直流稳压电源教学教案

主要内容:
小功率整流滤波电路
基本要求:
1、掌握直流稳压电源的构成及作用
2、掌握几种桥式整流、滤波电路的参数和波形分析
教学要点：
重点介绍单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算。
讲义摘要：
10.1 单相整流电路
一、引言
整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。
    滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。
    稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。
直流电源的方框图如图10.1.1所示。

如图10.1.1
二、单相桥式整流电路
1.工作原理
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图10.1.2所示。

图10.1.2单相桥式整流电路
（a）整流电路                         (b)波形图
在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图10.1.2(a)的电路图可知：
当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。
    当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。
    在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图10.1.2(b)。
2.参数计算
根据图10.1.2（b）可知，输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。

输出平均电压为
 
流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S。

3.单相桥式整流电路的负载特性曲线
单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线           该曲线如图10.1.3所示。曲线的斜率代表了整流电路的内阻。
 图10.1.3  负载特性曲线
三、单相半波整流电路
单相整流电路除桥式整流电路外，还有单相半波和全波两种形式。单相半波整流电路如图10.1.4(a)所示，波形图如图10.1.4(b)所示。

图10.1.4  单相半波整流电路
 (a)电路图                  (b)波形图
根据图10.1.4可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为

流过负载和二极管的平均电流为
 
四、单相全波整流电路
单相全波整流电路如图10.1.5(a)所示，波形图如图10.1.5(b)所示。

图10.1.5   单相全波整流电路
    (a)电路图                     (b)波形图
根据图10.1.5（b）可知，全波整流电路的输出，与桥式整流电路的输出相同。输出平均电压为

单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同。

单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。
注意：整流电路中的二极管是作为开关运用的。整流电路既有交流量，又有直流量，通常对:
输入（交流）—用有效值或最大值；
输出（交直流）—用平均值；
整流管正向电流—用平均值；
整流管反向电压—用最大值。
10.2 滤波电路
一、电容滤波电路
 1. 电容滤波电路
1)滤波的基本概念
     滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
 2）电容滤波电路
     现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如图15.06所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。

图10.2.1  单相桥式电容滤波整流电路

  3)滤波原理
      若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。
             
图10.2.1   桥式整流、电容滤波
时的电压、电流波形

当v2到达90°时，v2开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90°时二极管仍然导通。在超过90°后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。
所以，在t1到t2时刻，二极管导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见上图10.2.1。

图10.2.2  RLC不同时VO的波形

需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t2点要左移，
二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图10.2.2滤波曲线中的2。反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。
4)电容滤波的计算
    电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：
    一种是用锯齿波近似表示，即
   另一种是在RLC=(3~5)T/ 2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足wRLC≥6~10。）
5）外特性
整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流 IO的变化关系曲线如图10.2.3所示。
          
图10.2.3 纯电阻和电容滤波电路的输出特性

二、电感滤波电路
利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。电感滤波电路如图10.2.3所示。电感滤波的波形图如图10.2.4所示。

图10.2.3  电感滤波电路               图10.2.4  电感滤波的波形图
当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，
电感中的电流将经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的
连续性，四个二极管D1、D3 ； D2、D4的导通角都是180°。