整流和濾波電路

1、第二十七講 整流和濾波電路第十章 整流和濾波電路教學(xué)目的1、了解直流電源的組成,理解半波、全波橋式整流電路的工作原理及電路參數(shù)2、理解濾波電路的原理,學(xué)會(huì)定量分析其性能,理解倍壓整流電路原理3、掌握穩(wěn)壓電路的工作原理、主要指標(biāo)限流電阻的計(jì)算,了解穩(wěn)壓電路中的保護(hù)措施4、掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成、工作原理,估算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。5、掌握集成穩(wěn)壓器 W7800、 W7900、 W117的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路2、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路3、三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 直流電源的組成及各部分的作用第二節(jié) 整流電路一、整流電路的分析方法及其基本參數(shù)二、單相橋式整流電路第三節(jié) 濾波電路第四

2、節(jié) 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路第五節(jié) 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路一、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理二、集成穩(wěn)壓器中的基準(zhǔn)電壓電路和保護(hù)電路三、集成穩(wěn)壓器電路四、三端穩(wěn)壓器的應(yīng)本章討論的問題:1. 如何將 50Hz 、 220V 的交流電壓變?yōu)?6V 的直流電壓? 2.220V的交流電壓經(jīng)整流后是否輸出 220V 的直流電壓? 3. 將市場(chǎng)銷售的 6V 直流電源接到收音機(jī) 上,為什么有的聲音清晰,有的含有交流聲?4. 對(duì)于同樣標(biāo)稱輸出電壓為 6V 的直流電源, 在未接收音機(jī)時(shí), 為什么測(cè)量輸出端子的電壓, 有的為 6V ,而有的為 7-8V ?5. 為什么有的直流電源在電網(wǎng)電壓變化和負(fù)載變化時(shí)輸出電壓不變,而有的隨之變化

3、? 6. 一個(gè) 5V 交流電壓是否可能轉(zhuǎn)換為 6V 直流電壓?一個(gè) 3V 電池是否可以轉(zhuǎn)換成為 6V 的直 流電壓?7. 對(duì)于一般直流電源,若不慎將輸出端短路,則一定會(huì)使損壞嗎? 8. 線性電源和開關(guān)型電源有和區(qū)別?它們分別應(yīng)用在什么場(chǎng)合?10.1直流電源的組成及各部分的作用電子電路工作時(shí)都需要直流電源提供能量,電池因使用費(fèi)用高 , 一般只用于低功耗便攜 式的儀器設(shè)備中。 本章討論如何把交流電源變換為直流穩(wěn)壓電源。 一般直流電源由如下部分 組成 :整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電。濾波電路將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除,減少交流成分,增加直流成分。 穩(wěn)壓電路采用負(fù)反饋技術(shù),對(duì)整流后的直流電壓

4、進(jìn)一步進(jìn)行穩(wěn)定。 直流電源的方框圖如圖 10.1所示。 圖 10.1.1整流濾波方框圖10.2整流電路10.2.1整流電路的分析方法及其基本參數(shù)一、工作原理優(yōu)點(diǎn):使用元件少。缺點(diǎn):輸出波形脈動(dòng)大;直流成分小;變壓器利用率低。 二、主要參數(shù) 1. 輸出電壓平均值 U O(AV輸出電壓平均值就是負(fù)載電阻上電壓的平均值圖 10.2.1單相半波整流電路 tUsin 22LR U 2222U22U圖 10.2.2半波整流電路的波形圖(d 2120o O(AVt u U=2202O(AV45. 02 (td sin 21U U t U U =22. 負(fù)載電流的平均值3. 脈動(dòng)系數(shù)三、二極管的選擇根 據(jù)流過

5、二極管電流的平均值和它所承受的最大反向電壓來選擇二極管的型號(hào)。 二極管的正 向電流等于負(fù)載電流平均值二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓對(duì)于二極管最大整流平均電流 I F 和最高反向工作電壓 U R 均應(yīng)留 10%的余地, 以保證二極管 安全工作。 10.2.2 單相橋式整流電路一、單向橋式整流電路的組成 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,如圖 10.2.4(a 所示。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?。二、工作原理根?jù)圖 10.2.4(a 的電路圖可知:當(dāng)正半周時(shí),二極管 D 1、 D 3導(dǎo)通,在負(fù)載電阻上得到正弦波的正

