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第8章直流稳压电源8.1 单相整流滤波电路教学要求：1.掌握单相桥式整流电路的工作原理；2.掌握电容滤波电路的工作原理；3.了解电感滤波电路、∏型滤波电路的结构及原理。
引言直流稳压电源是将交流电变换成功率较小的直流电，一般由变压、整流、滤波和稳压等几部分组成。
整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
一、单相整流电路（一）半波整流电路单相半波整流电路如下图(a)所示，图中Tr为电源变压器，用来将市电220V交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。
设V为整流二极管，令它为理想二极管，R L为要求直流供电的负载等效电阻。
由图可见，负载上得到单方向的脉动电压，由于电路只在u2的正半周有输出，所以称为半波整流电路。
半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大，因此，它只使用于要求不高的场合。
（二）桥式整流电路为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路，如下图所示，图中V1、V2、V3、V4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。
1.工作原理和输出波形设变压器二次电压u2=21/2U2sinωt，波形如电压、电流波形图(a)所示。
在u2的正半周，即a点为正，b 点为负时，V1、V3承受正向电压而导通，此时有电流流过R L，电流路径为a→V1→R L→V3→b，此时V2、V4因反偏而截止，负载R L上得到一个半波电压，如电压、电流波形图(b)中的0～π段所示。
若略去二极管的正向压降，则u O≈u2。
电压、电流波形在u2的负半周，即a点为负b点为正时，V1、V3因反偏而截止，V2、V4正偏而导通，此时有电流流过R L，电流路径为b→V2→R L→V4→a。
这时R L上得到一个与0～π段相同的半波电压如电压、电流波形图(b)中的π～2π段所示，若略去二极管的正向压降，uＯ≈－u2。
单相桥式整流与滤波电路的安装和测试教案第一章：教学目标与内容简介1.1 教学目标1. 了解单相桥式整流电路的原理与特点；2. 学会桥式整流电路的安装与测试方法；3. 掌握单相桥式整流与滤波电路的应用场景。
1.2 教学内容1. 单相桥式整流电路的基本原理；2. 桥式整流电路的元件与连接方式；3. 单相桥式整流与滤波电路的安装步骤；4. 电路测试与故障排查方法。
第二章：单相桥式整流电路原理与特点2.1 电路原理1. 桥式整流电路的电路图；2. 桥式整流电路的工作原理；3. 桥式整流电路的输出电压与电流。
2.2 电路特点1. 桥式整流电路的优点；2. 桥式整流电路的缺点。
第三章：桥式整流电路的安装与连接3.1 元件准备1. 元器件清单与参数；2. 元器件的识别与检测。
3.2 电路安装1. 印刷电路板的设计与制作；2. 元器件的焊接与布线；3. 电路的调试与修改。
第四章：单相桥式整流与滤波电路的测试与故障排查4.1 电路测试1. 测试仪器与设备；2. 测试方法与步骤；3. 测试结果的分析与处理。
4.2 故障排查1. 故障现象的观察与描述；2. 故障原因的分析与判断；3. 故障的排除与修复。
第五章：单相桥式整流与滤波电路的应用实例5.1 应用场景介绍1. 桥式整流电路在家用电器中的应用；2. 桥式整流电路在工业设备中的应用。
5.2 实例分析1. 实例电路图与工作原理；2. 实例电路的安装与调试；3. 实例电路的性能分析与优化。
第六章：安全操作与维护6.1 安全操作1. 电路测试与实验操作规范；2. 焊接操作的安全注意事项；3. 故障排查时的安全防护措施。
6.2 电路维护1. 电路的日常检查与保养；2. 电路故障的预防与处理；3. 电路升级与改造的方法。
第七章：桥式整流电路的性能优化7.1 电路性能指标1. 整流电路的效率与输出电压；2. 滤波电路的滤波效果与频率响应。
