整流滤波电路

整流滤波电路 整流滤波电路 内容提要绝大多数电子电路工作时都需要直流电源直流电源的作用是保证电子电路的工作状态和能源的提供者。本章主要介绍各种整流电路、滤波电路和稳压电路。 电子系统的正常运行离不开稳定的电源除了在某些特定场合下采用太阳能电池或化学电池作电源外多数电路的直流电是由电网的电转换来的。这种直流电源的组成以及各处的电压波形如图14-0-1所示。 T 工频交流脉动直流整流滤波稳压负载 直流 图14-0-1 直流电源的组成 图中各组成部分的功能如下 ?电源变压器将电网交流电压220V或380V变换成符合需要的交流电压此交流电压经过整流后可获得电子设备所需的直流电压。因为大多数电子电路使用的电压都不高这个变压器是降压变压器。 ?整流电路利用具有单向导电性能的整流元件把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。 ?滤波电路利用储能元件电容器C两端的电压或通过电感器L的电流不能突变的性质把电容C或电感L与整流电路的负载RL并联或串联就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除从而得到比较平滑的直流电。在小功率整流电路中经常使用的是电容滤波。 ?稳压电路当电网电压或负载电流发生变化时滤波电路输出的直流电压的幅值也将随之变化因此稳压电路的作用是使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电网电压和负载的变化而变化。 14.1 整流电路 利用二极管的单向导电性组成整流电路可将交流电压变为单向脉动电压。本章为便于分析整流电路把整流二极管当作理想元件即认为它的正向导通电阻为零而反向电阻为无穷大。但在实际应用中应考虑到二极管有内阻整流后所得波形其输出幅度会减少0.61V当整流电路输入电压大时这部分压降可以忽略。但输入电压小时例如输入为3V则输出只有2V多需要考虑二极管正向压降的影响。 在小功率直流电源中常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和三相整流电路等。 整流和滤波电路中既有交流量又有直流量。对这些量经常采用不同的表述方法输入交流——用有效值或最大值输出直流——用平均值二极管正向电流——用平均值二极管反向电压——用最大值。 14.1.1 单相整流电路 单相整流电路有单相半波整流电路、单相全波整流电路和桥式整流电路三种形式。单相半波整流电路如图14-1-1a所示。 14.1.1.1 单相半波整流电路 1单相半波整流电路的工作原理 利用二极管的单向导电性在变压器副边电压U2为正的半个周期内二极管正向偏置处于导通状态负载上得到半个周期的直流脉动电压和电流而在ULR2为负的半个周期内二极管反向偏置处于关断状态电流基本上等于零。由于二极管的单向导电作用将变压器副边的交流电压变换成为负载LR两端的单向脉动电压达到整流目的其波形如图14-1-1b。因为这种电路只在交流电压的半个周期内才有电流流过负载所以称为单相半波整流电路。 Oωt22Uu23π4ππ2π设整流电路的交流输入电压OωtOωtOωt22URLu1u2uDiDuORLiOiOiDuOuD22U22U a b 图14-1-1 单相半波整流电路 2性能参数 单相半波整流电路的参数介绍如下: ?输出电压平均值UOAV tUu ωsin222根据图14-1-1可知在输入电压的一个工频周期内在负载上得到输出电压波形只是半个正弦波。 在半波整流情况下整流电路的输出电压瞬时值为 π2 ωπ 0 π ω0 ωsin22o??????????tttUu 其中U2为变压器副边电压的有效值因此根据定义可以求出输出电压平均值 2202OAV45.0π2ωdωsin2π1UUttUU?π2 14-1-1 ?输出电压的脉动系数S 输出电压的脉动系数S用来描述输出电压中交流分量与直流分量的比例关系从而对整流输出电压给予评价。输出电压的脉动系数S的定义如下 OAV1OMUUS 14-1-2 式中UOM1是输出电压中基波或最低次谐波的峰值UOAV是输出电压的平均 值。 