迁安网站开发,预付网站建设服务费如何入账,app软件下载安装到手机,自己做网站如何月入3k在分析整流电路时#xff0c;为了突出重点#xff0c;简化分析过程#xff0c;一般均假定负载为纯电阻性#xff1b;整流二极管为理想二极管#xff0c;即导通时正向压降为零#xff0c;截止时反向电流为零#xff1b;变压器无损耗#xff0c;内部压降为零等。
一、整…在分析整流电路时为了突出重点简化分析过程一般均假定负载为纯电阻性整流二极管为理想二极管即导通时正向压降为零截止时反向电流为零变压器无损耗内部压降为零等。
一、整流电路的分析方法及基本参数
分析整流电路就是弄清电路的工作原理即整流原理求出主要参数并确定整流二极管的极限参数。
1、工作原理
如图10.2.1所示的单相半波整流电路是最简单的一种整流电路设变压器的副边电压有效值为 U 2 U_2 U2则其瞬时值 u 2 2 U 2 sin ω t u_2\sqrt2U_2\sin\omega t u22 U2sinωt。 在 u 2 u_2 u2 的正半周 A \textrm A A 点为正 B \textrm B B 点为负二极管外加正向电压因而处于导通状态。电流从 A \textrm A A 点流出经过二极管 D \textrm D D 和负载电阻 R L R_L RL 流入 B \textrm B B 点 u O u 2 2 U 2 sin ω t ( ω t 0 ∼ π ) u_{\scriptscriptstyle O}u_2\sqrt2U_2\sin\omega t\,(\omega t0\simπ) uOu22 U2sinωt(ωt0∼π)。在 u 2 u_2 u2 的负半周 B \textrm B B 点为正 A \textrm A A 点为负二极管外加反向电压因而处于截止状态 u O 0 ( ω t π ∼ 2 π ) u_{\scriptscriptstyle O}0\,(\omega tπ\sim2π) uO0(ωtπ∼2π)。负载电阻 R L R_L RL 的电压和电流都具有单一方向脉动的特性。图10.2.2所示为变压器副边电压 u 2 u_2 u2、输出电压 u O u_{\scriptscriptstyle O} uO也是输出电流和二极管的电流、二极管端电压的波形。 分析整流电路工作原理时应研究变压器副边电压极性不同时二极管的工作状态从而得出输出电压的波形也就弄清了整流原理。整流电路的波形分析是其定量分析的基础。
2、主要参数
在研究整流电路时至少应考查整流电路输出电压平均值和输出电流平均值两项指标有时还需考虑脉动系数以便定量反映输出波形脉动的情况。 输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值 U O ( A V ) U_{O(AV)} UO(AV)。从图10.2.2所示波形图可知当 ω t 0 ∼ π \omega t0\simπ ωt0∼π 时 u O 2 U 2 sin ω t u_{\scriptscriptstyle O}\sqrt2U_2\sin\omega t uO2 U2sinωt当 ω t π ∼ 2 π \omega tπ\sim 2π ωtπ∼2π 时 u O 0 u_{\scriptscriptstyle O}0 uO0。所以求解 u O u_{\scriptscriptstyle O} uO 的平均值 U O ( A V ) U_{O(AV)} UO(AV)也就是将 0 ∼ π 0\simπ 0∼π 的电压平均在 0 ∼ 2 π 0\sim2π 0∼2π 时间间隔之中如图10.2.3所示写成表达式 U O ( A V ) 1 2 π ∫ 0 π 2 U 2 sin ω t d ( ω t ) U_{O(AV)}\frac{1}{2π}\int_0^π\sqrt2U_2\sin\omega t\,\textrm d(\omega t) UO(AV)2π1∫0π2 U2sinωtd(ωt)解得 U O ( A V ) 2 U 2 π ≈ 0.45 U 2 ( 10.2.1 ) U_{O(AV)}\frac{\sqrt 2U_2}{π}\approx0.45U_2\kern 30pt(10.2.1) UO(AV)π2 U2≈0.45U2(10.2.1) 负载电流的平均值 I O ( A V ) U O ( A V ) R L 2 U 2 π R L ≈ 0.45 U 2 R L ( 10.2.2 ) I_{O(AV)}\frac{U_{O(AV)}}{R_L}\frac{\sqrt2U_2}{πR_L}\approx\frac{0.45U_2}{R_L}\kern 20pt(10.2.2) IO(AV)RLUO(AV)πRL2 U2≈RL0.45U2(10.2.2)例如当变压器副边电压有效值 U 2 20 V U_220\,\textrm V U220V 时单相半波整流电路的输出电压平均值 U O ( A V ) ≈ 9 V U_{O(AV)}\approx9\,\textrm V UO(AV)≈9V。