第七章直流电源讲解

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电路图
半波整流
桥式整流
输出电压波形
输出直流电压Uo
输出电流的平均值
流过每个二极管的 电流平均值
每个二极管承受的 最大反向电压
电路特点
电路简单，但整流效 率低，脉动系数大，输出 波形不好。
电路元件多，但整流效率高，
脉动系数较小，输出直流电34压 较大。
第二节 滤波电路
从前面的分析整流电路中可以看出，无论是半波整 流电路，还是桥式整流电路，从负载上所获得的都是脉 动的直流信号，也就是说输出的电压有着非常大的交流 分量，为了减小这种脉动就需要滤波电路。
ID IO 0.45U 2 / RL
12
（2）脉动系数S 整流电路输出电压的脉动系数S定义为输出电压中
基波的最大值与输出电压的平均值之比。
单相半波整流电路输出电压：
uo 2U2 sin t 2k t 2k
0
2k t 2 2k
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（2）脉动系数S
常见的滤波电路： 电容滤波电路、电感滤波电路和π 型滤波电路
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一、电容滤波电路
1、电容滤波电路工作原理 以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明
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一、电容滤波电路
当变压器副边电压u2处于正半周上升阶段时，二极
管D1、D3导通，变压器给电容器C充电。此时电容器C相
当于并联在变压器输出端。所以此阶段RL两端电压uo的 波形与u2相同，都是正弦波，就形成om段波形。
滤波电路的作用：滤掉整流电路输出电压中的交流 成分，减小直流电压中包含的滤波分量，降低直流电源 电压的脉动成分。将整流电路输出的脉动的直流电压变 换为平滑的直流电压，也就是说通过滤波电路以后使输 出的交流分量更加小了。
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滤波的基本原理： 滤波电路利用电抗性元件（电容或电感）对交流、
直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C通交阻直，所以C 应该并联在负载两端。电感器L通直阻交，因此,L应与 负载串联。
以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明
利用储能元件电感器Ｌ的直流电阻很小，而交流阻抗
很大，故把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL串联后，直流分
量基本没有衰减，而交流分量分别降在电感和负载电阻上，
这样减小了负载电阻上的交流分量，因此降低了输出电压
的脉动系数，也起到滤波的作用。
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第三节 稳压电路
引起输出电压不稳定的原因： （1）电网电压的波动，会使输出电压发生变化。 （2）当负载电流变化时，在直流电源内阻上产生的电
第七章 直流电源
教学目的与要求： 1、掌握直流电源的结构。 2、掌握单相半波整流电路、单相桥式整流 电路的工作原理和主要参数。 3、了解滤波电路和稳压电路的工作原理。
1
干电池
直流电源
直流稳压电源
直流发电机
2
一、直流电源的结构
直流电源将交流电转换成直流电。 由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四 部分组成。
解： Uo 0.45U2 8.55v
Io Uo / R L 0.171A ID Io 0.171A
U RM 2U 2 27 v
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例题：为了安全，机床上常用36V直流电压供电的 白炽灯作为照明光源，假设变压器输出侧采用半波 整流电路,那么变压器输出侧电压有效值为多少？
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一、电容滤波电路
当变压器副边电压u2达到最大值m点处时，电
容器C的充电电压uC也达到最大值，uC等于
。
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在刚过最高峰m点时，u2按照正弦曲线规律下降，
而电容器C按照指数规律下降。它们下降的波形几乎 是一样的，所以可以认为，此时二极管导通，加在负 载两端的电压波形和副边电压波形就是一样的，也就 是mn段波形。
（k 1、2、3）
可见，桥式整流电路克服了半波整流电路只利用电 源半个周期的缺点，也是全波整流电路的一种。
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3、单相桥式整流电路
桥式整流电路的常见画法
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4、单相桥式整流电路的主要参数
（1）输出直流电压 Uo 输出直流电压定义为整流电路输出电压的平均值。
2U 2 sin t
uo
2k t 2k
单相半波整流电路输出 电压用付里叶级数展开为：
uo
2U 2

