第十章 直流電源

第十章直流電源10.1單相整流電路10.2濾波電路10.3倍壓電路10.4穩(wěn)壓電路10.5集成穩(wěn)壓電路10.6開關(guān)型穩(wěn)壓電路

有些設(shè)備需要用直流電源供電。獲得直流電源的方法很多，如采用干電池、蓄電池、直流電機等。但是經(jīng)濟實用的辦法是把交流電源變成直流電源，這是我們本章討論的重點。將交流變?yōu)橹绷鞯碾娐贩Q為直流電源，組成框圖如下：緒論：

負載電網(wǎng)電壓電源變壓器

整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電源的組成和功能整流電路的作用是利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，將正弦交變電壓u2變?yōu)閱畏较虻拿}動電壓u3。電源變壓器是將電網(wǎng)交流電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。濾波電路的作用是將濾除脈動電壓u3中的脈動成分，使其變成比較平滑的直流電壓u4。穩(wěn)壓電路的作用是保持輸出電壓uo在電網(wǎng)電壓波動或負載變化時保持穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的組成和功能

負載電網(wǎng)電壓tu1tuitu2tu3tu0電源變壓器

整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路10.1單相整流電路整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕瑢⒄摻惶孀兓恼医涣麟妷鹤儞Q為單方向的脈動電壓。在小功率直流電源中，經(jīng)常采用單相半波、單相全波和單相橋式整流電路。其中以單相橋式整流電路用得最為廣泛。

10.1.1單相半波整流電路電路組成如圖所示。設(shè)

1.電路的工作原理u1u2iDuDuoRLi0ab為了便于討論，我們假定二極管為理想二極管，即正向電阻為零，正向管壓降為零，反向電阻為無窮大；忽略變壓器內(nèi)阻，負載為純電阻。⑴當u2>0時，二極管導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降,則有⑵

當u2<0時，二極管截止，則有u1u2iDuDuoRLi0abTu2從以上的分析可以看出，在交流電壓的一個周期內(nèi)，二極管只在半個周期內(nèi)導(dǎo)通工作。另外半個周期截止不能工作。iDu1u2uDFuoRLioabT0在一個周期內(nèi)，電路各電壓與電流的波形如下圖所示。輸入波形：電流波形：輸出波形：二極管承受反向電壓波形：2.直流電壓Uo和直流電流Io

的計算我們可以看到，半波整流的輸出波形波動較大，每個半波中既含有直流，又含有交流成分。為此可以用脈動系數(shù)S來衡量輸出波形波動的大小。uiu2iDuDuoRLi0ab0

3.脈動系數(shù)S：定義為基波最大值Uo1m

與輸出直流電壓Uo

的比值。表達式為：4.整流元件（二極管）的選擇原則（1）所選二極管的最大整流電流IF大于二極管的工作電流ID，即：（2）所選二極管的最大反向工作電壓UR大于二極管所承受的最大反向峰值電壓URM，即10.1.2單相全波整流電路

為了降低單相半波整流電路的脈動系數(shù)，提高電源利用率，可以將兩個半波整流電路組合為一個全波整流電路以提高交流能量的利用率，且改善脈動系數(shù)。1.單相全波整流電路

VD1VD2u2u2u1RLUoB

利用電源變壓器的副邊中間抽頭和VD1、VD2

組成全波整流電路，使兩個二極管在交流的正負半周輪流導(dǎo)通，且使流過負載的電流為同一方向，故在交流的正負半周負載上均有電壓。i

D1⑴在

u2正半周時，u2極性為上正下負，二極管VD1導(dǎo)通，二極管VD2截止，則有⑵在u2正半周時

，u2極性為上負下正，二極管VD2導(dǎo)通，二極管VD1截止，則有iD2VD1VD2u2u1RLuoBu2VD1VD2u2u1RLuoBu20u2ωt0iD1ωt0iD2ωt0ioωt副邊電壓VD1導(dǎo)通時電流波形VD2導(dǎo)通時電流波形負載上電流波形0ioωt0uoωt負載上電流波形負載上電壓波形二極管反向截止承受的電壓0uD1ωtuD2-2u2m2.直流電壓UO和直流電流IO的計算

