电子电路基本原理.ppt

模拟电子技术基础模拟电子技术基础安徽理工大学电气工程系安徽理工大学电气工程系主讲主讲 ：黄友锐：黄友锐第十八讲第十八讲15.1 单相整流电路15.2 滤波电路 电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。本章讨论如何把交流电源变换为直仪器设备中。本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源，一般直流电源由如下部分组成：流稳压电源，一般直流电源由如下部分组成：电源的方框图如图电源的方框图如图15.01所示。所示。整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分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。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。进一步稳定直流电压。15.1.1 单相桥式整流电路15.1.2 单相半波整流电路15.1.3 单相全波整流电路15.1 单相整流电路15.1.1 15.1.1 单相桥式整流电路单相桥式整流电路(1)(1)工作原理工作原理 单单单单相相相相桥桥桥桥式式式式整整整整流流流流电电电电路路路路是是是是最最最最基基基基本本本本的的的的将将将将交交交交流流流流转转转转换换换换为为为为直直直直流流流流的的的的电电电电路路路路，其其其其电电电电路路路路如如如如图图图图15.0215.02（a a）所示。所示。所示。所示。（a）桥式整流电路）桥式整流电路 （b）波形图）波形图图图15.02 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 在在在在分分分分析析析析整整整整流流流流电电电电路路路路工工工工作作作作原原原原理理理理时时时时，整整整整流流流流电电电电路路路路 中中中中的的的的二二二二极极极极管管管管是是是是作作作作为为为为开开开开关关关关运运运运用用用用，具具具具有有有有单单单单向向向向导导导导电电电电性。性。性。性。根据图根据图根据图根据图15.02(a)15.02(a)的电路图可知：的电路图可知：的电路图可知：的电路图可知：当正半周时二极管当正半周时二极管D1、D3导通，在负载导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时二极管当负半周时二极管D2、D4导通，在负载导通，在负载电阻上得到正弦波仍是正半周。单相桥式整电阻上得到正弦波仍是正半周。单相桥式整流电路的波形图见图流电路的波形图见图15.02(b)。（动画15-1）（动画15-2）(动画15-8exe）根根根根据据据据图图图图15.0215.02（b b）可可可可知知知知，输输输输出出出出电电电电压压压压是是是是单单单单相相相相脉脉脉脉动动动动电电电电压压压压。通常用它的平均值与直流电压等效。通常用它的平均值与直流电压等效。通常用它的平均值与直流电压等效。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压输出平均电压输出平均电压输出平均电压为：为：为：为：（2 2）参数计算）参数计算 流过负载的平均电流为流过二极管的流过二极管的平均电流平均电流为为二极管所承受的二极管所承受的最大反向电压最大反向电压 流流流流过过过过负负负负载载载载的的的的脉脉脉脉动动动动电电电电压压压压中中中中包包包包含含含含有有有有直直直直流流流流分分分分量量量量和和和和交交交交流流流流分分分分量量量量，可可可可将将将将脉脉脉脉动动动动电电电电压压压压做做做做傅傅傅傅里里里里叶叶叶叶分分分分析析析析。此此此此时时时时谐谐谐谐波波波波分分分分量量量量中中中中的的的的二二二二次次次次谐谐谐谐波波波波幅幅幅幅度度度度最最最最大大大大，最最最最低低低低次次次次谐谐谐谐波波波波的幅值与平均值的比值称为的幅值与平均值的比值称为的幅值与平均值的比值称为的幅值与平均值的比值称为脉动系数脉动系数脉动系数脉动系数S S。（3 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 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指单相桥式整流电路的负载特性曲线是指单相桥式整流电路的负载特性曲线是指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输出电压与负载电流之间的关系曲线输出电压与负载电流之间的关系曲线输出电压与负载电流之间的关系曲线 该曲线如图该曲线如图15.0315.03所示。曲线所示。曲线的斜率代表了整的斜率代表了整流电路的内阻。