授课人：彭建军（湖北省）

直流电源直流电源的组成及各部分的作用 整流电路 滤波电路 稳压电路

直流电源的组成及各部分的作用 在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流

电源供电。本章所介绍的直流电源为单相小功率电源，它将频率为 50 HZ 、有效值为 220 V 的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电流为几百毫安以下的直流电压。

单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，其方框图及各电路的输出电压波形如下图所示，下面就各部分的作用加以介绍。

电源变压器 : 将交流电网电压 u1 变为合适的交流电压u2 。

整流电路 : 将交流电压 u2 变为脉动的直流电压 u3 。

滤波电路 : 将脉动直流电压 u3 转变为平滑的直流电压 u4 。

稳压电路 : 清除电网波动及负载变化的影响 , 保持输出电压 uo 的稳定。

整

流

电

路

滤

波

电

路

稳 压 电 路

整

流

电

路

滤

波

电

路

稳 压 电 路

u1 u2 u3 u4 uo

整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的

电压。

整流电路

常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。

为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

1. 工作原理

二极管导通，uL=u2

二极管截止 ,

uL=0

+

–

io+

–u2 >0 时 :

u2<0 时 :

一 . 单相半波整流电路u2

uL

uD

t 2 3 40+ +

++

1 2

L

+

uR

-

L1u 2u220V

D

2 、主要参数：

IL= UL /RL =0.45 u2 / RL

uL

20

t

（ 2 ）输出电流平均值 Io ：

+ +

++

1 2

L

+

uR

-

L1u 2u220V

D

IL

）（ tduU LL

2

02

1

（ 1 ）输出电压平均值UL ：

）（ ttdu

sin2

2

10

2

245.0 u

（ 3 ）流过二极管的平均电流：

uD

20

t

URM

ID = IL

URM=22u

（ 4 ）二极管承受的最高反向电压：

+ +

++

1 2

L

+

uR

-

L1u 2u220V

D

IL

（ 5 ）输出电压的脉动系数 S 定义

)(

1

AVO

MO

U

US

为了求解 S ，我们把输出电压的坐标变换一下，如下图所示：

tt

ttUuO

2,

2,0

22,cos2 2

2

2

1)(

)(cos2

cos

T

T On

nnAVOO

O

ttdnuT

a

taUu

u

其中，

的傅立叶级数可表示为作为偶函数，

由于半波整流电路输出电压 uO 的周期与 u2 相同， uO 的基波角频率与 u2 相同，即 n=1

57.12

2/

2

2)cossin

2

1

2(

2

)(cos21

22

)(

1

22

2

2

22

2

2

11

UU

U

US

Utt

tU

ttdUaU

AVO

MO

T

TMO 说明半波整流电路的输出脉动很大，其基波峰值约为平均值的 1.57 倍。

3 、二极管的选择 ⑴ 正向平均电流

LAVOAVD R

UII 2

)()(

45.0

⑵ 最大反向电压 2max 2UUR

• 一般情况下，允许电网电压有 10 ％的波动， IF 和 U

R 均应至少留有 10 ％的余地，即选：

22

)( 21.1,2

1.11.1 UUR

UII R

LAVOF

• 单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量

少。但是由于它只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大（即脉动大），效率低。因此，这种电路仅适用于整流电流较小、对脉动要求不高的场合。

例 1 、电路如图所示，已知变压器副边电压有效值 U2 ＝ 30 V ，负载电阻 RL ＝ 100 ，试问： （ 1 ）负载电阻 RL 上的电压平均值和电流平均值各为多少？ （ 2 ）电网电压波动范围是 ± 10 ％，二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少？

解：（ 1 ）负载电阻上电压平均值 UO(AV ） 0. 45 U2 ＝ 0. 45 30 = 13.5 V 流过负载电阻的电流平均值 IO(AV)=UO(AV)/RL 13.5/100=0.135A （ 2 ）二极管承受的最大反向电压

VUUR 7.4630414.11.121.1 2max

AII AVOAVD 15.0135.01.11.1 )()(

二极管流过的最大平均电流

二 . 单相桥式整流电路1 、组成：由四个二极管组成桥路

+

+

+

+4

1

2

31u 2u220V

+

-

R L Lu

D 2

1D

D 3

D 4

简化画法如下：

+

+

+

+4

1

2

31u 2u220V

+

-

R L Lu

D 2

1D

D 3

D 4

u2 正半周时 :