由輸出波形可看出,全波整流輸出波形是半波整流時的兩倍,所以輸出直流電壓也為半波時的兩倍,即

3.脈動系數(shù)S

求得基波最大值為0uoωt4.選管原則

選擇管子時要求:

（1）由于VD1、VD2輪流導(dǎo)電,故流過每個管子的平均電流為輸出平均電流的一半,即

（2）全波整流電路每管承受的反向峰值電壓URM為u2的峰值電壓的兩倍,即所選二極管的最大反向工作電壓UR選管時應(yīng)滿足:(10-12)10.1.3單相橋式整流

為了克服單相全波整流的缺點，常采用單相橋式整流電路。這種整流電路只需要一個副邊繞組同樣可以達到全波整流的目的。單相橋整流電路圖常見的幾種畫法。(a)u2(b)(c)

D4D1D2D3RLBYQu1u2u0在正半周，VD1、VD3導(dǎo)通，VD2、VD4截止。電流方向如圖所示。流過負載的電流方向為自上而下，在負載上產(chǎn)生的電壓為上正下負，如圖所示。

下面我們以（a）圖為例，分析一下橋式整流電路的工作原理以及電路有關(guān)的計算。1.電路的工作原理D4D1D2D3RLBYQu1u2u0在負半周，VD1、VD3截止，VD2、VD4導(dǎo)通。電流流動方向如圖所示。流過負載的電流方向為至上而下，負載上得到的電壓仍為上正下負，如圖所示。ωtio0ωtuo0ωtudf0ωtu20ωtiD10iD3ωtiD20iD4uD4,uD2uD3,uD12.直流電壓UO和直流電流IO的計算

3.脈動系數(shù)SS=0.674.選管原則

從以上三種整流電路的分析可以看出需要直流供電的負載得到的是脈動的直流電壓和電流，它們含有交流成分，輸出波形與理想的直流相差甚大，為了改變這種狀況，我們可以在整流電路后加濾波電路，使輸出波形變得更平滑一些，趨于理想的直流。10.2濾波電路

濾波電路的作用：就是濾掉整流電路中輸出電壓的脈動成分，使輸出電壓變得平滑一些，更接近理想的直流。常用的濾波電路是由R、L、C這些元件組成不同形式的濾波電路。顯然，以上的三種元件中，R是耗能元件，而L、C是儲能元件。從阻抗的角度看：電容C對直流：

對交流：所以電容元件具有通交流，隔直流作用。所以電感元件具有隔交流，通直流的作用。電感

L對直流：對交流：常見的濾波電路有以下三種形式：電容濾波電路；電感濾波電路；復(fù)式濾波電路。鑒于L、C元件以上的特點，在使用中，電感元件一般串接在電路中使用，電容元件并聯(lián)在電路中。1.電路組成及工作原理

在整流電路的輸出端并接一個帶極性的電解電容器即構(gòu)成了電容濾波電路。圖示電路為空載時的原理圖。輸出端開路10.2.1電容濾波電路電容濾波電路空載時的原理圖CuOVD4VD1VD3VD2BYQu1u2（1）空載時的情況分析

u2uCωt0空載時電容濾波電路輸出波形電容充電充電結(jié)束沒有電容時的輸出波形uo的波形電容器因為無放電回路，故電容電壓uC將維持不變。CuOVD4VD1VD3VD2BYQu1u2（2）帶電阻負載時的情況之后u2下降,由于電容電壓不能突變，VD1～VD4均反向偏置，故電容C通過RL放電。由于RL較大，故放電時間常數(shù)RLC較大。

當t=0時電源接通，u2在正半周通過VD1、VD2對電容充電。由于等效電阻小，故這一段時間uo=u2，當t=t1時，

,電容電壓也達到最大值。iD0ωtt1t2t3t4t5t6t7t8t9u2ωt充電放電CuOVD4VD1VD3VD2BYQu1u2uoωtuoωtiD0ωtt1t2t3t4t5t6t7t8t9u2ωt