流电路的内阻。图图15.03 15.03 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 的负载特性曲线的负载特性曲线15.1.215.1.2单相半波整流电路单相半波整流电路(a)(a)电路图电路图 (b)(b)波形图波形图 图图15.04 15.04 单相半波整流电路单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外，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。单相半还有单相半波和全波两种形式。单相半波整流电路如图波整流电路如图15.04(a)15.04(a)所示，波形图所示，波形图如图如图15.04(b)15.04(b)所示。所示。根根根根据据据据图图图图15.0415.04可可可可知知知知，输输输输出出出出电电电电压压压压在在在在一一一一个个个个工工工工频频频频周周周周期期期期内内内内，只只只只是是是是正正正正半半半半周周周周导导导导电电电电，在在在在负负负负载载载载上上上上得得得得到到到到的的的的是是是是半半半半个个个个正正正正弦波。负载上弦波。负载上弦波。负载上弦波。负载上输出平均电压输出平均电压输出平均电压输出平均电压为：为：为：为：流过负载和二极管的流过负载和二极管的平均电流平均电流为为二极管所承受的二极管所承受的最大反向电压最大反向电压 单单单单相相相相全全全全波波波波整整整整流流流流电电电电路路路路如如如如图图图图15.05(a)15.05(a)15.05(a)15.05(a)所所所所示示示示，波波波波形图如图形图如图形图如图形图如图15.05(b)15.05(b)15.05(b)15.05(b)所示。所示。所示。所示。15.1.3 单相全波整流电路单相全波整流电路 (a)(a)电路图电路图 图图15.05 15.05 单相全波整流电路单相全波整流电路 (b)(b)波形图波形图 根根根根据据据据图图图图15.0515.05（b b）可可可可知知知知，全全全全波波波波整整整整流流流流电电电电路路路路的的的的输输输输出出出出，与与与与桥桥桥桥式式式式整整整整流流流流电电电电路路路路的的的的输输输输出出出出相相相相同同同同。输输输输出出出出平平平平均均均均电电电电压压压压为：为：为：为：流过负载的流过负载的平均电流平均电流为：为：二极管所承受的二极管所承受的最大反向电压最大反向电压 单相全波整流电路的脉动系数单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整与单相桥式整流电路相同。流电路相同。注注注注意意意意，整整整整流流流流电电电电路路路路中中中中的的的的二二二二极极极极管管管管是是是是作作作作为为为为开开开开关关关关运运运运用用用用的的的的。整流电路既有交流量，又有直流量，通常对整流电路既有交流量，又有直流量，通常对整流电路既有交流量，又有直流量，通常对整流电路既有交流量，又有直流量，通常对:输入（交流）输入（交流）输入（交流）输入（交流）-用有效值或最大值；用有效值或最大值；用有效值或最大值；用有效值或最大值；输出（交直流）输出（交直流）输出（交直流）输出（交直流）-用平均值；用平均值；用平均值；用平均值；整流管正向电流整流管正向电流整流管正向电流整流管正向电流-用平均值；用平均值；用平均值；用平均值；整流管反向电压整流管反向电压整流管反向电压整流管反向电压-用最大值。用最大值。用最大值。用最大值。单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流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，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。整流电路，故广泛应用于直流电源之中。解：变压器副边电压有效值解：变压器副边电压有效值 考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器副边电压一般应高出压器副边电压一般应高出 5%10%，即取，即取 U=1.1 111 122 V每只二极管承受的最高反向电压每只二极管承受的最高反向电压例：单相桥式整流电路，已知交流电网电压例：单相桥式整流电路，已知交流电网电压 为为 220 V，负载电阻，负载电阻 RL=50，负载电压，负载电压 Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并，试求变压器的变比和容量，并 选择二极管。选择二极管。