D1 、 D3 导通， D2 、 D4 截止

+

–

2 、工作原理：

u2

t

t

uL

+

+

+

+4

1

2

31u 2u220V

+

-

R L Lu

D 2

1D

D 3

D 4

-

++

u2 负半周时：D2 、 D4 导通， D1 、 D3 截止

u2

t

t

uL

输出电压平均值： UL=0.9u2

输出电流平均值 :IL= UL/RL =0.9 u2 / RL

流过二极管的平均电流： ID=IL/2

u2

t

t

uL

3 、主要参数：

二极管承受的最大反向电压： URM=22u

+ +

+

+

4

1

2

3

2

+4

3

D

uu

D

D

L2

1

LD

R

-

脉动系数Ｓ :

用傅氏级数对桥式整流的输出 uL 分解后可得 :

)6cos35

44cos

15

42cos

3

42(2 2 tttuuL

uL

20t

基波

67.03

2

22324

2

2

1

u

u

U

US

L

MO

4 、二极管的选择

L

AVOAVD R

UII 2)(

)(

45.0

2

2max 2UU R

• 考虑到电网电压的波动范围为 10 ％，选择

22

)( 21.1,2

1.11.1 UUR

UII R

LAVOF

单相桥整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点，因此得到相当广泛的应用。目前有不同性能指标的集成电路，称之为“整流桥堆”。

几种常见的硅整流桥外形：

+ A C -~+~-

~+ - ~

利用桥式整流电路可以轻而易举地获得正、负电源，如图所示：

大功率整流电路常采用三相整流电路。如下图所示：

例 2 、电路如图所示，已知变压器副边电压有效值 U2=30 V ，负载电阻 RL ＝ 100 。试问：

（ 1 ）输出电压与输出电流平均值各为多少？ （ 2 ）当电网电压波动范围为 10 ％，二极管的最

大整流平均电流 IF 与最高反向工作电压 UR 至少应选取多少？

解： 1 ．根据上面的分析输出电压平均值和输出电流平 均值为：

AR

UI

VUU

L

AVOAVO

AVO

27.0100

27

27309.09.0

)()(

2)(

• 2 ．二极管的最大整流平均电流 IF 和最高反向工作电 压 UR 分别应满足

VUU

AI

I

R

AVOF

7.463021.121.1

15.02

27.01.1

2

1.1

2

)(

休息一会

滤波电路 整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉

动较大，含有较大的谐波成分，不能适应大多数电子线路及设备的需要。因此，一般在整流后，还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。

与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中滤波电路的显著特点是：均采用无源电路；理想情况下，在滤波后只保留直流成分，而滤去所有交流成分；能够输出较大电流；而且，因为整流管工作在非线性状态（即导通或截止），故滤波特性的分析方法也不尽相同。

滤波电路 一、电容滤波电路 二、倍压整流电路 三、其它形式的滤波电路

一、电容滤波电路++

+

+4

1

2

3

2

1R

220V

+

Lu

-

uL

2u

D

4 D

3

D

D

1

C

• 滤波电容容量较大，因此一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。

（ 1 ）空载（ RL=∞ ）时：

u2

t

uL

t

uc=uL

+

+

+

+ 4

1

2

32 u

2

D

C L

3

1

DD

-

220V

D +14

uu

u c

u2 ＞ uC 时：

二极管导通， C 充电

u2 ＜ uC 时：

二极管截止， C 放电。

由于 RL=∞ ，无放电回路，所以 uC 保持。

22uuu CL 1 、滤波原理

（ 2 ）接入 RL （且 RLC 较大）时

u2

t

iD

t

u2 ＞ uC 时：

二极管导通， C 充电

u2 ＜ uC 时：

二极管截止， C 放电。

二极管中

的电流

uc= uL

++

+

+

4

1

2

3

2

1R

220V

+

Lu

-

uL

2u

D

4 D

3

D

D

1

C

u c

2 、输出电压平均值

图中 T为电网电压的周期。设整流电路内阻较小而 RLC较大，电容每次充电均可达到 u2 的峰值，然后按 RLC放电的起始斜率直线下降，经 RLC交于横轴，且在 T／ 2 处的数值为最小值，则输出电压平均值为