7.2 性能优化方法1. 提高整流电路的效率；2. 改善滤波电路的性能；3. 电路参数的优化与调整。
基于Multisim 14的单相整流滤波稳压电路及其故障仿真分
析
邓红雷;张仙玲;汪娟娟
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2022(45)14
【摘要】整流滤波稳压电路是电工学模拟电子学中的重要组成部分,该教学内容概率与参数多、波形复杂、各个知识点分散,不便于掌握。
为此,文中设计一种基于Multisim 14的单相整流滤波稳压电路。
该电路无需添加或删除元器件,通过控制开关的闭合即可分别实现单相半波全波整流、整流滤波、整流滤波稳压电路及各种接线故障的模拟分析。
通过对各种仿真电路进行仿真,给出详细的仿真波形和参数;并将仿真结果与理论及经验计算公式、二极管选择依据进行比较,对相关电路中的重点难点进行阐述。
该仿真电路将各个知识点串成一条线,可以极大地帮助学生加深对相关概念参数与波形的理解,并克服现场实验时示波器不能同时观看输入和输出波形与无法实现接线故障实验的缺点。
【总页数】6页(P23-28)
【作者】邓红雷;张仙玲;汪娟娟
【作者单位】华南理工大学电力学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN713-34
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第二节 单相整流滤波电路整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电变换为脉动直流电的电路。
根据交流电的相数，整流电路可分为单相整流电路与三相整流电路等，在小功率电路中（1kV A 以下）一般采用单相整流，常见的有单相半波、全波和桥式整流。
本节重点讨论单相半波和桥式整流电路。
一、单相整流电路1．单相半波整流 电路由整流变压器Tr 、整流二极管VD 以及负载电阻R L 组成，如图6-2-1（a ）所示。
VD图6-2-1 单相半波整流电路 a ）b ） （a ）电路图 （b ）波形图图6-2-1（a ）中，设电源变压器次级电压u 2为t U u ω=sin 222式中，U 2为次级电压的有效值。
当u 2的波形为正半周时，A 端为正，B 端为负，二极管正向导通，忽略二极管的正向导通压降时，负载电压为u o =u 2；当u 2为负半周时，A 端为负，B 端为正，二极管反向截止，电路中电流为零，负载电压u o =0，u 2全部加在二极管两端。
各电压波形如图6-2-1（b ）所示，由图可知，负载上得到的是单相脉动直流电压和电流。
由于输出电压u o 仅为电源电压u 2的正半波，所以称为半波整流。
负载上脉动直流电压的大小用平均值Uo 来示，根据数学推导有2U 450U .O ≈ （6-5） 通过负载的电流Io 为L LO O .R U 450R U I 2≈= （6-6） 二极管与负载串联，因此流经二极管的平均电流为L.R U 450I I 2O D == （6-7） 此外，由图6-3（b ）可知，二极管反向截止时，管子两端承受的最高反向电压就是u 2的最大值，即2DRM 2U U = （6-8） 在选择二极管时，所选管子的最大整流电流I F 和最高反向工作电压U RM 应大于式（6-7）和式（6-8）的计算值，即L.R U 450I I 2D F =≥ (6-9) 2RM U 2U U =≥DRM (6-10) 实际应用中，应根据I F 和U RM 的计算值查阅半导体器件手册，选择合适的二极管型号。
单相半波整流电路的优点是结构简单，缺点是输出电压脉动大、整流设备利用率低，一般用于电流较小（几十毫安以下）、对脉动要求不高的场合。
2．单相桥式全波整流电路 如图6-2-2（a ）所示，单相桥式全波整流电路由四个整流二极管接成电桥的形式，二极管VD1和VD2的负极接在一起作为输出端的正极，VD3和VD4的正极接在一起作为输出端的负极。
它们相互之间的连接方式以及与电源变压器和负载的连接，必须按照图示方式进行，任何一个二极管的反接均可造成变压器短路烧坏。
