《直流穩(wěn)壓電路》PPT課件.ppt

第7章直流穩(wěn)壓電路,7.1概述7.2整流及濾波電路7.3直流穩(wěn)壓電路7.4晶閘管及可控整流電路習題七,7.1概述,7.1.1直流電源的組成小功率直流電源一般由交流電源、變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路幾部分組成，如圖7.1所示。在電路中，變壓器將常規(guī)的交流電壓（220V、380V）變換成所需要的交流電壓；整流電路將交流電壓變換成單方向脈動的直流電壓；濾波電路再將單方向脈動的直流電中所含的交流成分濾掉，得到一個較平滑的直流電；穩(wěn)壓電路用來消除由于電網(wǎng)電壓波動、負載改變對其產(chǎn)生的影響，從而使輸出電壓穩(wěn)定。,圖7.1直流電源電路的組成框圖,7.1.2直流電源演示演示電路如圖7.2所示,在圖7.2(a)電路中,變壓器的初級接220V交流電源。用示波器觀察ab間的波形如圖7.3(a)所示,觀察10間的波形如圖7.3(b)所示。合上開關(guān)S,再用示波器觀察10間的波形如圖7.3(c)所示。如果加上穩(wěn)壓部分,如圖7.2(b)所示,用示波器觀察20間的波形如圖7.3(d)所示。通過各點波形的測量，我們看到穩(wěn)壓電源是將交流電逐步改變成一個平滑的直流電。那么，直流電源各部分電路是如何工作的呢？下面將分析其工作原理。,圖7.2直流電源演示（a）簡易直流電源；（b）直流電源,圖7.3各點電壓波形,7.2整流及濾波電路,7.2.1電路組成及工作原理圖7.4是單相半波整流電路，它由整流變壓器T、整流二極管V及負載RL組成。當次級電壓時,在0區(qū)間內(nèi)，u2瞬時上正下負，二極管V因正偏而導通，忽略二極管正向?qū)▔航?，則在0區(qū)間內(nèi)uo=u2，此時流過二極管的電流iV等于流過負載的電流；在2區(qū)間內(nèi)，次級電壓u2瞬時為上負下正，此時二極管V因承受反壓而截止，iV=0，uo=0，所以輸出電壓uo的波形只有u2的正向半波。,圖7.4單相半波整流電路,單相半波整流電路及電壓、電流的波形如圖7.5所示,即,圖7.5單相半波整流電路電壓與電流的波形,(72),7.2.2整流電路的主要技術(shù)指標1.輸出電壓平均值在圖7.5所示波形電路中，負載上得到的整流電壓是單方向的，但其大小是變化的，是一個單向脈動的電壓，由此可求出其平均電壓值為,2.流過二極管的平均電流iV由于流過負載的電流就等于流過二極管的電流，所以,（73）,3.二極管承受的最高反向電壓URM在二極管不導通期間，承受反壓的最大值就是變壓器次級電壓u2的最大值，即,（74）,4.脈動系數(shù)S脈動系數(shù)S是衡量整流電路輸出電壓平滑程度的指標。由于負載上得到的電壓Uo是一個非正弦周期信號，可用付氏級數(shù)展開為,脈動系數(shù)的定義為最低次諧波的峰值與輸出電壓平均值之比，即,（75）,(76),單相半波整流電路的特點是結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓的平均值低、脈動系數(shù)大。,7.1.3單相橋式整流電路為了克服半波整流電路電源利用率低，整流電壓脈動程度大的缺點，常采用全波整流電路，最常用形式是橋式整流電路。它由四個二極管接成電橋形式，如圖7.6所示。,1.電路組成及工作原理在圖7.6（a）所示電路中，當變壓器次級電壓u2為上正下負時，二極管V1和V3導通，V2和V4截止，電流i1的通路為aV1RLV3b，這時負載電阻RL上得到一個正弦半波電壓如圖7.7中（0）段所示。當變壓器次級電壓u2為上負下正時，二極管V1和V3反向截止，V2和V4導通，電流i2的通路為bV2RLV4a，同樣，在負載電阻上得到一個正弦半波電壓，如圖7.7中（2）段所示。,圖7.6單相橋式整流電路組成,圖7.7單相橋式整流電路電壓與電流波形,2.技術(shù)指標計算及分析（1）輸出電壓平均值Uo。由以上分析可知，橋式整流電路的整流電壓平均值Uo比半波整流時增加一倍，即,（77）,（2）直流電流Io。橋式整流電路通過負載電阻的直流電流也增加一倍，即,（78）,（3）二極管的平均電流iV。因為每兩個二極管串聯(lián)輪換導通半個周期，因此，每個二極管中流過的平均電流只有負載電流的一半，即,（79）,（4）二極管承受的最高反向電壓URM。由圖7.6（a）可以看出，當V1和V3導通時，如果忽略二極管正向壓降，此時，V2和V4的陰極接近于a點，陽極接近于b點，二極管由于承受反壓而截止，其最高反壓為u2的峰值，即,(5)脈動系數(shù)S。