(本科)第10章 直流电源ppt课件.pptx
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1、课程主讲人:(本科)第10章 直流电源ppt课件第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院大功率线性稳压电源大功率线性稳压电源稳压电源稳压电源稳压电源稳压电源稳压电源稳压电源第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院电网电网电压电压电源电源变压变压器器整流整流电路电路 1. 电源变压器电源变压器 把把220V(或或380V)的电网电压变换成符合整流、滤波、的电网电压变换成符合整流、滤波、稳压需要的交流电压。稳压需要的交流电压。 2. 整流电路整流电路 将变压器二次正弦交流
2、电压变换为单一方向的脉动将变压器二次正弦交流电压变换为单一方向的脉动电压。常采用具有单向导电性的二极管或晶闸管。电压。常采用具有单向导电性的二极管或晶闸管。 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院电网电网电压电压电源电源变压变压器器整流整流电路电路滤波滤波器器稳压稳压电路电路负负载载 3. 滤波电路滤波电路 将单一方向脉动电压中的脉动成分滤掉,使输出电压将单一方向脉动电压中的脉动成分滤掉,使输出电压成为比较平滑的直流电压,滤波电路主要由电容、电感等成为比较平滑的直流电压,滤波电路主要由电容、电感等储能元件组成。储能元件组成。 4. 稳压电路稳压电路 使输出的直流电压在电网波动和负
3、载电流变化时保持使输出的直流电压在电网波动和负载电流变化时保持稳定。稳定。第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院?手机充电器内部结构某装备电源前级电路第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院1. 工作原理工作原理当当u2为正半周时,为正半周时,2. 波形波形(iO、uO、uD)VD导通,导通,uO=u2 。 当当u2为负半周时,为负半周时,VD截止,截止,uO=0 0 。图图 10.2.1 10.2.1 单相半波整流电路单相半波整流电路图图 10.2.2 10.2.2 单相半波单相半波整流电路波形图整流电路波形图uD
4、Ou tOuoO2第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院3. 参数计算参数计算 (1)输出直流电压(输出电压的平均值输出直流电压(输出电压的平均值 ) 2202O(AV)(dsin2)(dsin221ttUttUU (2)输出电流平均值)输出电流平均值IO L2LOO45. 0RURUI OU 02)(dsin221ttU 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院(3)脉动系数)脉动系数 SOO1mUUS 输出电压基波的最大值输出电压基波的最大值UO1m与其平均值与其平均值UO 之比。之比。为求为求UO1m,可将波形用傅里叶级数表示。可将波形用傅里叶级数表示。.4co
5、s15222cos322sin2222222O tUtUtUUu 1.5745. 02222 UU 说明半波整流电路的脉动很大,其基波的峰值约为平说明半波整流电路的脉动很大,其基波的峰值约为平均值的均值的1.57倍。倍。第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院(1)二极管正向平均电流)二极管正向平均电流ID (2)二极管的反向电压最大值)二极管的反向电压最大值URM 3.二极管的选择二极管的选择第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院选择二极管的最高反向工作电压选择二极管的最高反向工作电压UR 由于允许电网电压有由于允许电网电压有10%的波动,为了安全起见,的波动,为了
6、安全起见,选择二极管时,变压器二次电压大约要高出选择二极管时,变压器二次电压大约要高出10%,选择,选择二极管的最大整流电流二极管的最大整流电流IF 优点:优点:使用元件少。使用元件少。缺点:缺点:输出波形脉动大;输出波形脉动大;直流成分小;变压器利用率直流成分小;变压器利用率低。低。第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院 例例10.2.1 单相半波整流电路如图所示,已知负载电阻单相半波整流电路如图所示,已知负载电阻RL=750,变压器二次电压的有效值,变压器二次电压的有效值18V,试求,试求 (1)输出电压的平均值输出电压的平均值UO、二极管正向平均电流、二极管正向平均电流ID
7、、二极管最大反向峰值电压二极管最大反向峰值电压URM; (2)选择二极管。选择二极管。第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院输出电压的平均值输出电压的平均值 UOV .18V 1845. 045. 02O UU解:解: (1) UO、IO、ID输出电流的平均值输出电流的平均值 IOmA 8 .10mA 7501 . 8LOO RUI二极管正向平均值二极管正向平均值 IDmA 8 .10OD II第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院二极管的最高反向工作电压二极管的最高反向工作电压UR 2R2.11UU mA 8.811mA .810.11.11DF II二极管的最大
