模拟电子技术基础第10章 直流稳压电源

滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利 用其对电压、电流的储能特性达到滤波的目的。
25
一、电容滤波电路
电容滤波电路是使用最多也是最简单的滤波电路。
其结构为在整流电路的输出端并联一较大容量的电解 电容，利用电容对电压的充放电作用使输出电压趋于 平滑。该形式电路多用于小功率电源电路中。
1．电容滤波原理
uD2
uD2 = 2u2
12
主要参数：
输出T电a压平均D值1 Uo(AV)；输出电流平均值Io(AV)
u1
u2 io RL
uo
t
u2 uo
0 2
b
( ) UO(AV)
1
D 2
0 uo d t
2
2U2
0. 9 U2
1
0 2U2 sin t d (t)
Io(AV)= Uo /RL =0.9 U2 / RL
整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。
滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4
稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电 压uo的稳定。
4
10-1 单相整流电路
整流电路的任务： 把交流电压转变为直流脉动的电压。
整流电路分类：
单相
半波 桥式
二极管
三相
全波 倍压整流 可控硅
(c) 二极管承受的最高反向电压：URM 2U2
(d) 滤波电容应选用耐压>1.1 2U 2 的电解电容。
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由UO(AV)的表达式可看出，C越大， UO(AV)也越 大，IO(AV)也会增大，而整流管的通电时间却越短， 整流管的导通电流加大，如果C太大则初始充电时 间要长，整流管中通过的冲击电流时间加长，长时 间会影响整流管使用寿命。所以一般选择整流管时
u2
RL uo
uo 15
u2正半周时电流通路
+
T
u1
D3
u2
D1
RL
D4
uo
D2
–
D1 、D4导通， D2、D3截止
16
u2负半周时电流通路
T-
u1
D3
u2
D1
D4
D2
+
RL
u0
D2、D3 导通， D1 、D4截止
17
单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形
a
D3
RL
u2
D1 D4
uo
D2 b
几种常见的硅整流桥外形： u2 –
+ uo
+ ~~ -
~+~-
+AC-
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整流电路的主要参数：
(1)整流输出电压的平均值
负载电压 Uo(AV)的平均值为:
( ) UO(AV)
1 2π
2π
0 uod
t
uo
0
2
t
22
U2
0.9U2
负载上的(平均)电流:
IO(AV)
Uo RL
0.9U 2 RL
本课主要介绍：
单相半波整流，单相全波整流，单相桥式整流
为分析方便，假设所用元件为理想元件。 5
1.单相半波整流电路
以单相半波整流电路为例说明整流电路的
工作原理。
设变压器附边输出电压有效值为U2。
+ –
u2 2U2si nt
Ta
D
当u2 >0 时:
u1
+ u2 io RL
二极管导通，uo=u2 uo 当u2<0时:
将交流电源通过变压、整流、滤波、稳压后 变为幅值稳定、电流稳定的直流电的设备称为直 流稳压电源。
输入电压为单相220V，输出电流在10A以下， 调整管工作在线性工作区的稳压电源称为小功率 线性直流稳压电源。
3
u1
整 u2 流 u3
滤 波 u4
稳 压 uo
电
电
电
路
路
路
电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。
4R LC1 T
实际uo的波动没有近似波形误差大，故实际S比 计算值要小。
34
(a) 输出电压 平均值Uo与时间常数 RLC 有关 RLC 愈大 电容器放电愈慢 Uo(平均值)愈大
一般取 R L C(3~5)T 2(1.5~2.5)T
近似估算: Uo(AV)≈1.2U2
(b) 流过二极管瞬时电流很大 RLC 越大 Uo越高负载电流的平均值越大 ; 整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大
20
uo
(2). 脉动系数Ｓ
t
0 2
S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值 之比。S越小越好。
用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得:
u o 2 U 2 (2 3 4 c2 o t 1 s 4c 5 4 o t 3 s 4c 5 6 o t ) s
基波
基波峰值