6、半周。 當(dāng)負(fù)半周時(shí),二極管 D 2、 D 4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(dòng)電壓。 單相橋式整流電 路的波形圖見圖 10.2.4(b 。三、輸出電壓平均值 UO(AV 和輸出電流的平均值 IO(AV根據(jù)圖 15.02(b 可知,輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓,通常用它的平均值與直流電壓等效。 輸出平均電壓 為2202L O 9. 022d s i n 21V V t t V V V =L2LAV O AV O R U 45. 0R U I ( (=O(AVO1m U U S =L2AV O AV D R U 45. 0I I ( (

7、=2max R 2U U = (a 橋式整流電路 (b 波形圖圖 10.2.4單相橋式整流電路 (動(dòng)畫 15-1 (動(dòng)畫 15-2流過負(fù)載的平均電流 為L(zhǎng)2L2L 9. 022R V R V I =流過二極管的平均電流 為L(zhǎng)2L2L D 45. 022R V R V I I =二極管所承受的最大反向電壓2Rmax 2V V =流過負(fù)載的脈動(dòng)電壓中包含有直流分量和交流分量,可將脈動(dòng)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。脈動(dòng)系數(shù) S 定義為二次諧波的幅值與平均值的比值。4cos 1542cos 342(22O +-=t t V v 67. 03222 32422=V V S四、二極管

8、的選擇1. 每只二極管只在變壓器副邊電壓的半個(gè)周期通過電流,所以每只二極管的平均電流只有負(fù)載電阻上電流平均值的一半。2. 二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓3. 對(duì)于二極管最大整流平均電流 I F 和最高反向工作電壓 U R 均應(yīng)留 10%的余地,以保證二極管安全工作。問題:如何實(shí)現(xiàn)正、負(fù)電源?將橋式整流電路變壓器副邊中點(diǎn)接地,并將二個(gè)負(fù)載電阻相 連接,且連接點(diǎn)接地。u O1 為正; u O2為負(fù) 問題:三相整流電路如何實(shí)現(xiàn)?變壓器副邊的三個(gè)端均應(yīng)接二只二極管, 一只接陽(yáng)極, 另一只 接陰極。 D 1 D 2 D 3輪流導(dǎo)通, 陽(yáng)極電位高的 D 先導(dǎo)通; D 4D 5D 6輪流導(dǎo)

9、通,陰極電位低的 D 先導(dǎo)通。 附 1單相半波整流電路單相整流電路除橋式整流電路外還有有單相半波和單相全波兩種形式。單相半波整流 電路如圖 (a所示,波形圖如圖 (b所示。根據(jù)圖可知, 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 2202L O 45. 02 (d sin 21V V t t V V V =L2AV O AV D R U 45.0I I ( (=2max R 2U U =圖 10.2.7 利用橋式整流電路實(shí)現(xiàn)正、負(fù)電源圖 10.2.8 三相整流電路流過負(fù)載和二極管的平均電流為L(zhǎng)2L2L D 45. 02R V R V I I

10、 = (a電路圖 (b波形圖圖單相半波整流電路二極管所承受的最大反向電壓2Rmax 2V V =附 2. 單相全波整流電路單相全波整流電路如圖 (a所示,波形圖如圖 (b所示。 (a電路圖 (b波形圖圖 單相全波整流電路根據(jù)圖(b 可知,全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出相同。輸出平均電壓為2202L O 9. 022d s i n 21V V t t V V V =流過負(fù)載的平均電流為 L2L2L D 9. 022R V R V I I =二極管所承受的最大反向電壓 2R m a x 22V V =單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù) S 與單相橋式整流電路相同。 67. 0322232422

11、=V V S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(duì) 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。10.3濾波電路濾波:將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸?濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) : 電容與負(fù)載 R L 并聯(lián) 或電感與負(fù)載 R L 串聯(lián)。10.3.

