Embed Size (px)
DESCRIPTION
§10.3 滤波电路. 滤波. 整流. 交流 电压. 脉动 直流电压. 直流 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。. 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。. 一、电容滤波电路. a. D 4. u 1. u 1. S. u 2. D 1. u o. D 3. C. R L. D 2. b. 桥式整流电容滤波电路. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
1
§10.3 滤波电路交流电压
脉动直流电压
整流 滤波 直流电压
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。
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。
2
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 ．电容滤波原理以单向
桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。
a
桥式整流电容滤波电路
u1 u2u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
3
当 RL 未接入时 ( 电容初始电压为 0) ：u2
t
uo
t
设 t1 时刻接通电源
t1
整流电路为电容充电
充电结束
没有电容时的输出波形
a
u1 u2u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
uc
uo =uc= U22
τc=RintC（ Rint 为充电回路等效电阻）
4
当 RL 接入时（假设 RL 是 u2 在从 0 上升时接入的）：
u1 u2u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
u2
tuo
t
无滤波电容
时的波形
加入滤波电容
时的波形
5
uo
t
u2 上升 , u2 大于电容上的电压 uc,u2 对电容充电，
uo= uc u2
u2 下降， u2 小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。
电容 C 通过 RL 放电， uc 按指数规律下降，时间常数 = RL C
6
u2
t
uo
t
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脉冲波。
二极管中的电流
u1 u2u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
7
u2
t
uo
t
电容充电时，电容电压滞后于 u2 。
RLC 越小，输出电压越低。
u1 u2u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
RL 接入（且 RLC 较大）时
8
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 Uo
max= U2 后按 RLC 放电的初始斜率线性下降，经过 τ=RL
C 放电结束交于横轴；
2
并令在 （ T 为正弦波周期）处为电容充放电转换时的电压值 Uomin 。
2
T
则：
2
UUU OminOmax
)AV(O
9
CR2T
U
UU
LOmax
OminOmax
由相似三角形关系可得：
OmaxL
OminOmax UC4R
T
2
UU
2
UUU OminOmax
)AV(O
则：
2
UUU OminOmax
Omax
)C4R
T1(U
LOmax
即： )C4R
T1(U2U
L2O(AV)
Io(AV)= Uo(AV)/RL
10
脉动系数 S ：采用近似波形计算。
以（ Uomax － Uomin ）为基波峰 - 峰值，则
OmaxL
OminOmax UC4R
T
2
UU
1T
C4R1
TC4R
T
)C4R
T1(U
UC4R
T
SLL
LOmax
OmaxL
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。
11
一般取
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
(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
(c) 二极管承受的最高反向电压： 22UU RM
T)5.2~5.1(2
T)5~3(CRL
(d) 滤波电容应选用耐压 >1.1 的电解电容。2U2
12
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 I