解：整流电流的平均值解：整流电流的平均值解：整流电流的平均值解：整流电流的平均值 I I=1.11=1.11 I Io o=2 2 1.11=2.2 A 1.11=2.2 A 变压器副边电流有效值变压器副边电流有效值变压器副边电流有效值变压器副边电流有效值 变压器容量变压器容量变压器容量变压器容量 S S=U IU I=122122 2.2=2.2=207.8 VA 207.8 VA例：单相桥式整流电路，已知交流电网电压例：单相桥式整流电路，已知交流电网电压例：单相桥式整流电路，已知交流电网电压例：单相桥式整流电路，已知交流电网电压 220 V220 V，负载电阻，负载电阻，负载电阻，负载电阻 R RL L=50=50 ，负载电压，负载电压，负载电压，负载电压 U Uo o=100V=100V，试，试，试，试求变压器的变比和容量，并求变压器的变比和容量，并求变压器的变比和容量，并求变压器的变比和容量，并 选择二极管。选择二极管。选择二极管。选择二极管。流过每只二极管电流平均值流过每只二极管电流平均值流过每只二极管电流平均值流过每只二极管电流平均值举例：举例：4 试分析图示桥式整流电路中的二极管试分析图示桥式整流电路中的二极管D D2 2 或或D D4 4断开断开时负载电压的波形。时负载电压的波形。如果如果D D2 2 或或D D4 4 接反，后果如何？接反，后果如何？如果如果D D2 2 或或D D4 4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？因击穿或烧坏而短路，后果又如何？uiuo+_+_u+_RLD D2 2D D4 4 D D1 1D D3 3解：解：当当D2或或D4断开后电路为单相半波整流电路。正断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，半周时，D1和和D3导通，负载中有电流流导通，负载中有电流流过，两端有过，两端有电压电压uo o=u；负半周时，；负半周时，D1和和D3截止，负载中无电流截止，负载中无电流通通过，两端无电压，过，两端无电压，u0 0=0=0。波形如图所示。波形如图所示。uo uo u 2 23 34 4t t 2 23 34 4ui+_+_u+_RLD D2 2D D4 4D D1 1D D3 3 如果如果D2或或D4接反则正半周时，二极管接反则正半周时，二极管D1、D4或或D2、D3导通，电流经导通，电流经D1、D4或或D2、D3而造成电源短而造成电源短路，电流很大，因此变压器及路，电流很大，因此变压器及D1、D4或或D2、D3将被将被烧坏。烧坏。uiuo+_+_u+_RLD D2 2D D4 4D D1 1D D3 3 如果如果D2或或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与况与D2或或D4接反类似，电源及接反类似，电源及D1或或D3也将因电流过也将因电流过大而烧坏。大而烧坏。uiuo+_+_u+_RLD D2 2D D4 4D D1 1D D3 315.2 滤波电路15.2.1 电容滤波电路15.2.2 电感滤波电路15.2.1 15.2.1 电容滤波电路电容滤波电路 (1)(1)(1)(1)滤波的基本概念滤波的基本概念滤波的基本概念滤波的基本概念 滤滤滤滤波波波波电电电电路路路路利利利利用用用用电电电电抗抗抗抗性性性性元元元元件件件件对对对对交交交交、直直直直流流流流阻阻阻阻抗抗抗抗的的的的不不不不同同同同，实实实实现现现现滤滤滤滤波波波波。电电电电容容容容器器器器C C对对对对直直直直流流流流开开开开路路路路，对对对对交交交交流流流流阻阻阻阻抗抗抗抗小小小小，所所所所以以以以C C应应应应该该该该并并并并联联联联在在在在负负负负载载载载两两两两端端端端。电电电电感感感感器器器器L L对对对对直直直直流流流流阻阻阻阻抗抗抗抗小小小小，对对对对交交交交流流流流阻阻阻阻抗抗抗抗大大大大，因因因因此此此此L L 应应应应与与与与负负负负载载载载串串串串联联联联。经经经经过过过过滤滤滤滤波波波波电电电电路路路路后后后后，既既既既可可可可保保保保留留留留直直直直流流流流分分分分量量量量、又又又又可可可可滤滤滤滤掉掉掉掉一一一一部部部部分分分分交交交交流流流流分分分分量量量量，改改改改变变变变了了了了交交交交直直直直流流流流成成成成分分分分的的的的比比比比例例例例，减减减减小小小小了了了了电电电电路路路路的的的的脉脉脉脉动动动动系系系系数数数数，改改改改善了直流电压的质量。善了直流电压的质量。善了直流电压的质量。善了直流电压的质量。（2 2）电容滤波电路）电容滤波电路 现现现现以以以以单单单单相相相相桥桥桥桥式式式式电电电电容容容容滤滤滤滤波波波波整整整整流流流流电电电电路路路路为为为为例例例例来来来来说说说说明明明明。电电电电容容容容滤滤滤滤波波波波电电电电路路路路如如如如图图图图15.0615.06所所所所示示示示，在在在在负负负负载载载载电电电电阻阻阻阻上上上上并并并并联联联联了一个滤波电容了一个滤波电容了一个滤波电容了一个滤波电容C C。