2minmax

)(OO

AVO

UUU

滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述，近似估算时，可将波形近似为锯齿波，如右图所示。

maxminmax

max

minmax

2

2/

OL

OO

LO

OO

UCR

TUU

CR

T

U

UU

据相似三角形的关系可得

)4

1(2

)4

1(

22

2)(

max

minmaxmax

minmax)(

CR

TUU

CR

TU

UUU

UUU

LAVO

LO

OOO

OOAVO

上式表明，当负载开路，即 RL ＝ 时，

2)( 2UU AVO

2)( 2.1 UU AVO

为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足 RLC= （ 3～ 5 ） T／ 2 的条件。由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为 ±10 ％，电容的耐压值应大于 1.1 2U2 。在半波整流电路中，为获得较好的滤波效果，电容容量应选得更大些。

• 当 RLC＝（ 3～ 5 ） T／2时

3 、脉动系数 在锯齿波近似波形中，交流分量的基波的峰一峰

值为（ UOmax－ UOmin ），因此基波峰值为

maxminmax

42 OL

OO UCR

TUU

脉动系数为

14

1

4)4

1(

4

max

max

TCRTCR

T

CRT

U

UCRT

SLL

LO

OL

应当指出，由于锯齿波所含的交流分量大于滤波电路输出电压实际的交流分量，因而根据上式计算出的脉动系数大于实际数值。

4 、整流二极管的导通角 在未加滤波电容之前，无论是哪种整流电路中的

二极管均有半个周期处于导通状态，也称二极管的导通角等于。加滤波电容后，只有当电容充电时，二极管才导通，因此，每只二极管的导通角都小于 。而且， RLC 的值愈大，滤波效果愈好，导通角将愈小。

由于电容滤波后输出平均电流增大，而二极管的导通角反而减小，所以整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的冲击电流为电容充电。

这对二极管的寿命很不利，所以必须选用较大容量的整流二极管，通常应选择其最大整流平均电流 IF 大于负载电流的 2～ 3 倍。

如下图所示：

5 、电容滤波电路的输出特性和滤波特性 当滤波电容 C 选定后，输出电压平均值 UO(AV) 和输出

电流平均值 IO(AV) 的关系称为输出特性，如下图所示：

曲线表明， RL C愈大， UO （ AV ）愈高。

脉动系数 S 和输出电流平均值 IO(AV) 的关系称为滤波特性，滤波特性如下图所示：

曲线表明， RL C愈大， S 的值愈小。

综上所述，电容滤波电路简单易行，输出电压平均值高，适用于负载电流较小且其变化也较小的场合。

例 3 ．电路如图所示，要求输出电压平均值 UO(AV) ＝ 15V 负载电流平均值 IL(AV) ＝ 100mA ， UO(AV)1.2U2 。 试问： （ 1 ）滤波电容的大小； （ 2 ）考虑到电网电压的波动范围为 ± 10 ％，滤波电容的耐压值。

解： 1 ．根据 UO(AV)1.2U2 可知， C 的取值满足

15010100

153

)(

)(

AVL

AVOL I

UR

FF

C

333~2001033.3~0.2

150

1

2

1020)5~3(

4

3

电容的容量为

2 ．变压器副边电压有效值为

VU

U AVO 5.122.1

15

2.1)(

2

VUU 5.195.1221.121.1 2

电容的耐压值为

实际可选取容量为 300 F 、耐压为 25 V 的电容做本电路的滤波电容。

二、倍压整流电路1 二倍压整流电路

u2 的正半周时： D1

导通， D2 截止，理想情况下，电容 C1

的电压充到： 22U

u2 的负半周时： D2

导通， D1 截止，理想情况下，电容 C2

的电压充到： 22U负载上的电压： 222 Uuo

+–u1

u2

+–

D1

C2

C1

D2

uoRL

+ –

22U2 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

+ –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

从不同端点可引出所需的多倍压直流输出。

+

+

+

+4

1

2

3

L

D +

DLu

4

-

R220V

3 2

D

D

1

u 21u

L

1. 电感滤波电路电路结构 : 在桥式整流电路与负载间串入一电感

L 。

输出电压平均值 : UL=0.9U2

对谐波分量 : f 越高， XL 越大 , 电压大部分降在电感

上。 因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。

对直流分量 : XL=0 相当于短路 , 电压大部分降在 RL 上

三、其它形式的滤波电路

2. 复式滤波电路 为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合

起来使用。

LC 滤波电路

+

++

+

uo

+

-

L

Cu

-i

++

+

+

+

u

+ +

u

-i C

-

o

R

C1 2

RCπ 型滤波电路

3 、各种滤波电路的比较

作业P18 2,3P19 5,6