放電過程直至下一個周期u2上升到和電容上電壓uC相等的t2時刻，u2通過VD3、VD4對C充電，直至t=t3，二極管又截止，電容再次放電。如此循環(huán),形成周期性的電容器充放電過程。但是負載上得到的確是近似理想直流的電壓與電流。充電放電CuOVD4VD1VD3VD2BYQu1u2根據(jù)以上分析，得到電容濾波器的如下特點：

(1)電容濾波以后,輸出直流電壓提高了,同時輸出電壓Uo的脈動成分也降低了，而且輸出直流電壓與放電時間常數(shù)有關(guān)。（設(shè)電源電壓的周期T)RLC大RLC小uoωt充電放電S=0由此可見，應(yīng)選擇大容量的電容作為濾波電容。這里因為要求負載電阻RL也要大，所以,電容濾波適用于大負載場合下運用。RLC變化對電容濾波的影響S≈0.670<S<0.672.電容濾波電路的輸出電壓隨輸出電流而變化iD0ωtt1t2t3t4t5t6t7t8t9(若考慮內(nèi)阻,則UO值將下降)

3.電容濾波電路中整流二極管的導(dǎo)電時間縮短了,導(dǎo)通角小于180°,且電容放電時間常數(shù)愈大，則導(dǎo)電角愈小。UOIO00.9U2內(nèi)阻=0內(nèi)阻≠0電容濾波電路外特性4.電容濾波電路容量的估算由以上分析可見，電容濾波電路具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的特點，但是當要求輸出電壓的脈動成分非常小時，則要求電容器的容量很大，這樣不僅不經(jīng)濟，是、甚至不可能。另外當要求輸出動力較大或輸出電流變化較大時，電容濾波電路也不使用。此時應(yīng)考慮其它形式的濾波電路。LC型濾波電路：在電感濾波后面再接一電容。RC–

型濾波電路：在電容濾波后再接一級RC濾波電路。LC–

型濾波電路：在電容濾波后面再接LC濾波電路。10.2.2其它型式的濾波電路1、RC–

型濾波電路Ruou2u1C1C2RL我們主要討論uo的脈動系數(shù)S與uo1的脈動系數(shù)S′的關(guān)系。uo交流基波分量的電壓的幅值：uo的直流分量：RuoC1C2RLuo的交流分量的基波的幅值模量：設(shè)uo1的直流分量為,交流分量的基波的幅值為，則：uo的脈動系數(shù)S與uo1的脈動系數(shù)S′的關(guān)系：直流電流：直流電壓:通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：通常情況下，，所以S<S′。u2u1LuoC2RLuo1C1顯然，LC–

型濾波電路輸出電壓的脈動系數(shù)比只有C濾波時更小，波形更加平滑。2、LC–

型濾波電路直流電壓:直流電流：脈動系數(shù)：為C1兩端電壓的脈動系數(shù)。u2u1LuoCRLuo12、LC型濾波電路設(shè)uo1的直流分量為,交流分量的基波的幅值為，則：通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：uo的脈動系數(shù)S與uo1的脈動系數(shù)S′的關(guān)系：通常情況下，，所以S<S′。u1u2uoC1C2vD1vD2abT10.3倍壓整流電路為了得到較高的直流電壓，在前面介紹的各種整流電路中就必須提高變壓器的副邊電壓u2

，但是變壓器的體積將增大，重量增加，其次二極管和濾波電容的耐壓也要提高，這是我們所不希望的。為了滿足某些需要高電壓小電流的負載，可以采用倍壓整流電路。10.3.1二倍壓整流電路u2的正半周時：VD1導(dǎo)通，VD2截止，理想情況下，電容C1的電壓充到：負載上的電壓：u2的負半周時：此時加在C2的電壓為VD2導(dǎo)通，VD1截止，理想情況下，電容C2的電壓充到：。當變壓器副邊電壓進入第二周期正半周時，VD1

導(dǎo)通，VD2截止。C1又被充電，在副半周VD1截止，VD2導(dǎo)通，C2又被充電到。u1u2uoC1C2vD1vD2abTRL二倍壓整流電路的計算我們可以得到n倍壓的整流電路如下圖所示。