图图15.06电容滤波电路电容滤波电路 当当v2到达到达90时时，v2开始下开始下降。先假设二极管关断，电容降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载就要以指数规律向负载L放电。放电。指数放电起始点的放电速率很大。指数放电起始点的放电速率很大。(3)(3)滤波原理滤波原理 若若若若电电电电路路路路处处处处于于于于正正正正半半半半周周周周，二二二二极极极极管管管管D D D D1 1 1 1、D D D D3 3 3 3导导导导通通通通，变变变变压压压压器器器器次次次次端端端端电电电电压压压压v v v v2 2 2 2给给给给电电电电容容容容器器器器C C C C 充电。此时充电。此时充电。此时充电。此时C C C C 相当于并联在相当于并联在相当于并联在相当于并联在v v v v2 2 2 2上，所以输出波形同上，所以输出波形同上，所以输出波形同上，所以输出波形同v v v v2 2 2 2 ，是正弦形。，是正弦形。，是正弦形。，是正弦形。图15.07电容滤波波形图 所以，在所以，在t1到到t2时刻，二极管导电，时刻，二极管导电，充电，充电，vC=vL 按正弦规律变化；按正弦规律变化；t2到到t3时刻二极管关断，时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电。电容滤波过程见图容滤波过程见图15.07。在刚过在刚过90时时，正弦曲线下降的，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过速率很慢。所以刚过90时二极管仍然时二极管仍然导通。导通。在超过在超过90后的某个点后的某个点，正弦曲线，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数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。起始放电速率时，二极管关断。需需需需要要要要指指指指出出出出的的的的是是是是，当当当当放放放放电电电电时时时时间间间间常常常常数数数数R RL LC C增增增增加加加加时时时时，t t1 1点点点点要要要要右右右右移移移移，t t2 2点点点点 要左移，二极管关断时间加要左移，二极管关断时间加要左移，二极管关断时间加要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线长，导通角减小，见曲线长，导通角减小，见曲线长，导通角减小，见曲线3 3；反；反；反；反之，之，之，之，R RL LC C减少时，导通角增加。减少时，导通角增加。减少时，导通角增加。减少时，导通角增加。显然，当显然，当显然，当显然，当L L很小，即很小，即很小，即很小，即I IL L很大时，很大时，很大时，很大时，电容滤波的效果不好，电容滤波的效果不好，电容滤波的效果不好，电容滤波的效果不好，见图见图见图见图15.0815.08滤波曲线滤波曲线滤波曲线滤波曲线中的中的中的中的2 2。反。反。反。反之，当之，当之，当之，当L L很大，即很大，即很大，即很大，即I IL L很小时，很小时，很小时，很小时，尽管尽管尽管尽管C C较小较小较小较小,R RL LC C仍很大仍很大仍很大仍很大,电容滤电容滤电容滤电容滤波的效果也很好，见滤波曲线波的效果也很好，见滤波曲线波的效果也很好，见滤波曲线波的效果也很好，见滤波曲线中的中的中的中的3 3。所以电容滤波适合输出。所以电容滤波适合输出。所以电容滤波适合输出。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。电流较小的场合。电流较小的场合。电流较小的场合。问题：问题：有有 无无L 即空载，此时即空载，此时VC=VL=？图15.08 电容滤波的效果(动画15-3）(动画15-4）(4)(4)电容滤波的计算电容滤波的计算 电电电电容容容容滤滤滤滤波波波波的的的的计计计计算算算算比比比比较较较较麻麻麻麻烦烦烦烦，因因因因为为为为决决决决定定定定输输输输出出出出电电电电压压压压的的的的因因因因素素素素较较较较多多多多。工工工工程程程程上上上上有有有有详详详详细细细细的的的的曲曲曲曲线线线线可可可可供供供供查查查查阅阅阅阅。一般常采用以下近似估算法：一般常采用以下近似估算法：一般常采用以下近似估算法：一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即：一种是用锯齿波近似表示，即：另一种是在另一种是在RLC=(3 5)T/2的条件下，近似认的条件下，近似认为为V VL L=V VO O=1.2=1.2V V2 2 。