若负载电阻 R L 20 Ω R_L20\,\textrm Ω RL20Ω则负载电流平均值 I O ( A V ) ≈ 0.45 A I_{O(AV)}\approx0.45\,\textrm A IO(AV)≈0.45A。 整流输出电压的脉动系数 S S S 定义为整流输出电压的基波峰值 U O1M U_{\textrm{O1M}} UO1M 与输出电压平均值 U O ( A V ) U_{O(AV)} UO(AV) 之比即 S U O1M U O ( A V ) ( 10.2.3 ) S\frac{U_{\textrm{O1M}}}{U_{O(AV)}}\kern 50pt(10.2.3) SUO(AV)UO1M(10.2.3)因而 S S S 愈大脉动愈大。 由于半波整流电路输出电压 u O u_{\scriptscriptstyle O} uO 的周期与 u 2 u_2 u2 相同 u O u_{\scriptscriptstyle O} uO 的基波频率与 u 2 u_2 u2 相同即 50 Hz 50\,\textrm{Hz} 50Hz。通过谐波分析即对 u O u_{\scriptscriptstyle O} uO 做傅里叶级数展开其基波 u O 1 1 π ∫ 0 π 2 U 2 sin ω t ⋅ sin ω t d ( ω t ) ⋅ sin ω t 1 2 U 2 sin ω t u_{\scriptscriptstyle O1}\frac{1}{π}\int_0^{π}\sqrt2U_2\sin\omega t\cdot\sin\omega t\,\textrm d(\omega t)\cdot\sin\omega t\frac{1}{\sqrt2}U_2\sin\omega t uO1π1∫0π2 U2sinωt⋅sinωtd(ωt)⋅sinωt2 1U2sinωt所以 U O1M U 2 / 2 U_{\textrm{O1M}}U_2/\sqrt2 UO1MU2/2 故半波整流电路输出电压的脉动系数 S U 2 / 2 2 U 2 / π π 2 ≈ 1.57 ( 10.2.4 ) S\frac{U_2/\sqrt2}{\sqrt2U_2/π}\frac{π}{2}\approx1.57\kern 20pt(10.2.4) S2 U2/πU2/2 2π≈1.57(10.2.4)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 1.57 1.57 倍。
3、二极管的选择
当整流电路的变压器副边电压有效值和负载电阻值确定后电路对二级管参数的要求也就确定了。一般应根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。 在单相半波整流电路中二极管的正向平均电流等于负载电流平均值即 I D ( A V ) I O ( A V ) ≈ 0.45 U 2 R L ( 10.2.5 ) I_{D(AV)}I_{O(AV)}\approx\frac{0.45U_2}{R_L}\kern 30pt(10.2.5) ID(AV)IO(AV)≈RL0.45U2(10.2.5)二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压即 U R m a x 2 U 2 ( 10.2.6 ) U_{Rmax}\sqrt2U_2\kern 50pt(10.2.6) URmax2 U2(10.2.6)一般情况下允许电网电压有 ± 10 % ±10\% ±10% 的波动即电源变压器原边电压为 198 ∼ 242 V 198\sim242\,\textrm V 198∼242V因此在选用二极管时对于最大整流平均电流 I F I_F IF 和最高反向工作电压 U R M U_{RM} URM 应至少留有 10 % 10\% 10% 的余地以保证二极管安全工作即选取 I F 1.1 I O ( A V ) 1.1 2 U 2 π R L ( 10.2.7 ) I_F1.1I_{O(AV)}1.1\frac{\sqrt{2}U_2}{πR_L}\kern 20pt(10.2.7) IF1.1IO(AV)1.1πRL2 U2(10.2.7) U R M 1.1 2 U 2 ( 10.2.8 ) U_{RM}1.1\sqrt2U_2\kern40pt(10.2.8) URM1.12 