4 2U2 S Uo1M 3π 2 0.67
– b
二极管截止, uo=0
6
单相半波整流电压波形 u2
uD
Ta
D
0
2
3
t 4
uo
u1
u2
RL uo
b
uD
工作效率为50%。
7
主要参数：
uD
Ta
D
io uo
u1
u2
RL uo
t
0 2
b 输出电压平均值（Uo(AV)）,输出电流平均值（Io(AV) )：
UO(AV )21 02u0d(t)21 [0u0d(t)2u0d(t)] 21 [0 2U2si ntd(t)] 2 U20.4U 52
模拟电子技术基础第10章 直流稳压 电源
本章内容：
教学时数：6学时 重点与难点： 1、直流电源的组成 2、整流电路的结构、原理及性能指标 3、滤波电路的工作原理及性能指标 4、串联稳压电路的工作原理 5、开关稳压电路
2
10.1 直流电源的组成及各部分的作用
在工业生产和日常生活中，许多电气设备和 家用电器中，通常需要电压电流稳定的直流电源 供电，而电网提供的通常为单相220伏或三相 380伏的交流电源；
u2
u2>0 时
u2<0 时
D1,D4导通 D2,D3截止 电流通路:
D2,D3导通 D1,D4截止 电流通路:
a D1 b D2 RLD4b RLD4a
整流输出电压平均值：
uo
uD2,uD3 uD1,uD4
t
Uo=0.9U2
t 负载电流平均值:
t Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL
二极管最大反向电压：UDRM 2U二2 极管平均电流：ID=1Io8/2
当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压:
Uo(AV)≈0.9U2
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三、其他形式的滤波电路
改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如： RC– 型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤
波电路。 L-C 型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。 LC – 型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C 型
滤波电路。
性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。
uc
波形
电容充电
τc=RintC
（Rint为充电回 路等效电阻）
t 27
u1 u1
D4
u2
D1
D3
C
S uo
D2
RL
b
当RL接入时（假设RL是u2在从0上升时接入的）： u2
uo
t
加入滤波电容
时的波形
无滤波电容
t
时的波2形8
uo
t
u2下降， u2小于电容上的电压。 二极管承受反向电压而截止。
u2上升, u2大于电容 上的电压uc,u2对电容充电，
Uo 2 2U2 3
π
输出电压平均值 21
(3)二极管平均电流与反向峰值电压
平均电流(ID)与反向峰值电压(UDRM)是选择整流管 的主要依据。
在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，
流过每只整流二极管的平均电流 ID 是负载平均电流 的一半。
ID
1 2
Io
（选购时：二极管额定电流 1.1ID)
Io(AV)= Uo(AV) /RL =0.45 U2 / RL
8
二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：
uD
Ta
D
io uD
u1
u2
RL
uo
0
2
t
b
UDRM
二极管上的平均电流： ID = IO
承受的最高反向电压: UDRM= 2U2
应用时选择反向耐压≥1.1UDRM的整流二极管。
9
脉动系数S：输出电压的基波峰值UO1M与平均电压 UO(AV)之比。
39
１. RC – 型滤波器
改善滤波特性的方法：采取多级滤波
RC – 型滤波器
R
u1
u2
uo1´
C1
C2
RL uo
40
u1
u2
R
uo1´
C1
C2
RL uo
uo的交流分量的基波的幅值：
U o1mRR L R /L//(/j X (jC X 2C )2)U 'o1m 1
Uo1m
RL RRL
C2
(R//RL)2
二极管截止时两端承受的最大反向电压：
URM 2U2 （选购时：最大反向电压 1.1URM)
22
自行分析输出双极性电压单相桥式整流 电路和三相桥式整流电路工作原理。
23
24
10.3 滤波电路
交流 整流
脉动
滤波 直流
电压
直流电压
电压
经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分， 但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分， 使其更接近于直流。