12、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(duì)交、直流阻抗的不同,實(shí)現(xiàn)濾波。電容器 C 對(duì)直流開路, 對(duì)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(duì)直流阻抗小,對(duì)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(dòng)系數(shù),改善了直流電壓的質(zhì)量。2. 電容濾波電路現(xiàn)以單相橋式整流電容濾波電路為例來說明。 電容濾波電路如圖 10.3.1所示, 在負(fù)載電 阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容 C 。 圖 10.3.1 電容濾波電路3. 濾波原理若 v 2處于正半周,二極管 D 1、 D 3導(dǎo)通,變壓器次端電壓

13、 v 2給電容器 C 充電。此時(shí) C 相當(dāng)于并聯(lián)在 v 2上,所以輸出波形同 v 2,是正弦波。當(dāng) v 2到達(dá) t =/2時(shí),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 R L 放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過 t =/2時(shí),正弦曲線下降的速率很慢。所 以剛過 t =/2時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過 t =/2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 t 2到 t 3時(shí)刻,二極管導(dǎo)電, C 充電, V i =V o 按正弦規(guī)律變化; t 1到 t 2時(shí)刻二極管關(guān)斷, V i =V o 按指數(shù)曲線下降,放電時(shí)間 常數(shù)為 R

14、 L C 。電容濾波過程見圖 10.3.2。 圖 10.3.2電容濾波電路波形需要指出的是,當(dāng)放電時(shí)間常數(shù) R L C 增加時(shí), t 1點(diǎn)要右移, t 2點(diǎn)要左移,二極管關(guān)斷時(shí) 間加長(zhǎng),導(dǎo)通角減小;反之, R L C 減少時(shí),導(dǎo)通角增加。顯然。當(dāng) R L 很小,即 I L 很大時(shí), 電容濾波的效果不好, 見圖 18.05濾波曲線中的 2。 反之, 當(dāng) R L 很大, 即 I L 很小時(shí), 盡管 C 較小 , R L C 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(chǎng)合。問題 :有 C 無 R L 即空載,此時(shí) V C =V O =? 圖 10.3.4電

15、容濾波的效果(動(dòng)畫 15-3 (動(dòng)畫 15-44.電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算電容濾波電路的計(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 41(2L 2O CR T V V -=另一種是在 R L C =(35 2T 的條件下,近似認(rèn)為 V O =1.2V 2。5. 外特性整流濾波電路中,輸出直流電壓 V O 隨負(fù)載電流 I O 的變化關(guān)系曲線如圖 10.3.5所示。 圖 10.3.5電容濾波外特性曲線 *使用條件:253(L d T C R =10.3.3其它形式的濾波電路 一、電感濾波電路利用儲(chǔ)能元件電感器 L

16、 的電流不能突變的性質(zhì), 把電感 L 與整流電路的負(fù)載 R L 相串聯(lián), 也可以起到濾波的作用。橋式整流電感濾波電路如圖 10.3.8所示。 電感濾波的波形圖如圖 15.11所示。 當(dāng) v 2正半 周時(shí),D 1、 D 3導(dǎo)電,電感中的電流將滯后 v 2。當(dāng)負(fù)半周時(shí),電感中的電流將更換經(jīng)由 D 2、 D 4提供。因橋式電路的對(duì)稱性和電感中電流的連續(xù)性,四個(gè)二極管 D 1、 D 3; D 2、 D 4的導(dǎo)電 角都是 180°。 圖 10.3.8電感濾波電路 圖 10.3.8電感濾波電路波形圖 (動(dòng)畫 15-5L 愈大,濾波效果愈好;適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合。 圖 10.3.9LC 濾波電