U2(10.2.8)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10.2.1】在图10.2.1所示整流电流中已知电网电压波动范围是 ± 10 % ±10\% ±10%变压器副边电压有效值 U 2 30 V U_230\,\textrm V U230V负载电阻 R L 100 Ω R_L100\,Ω RL100Ω试问 1负载电阻 R L R_L RL 上的电压平均值和电流平均值各为多少 2二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 3若不小心将输出端短路则会出现什么现象
解 1负载电阻上电压平均值 U O ( A V ) ≈ 0.45 U 2 13.5 V U_{O(AV)}\approx0.45U_213.5\,\textrm V UO(AV)≈0.45U213.5V流过负载电阻的电流平均值 I O ( A V ) U O ( A V ) R L ≈ 0.135 A I_{O(AV)}\frac{U_{O(AV)}}{R_L}\approx0.135\,\textrm A IO(AV)RLUO(AV)≈0.135A2二极管承受的最大反向电压 U R m a x 1.1 2 U 2 ≈ 46.7 V U_{Rmax}1.1\sqrt2U_2\approx46.7\,\textrm V URmax1.12 U2≈46.7V二极管流过的最大平均电流 I D ( A V ) 1.1 I O ( A V ) ≈ 0.149 A I_{D(AV)}1.1I_{O(AV)}\approx0.149\,\textrm A ID(AV)1.1IO(AV)≈0.149A3若不小心将输出端短路则变压器副边电压全部加在二极管上二极管会因正向电流过大而烧坏。若将二极管烧成为短路则会使变压器副边线圈短路副边电流将很大如不及时断电会造成变压器永久性损坏。
二、单相桥式整流电路
为了克服单相半波整流电路的缺点在实用电路中多采用单相全波整流电路最常用的是单相桥式整流电路。
1、电路的组成
单相桥式整流电路由四只二极管组成其构成原则就是保证在变压器副边电压 u 2 u_2 u2 的整个周期内负载上的电压和电流方向始终不变。为达到这一目的就要在 u 2 u_2 u2 的正、负半周内正确引导流向负载的电流。设变压器副边两端分别为 A \textrm A A 和 B \textrm B B则 A \textrm A A 为 “”、 B \textrm B B 为 “-” 时应有电流流出 A \textrm A A 点 A \textrm A A 为 “-”、 B \textrm B B 为 “” 时应有电流流入 A \textrm A A 点相反 A \textrm A A 为 “”、 B \textrm B B 为 “-” 时应有电流流入 B \textrm B B 点 A \textrm A A 为 “-”、 B \textrm B B 为 “” 时应有电流流出 B \textrm B B 点因而 A \textrm A A 和 B \textrm B B 点均应分别接两只二极管的阳极和阴极以引导电流如图10.2.4(a)所示负载接入的方式如图b所示。图10.2.5(a)所示为习惯画法图b所示为简化画法。 2、工作原理
设变压器副边电压 u 2 2 U 2 sin ω t u_2\sqrt2U_2\sin\omega t u22 U2sinωt U 2 U_2 U2 为其有效值。 当 u 2 u_2 u2 为正半周时电流由 A \textrm A A 点流出经 D 1 D_1 D1、 R L R_L RL、 D 3 D_3 D3 流入 B \textrm B B 点如图10.2.5(a)中实线箭头所示因而负载电阻 R L R_L RL 上的电压等于变压器副边电压即 u O u 2 u_{\scriptscriptstyle O}u_2 uOu2 D 2 D_2 D2 和 D 4 D_4 D4 管承受的反向电压为 − u 2 -u_2 −u2。当 u 2 u_2 u2 为负半周时电流由 B \textrm B B 点流出经 D 2 、 R L D_2、R_L D2、RL、 D 4 D_4 D4 流入 A \textrm A A 点如图10.2.5(a)中虚线箭头所示负载电阻 R L R_L RL 上的电压等于 − u 2 -u_2 −u2即 u O − u 2 u_{\scriptscriptstyle O}-u_2 uO−u2 D 1 D_1 D1、 D 3 D_3 D3 承受的反向电压为 u 2 u_2 u2。 