图6-2-2（b ）所示为桥式整流电路的简化画法。
当u 2的波形为正半周时，电路中A 点电位高于B 点电位，二极管VD1、VD3正向导通，VD2、VD4反向截止。
电流的流向为A →VD1→R L →VD 3→B ，如图中实线箭头所示；当u 2的波形为负半周时，二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止,电流的流向为B →VD2→RL →VD4→A ，如图中虚线箭头所示。
由此可见，VD1、VD3与VD2、VD4轮流导通半个周期，在整个周期内，负载R L 上均有电流流过，并且始终是一个方向，故称为全波整流。
其电压电流波形如图6-2-3所示。
由图6-5可见，桥式整流电路的输出电压平均值应为半波整流电路的两倍，因此有2U 90U .O ≈ （6-11）LL O O .R U 90R U I 2≈= （6-12） I o 是由VD1、VD3和VD2、VD4各轮流导通半个周期所提供的，所以流过每个整流管的平均电流是流过负载电流的一半，即LO .R U 4502I I 2D == （6-13） 桥式整流电路中，每个二极管承受的最高反向电压与半波整流电路类似，为变压器次级电压u 2的最大值，即2DRM U 2U = （6-14）在选择二极管时，所选管子的最大整流电流I F 和最高反向工作电压U RM 应大于式（6-13）和式（6-14）的计算值。
单相桥式整流电路的直流输出电压较高，输出电压脉动较小，而且电源变压器在正、负半周都有电流供给负载，使变压器得到充分利用，效率较高。
因此，这种电路获得了广泛的应用。
图6-2-3 单相桥式整流电路波形 例6-1 有一直流负载R L =20Ω，需要直流电压U O =40V ，采用单相桥式整流。
试选择整流二极管。
解 负载直流电流为 A 220V 40R U I O ===ΩL O 通过二极管的平均电流为 A 12I I D ==O 变压器次级电压有效值为 V 444904090U U O 2...===二极管承受的最高反向工作电压为V 862U 2U U 2RM .DRM ==≥查阅半导体元器件手册可得，二极管2CZ56C 的最大整流电流为3A ，大于二极管电流I D ；最高反向工作电压为100V ，大于二极管承受的最高反向工作电压I DRM ，可以满足整流电路的要求（需要安装相应的散热片）。
3．硅桥堆整流器 为了使用方便，半导体生产厂家将桥式整流电路的四个二极管制作成一个整体封装起来，称为桥堆（整流桥），其外形如图6-2-4所示。
桥堆有四个管脚，标注“~”的两只管脚外接交流电源，标注“+”和“-”的两只管脚分别为整流输出电压的正、负极。
全波整流电路不但减少了输出电压的脉动程度，而且提高了变压器的利用率，因而得到了广泛的应用。
其中，以桥式全波整流电路应用最为广泛，目前市面上出售的大多数为单相桥式整流器。
在使用中，应注意引脚不能接错，否则可能发生短路，烧坏整流器。
前面分析的几种整流电路虽然都可以把交流电转换为直流电，但是所得到的输出电压是单相脉动电压。
在某些设备（如电镀、蓄电池充电等）中，这种电压的脉动是允许的。
但是在大多数电子设备中，整流电路中都要加接滤波器，以改善输出电压的脉冲程度。
二．滤波电路整流电路的输出电压为含有多种频率交流成分（纹波）的脉动直流电压。
为减少负载电压中的交流分量，应在负载与整流电路之间接入滤波电路。
滤波电路能滤除交流成分，使输出电压变得平稳，常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波及复式滤波电路，其中电容滤波电路是小功率整流电路中的主要滤波形式。
1．电容滤波电路 电容滤波电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。
图6-2-5（a ）所示为单相桥式整流电容滤波电路，与负载并联的是一个大容量滤波电容C 。
（1）工作原理 图6-2-5（b ）中，虚线为变压器次级电压u 2经桥式整流后输出电图6-2-5单相桥式整流电容滤波电路（ a ）电路图 （ b ）波形图压的波形。