8、整流电流二极管的最大整流电流IF(2)选择二极管)选择二极管二极管的最大反向峰值电压二极管的最大反向峰值电压URM V .525V 18222RM UUV 28.05V .525.11 二极管选择二极管选择2AP4(最大整(最大整流电流流电流16mAz,最高反向工作,最高反向工作电压为电压为50V)第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院RLuo图图 10.2.3 10.2.3 单相桥式整流电路单相桥式整流电路1. 电路结构电路结构第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院uD2uD4 uouD t tRLuiouo1234ab+ + ut U2U2U2 2. 工作原理工
9、作原理第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院uD2uD4RLu2iouo1234ab+ + u2 正半周,正半周,VaVb,二极二极管管 1、3 导通,导通,2、4 截止截止 。uouD t tuD1uD3 u2t U2U2U2 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院 3. 参数计算参数计算 (1)输出电压平均值)输出电压平均值 2O9 . 0 UU (2)输出电流平均值)输出电流平均值 L2LOO9 . 0RURUI 比半波整流时增加一倍比半波整流时增加一倍第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院(3)脉动系数)脉动系数 SOO1mUUS 0.67.9
10、032422 UU 说明基波的峰值约为平均值的说明基波的峰值约为平均值的0.67倍,所以桥式整倍,所以桥式整流电路的脉动比单相半波整流电路小很多。流电路的脉动比单相半波整流电路小很多。 .)4cos1542cos342(22O ttUu 用傅里叶级数将输出电压用傅里叶级数将输出电压uO展开为展开为第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院(1)二极管正向平均电流)二极管正向平均电流ID L2OD45. 02RUII (2)二极管的反向电压最大值)二极管的反向电压最大值URM 22mRM2UUU 4.二极管的选择二极管的选择是负载平均电流的一半是负载平均电流的一半第第1010章章 直流
11、电源直流电源电气与电子工程学院选择二极管的最高反向工作电压选择二极管的最高反向工作电压UR 2R2.11UU 由于允许电网电压有由于允许电网电压有10%的波动,为了安全起见,的波动,为了安全起见,选择二极管时,变压器二次电压大约要高出选择二极管时,变压器二次电压大约要高出10%。L2DF45. 0.11.11RUII 选择二极管的最大整流电流选择二极管的最大整流电流IF 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院 例例10.2.2 单相半波整流电路如图所示,已知负载电阻单相半波整流电路如图所示,已知负载电阻RL=100,负载电压,负载电压UO=27V,试求:,试求: (1)变压器二次
12、电压的有效值变压器二次电压的有效值U2、二极管正向平均电流、二极管正向平均电流ID、二极管最大反向峰值电压二极管最大反向峰值电压URM ; (2)若二极管若二极管VD1断开,则会出现什么现象?断开,则会出现什么现象? 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院变压器二次电压的变压器二次电压的 有效值有效值U2解:解: (1) U2、ID、URM输出电流的平均值输出电流的平均值 IO第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院二极管正向平均值二极管正向平均值 ID二极管的反向电压最大值二极管的反向电压最大值URM 若二极管若二极管VD1开路,电路开路,电路变为半波整流,如变压器
13、二次变为半波整流,如变压器二次电压的有效值不变,电压的有效值不变,输出电压输出电压的平均值为的平均值为13.5V,仅为原来仅为原来的一半。的一半。 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院uou1u2u1D4D2D1D3RLu2ttuo变压器短路变压器短路烧毁烧毁桥式整流电路中,若桥式整流电路中,若D3断路、短路,反向断路、短路,反向会出现什么现象?会出现什么现象?应用举例:故障分析应用举例:故障分析第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院常见的整流模块常见的整流模块整流桥模块整流桥模块第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院 单相桥式整流电路与半波整流电路
14、相比,输出电压单相桥式整流电路与半波整流电路相比,输出电压的平均值大一倍,而脉动系数降低很多,因此得到了广的平均值大一倍,而脉动系数降低很多,因此得到了广泛的应用,但单相桥式整流电路需用泛的应用,但单相桥式整流电路需用4只二极管,给安装只二极管,给安装带来不便,现在已生产出硅桥堆,就是用集成技术将四带来不便,现在已生产出硅桥堆,就是用集成技术将四个二极管个二极管(PN结结)集成在一个硅片上,引出四根线。集成在一个硅片上,引出四根线。 除了上述两种整流电路外,还有单相全波整流、三相除了上述两种整流电路外,还有单相全波整流、三相半波整流和三相桥式整流等电路,表半波整流和三相桥式整流等电路,表10.