17、路波形圖二、 LC 濾波電路輸出直流電壓為:脈動(dòng)系數(shù) S :適用于各種場(chǎng)合。 三、 LC - P 型濾波電路四、 RC - P 型濾波電路五、各種濾波電路的比較O 引言倍流整流電路首先是由 A . Cook 在 1924年出版的 E1ements of Electrical Enginee ring 書中加以描述, 并于 20世紀(jì) 30年代在電子管電路中得到使用。 1987年 7月 Ole S . S eiersen 首次在丹麥申請(qǐng)專利,并在 1991年 FIFPC 會(huì)議上發(fā)表相關(guān)的學(xué)術(shù)論文。本文分析了一種新型的倍流整流電路拓?fù)? 如果在通信電源中得到應(yīng)用, 可以提高大電 流輸出時(shí)副邊整流電路

18、的效率。l 全波整流和倍流整流傳統(tǒng)上,通信電源變壓器副邊整流電路大多采用圖 1(a所示帶中心抽頭的全波整流電 路, 該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單. 器件總數(shù)少, 二極管通態(tài)損耗小, 但是變壓器副邊繞組的利用率 較低。 隨著開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展, 通信電源要求更大的輸出電流和更小的輸出電壓紋波。 對(duì)低壓大電流輸出的變壓器而言, 中心抽頭不僅給變壓器的沒計(jì)和制造帶來很大困難, 而且 外部引線的安裝和焊接也很難處理。2O(AVO(AV9. 0U U U ='S LC S '21常用的倍流整流電路拓?fù)淙鐖D l(b所示, 與傳統(tǒng)的變壓器副邊帶中心抽頭的全波整流電 路相比, 倍流整流電路有以下優(yōu)點(diǎn)

19、:減小了變壓器副邊繞組的電流有效值; 變壓器利用率較 高, 無需中心抽頭, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單; 輸出電感紋波電流抵消可以減小輸出電壓紋波; 雙電感也更 適合于分布式功率耗散的要求。 與全波整流電路相比, 倍流整流器的高頻變壓器的副邊繞組僅需一個(gè)單一繞組, 不用中 心抽頭; 與全橋整流電路相比, 倍流整流電路使用的二極管數(shù)量少一半。 因此, 倍流整流電 路結(jié)合了全波整流電路和全橋整流電路兩者的優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)然, 倍流整流電路要多使用一個(gè)輸出 濾波電感, 結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜。 但此電感的工作頻率及輸送電流均為全波整流電路所用電感的一 半,因此可做得較小。2 工作原理倍流整流電路可以被看成是由傳統(tǒng)的全橋整流電路演變而

20、來。如圖 2所示,將圖 2(a中全橋整流電路中的兩個(gè)下方二極管用兩個(gè)電感取代, 即可獲得圖 2(b, 經(jīng)過整理后即可得 到如圖 2(c所示的倍流整流電路。實(shí)際上倍流整流電路也可以由全波整流電路通過拓?fù)渥儞Q得來。 在圖 3(a中, 輸出電感 與輸出電容和負(fù)載電阻串聯(lián), 而串聯(lián)連接的兀件可以互換位置, 因此將輸出電感換到輸出負(fù) 母線,可得圖 3(b;將變壓器的副邊繞組看成電壓源,而把輸出電感看成電流源,可得圖 3 (c;由虛線框內(nèi)三端口網(wǎng)絡(luò)的 Y/變換,可得圖 3(d;再將電流源恢復(fù)成輸出電感,將電 壓源恢復(fù)成變壓器的副邊繞組,可得圖 3(e所示的倍流整流電路。 倍流整流電路的原理圖如圖 4所示,

21、對(duì)中、大功率的通信電源而言,移相全橋電路是 較為常見的電路拓?fù)湫问? 在原邊電路處于續(xù)流狀態(tài)時(shí), 變壓器的原邊繞組和副邊繞組都被 短路。 因此倍流整流電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí), 每個(gè)開關(guān)周期有 4種工作模式。 為便于分析作如 F 假設(shè):高頻變壓器原副邊匝比為 n=N1/N2,忽略高頻變壓器原副邊漏感,所有器件均為理 想器件。可得關(guān)鍵波形如圖 5所示。 模式 lt0t1 變壓器副邊電壓 VT 為 VS ,電壓極性為正,兩個(gè)濾波電感的電流 IL1和 IL2極性都為正,二極管 D1正向偏置導(dǎo)通,而 D2反向截止。電感 L1的電流 IL1經(jīng)二極管 D1和輸出電容 C0續(xù)流,電感 L1上的電壓 VL1為一 Vo