(或者，或者，电容滤波要获得较好的电容滤波要获得较好的效果，效果，工程上也工程上也通常应满足通常应满足 RLC610。)（5 5）外特性）外特性 整整整整流流流流滤滤滤滤波波波波电电电电路路路路中中中中，输输输输出出出出直直直直流流流流电电电电压压压压V VL L随随随随负负负负载载载载电流电流电流电流 I IOO的变化关系曲线如图的变化关系曲线如图的变化关系曲线如图的变化关系曲线如图15.0915.09所示。所示。所示。所示。图图15.09 整流滤波电路的外特性整流滤波电路的外特性名名 称称VL(空载空载)VL(带载带载)二极管反向二极管反向最大电压最大电压每管平均每管平均电流电流半波整流半波整流245.0V22VIL全波整流全波整流电容滤波电容滤波22V1.2V2*222V0.5IL桥式整流桥式整流电容滤波电容滤波22V1.2V2*22V0.5IL桥式整流桥式整流电感滤波电感滤波0.9V222V0.5IL0.9V2245.0V*使用条件：使用条件：为基波周期为基波周期15.2.2 电感滤波电路电感滤波电路 利利利利用用用用储储储储能能能能元元元元件件件件电电电电感感感感器器器器的的的的电电电电流流流流不不不不能能能能突突突突变变变变的的的的性性性性质质质质，把把把把电电电电感感感感与与与与整整整整流流流流电电电电路路路路的的的的负负负负载载载载L L相相相相串串串串联联联联，也也也也可可可可以起到滤波的作用。以起到滤波的作用。以起到滤波的作用。以起到滤波的作用。图15.10 电感滤波电路 图15.11 波形图 电感滤波电路如图电感滤波电路如图15.10所示。电感滤波的波形图如所示。电感滤波的波形图如图图15.11所示。所示。当当v2正半周时，正半周时，D1、D3导电，导电，电感中的电流将滞后电感中的电流将滞后v2。当负半周时，。当负半周时，电感中的电流将经由电感中的电流将经由D2、D4提供。因提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导通角都是的导通角都是180。（动画动画15-5）16.1 稳压电路概述16.2 硅稳压二极管稳压电路16.3 线性串联型稳压电源16.4 开关型稳压电源 其中稳压管稳压电路最简单，但是带负其中稳压管稳压电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。线性稳压电源稳压效果好，但效率源使用。线性稳压电源稳压效果好，但效率低，稳压范围不大。开关型稳压电源效率较低，稳压范围不大。开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多。高，目前用的也比较多。常用稳压电路常用稳压电路 (小功率设备小功率设备)稳压管稳压管稳压电路稳压电路 线性线性稳压电路稳压电路 开关型开关型稳压电路稳压电路 16.1 16.1 稳压电路概述稳压电路概述16.1.1 引起输出电压不稳定的原因16.1.2 稳压电路的技术指标 引起输出电压变化的原因是引起输出电压变化的原因是负载电流的变化负载电流的变化和和输入电压的变化，输入电压的变化，参见参见图图16.0116.01。16.1.1 16.1.1 引起输出电压不稳定的原因引起输出电压不稳定的原因负载电流的变化会在整流电源的内阻上负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。产生电压降，从而使输入电压发生变化。图图16.0116.01稳压电源方框图稳压电源方框图即16.1.216.1.2稳压电路的技术指标稳压电路的技术指标 用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。的高低。VI和和 IO引起的引起的 VO可用下式表示可用下式表示 (1)(1)稳压系数稳压系数Sr定义为定义为有时稳压系数也用下式定义有时稳压系数也用下式定义当输出电流从零变化到最大额定值时，当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。输出电压的相对变化值。（4 4）电流调整率）电流调整率SI (2)(2)电压调整率电压调整率SV一般特指一般特指V Vi i/V Vi i=10%10%时的时的Sr(3)(3)输出电阻输出电阻Ro输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。峰峰值之比的分贝数。如果考虑温度对输出电压的影响如果考虑温度对输出电压的影响,则输出电压则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数是输入电压、负载电流和温度的函数（5 5）纹波抑制比）纹波抑制比S Sriprip（6 6）输出电压的温度系数）输出电压的温度系数S ST T