15、2.1列出几种整流电列出几种整流电路、波形和参数以供参考。路、波形和参数以供参考。 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院表表 单相整流电路的主要参数单相整流电路的主要参数 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院电容滤波电路电容滤波电路1.单相半波整流电容滤波电路单相半波整流电容滤波电路 电容滤波电路是最电容滤波电路是最简单的滤波器,电容简单的滤波器,电容C并联在负载两端,一并联在负载两端,一般采用大容量的电解般采用大容量的电解电容,单相半波整流电容,单相半波整流电容滤波电路如图所电容滤波电路如图所示。示。(1)电
16、路组成电路组成图图10.3.1 单相半波整流电单相半波整流电容滤波电路容滤波电路 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院(2)工作原理工作原理 u uC时,时,二极管导通,二极管导通,电源在给负载电源在给负载RL供电的同时供电的同时也给电容充电,也给电容充电, uC 增加,增加,uO= uC 。 u uC时,时,二极管截止,电容通过负载二极管截止,电容通过负载RL 放电,放电,uC按按指数规律下降,指数规律下降, uO= uC 。图图10.3.2 10.3.2 单相半波整流电容滤波波形单相半波整流电容滤波波形 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院(3)参数计算)参
17、数计算图图10.3.3 RLC变化对变化对UO波形影响波形影响 RLC 越大越大 电容器放电越慢电容器放电越慢 输出电压的平均值输出电压的平均值UO 越大,波形越平滑。越大,波形越平滑。 在实际工作中,一般取在实际工作中,一般取 T为电网交流电压的周期为电网交流电压的周期电容器耐压电容器耐压2O2UU 当当RL(IO=0)时,时,脉动系数,脉动系数S=0 。输出电压的脉动与放电时间常数输出电压的脉动与放电时间常数RLC有关有关 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院当当C0时,时, UO最小为最小为0.45U2。 对于不同的对于不同的C值,有不同的输出电压,对于单相半波值,有不同
18、的输出电压,对于单相半波整流电容滤波电路,当满足式整流电容滤波电路,当满足式RLC(35)T/2的关系,并且的关系,并且整流电路的内阻不太大时,输出电压的平均值整流电路的内阻不太大时,输出电压的平均值UO与与U2的关的关系约为系约为当当C一定,一定,RL=(负载开路负载开路)时,时,UO最大为最大为 22U输出电压平均值输出电压平均值UO第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院 UO与与IO之间的关系曲线称为之间的关系曲线称为外特性外特性,如图所示,与,如图所示,与无电容滤波时比较,输出电压无电容滤波时比较,输出电压UO随负载的变化而变,外随负载的变化而变,外特性较差,带负载能力较
19、差。特性较差,带负载能力较差。图图10.3.4 10.3.4 单相半波整流电单相半波整流电容滤波电路外特性容滤波电路外特性 IO增加增加,RL减小,脉动成分增加,减小,脉动成分增加,UO减小减小。 因此电容滤波适合于要因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。较小且负载变化较小的场合。第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院(4) 导通角导通角 二极管中将流过较大的冲击电流,对管子的寿命不利二极管中将流过较大的冲击电流,对管子的寿命不利,应选较大容量的管子。,应选较大容量的管子。 RLC 越大越大UO 越高,越高,IO 越大越大整
20、流二极管导通时间整流二极管导通时间越短越短 iD 的峰值电流越大。的峰值电流越大。 二极管的最大反向峰值电压二极管的最大反向峰值电压 图图10.3.5 单相半波整流单相半波整流电容滤波电路导通角电容滤波电路导通角 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院u2 uC时:时:VD1、VD3导通,导通,C充电充电(2)工作原理工作原理2单相桥式整流电容滤波电路单相桥式整流电容滤波电路(1)电路组成)电路组成u2 uC时:时:VD2、VD4导通,导通,C放电放电图图10.3.6 10.3.6 单相半波整流电单相半波整流电容滤波电路波形容滤波电路波形 第第1010章章 直流电源直流电源电气与