这样由于 D 1 D_1 D1、 D 3 D_3 D3 和 D 2 D_2 D2、 D 4 D_4 D4 两对二极管交替导通致使负载电阻 R L R_L RL 上在 u 2 u_2 u2 的整个周期内都有电流通过而且方向不变输出电压 u O ∣ 2 U 2 sin ω t ∣ u_{\scriptscriptstyle O}|\sqrt2U_2\sin\omega t| uO∣2 U2sinωt∣。图10.2.6所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。 3、输出电压平均值 U O ( A V ) U_{O(AV)} UO(AV) 和输出电流平均值 I O ( A V ) I_{O(AV)} IO(AV)
根据图10.2.6中所示 u O u_{\scriptscriptstyle O} uO 的波形可知输出电压的平均值 U O ( A V ) 1 π ∫ 0 π 2 U 2 sin ω t d ( ω t ) U_{O(AV)}\frac{1}{π}\int_0^π\sqrt2U_2\sin\omega t\,\textrm d(\omega t) UO(AV)π1∫0π2 U2sinωtd(ωt)解得 U O ( A V ) 2 2 U 2 π ≈ 0.9 U 2 ( 10.2.9 ) U_{O(AV)}\frac{2\sqrt2U_2}{π}\approx0.9U_2\kern 20pt(10.2.9) UO(AV)π22 U2≈0.9U2(10.2.9)由于桥式整流电路实现了全波整流电路它将 u 2 u_2 u2 的负半周也利用起来所以在变压器副边电压有效值相同的情况下输出电压的平均值是半波整流电路的两倍。 输出电流的平均值即负载电阻中的电流平均值 I O ( A V ) U O ( A V ) R L 2 2 U 2 π R L ≈ 0.9 U 2 R L ( 10.2.10 ) I_{O(AV)}\frac{U_{O(AV)}}{R_L}\frac{2\sqrt2U_2}{πR_L}\approx\frac{0.9U_2}{R_L}\kern 10pt(10.2.10) IO(AV)RLUO(AV)πRL22 U2≈RL0.9U2(10.2.10)在变压器副边电压相同、且负载也相同的情况下输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。 根据谐波分析桥式整流电路的基波 U O1M U_{\textrm{O1M}} UO1M 的角频率是 u 2 u_2 u2 的 2 2 2 倍即 100 Hz 100\,\textrm{Hz} 100Hz将 u O u_{\scriptscriptstyle O} uO 按 傅里叶级数展开得到其基波 u O 1 2 π ∫ 0 π 2 U 2 sin ω t ⋅ cos 2 ω t d ( ω t ) ⋅ cos 2 ω t 4 2 U 2 3 π ⋅ cos 2 ω t u_{O1}\frac{2}{π}\int_0^π\sqrt2U_2\sin\omega t\cdot\cos2\omega t\,\textrm d(\omega t)\cdot\cos2\omega t\frac{4\sqrt2U_2}{3π}\cdot\cos 2\omega t uO1π2∫0π2 U2sinωt⋅cos2ωtd(ωt)⋅cos2ωt3π42 U2⋅cos2ωt所以 U O 1 2 3 × 2 2 U 2 π U_{O1}\displaystyle\frac{2}{3}\times\frac{2\sqrt2U_2}{π} UO132×π22 U2。故脉动系数 S U O1M U O ( A V ) 2 3 ≈ 0.67 ( 10.2.11 ) S\frac{U_{\textrm{O1M}}}{U_{O(AV)}}\frac{2}{3}\approx0.67\kern 30pt(10.2.11) SUO(AV)UO1M32≈0.67(10.2.11)与半波整流电路相比输出电压的脉动系数减小很多。
4、二极管的选择