22、 ,極性為負(fù),因此電流 IL1線性減小, 下降斜率由輸出電壓 Vo 和電感 L1的比值決定。 變壓器副邊電壓 VT 通過二極管 D1和輸出 電容 Co 加到電感 L2上,因此電感 L2上的電壓 VL2為 VS-Vo ,極性為正,電流 IL2線性 增加,上升斜率由變壓器副邊電壓與輸出電壓的差 VS 一 V0和電感 L2的比值決定。變壓 器的副邊電流 IT 等于 IL2,電流 I01為兩個(gè)濾波電感電流的和 IL1+IL2,由于輸出大電容 C o 的濾波作用,輸出電流 I0為 I01的直流分量。變壓器的副邊電流 IT 等于 IL2。模式 2t1t2 變壓器副邊電壓 VT 為 0,兩個(gè)濾波電感的電流

23、IL1和 IL2極性都為正, 二極管 D1和 D2均為正向偏置導(dǎo)通。 電感 L1的電流 IL1經(jīng)二極管 D1和輸出電容 Co 續(xù)流, 電感 L1上的電壓 VL1為一 Vo , 極性為負(fù), 因此電流 IL1線性減小, 下降斜率由輸出電壓 V o 和電感 L1的比值決定。電感 L2的電流 IL2經(jīng)二極管 D2和輸出電容 Vo 續(xù)流,電感 L2上的電壓 VL2為一 Vo ,極性為負(fù),因此電流 IL2線性減小,下降斜率由輸出電壓 Vo 和電 感 L2的比值決定。變壓器的副邊電流 IT 等于 O 。模式 3t2t3 變壓器副邊電壓 VT 為一 VS ,電壓極性為負(fù),兩個(gè)濾波電感的屯流 IL1和 IL2極

24、性都為正,二極管 D1反向截止,而 D2正向偏置導(dǎo)通。變壓器剮邊電壓 VT 通過 二極管 D2和輸出電容 Co 加到電感 L1上, 因此電感 L1上的電壓 VL1為 VS V0, 極性為 正,電流 IL1線性增加,上升斜率由變壓器副邊電壓與輸出電壓的差 VS 一 V0和電感 L1的比值決定。電感 L2的電流 IL2經(jīng)二極管 D2和輸出電容 Co 續(xù)流,電感 L2上的電壓 VL2為一 Vo ,極性為負(fù),因此電流 IL2線性減小,下降斜率由輸出電壓 Vo 和電感 L2的比值決 定。變壓器的副邊電流 IT 等于一 IL1。模式 4t3t4 與模式 2的工作狀態(tài)相同,變壓器副邊電壓 VT 為 O ,兩

25、個(gè)濾波電感的電 流 IL1和 IL2極性都為正, 二極管 D1和 D2均為正向偏置導(dǎo)通。 電感 L1的電流 IL1經(jīng)二極 管 D1和輸出電容 Co 續(xù)流,電感 L1上的電壓 VL1為一 Vo ,極性為負(fù),因此電流 IL1線性 減小,下降斜率由輸出電壓 Vo 和電感 L1的比值決定。電感 L2的電流 IL2經(jīng)二極管 D2和輸出電容 Co 續(xù)流, 電感 L2上的電壓 VL2為一 Vo , 極性為負(fù), 因此電流 IL2線性減小, 下 降斜率由輸出電壓 Vo 和電感 L2的比值決定。變壓器的副邊電流 IT 等于 0。由此可見. 倍流整流電路的變壓器副邊平均輸送電流僅為輸出負(fù)載電流的一半。 當(dāng)一個(gè) 電感在高頻變壓器副邊的電壓驅(qū)動(dòng)下通過副邊輸送一半負(fù)載電流時(shí), 另一個(gè)電感也輸送著相 對(duì)于輸出負(fù)載電流相同方向的另一半續(xù)流電流