对于UOM1如何求解单相半波整流电路的输出是半个半个脉动正弦波属于非正弦周期电路的范畴可用傅立叶级数对半波输出电压uo的波形进行分析。在计算整流输出电压的基波峰值UOM1时按图14-1-1所示的坐标系uo的傅立叶级数式表示为 ??1nOAVo cosntnaUuω 其中 ???22 on d cos2TTttnuTaωω 半波整流电路中uo的周期与U2相同所以uo的基波角频率为ω则 ???22 22211OM2 d cos2π1ππωωUttUaU 于是脉动系数 57.12ππ2222OAV1OMUUUUS 14-1-3 由此可见半波整流电路输出电压的脉动系数为157含有很大的脉动成分。 ?整流二极管正向平均电流IDAV 在半波整流电路中整流二极管串联在输出回路中因此整流二极管的正向平均电流IDAV任何时候都等于流过负载的输出平均电流IO L2L2LOAVODAV45.0π2RURURUII 14-1-4 当负载电流平均值已知时可以根据上式来选定整流二极管的IDAV。 ?最大反向电压URM 整流二极管在截止时它两端所承受的最大反向电压。选管时应选择耐压值URM比高的管子以免发生反向击穿。由图14.2的波形图可看出整流二极管所承受的最大反向电压就是变压器副边电压的最大值 2Rmax2UU 14-1-5 半波整流电路的结构简单但输出波形脉动系数大直流成分低并且电源变压器有半个周期不导电利用效率低。 ?变压器副边电流的有效值I2流过变压器副边绕组的电流是非正弦波副边电流的有效值要根据有效值的均方根定义计算用U2代表变压器副边的电压有效值、I2代表变压器副边电流的有效值由式11-1-4可得电流幅值 Om2πII 于是有 OO2m022m257.12π2tdtsin21IIIII?πωωπ 14-1-6 变压器副边绕组电流的有效值对计算变压器的容量有意义显然不能用电流的平均值去计算变压器的容量。单相半波整流电路在输出一定的直流平均电流时因有较大的有效值电流所以变压器的容量要做得大一些。 14.1.1.2 单相桥式整流电路 与全波整流电路相比单相全波桥式整流电路中的电源变压器只用一个副边绕组即可实现全波整流的目的。桥式整流电路如图14-1-2所示。 1工作原理 单相全波桥式整流电路的工作原理 由图可看出电路中采用四个二极管互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用在交流输入电压U2的正半周内二极管D1、D3导通D2、D4截止在负载RL上得到上正下负的输出电压在负半周内正好相反D1、D3截止D2、D4导通流过负载RL的电流方向与正半周一致。因此利用变压器的一个副边绕组和四个二极管使得在交流电源的正、负半周内整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。动画14-12性能参数 单相全波桥式整流电路的参数如下 ?输出电压平均值UOAV Oωt22Uππ2π3π4u2OωtOωt22URLOωt22URLiD1iD2uD122Uu1u2D4RLuOD1D2D3u1 u2RLuOOωtOωt22U22URLiOuOiOiO a b 图14-1-2 单相全波桥式整流电路 由图14-1-2的波形图可知桥式整流电路的输出电压波形与全波整流电路一样所以其输出电压平均值 22OAV9.0π22UUU 14-1-7 ?输出电压的脉动系数S 67.0OAV1OMUUS 14-1-8 ?整流二极管正向平均电流IDAV 在桥式整流电路中整流二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的因此流过每个整流二极管的平均电流是电路输出电流平均值的一半 L2ODAV45.02RUII 14-1-9 ?最大反向电压URM 桥式整流电路因其变压器只有一个副边绕组在U2正半周时D1、D3导通D2、D4截止此时D2、D4所承受的最大反向电压为U2的最大值即 2RMAX2UU 14-1-10 同理在U2负半周时D1、D3也承受同样大小的反向电压。 ?