在单相桥式整流电路中因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半即 I D ( A V ) I O ( A V ) 2 2 U 2 π R L ≈ 0.45 U 2 R L ( 10.2.12 ) I_{D(AV)}\frac{I_{O(AV)}}{2}\frac{\sqrt2U_2}{πR_L}\approx\frac{0.45U_2}{R_L}\kern 20pt(10.2.12) ID(AV)2IO(AV)πRL2 U2≈RL0.45U2(10.2.12)与半波整流电路中二极管的平均电流相同。 根据图10.2.6中所示 u D u_{\scriptscriptstyle D} uD 的波形可知二极管承受的最大反向电压 U R m a x 2 U 2 ( 10.2.13 ) U_{Rmax}\sqrt2U_2\kern 40pt(10.2.13) URmax2 U2(10.2.13)与半波整流电路中二极管承受的最大反向电压也相同。 考虑到电网电压的波动范围为 ± 10 % ±10\% ±10%在实际选用二极管时应至少有 10 % 10\% 10% 的余量选择最大整流电流 I F I_F IF 和最高反向工作电压 U R M U_{RM} URM 分别为 I F 1.1 I O ( A V ) 2 1.1 2 U 2 π R L ( 10.2.14 ) I_F\frac{1.1I_{O(AV)}}{2}1.1\frac{\sqrt2U_2}{πR_L}\kern 20pt(10.2.14) IF21.1IO(AV)1.1πRL2 U2(10.2.14) U R M 1.1 2 U 2 ( 10.2.15 ) U_{RM}1.1\sqrt2U_2\kern 40pt(10.2.15) URM1.12 U2(10.2.15)单相桥式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”。它的主要缺点是所需二极管的数量多由于实际上二极管的正向电阻不为零必然使得整流电路内阻较大当然损耗也就较大。 如果将桥式整流电路变压器副边中点接地并将两个负载电阻相连接且连接点接地如图10.2.7所示那么根据桥式整流电路的工作原理当 A \textrm A A 点为 “” B \textrm B B 点为 “-” 时 D 1 D_1 D1、 D 3 D_3 D3 导通 D 2 D_2 D2、 D 4 D_4 D4 截止电流如图中实线所示而当 B B B 点为 “” A \textrm A A 点为 “-” 时 D 2 D_2 D2、 D 4 D_4 D4 导通 D 1 D_1 D1、 D 3 D_3 D3 截止电流如图中虚线所示这样两个负载上就分别获得正、负电源。可见利用桥式整流电路可以轻而易举地获得正、负电源这是其它类型整流电路难于做到的。 在实际应用中当整流电路的输出功率即输出电压平均值与电流平均值之积超过几千瓦且又要求脉动较小时就需要采用三相整流电流。三相整流电路的组成原则和方法与单相桥式整流电路相同变压器副边的三个端均应接两只二极管且一只接阴极另一只接阳极电路如图10.2.8(a)所示二极管共阴极的情况下只有阳极电位最高的那个导通二极管共阳极的情况下阴极电位最低的那个二极管导通。由此可得出其波形如图b所示。 【例10.2.2】在图10.2.5所示电路中已知变压器副边电压有效值 U 2 30 V U_230\,\textrm V U230V负载电阻 R L 100 Ω R_L100\,\textrm Ω RL100Ω。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 % ±10\% ±10%二极管的最大整流平均电流 I F I_F IF 与最高反向工作电压 U R M U_{RM} URM 至少应取多少 3若整流桥中的二极管 D 1 D_1 D1 开路或短路则分别产生什么现象 解 1输出电压平均值 U O ( A V ) ≈ 0.9 U 2 27 V U_{O(AV)}\approx0.9U_227\,\textrm V UO(AV)≈0.9U227V输出电流平均值 I O ( A V ) U O ( A V ) R L ≈ 0.27 A I_{O(AV)}\frac{U_{O(AV)}}{R_L}\approx0.27\,\textrm A IO(AV)RLUO(AV)≈0.27A2二极管的最大整流平均电流 I F I_F IF 和最高反向工作电压 U R M U_{RM} URM 分别应满足 I F 1.1 I O ( A V ) 2 ≈ 0.149 A I_F\frac{1.1I_{O(AV)}}{2}\approx0.149\,\textrm A IF21.1IO(AV)≈0.149A U R M 1.1 2 U 2 ≈ 46.7 V U_{RM}1.1\sqrt2U_2\approx46.7\,\textrm V URM1.12 U2≈46.7V3若 D 1 D_1 D1 开路则电路仅能实现半波整流因而输出电压平均值仅为原来的一半。若 D 1 D_1 D1 短路则在 u 2 u_2 u2 的负半周变压器副边电压将全部加在 D 2 D_2 D2 上 D 2 D_2 D2 将因电流过大而烧坏且若 D 2 D_2 D2 烧成为短路则有可能烧坏变压器。