10.3.2多倍壓整流電路的工作原理u2的第一個正半周：u2、VD1、C1構(gòu)成回路，C1充電到u2的第一個負半周：u2、C1、VD2、

C2

構(gòu)成回路，C2充電到。u2的第二個正半周：u2、C2、VD3、C3、C1構(gòu)成回路，C1補充電荷，C3充電到：u2的第二個負半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1構(gòu)成回路，C2補充電荷，C4充電到。u1au2C1C2VD1VD2bVD3C3C5C4C6VD5VD4VD6Tu1au2C1C2VD1VD2bVD3C3C5C4C6VD5VD4VD6T

把濾波電容C接在相應(yīng)電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出。RLC交流電經(jīng)過整流濾波后，可得平滑的直流電壓，但當交流電網(wǎng)電壓波動或者負載變化時，整流濾波電路的輸出電壓也隨之而變，這對某些需要穩(wěn)定直流供電的設(shè)備是不合適的，為此需要再加穩(wěn)壓電路，以使輸出電壓在上述情況下能基本保持不變。10.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設(shè)備)線性穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓。效率較高，目前用的也比較多。帶負載能力強，效率較低。下圖是由硅穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路，圖中電阻R是限流電阻，穩(wěn)壓管VDZ

必須與負載并聯(lián)。電路圖總共包括了整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路。u1u2CU0RRLVDZZLBUI10.4.1穩(wěn)壓電路的主要指標

1.穩(wěn)壓系數(shù)Sr

穩(wěn)壓系數(shù)是在負載固定不變的前提下,輸出電壓的相對變化量ΔUO/UO與穩(wěn)壓電路輸入電壓的相對變化量ΔUI/UI之比,即

該指標反映了電網(wǎng)波動對輸出電壓的影響。此處穩(wěn)壓電路輸入電壓UI就是整流濾波以后的直流電壓。

2.穩(wěn)壓電路的輸出電阻rO

輸出電阻可以衡量穩(wěn)壓電路受負載電阻的影響程度,即

RRLVDZ+UIUo+IRIZIo10.4.2硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

1.穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓過程：

(1)輸入電壓UI保持不變,負載電阻RL變化。RRLVDZ+UIUo+IRIZIo10.4.2硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

1.穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓過程：(2)負載電阻RL不變,電網(wǎng)電壓變化。ΔUIRLRrzΔUo指標計算

(1)穩(wěn)壓系數(shù)。當R>>rz時

(2)輸出電阻rO。ΔIΔUIminImax0IU3.穩(wěn)壓管的作用及限流電阻R的選擇穩(wěn)壓管與限流電阻組成了穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓管應(yīng)與負載并聯(lián)。要求穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，且保證它工作在允許的電流變化范圍內(nèi)。則撤消反向電壓后，穩(wěn)壓管仍可以恢復(fù)原態(tài)，并不損壞。穩(wěn)壓管反向擊穿后，只要通過穩(wěn)壓管的電流Iz處于maxZZminZIII<<當時，不起穩(wěn)壓作用時，當穩(wěn)壓管可能因過熱擊穿而損壞。從穩(wěn)壓管的特性曲線上可以看到，只要保證穩(wěn)壓管的電流在范圍內(nèi)，在電流較大變化范圍內(nèi)，電壓的變化范圍較小，起到了穩(wěn)定電壓的作用。為了保證輸出電壓穩(wěn)定，應(yīng)使流過穩(wěn)壓管的電流范圍為：限流電阻的選擇計算當電網(wǎng)電壓波動時，整流濾波輸出電壓UI變化的范圍應(yīng)為：負載變化時，負載電流應(yīng)在最大值和最小值之間，即：