变压器副边电流的有效值I2流过变压器副边绕组的电流正半周是半个正弦波负半周是另一半正弦波所以副边电流中无直流分量变压器副边电流的有效值 OL2L2211.12222IRURUI×ππ 14-1-11 桥式整流电路与单相半波整 流电路和单相全波整流电路相比其明显的优点是输出电压较高纹波电压较小整流二极管所承受的最大反向电压较低并且因为电源变压器在正负半周内都有电流流过所以变压器绕组中流过的是交流变压器的利用率高。在同样输出直流功率的条件下桥式整流电路可以使用小的变压器因此这种电路在整流电路中得到广泛应用。 14.1.2 三相桥式整流电路 单相整流电路的功率一般不超过一千瓦对于大功率的整流电路则需要采用三相整流电路因为大功率的交流电源是三相供电形式。图14-1-3是一个电阻负载三相桥式整流电路它有六个二极管D1、D3、D5接成共阴极形式共阴极用P表示D2、D4、D6接成共阳极形式共阳极用M表示零线用N表示。 BuAuCuD4D2D6D5D3D1MPCBATOuOiRNL2u 图14-1-3 电阻负载三相桥式整流电路 14.1.2.1 三相桥式整流电路二极管导电的规律 三相整流电路中各个二极管如何导电基本原则仍然是二极管的阳极电位高于阴极电位时二极管导电反之不导电。因三相电比单相电复杂在图14-1-4中根据各相波形相交的情况按30?为一段进行时间段的划分在图的最下方用1、2、3、4、5、6、7、…表示。 三相整流电路的工作原理先看时间段1此时间段A相电位最高B相电位最低因此跨接在A相B相间的二极管D1、D4导电。电流从A相流出经D1负载电阻D4回到B相见图14-1-3中红色箭头指示的路径。此段时间内其他四个二极管均承受反向电压而截止因D4导通B相电压最低且加到D2、D6的阳极故D2、D6截止因D1导通A相电压最高且加到D3、D5的阴极故D3、D5截止。其余各段情况如下 时间段2此时间段A相电位最高C相电位最低因此跨接在A相C相间的二极管D1、D6导电。 时间段3此时间段B相电位最高C相电位最低因此跨接在A相C相间的二极管D3、D6导电。 时间段4此时间段B相电位最高A相电位最低因此跨接在B相A相间的二极管D3、D2导电。 时间段5此时间段C相电位最高A相电位最低因此跨接在C相A相间的二极管D5、D2导电。 三相桥式电阻负载整流电路的输出电压波形见图14-1-4 时间段6此时间段C相电位最高B相电位最低因此跨接在C相B相间的二极管D5、D5导电。 BuAuCuD4D2D6D5D3D1MPCBATOuOiRNL2u 图14-1-3 电阻负载三相桥式整流电路 2uωtABCωtOuOO123456789导电二极管编号123456135135135624466224 图14-1-4 三相桥式整流电路的波形图 时间段7此时间段又变成A相电位最高B相电位最低因此跨接在A相B相间的二极管D1、D4导电。电路状态不断重复。 14.1.2.2 三相桥式整流电路的性能参数 1输出电压的平均值UO三相桥式电阻负载整流电路的输出电压波形见图14-1-4的下半部分它是由相应时间段导电二极管所对应的两相电压之差得到的。由于输出电压是以共阳极线M为参考地电位对于其中时间段1可由A相和B相电压之差得到见图14-1-5同理可得到其他时间段的输出波形。这样在一个工频周期内输出电压有六个波头相当于300赫兹这有利于提高输出电压的平均值同时有利于滤波减小输出的纹波。 t2uωABO 图11-1-5 三相桥式整流电路输出电压波形的合成 求输出电压一个波头的平均值再乘以6即可得到输出电压的平均值积分从30?到90?。 ??26226ABO d 6 sin322π6 d2π6ππππωπωωttUtUU 22O34.263UUU?π 14-1-12 2输出电压的平均值IOL2L2O34.263RURUI?π 14-1-13 3二极管的平均值IO 在一个周期中二极管的导通角只有120?因此流过二极管的平均电流为 L2OD78.03RUII? 14-1-14 4二极管的最大反向电压URM222mRM45.2233UUUU 14-1-15 14.2 滤波电路 整流电路的输出电压不是纯粹的直流从示波器观察整流电路的输出与直流相差很大波形中含有较大的脉动成分称为纹波。为获得比较理想的 直流电压需要利用具有储能作用的电抗性元件如电容、电感组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。 