2U2 sin t 2 2U2 cos2t 2 2U2 cos4t.....
2
3
15
直流分量： 2U 2 /
交流谐波：直流分量以外各量
基波 2U2 sin t
2
周期更小的谐波项
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（2）脉动系数S
脉动系数S定义为输出电压中基波的最大值与输出 电压的平均值之比。是整流电路输出波形平滑程度的一 项指标。
压 u2 的最大值，即
U RM 2U 2
29
a
D4
u2
D1 D3
RL
D2 b
单相半波整流电路中流过二极管电流的平均值：
ID IO / 2 0.45U2 / RL
30
31
32
小结：
1、单相桥式整流电路采用了四只二极管组成 了电桥电路。 2、四只二极管每两只轮流工作，完成了对交 流电源的整流作用，输出为全波脉动电压。 3、桥式整流电路输出波形脉动较小，输出电 压高，对二极管的要求较低。 4、在实际应用中要注意二极管不能接反。
（k 1、2、3）

Uo 0
2U2 sin td(t)

2
2U2[-cost]0 2
2U 2

Uo 0.45U2
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（1）输出直流电压 Uo 0.45U2
单相半波整流电路中输出电流的平均值：
IO
Uo RL

0.45U 2 RL
单相半波整流电路中流过二极管电流的平均值：
- 2U2 sin t
2k t 2 2k
（k 1、2、3）
2

2
Uo
0
uod (t) 2
0
2U2 sin td(t) - 2U2 sin td(t) 2 2U2
2

Uo 0.9U2
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（1）输出直流电压 Uo
a
UO
22 π U2
桥式整流电路输出电压的脉动系数比半波整流电路
小得多，输出电压的质量得到了明显提高，而且输出
电压和电流的平均值也提高了一倍。
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（3）二极管最大反向峰值电压 URM 在整流电路中，当二极管不导通时，二极管两端承
受的最大反向电压。 反向电压超过了最大允许值，二极管就可能被击穿
而损坏。 单相桥式整流电路反向峰值电压就是变压器副边电
由于二极管导通角变小了，二极管在较短时间内
将产生一个很大的冲击电流，这就要求选用较大容量
的整流二极管。
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(4)电路的外特性欠佳
输出电压UO与输出电流IO之间的关系曲线
称为电路的外特性。 当负载电阻减小，即输出电流增大时，输
出电压迅速下降，因此电容滤波电路不适用于 负载电流变化较大的场合。
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二、电感滤波电路
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当u2超过n点时，u2正弦曲线下降的速率越来越快， 而uC按指数规律缓慢变化。在n点之后,u2 <uc。当刚超
过指数曲线起始放电速率时，二极管D1、D3承受反向
电压截止，电容对负载电阻放电。所以输出电压uo与 uc波形相同，按指数曲线规律下降，也就是nh段。
直到下一个半周电源电压大于电容电压时，二极
解：根据半波整流电路公式：Uo 0.45U2
得 U2 U0 / 0.45 36v / 0.45 80v
答：当变压器输出侧采用半波整流电路时,变 压器输出侧电压有效值80v。
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3、单相桥式整流电路
组成：由四只二极管接成电桥形式
电路图 u 1
D4
D1
u 2
D3
D2
u1 2U1 sin t u2 2U 2 sin t
D4
u2
D1 D3
RL
D2 b
单相桥式整流电路中输出电流的平均值：
IO 0.9U 2 / RL
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（2）脉动系数S
单相桥式整流电路输出电压：
uo 2U2 sin t 2k t 2k
- 2U2 sin t 2k t 2 2k
用付里叶级数表示为：
半波整流。
负载上得到的整流电压虽然是单方向的，但其大小
是变化的，即单向脉动电压。
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2、单相半波整流电路的主要参数
（1）输出直流电压U o
输出直流电压定义为整流电路输出电压的平均值。
单相半波整流电路输出电压：
uo 2U2 sin t 2k t 2k
0
2k t 2 2k
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（2）增大了输出直流电压 输出电压曲线包围的面积比没有滤波电容时的曲
线所包围的面积大了，说明输出电压的平均值增大了。
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（3）减小了整流二极管的导通角
在桥式整流电路中，每个二极管有半个周期处于
导通状态，二极管的导通角等于180度。电路加上滤波
电容后，只有当电容充电时，二极管才导通。所以每
只二极管导通角变小了。
5
复习：变压器
原边
副边
u1 2U1 sin t
u2 2U 2 sin t
6
二、整流电路
整流电路： 将变压器输出的交流电压转换成单方向变化的脉
动电压，即把交流电转换成脉动直流电。 整流电路原理：
利用理想二极管的单向导电性来完成整流的目的。
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复习：二极管
死区
导通区
反向 击穿 区
反向 截止 区
外加反向电压超过了二极管最大允许值，二极管 就可能被击穿而损坏。
半波整流电路反向峰值电压就是变压器副边电压 的最大值，即
U RM 2U 2
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例题：有一单相半波整流电路如下图所示，已知负载电 阻 RL 50 ，电源变压器副边电压有效值 U2 19v ， 试求 Uo、Io、ID、U RM
管导通，电容器再次被充电。
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2、电容滤波电路的特点
（1）输出电压的脉动程度 整流电路加上滤波电容后，当二极管导通时，
滤波电容将能量储存在电场中，然后在二极管截 止期间将储存的能量释放出来，使流过负载电阻 的电流没有因u2的迅速下降而变小，因而负载上 的电流和电压的波形比较平滑，减小了输出电压 脉动程度。
在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极
管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，
反向截止电阻为无穷大。
方式：半波整流、桥式整流
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1、单相半波整流电路
u2 2U 2 sin t
组成：由一个二极管串联
工作原理：当变压器副边电压处于正半周时，二极管导通
uo u2 2U2 sint
单相半波整流电路输出电压的脉动系数S：
s 2U2/2 1.57
2U2 /
半波整流电路的输出电压脉动程度很大，其基波峰 值约为输出电压平均值的1.57倍。
15
（3）二极管最大反向峰值电压 U RM
二极管最大反向峰值电压定义为在整流电路中，当 二极管不导通时，二极管两端承受的最大反向电压。
uo 2
2U2 4 2U2 cos2t 4 2U2 cos4t .....