D(AV) ＞（ 2~3 ） IO(AV) 。 改变 RLC 会对 UO(AV) 和 S 有影响，将 UO(AV) 和 I
O(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。
13
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。
u2u1 RL
L
uo
二、电感滤波电路
14
电感滤波原理
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。
Uo(AV)≈0.9U2
当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压 :当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压 :
u2u1 RL
L
uo
对直流分量 : XL=0 相当于短路 , 电压大部分降在 RL 上
15
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：
L-C 型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。
RC– 型滤波电路：在电容滤波后再接一级 RC 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。
LC – 型滤波电路：在电容滤波后面再接 L-C 型滤波电路。
16
１ . RC – 型滤波器
改善滤波特性的方法：采取多级滤波
uo
R
u2u1
C1 C2
uo1´RL
RC – 型滤波器
17
uo
R
u2u1
C1 C2
uo1´RL
uo 的交流分量的基波的幅值：
moCL
CLmo 'U
XRR
XRU 1
2
21 )j//(
)j//(
mo
LL
Lmo U'
CRR
C
RR
RU 1
2
2
2
21
)1
()//(
1
18
通常选择滤波元件的参数使得： )//(1
2LRR
C
moLL
Lmo U'
RRCRR
RU 1
21 )//(
1
mo
LL
Lmo U'
CRR
C
RR
RU 1
2
2
2
21
)1
()//(
1
uo 的脉动系数 S 与 uo1 的脉动系数 S´ 的关系：
S'RRCU'
U'
RRCU
US
Lo
mo
Lo
mo
)//(
1
)//(
1
2
1
2
1
19
２、 L-C 型滤波电路
u2u1
L
uoC RL
uo1
设 uo1 的直流分量为 U´O ，交流分量的基波的幅值为 U´O1m ，：
29.0 UU'U oo 67.0S'
moCLL
CLmo 'U
XRX
XRU 11 )j//(j
)j//(
20
moCLL
CLmo 'U
XRX
XRU 11 )j//(j
)j//(
通常选择滤波元件的参数使得： LRC
1
momoCL
Cmo U'
LCU'
XX
XU 1211
1
1
jj
j
uo 的脉动系数 S 与 uo1 的脉动系数 S´ 的关系：
S'LCU'
U'
LCU
US
o
mo
o
mo2
12
1
1
1
1
1
21
３、 LC – 型滤波电路
u2u1
L
uoC2
RL
uo1
C1
显然， LC – 型滤波电路输出电压的脉动系数比只有 LC 滤波时更小，波形更加平滑；由于在输入端接入了电容，因而较只有 LC 滤波时，提高了输出电压。
请自行分析 LC – 型滤波电路的输出电压和脉动系数等基本参数。
22
四． 倍压整流电路 利用滤波电容的充放电作用，将多个电容和二极管组合可获得倍数于变压器附边电压的输出电压。
1 、二倍压整流电路
u1 u
+–
D1
C2
D2
uo
u1 2
+–D1
C2
D2
uo
CC1
a
b
+–u2 的正半周时： D1 导通，D2 截止，理想情况下，电容 C1 的电压：
21C U2U u2 的负半周时： D2 导通，D1 截止，理想情况下，电容 C2 的电压：
21C22C U22UUU
输出端的电压： 22CO U22UU 即二倍压电压。
23
+ –22U
2 、多倍压整流电路
+ –
222 U
u2 的第一个正半周： u2 、 C1 、 D1 构成回路，C1 充电到： 22U
u2 的第一个负半周： u2 、 C2 、 D2 、 C1 构成回路， C2 充电到：222 U
C1
u1 u2D1
D2
D3
D4
D5D6
C3 C5
C2 C4 C6
24
+ –22U
+ –222 U
+ –222 U
+ –
222 U+ –
222 U+ –
222 U
C1
u1 u2D1
D2
D3
D4
D5D6
C3 C5
C2 C4 C6
u2 的第二个正半周： u2 、 C1 、 C3 、 D3 、 C2 构成回路， C1 补充电荷， C3 充电到：222 U
u2 的第二个负半周： u2 、 C2 、 C4 、 D4 、 C3 、C1 构成回路， C2 补充电荷， C4 充电到：222 U
把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。
25