(1)當電網(wǎng)電壓最高，即為UImax，且負載電流最小為時,流過穩(wěn)壓管的電流最大，其值不應(yīng)超過Iz

max，即

(2)當電網(wǎng)電壓最低，即為UImin，且負載電流最大為時,流過穩(wěn)壓管的電流最小,其值不應(yīng)低于允許的最小值,即10.4.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖10–16串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理框圖基準電壓比較放大取樣網(wǎng)絡(luò)過載短路保護輔助電源U0C1C2UIURFU0I0V調(diào)整元件串聯(lián)型穩(wěn)壓電源通常由調(diào)整元件、基準電壓、取樣網(wǎng)絡(luò)、比較放大環(huán)節(jié)以及過載或短路保護、輔助電源等部分組成。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的幾種接線形式:RCVDZRZR2R1RWRLV1V2FU0U0UIURI01.三極管組成的比較取樣環(huán)節(jié)的接線形式輸出電壓滿足下式:RCVDZRZR2R1RWRLV3V2FU0U0UIREI0URV12.差動放大器組成的比較取樣環(huán)節(jié)的接線形式輸出電壓滿足下式:FU0RCVDZRZR2R1RWRLV1U0UII0UR∞3.運算放大器組成的比較取樣環(huán)節(jié)的接線形式輸出電壓滿足下式:RCVDZRZR2R1RWRLV1V2FU0U0UIURI0以下圖為例，分析它的工作過程：

V1

管是調(diào)整元件是核心部分，組成的是射極輸出器，負載電阻作為射極電阻，而整流濾波輸出電壓作為電源。輸出電壓：U0=UI

－UCE1

。

R1

；R2；RW

組成取樣網(wǎng)絡(luò)，RZ及穩(wěn)壓管VDZ組成基準電壓，V2和RC組成比較放大環(huán)節(jié)。RCVDZRZR2R1RWRLV1V2FU0U0UIURI0圖10–18具有輔助電源的穩(wěn)壓電路2.帶輔助電源的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路：1.輸出電壓UO的計算及調(diào)節(jié)范圍輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍受取樣環(huán)節(jié)中的電位器中間頭位置的影響，當其滑到最上端時，輸出電壓最小?；阶钕露?，電壓最大。2.最大負載電流額定值的估算IB1IC3當負載電流增大時，要求IB1也相應(yīng)增大，為保持IR不變，V3的IC3應(yīng)相應(yīng)減小，而IC3的減小是有限度的，當IC3≈0時，V3已無法再起調(diào)節(jié)作用，當IC3=0時，I0=I0max，故IB1IC3因為：所以3.調(diào)整管的考慮(1)對ICM的考慮。調(diào)整管中流過的最大集電極電流為(2)對PCM的考慮。調(diào)整管可能承受的最大集電極功耗為選管時要求：I′…為取樣、比較放大環(huán)節(jié)所消耗的電流(3)對擊穿電壓BUCE的考慮。當輸出短路時,輸入最大電壓UImax,全加在調(diào)整管c、e間，所以(4)采用復(fù)合調(diào)整管：【例2】在圖10-18中VDz1穩(wěn)壓電壓UDz1=UR=7V,采樣電阻RA=1kΩ,RB=680Ω,RW=200Ω,試估算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。解:10.5集成穩(wěn)壓電路10.5.1基本應(yīng)用電路圖10–20W78系列基本應(yīng)用電路10.5.2擴大輸出電流的電路圖10–21擴大輸出電流的電路10.5.3擴大輸出電壓的電路圖10–22擴大輸出電壓的電路圖中R1上的電壓為W78的標稱輸出電壓U××，輸出端對地的電壓為式中IQ為W78的靜態(tài)工作電流,通常IQR2較小，輸出電壓近似為：圖10–23輸出電壓可調(diào)電路10.5.4輸出電壓可調(diào)的電路10.6開關(guān)穩(wěn)壓電路10.6.1串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源是最常用的開關(guān)穩(wěn)壓電源。圖a為串聯(lián)它激式單端降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源的方框圖。1.電路組成2.工作原理和穩(wěn)壓過程圖10–26UO變化引起占空比D變化的自動穩(wěn)壓過程

(1)正常情況下,輸出電壓UO恒定不變,即為該穩(wěn)壓器的標稱值,此時UF與UR應(yīng)相等,uO1=0,A2比