根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图14-2-1所示。因为电容器C对直流开路对交流阻抗小所以C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。 CLRLRL 图14-2-1 滤波电路的基本形式 并联的电容器C在输入电压升高时给电容器充电可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时电容两端电压以指数规律放电就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电负载上得到的输出电压就比较平滑起到了平波作用。若采用电感滤波当输入电压增高时与负载串联的电感L中的电流增加因此电感L将存储部分磁场能量当电流减小时又将能量释放出来使负载电流变得平滑因此电感L也有平波作用。 14.2.1 电容滤波电路 14.2.1.1 滤波原理 以单相桥式整流电路采用电容滤波的情况为例说明电容滤波的工作原理。按空载和带载两种情况进行分析。 1空载时的情况 当电路采用电容滤波输出端空载如图14-2-2a所示设初始时电容电压uC为零。接入电源后当u2在正半周时通过D1、D3向电容器C充电当在u2的负半周时通过D2、D4向电容器C充电充电时间常数为 CRt n icτ tOu1D1Cu2D2D3D4uCuOuCuOt1uO a电路图 b波形图 图14-2-2 空载时桥式整流电容滤波电路 式中包括变压器副边绕组的直流电阻和二极管的正向导通电阻。由于一般很小电容器很快就充到交流电压ut n iRt n iR2的最大值22U如波形图14-2-2b1tt的时刻。此后u2开始下降由于电路输出端没接负载电容器没有放电回路所以电容电压值uC不变此时uCu2二极管两端承受反向电压处于截止状态电路的输出电压2co2Uuu电路输出维持一个恒定值。实际上电路总要带一定的负载有负载的情况如下。 2带载时的情况 图14-2-3给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。接通交流电源后二极管导通整流电源同时向电容充电和向负载提供电流输出电压的波形是正弦形。在时刻即达到u1t2 90?峰值时u2开始以正弦规律下降此时二极管是否关断取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。 先设达到90?后二极管关断那么只有滤波电容以指数规律向负载放电从而维持一定的负载电流。但是90?后指数规律下降的速率快而正弦波下降的速率小所以超过90?以后有一段时间二极管仍然承受正向电压二极管导通。随着u2的下降正弦波的下降速率越来越快uC 的下降速率越来越慢。所以在超过90?后的某一点例如图14-2-3b中的t2时刻二极管开始承受反向电压二极管关断。此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流直至下一个半周的正弦波来到u2再次超过uC如图14-2-3b中的t3时刻二极管重又导电。 以上过程电容器的放电时间常数为 CRLdτ 电容滤波一般负载电流较小可以满足τd较大的条件所以输出电压波形的放电段比较平缓纹波较小输出脉动系数S小输出平均电压UOAV大具有较好的滤波特性。 tOt1u1D4uCCuOu2D3D2D1RLuOt2t3uCuO a电路图 b波形图 图14-2-3 带载时桥式整流滤波电路 14.2.1.2 电容滤波的几点结论 根据以上分析可以得出电容滤波的几点结论1输出电压的平均值UOAV——与放电时间常数有关。越大电容器放电速度越慢则输出电压所包含的纹波成分越小UCRLCRLOAV越大。为获得平滑的输出电压一般取放电时间常数为 253τLdTCR? 14-2-1 式中T为交流电的周期。在整流电路放电时间常数满足式14-2-1的关系时可用下式14-2-2对输出电压的平均值进行估算。 2OAV2.1UU? 14-2-2 2脉动系数S——电容滤波的输出电压波形很难用一个准确的解析式表达来描述实际上对UOAV常常采取近似估算。