§10.4 稳压二极管稳压电路 稳压电路的作用 : 使直流电路在电网波动、负载变化、温度变化等因素影响下保证输出电压稳定。
交流电压
脉动直流电压
整流 滤波 有波纹的直流电压
稳压 直流电压
26
一 . 稳压电源类型
以下主要讨论线性稳压电路。
稳压二极管稳压电路
开关型稳压电路
线性稳压电路
常用稳压电路( 小功率设备 )
电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。
效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。
27
二 . 稳压电路的主要性能指标(1) 稳压系数 S （越小越好） 稳压系数 S 反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。
O I
O I
U US
U U
(2) 输出电阻 Ro （越小越好） 输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。
28
~220V RL
+
-UO
R
DZ
+
-
UI
IZ IZIR
u
i
IZmin
IZmax
稳压管稳压电路具有电路简单、元件数量少等优点，应用较为广泛。适用于负载电流小、负载电压不变的场合。
三 . 稳压管稳压电路
29
从稳压管的特性可知，在电路中若能使稳压管始终工作在稳压区内，即：使稳压管的电流 IZ 满足条件：
IZmin≤ IZ≤ IZmax, 则输出电压UO 基本上保持不变，约为 U
Z 。
u
i
IZmin
IZmax
UUZZ
所以稳压二极管的稳压作用是利用稳压管中电流的调节实现稳压目的。电路中 R 必不可少，其作用是限流和电压、电流补偿。
30
~220V RL
+
-UO
R
DZ
+
-
UI
IZ IZIR 通过对电路分析容易得到关系式：
ORI UUU
OZR III 1 、稳压管稳压电路的工作原理
当电网电压变化时： RRZOI UIIUU
OU
以上过程是利用 关系中，使 ，从而实现 UO 的稳定。
ORI UUU IR UU
31
当负载发生变化时：
不变不变 OROZRZOL UIIIIIUR
RO II
~220V RL
+
-UO
R
DZ
+
-
UI
IZ IZIR
以上过程是利用 关系中，使 ，使 IR 基本不变而实现 UO 的稳定。OZ II
OZR III
32
2 、稳压管稳压电路的性能指标 稳压管稳压电路的性能指标主要有稳压系数 Sr 、输出电阻 RO 、电压调整率、电流调整率、最大纹波电压、温度系数等。主要了解前两个。Sr 定义为：在负载固定时稳压电路输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。
常数
LRI
I
O
O
UU
UU
S
Sr 反映电网波动对输出电压的影响，其值越小说明稳压性能越好。
33
RO 定义为：在输入电压固定时，稳压电路输出电压变化量与输出电流变化量之比。
常数
IUO
OO I
UR
RO 反映负载波动对稳压电路的影响，其值越小说明稳压电路带负载能力越强。 在只考虑变化量条件下，稳压管稳压电路可等效为如图形式， rz 为稳压管的动态电阻。
+
-
UI UO
+
-
IZ IO
DZ RL
R限流电阻
IR+
-
UI UO
+
-RL
R
rz
34
脉动系数 Sr ：
∴ Sr=(ΔUO/ΔUI)(UI/UO)
+
-
UI UO
+
-RL
R
rz
输出电阻 RO ：RO=R//rz ≈rz
z
z
Lz
Lz
I
O
rR
r
R//rR
R//r
U
U
(R>> rz)
O
I
z
z
U
U
rR
r
(R>> rz)
另外，用电网电压波动 ±10% 时 UO 的变化量 ΔUO
作为衡量指标，称为电压调整率。用 IO 从 0 变到额定值时， UO 的变化量作为衡量指标，称为电流调整率。
35
3 、稳压管稳压电路的参数选择 首先应确定输出电压 UO ，输出电流范围 Iomin 、 Iomax （或 RLmax 、 RLmin ），输入电压 UI 波动范围（一般为 ±10% ）等，据此选择整流、滤波、稳压元件参数。
（ 1 ） UI 的选择根据经验，一般选择
UI= （ 2~3 ） UO
确定 Ii ：该电流的选择原则为 Ii > Iomax 。
36
（ 2 ）稳压管的选择
UZ=UO
IZM － IZ > Iomax － Iomin
IZM ≥ Iomax +IZ
（ 3 ）限流电阻的选择由
ORZZI
R IIIR
UUI
得
ZLmin
ZZImin IR
U
R
UU
LminZZ
ZIminmax /RUI
UUR
ZMLmax
ZZImax IR
U
R
UU
LmaxZZM
ZImaxmin /RUI
UUR
max2RmaxR RIP 限流电阻的功率： （空载时）
37
输出电流小，输出电压不可调节；
结构简单、方便，使用元件少；
适用于 IO 较小， UO 不变的场合，如作电压基准。
稳压管稳压电路的特点：
38
作业： P556~5579 、 10
11 、 12