21、电子工程学院(3)参数计算)参数计算输出电压的脉动与放电时间常数输出电压的脉动与放电时间常数RLC有关有关 对于不同的对于不同的C值,有不同的输出电压值,有不同的输出电压,输出电压的平输出电压的平均值均值UO与与U2的关系约为的关系约为输出电压平均值输出电压平均值UO电容器耐压电容器耐压二极管的最大反向峰值电压二极管的最大反向峰值电压 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院 外特性曲线外特性曲线 因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。小且负载变化较小的场合。IO= 0时,即负载开路,时,即负载开路, 。
22、2O2UU IO增大时,即负载减小,放电快,增大时,即负载减小,放电快,UO减小。减小。有电容有电容滤波滤波 无电容滤波无电容滤波0 UO(AV)oIO(AV)图图10.3.7 10.3.7 单相桥式整流单相桥式整流电容滤波电路外特性电容滤波电路外特性 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院单相桥式整流滤波电路如图所示,已知负载电阻单相桥式整流滤波电路如图所示,已知负载电阻RL=100,二次电压的有效值,二次电压的有效值U2=20V,试求:,试求: (1)输出直流电压输出直流电压=? (2)若测量的若测量的U0=18V,是什麽原因?,是什麽原因?(3)若测量的)若测量的U0=20
23、V,是什麽原因?,是什麽原因?(4)若测量的)若测量的U0=28V,是什麽原因?若测量的,是什麽原因?若测量的U0=9V,是什麽原因?,是什麽原因?应用举例:故障分析应用举例:故障分析第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院图图 10.3.8 10.3.8 电感滤波电路电感滤波电路1.工作原理工作原理 直流分量直流分量: XL=0 ,L相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上。上。 谐波分量谐波分量: f 越高越高,XL越大越大,电压大部分降在电压大部分降在L上。上。 因此,因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。在负载上得到比较平滑的直流电压。 当流过当流过L的电流
24、发生的电流发生变化时,线圈中产生自变化时,线圈中产生自感电势阻碍电流的变化感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉使负载电流和电压的脉动减小。动减小。电感滤波电路电感滤波电路第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院2.输出直流电压输出直流电压 整流电路输出电压可分为两部分:直流分量和交流分量。整流电路输出电压可分为两部分:直流分量和交流分量。 一是直流分量一是直流分量UO :即整流电路输出电压的平均值。即整流电路输出电压的平均值。半波整流半波整流 UO= 0.45U2, 桥式整流桥式整流UO=0.9U2。 二是交流分量二是交流分量ua: 设电感线圈的电阻设电感线圈的电阻R,感抗,
25、感抗 L。第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院 设电感线圈的电阻设电感线圈的电阻R,感抗,感抗 L 。则此电感滤波电路输出电压的平均值为则此电感滤波电路输出电压的平均值为 可以看出,在电感线圈不变的情况下,负载电阻可以看出,在电感线圈不变的情况下,负载电阻RL越小越小(负载电流越大负载电流越大),输出电压的交流分量越小,脉动越,输出电压的交流分量越小,脉动越小。因此电感滤波电路适用于负载电流较大的场合。小。因此电感滤波电路适用于负载电流较大的场合。 电感滤波电路输出电压的交流分量为电感滤波电路输出电压的交流分量为 第第1010章章 直流电源直流电源电气与电子工程学院LC - 形
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