当用锯齿波来近似表示的波 形时脉动系数可按下式近似估算。 ocuu TCRTS??L4 14-2-3 由上式可见为减小输出电压的脉动成分采用的滤波电容器的容值越大越好交流电源的频率越高越好。目前在计算机、电视机等电子设备中采用了高频整流电源它的滤波电容的容量就比50赫兹工频交流电的滤波电容小得多。 3整流二极管电流IDAV——在电容滤波的整流电路中整流二极管的平均电流 LOAVDAV2 RUI 14-2-4 只有当U2uC时二极管才导通二极管导通的电角度称为导通角因θ 表示。在电容滤波电路中θπ且θ π -t2- t3。从图14-2-4所示的波形中可以看出电容放电时间常数越大则电路输出电压CRLou的平均值越大即负载电流的平均值越大。与此同时整流二极管的导通角越小二极管的峰值电流必然越大以维持一定的平均电流。此外在电路开始接通电源后的一段时间内滤波电容需要有一个充电过程才能逐渐达到工作电压值。如果C值过大则冲击电流浪涌电流持续时间长会影响整流管的使用寿命。因此在选二极管的IDAV时应比LOAV2RU值大2??3倍保证安全。有的二极管给出了浪涌电流的参数可查阅执行。 tO123tOiD1θuCuORLC增大3θ2θ 图14-2-4 电容滤波的输出波形 4外特性和滤波特性——图14-2-5a为电容滤波电路的外特性表示出电路输出电压UOAV与输出电流IL之间的关系。由图可知RL或C的改变时对输出电压平均值UOAV的影响当RL越小即IL愈大时UOAV下降很快电路的外特性变软带负载能力差。所以电容滤波电路适合于固定负载或输出电流较小、负载电流变化较小的场合。 OOIoIoC减小SUo22U29.0UC减小 a b 图14-2-5 电容滤波电路的外特性和滤波特性 图14-2-5b为电容滤波电路的滤波特性表示出当RL或C改变时对脉动系数的影响。当RSL减小IL增大时S增大C减小S增大。由此可见增加C的容量可以使S减小。 14.2.2 电感滤波电路 利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点在整流电路的负载回路中串联一个电感使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小交流的阻抗大因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。 桥式整流电感滤波电路如图14-2-6所示。电感滤波的波形图如图14-2-7所示。根据电感的特点当输出电流发生变化时L中将感应出一个反电势使整流管的导电角增大其方向将阻止电流发生变化。 u1u2D4uOD1D2D3iOuOLRL 图14-2-6 电感滤波电路 在桥式整流电路中当u2正半周时D1、D3导电电感中的电流将滞后u2不到90?。当u2超过90?后开始下降电感上的反电势有助于D1、D3继续导电。当u2处于负半周时D2、D4导电变压器副边电压全部加到D1、D3两端致使D1、D3反偏而截止此时电感中的电流将经由D2、D4提供。由于桥式电路的对称性和电感中电流的连续性四个二极管D1、D3D2、D4的导电角θ都是180?这一点与电容滤波电路不同。 OωtOωtuOθ图14-2-7 电感滤波电路波形图 ππ2π3π4u2iOOωtIO 已知桥式整流电路二极管的导通角是180?整流输出电压是半个半个正弦波其平均值约为。电感滤波电路二极管的导通角也是180?当忽略电感器L的电阻时负载上输出的电压平均值也是29.0U2OAV9.0UU。如果考虑滤波电感的直流电阻R则电感滤波电路输出的电压平均值为 2LLOAV9.0URRRU 14-2-5 要注意电感滤波电路的电流必须要足够大即RL不能太大应满足ωLRL此时IOAV可用下式计算 L2OAV/9.0RUI 14-2-6 由于电感的直流电阻小交流阻抗很大因此直流分量经过电感后的损失很小但是对于交流分量在ωL和上分压后很大一部分交流分量降落在电感上因而降低了输出电压中的脉动成分。电感L愈大RLRL愈小则滤波效果愈好所以电感滤波适用于负载电流比较大且变化比较大的场合。采用电感滤波以后延长了整流管的导电角从而避免了过大的冲击电流。