3
15
直流分量：2 2U2/
交流谐波：直流分量以外各量 基波
周期更小的谐波项27
（2）脉动系数S
整流电路输出电压的脉动系数S定义为输出电压中 基波的最大值与输出电压的平均值之比。
42
S U O1M 3π U 2 0.67
+
R Байду номын сангаасo L -
19
3、单相桥式整流电路
u2 2U 2 sin t
当变压器副边电压处于正半周时，二极管D1、D3导通。
uo u2 2U2 sint （2k t 2k）
20
3、单相桥式整流电路
u2 2U 2 sin t u1
当变压器副边电压处于负半周时，二极管D2、D4导通。
当变压器副边电压处于负半周时，二极管截止
uo 0
9
1、单相半波整流电路
单相半波整流电路输出电压：
uo
2U2 sin t 2k t 2k
0
2k t 2 2k
（k 1、2、3）
可见，半波整流电路只在变压器副边电压为正半周
时才有电流通过负载，负半周无电流通过负载，故称为
uo -u2 - 2U2 sint（ 2k t 2 2k）
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3、单相桥式整流电路
a
+
D4
u2
D1 D3
RL uo
D2
b
_
u2
t
uo
t
22
3、单相桥式整流电路
单相桥式整流电路输出电压：
uo
2U2 sin t 2k t 2k
- 2U2 sin t 2k t 2 2k
3
一、直流电源的结构
1、变压器： 根据负载对电压的要求，提供适当的电压。 2、整流电路： 把变压器输出的交流电转换成脉动直流电。
4
一、直流电源的结构
3、滤波电路： 降低整流电路输出电压中的脉动成分，使输出电压成 为比较平滑的直流电压。 4、稳压电路： 使输出电压在电网电压、负载变化时，保持稳定。