
??? 在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)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(jì)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(fù)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(shí)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(fù)載特性曲線
單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線是指輸出電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)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(fù)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(gè)工頻周期內(nèi)，只是正半周導(dǎo)電，在負(fù)載上得到的是半個(gè)正弦波。負(fù)載上輸出平均電壓為

流過負(fù)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(yīng)用于直流電源之中。
注意：整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)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(shí)現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L 應(yīng)與負(fù)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(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)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(dǎo)通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時(shí)C相當(dāng)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(shí)的電壓、電流波形

當(dāng)v2到達(dá)90°時(shí)，v2開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載ＲL放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過90°時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過90°時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過90°后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。
所以，在t1到t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，Ｃ充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時(shí)刻二極管關(guān)斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)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(shí)VO的波形

需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)RLC增加時(shí)，t1點(diǎn)要右移， t2點(diǎn)要左移，
二極管關(guān)斷時(shí)間加長，導(dǎo)通角減小，見曲線3；反之，RLC減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然，當(dāng)ＲL很小，即IL很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見圖10.2.2濾波曲線中的2。反之，當(dāng)ＲL很大，即IL很小時(shí)，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(jì)算
??? 電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)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(rèn)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(yīng)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(fù)載電流 IO的變化關(guān)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(fù)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(dāng)v2正半周時(shí)，D1、D3導(dǎo)電，電感中的電流將滯后v2。當(dāng)負(fù)半周時(shí)，
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(gè)二極管D1、D3 ； D2、D4的導(dǎo)通角都是180°。