当u 2为正半周上升时，VD1、VD3导通，u 2一方面经VD1、VD3对电容C 开始充电，另一方面向负载R L 提供电流，忽略二极管的正向导通电压，有u o =u C ≈u 2。
随着u 2的增大，负载电压逐渐上升，直至接近u 2的最大值，如图6-2-5（b ）所示的b 点。
当u 2从b 点开始下降时，u 2< u C ，VD1、VD3受反偏作用而截止，电容C 向R L 放电。
由于放电时间常数一般较大，因此电容电压u C 缓慢下降。
与此同时，u 2按照正弦规律变化，当u 2的电压值大于u C 时，如图7-68所示的d 点所示，VD2、VD4导通，电容C 再次被充电，输出电压也就随之增大，以后电容器重复上述充、放电过程，得到图6-2-5（b ）所示的输出电压波形。
可见，接入电容滤波后，负载上的电压不仅变得平滑，脉动程度大为减小，而且输出电压的平均值也增大了。
（2）参数计算 根据以上分析可以看出，电容放电时间越慢，输出电压越平滑，其平均值U O 越大。
工程上，为了获得良好的滤波效果，一般取2)5~3(T C R L ≥ （6-15） 式中，T 为交流电源的周期。
此时输出电压的平均值U O 近似为()2O U 2111U .~.≈ （6-16）当负载R L 开路时，输出电压为22U U O = （6-17） 选择滤波电容时，其电容量可以由式（6-15）确定，耐压值则应大于它实际工作时所承受的最大电压，一般取（1.5~2）U 2。
在桥式整流电路中，流过每个二极管的平均电流为负载电流的一半，即()LO .~.R 2U 2111R 2U 2I I 2L O D ≈== （6-18） 由于二极管仅在电容充电时才导通，且时间常数R L C 越大，导通时间越短，因此二极管在较短的导通时间内将流过一个较大的冲击电流。
为保证安全可靠地工作，所选二极管的最大整流电流I FM 应留有充分的裕量，一般取 ()D F I 32I ~≥。
在桥式整流电容滤波电路中，流过变压器二次绕组的电流是非正弦波，其有效值可按下面的公式估算：()O 2I 251I ~.= （6-19）（3）输出特性 输出电压U O 与输出电流I O 之间的关系曲线称为输出特性或外特性。
桥式整流电容滤波电路的输出特性曲线如图6-8所示。
由图可见，该电路的输出电压随着输出电流的增大而明显降低，即电路带负载能力差。
所以，电容滤波电路一般用于负载电流较小（即R L 较大）且变化不大的场合。
总之，电容滤波电路的优点是电路简单，输出直流电压较高；缺点是输出电压受负载变化影响较大。
2．电感滤波电路 电感滤波主要利用电感中的电流不能突变的特点，使输出电流波形比较平滑，从而达到使输出电压的波形也比较平滑的目的，故电感线圈应与负载串联。
图6-2-6（a）（b）所示分别为桥式整流电感滤波电路图及滤波输出电压波形图。
我们知道，通过电感的电流是不能突变的，因此用一个大电感与负载串联时,流过负载的电流也就不能突变，电流平滑，输出电压的波形也就平稳了。
其实质是因为电感对交流呈现很大的阻抗，频率愈高，感抗越大，则交流成分绝大部分降到了电感上,若忽略导线电阻，电感对直流没有压降，即直流均落在负载上，达到了滤波目的。
在这种电路中，输出电压中的交流成分（纹波）是整流电路输出电压的交流成分经感抗X L和负载R L分压的结果，在X L>>R L时，可以获得良好的滤波效果，即频率越高，L越大，R L越小，则滤波效果越好。
由于滤波电感与负载串联，因此桥式整流电感滤波电路的输出电压平均值Uo一般小于桥式整流电路输出电压的平均值，如果忽略电感线圈的铜阻，则Uo≈0.9U2。
虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击，但为了获得较大的L值，多采用铁芯电感，其体积大、笨重，且输出电压的平均值Uo较低。
可见，电感滤波适用于负载电流较大以及负载变化较大的场合，在小型电子设备中较少采用。
3．复式滤波电路为了进一步减小输出电压的脉动程度，可以用电容和铁芯电感组成各种形式的复式滤波电路。
如图6-2-7、6-2-8所示分别为电感型LC滤波电路和Π型滤波电路。