初始斜率线性下降，经过
τ=RLC放电结束交于横轴；
并令在
T 2
（T为正弦波周
期）处为电容充放电转换时的电压值Uomin。
则：
UO(AV) UOma2xUOmin
32
由相似三角形关系可得：
T
UOmaxUOmin 2
UOmax
RLC
UOma2xUOmin4TR LCUOma
则： UO(AV) UOma2xUOminUOmaxUOma2xUOmin
电容C通过RL放电， uc按指数
规律下降，时间常数 = RL C
uo= uc u2
29
u1 u1
D4
u2
D1
D3
C
D2 b
u2
只有整流电路输出 电压大于uc时，才 有充电电流。因此 二极管中的电流是 uo 脉冲波。
S uo
RL
t
二极管中的 电流
t 30
u1 u1
D4 u2
D1
S
D3
C
D2
RL
b
RL接入（且RLC较大）时
( 1 )2
C2
Uo'1m
41
1
Uo1m
RL RRL
C2
(R//RL)2
( 1 )2
C2
Uo'1m
通常选择滤波元件的参数使得：
1
C2
(R//RL)
U o1mRR L R L
1 C 2(R//R L)Uo1m '
uo的脉动系数S与uo1的脉动ห้องสมุดไป่ตู้数S´的关系：
S U o 1 m 1 U o 1 m ' 1 S' U o C 2 (R /R /L )U o ' C 2 (R /R /L )42
UOma(x14R TLC)
即： UO(A V) 2U2(14TR LC)
Io(AV)= Uo(AV)/RL
33
脉动系数S： 采用近似波形计算。
以（Uomax－Uomin）为基波峰-峰值，则 UOma2xUOmin4TR LCUOmax
S 4TR LCUOmax
T
1
UOm(a1x4TR LC)
4R LCT
ID(AV)＞（2~3） IO(AV) 。
改变RLC会对UO(AV)和S有影响，将UO(AV)和IO(AV) 的关系曲线称为输出特性，将S和IO(AV)的关系曲线 称为滤波特性，如果RLC越小，UO(AV)越低，则S 越大，而加大C可使滤波效果和负载能力增强，但 C不能无限增大。
所以电容滤波形式电路一般适用于输出电流较 小且负载变化不大的场合。
a
以单向
桥式整流电 u1 u1 容滤波为例
进行分析，
其电路如图
D4
u2
D1
S
D3
C
D2
RL
uo
所示。
b
桥式整流电容滤波电路
26
a
u1 u1
D4
u2
D1
D3
C
S uo
D2
RL
b
当RL未接入时(电容初始电压为0)： u2
uo =uc= 2 U2
设t1时刻接 通电源 整流电路为
t1
uo
充电结束
没时有的t电输容出
u2 电容充电时，
电容电压滞后
于u2。
RLC越小，输
uo
出电压越低。
uo
t t 31
2．电容滤波的主要参数
因为滤波的过程中含有正弦波、指数曲线及谐
波成分，一般很难用精确的数学表达式进行计算， 所以一般使用中多采用近似估算来确定其参数。
输出电压可以近似看成 锯齿波，如图所示。
设uc每次充电到峰值
Uomax= 2 U2后按RLC放电的
+
u–2 io RL
变压器副边中心抽头， 感应出两个相等的电压u2
+u2 uo
–
b
当u2正半周时， D1导 通，D2截止。
D2
当u2负半周时， D2导
通，D1截止。
11
单相全波整流电压波形
Ta
D1
u2
u1
+
u2– io RL+
0
2
3
t 4
u2+ uo
uo
–
b D2
uD1
忽略二极管正向压降
0 ~ ：
13
二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：
Ta
D1
u1
u2 io RL u2 uo
二极管上的平均电流：
ID
1I 2
o
b D2
uD
二极管承受的最高反向电压：
t
0 2
U DRM 2 2U2
14
3. 单相桥式整流电路
组成：由四个二极管组成桥路
T
u1
D3
u2
D1
D4
D2
D1 D2 u2
D3 D4
RL uo
36
二、电感滤波电路
电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L 就构成了电感滤波电路。 L
u1
u2
RL
uo
37
电感滤波原理
u1
u2
L
RL
uo
对直流分量: XL=0 相当于短路,电压大部分降在RL上 对谐波分量: f 越高，XL 越大,电压大部分降在XL上。
因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。
U O1 M 1 2 2 2 U 2 co tc so td (st2 )U 2 2
U2
S UO1M 2 1.57
UO( AV)
2
U2
2
纹波系数Kγ：输出电压交流分量有效值与输出电压 平均值之比。
K
UO U O( AV )
10
2.单相全波整流电路
Ta
D1
原理：
+ – + –
u1