全波橋式整流輸出電壓uo的付氏級數(shù)展開式為,（710）,即,由以上分析可知，單相橋式整流電路，在變壓器次級電壓相同的情況下，輸出電壓平均值高、脈動系數(shù)小，管子承受的反向電壓和半波整流電路一樣。雖然二極管用了四只，但小功率二極管體積小，價格低廉，因此全波橋式整流電路得到了廣泛的應用。,7.2.4濾波電路整流輸出的電壓是一個單方向脈動電壓，雖然是直流，但脈動較大，在有些設備中不能適應（如電鍍和蓄電池充電等設備）。為了改善電壓的脈動程度，需在整流后再加入濾波電路。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復式濾波等。,1.電容濾波電路圖7.8所示為一單相半波整流電容濾波電路，由于電容兩端電壓不能突變，因而負載兩端的電壓也不會突變，使輸出電壓得以平滑，達到濾波目的。;濾波過程及波形如圖7.9所示。,圖7.8單相半波整流電容濾波電路,圖7.9電容濾波原理及輸出波形,在u2的正半周時，二極管V導通，忽略二極管正向壓降，則uo=u2，這個電壓一方面給電容充電，一方面產(chǎn)生負載電流Io，電容C上的電壓與u2同步增長，當u2達到峰值后，開始下降，UCu2，二極管截止，如圖7.9中的A點。之后，電容C以指數(shù)規(guī)律經(jīng)RL放電，UC下降。當放電到B點時，u2經(jīng)負半周后又開始上升，當u2UC時，電容再次被充電到峰值。UC降到C點以后，電容C再次經(jīng)RL放電，通過這種周期性充放電，以達到濾波效果。,由于電容的不斷充放電，使得輸出電壓的脈動性減小，而且輸出電壓的平均值有所提高。輸出電壓平均值Uo的大小，顯然與RL、C的大小有關(guān)，RL愈大，C愈大，電容放電愈慢，Uo愈高。在極限情況下，當RL=時，Uo=UC=U2，不再放電。當RL很小時，C放電很快，甚至與u2同步下降，則Uo=0.9U2，RL、C對輸出電壓的影響如圖7.9中虛線所示?？梢婋娙轂V波電路適用于負載較小的場合。當滿足RLC（35）T/2時，則輸出電壓的平均值為,（712）,（711）,其中T為交流電源電壓的周期。,利用電容濾波時應注意下列問題：(1)濾波電容容量較大，一般用電解電容，應注意電容的正極性接高電位，負極性接低電位。如果接反則容易擊穿、爆裂。（2）開始時，電容C上的電壓為零，通電后電源經(jīng)整流二極管給C充電。通電瞬間二極管流過短路電流，稱浪涌電流。一般是正常工作電流Io的（57）倍，所以選二極管參數(shù)時，正向平均電流的參數(shù)應選大一些。同時在整流電路的輸出端應串一個阻值約為（0.020.01）R的電阻，以保護整流二極管。,2.電感濾波及復式濾波電路（1）電感濾波電路。由于通過電感的電流不能突變，用一個大電感與負載串聯(lián),流過負載的電流也就不能突變，電流平滑，輸出電壓的波形也就平穩(wěn)了。其實質(zhì)是因為電感對交流呈現(xiàn)很大的阻抗，頻率愈高，感抗越大，則交流成分絕大部分降到了電感上,若忽略導線電阻，電感對直流沒有壓降，即直流均落在負載上，達到了濾波目的。電感濾波電路如圖7.10所示。在這種電路中，輸出電壓的交流成分是整流電路輸出電壓的交流成分經(jīng)XL和RL分壓的結(jié)果，只有L>>RL時，濾波效果才好。,圖7.10帶電感濾波器的橋式整流電路圖,（2）輸出電壓平均值Uo。一般小于全波整流電路輸出電壓的平均值，如果忽略電感線圈的銅阻，則Uo0.9U2。雖然電感濾波電路對整流二極管沒有電流沖擊，但為了使L值大，多用鐵芯電感，但體積大、笨重，且輸出電壓的平均值Uo較低。（3）復式濾波電路。為了進一步減小輸出電壓的脈動程度，可以用電容和鐵芯電感組成各種形式的復式濾波電路。電感型LC濾波電路如圖7.11所示。整流輸出電壓中的交流成分絕大部分降落在電感上，電容C又對交流接近于短路，故輸出電壓中交流成分很少，幾乎是一個平滑,圖7.11橋式整流電感型LC濾波電路,（4）型濾波電路。圖7.12所示為LC型濾波電路。整流輸出電壓先經(jīng)電容C1，濾除了交流成分后，再經(jīng)電感L上濾波電容C2上的交流成分極少，因此輸出電路幾乎是平直的直流電壓。但由于鐵芯電感體積大、笨重、成本高、使用不便。因此，在負載電流不太大而要求輸出脈動很小的場合，可將鐵芯電感換成電阻，即RC型濾波電路。電阻R對交流和直流成分均產(chǎn)生壓降，故會使輸出電壓下降，但只要RL>>1/(C2)，電容C1濾波后的輸出電壓絕大多數(shù)降在電阻RL上。RL愈大，C2愈大，濾波效果愈好。,圖7.12型濾波電路（a）LC型濾波電路;（b）RC型濾波電路,通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，當電網(wǎng)電壓波動或負載電流變化時，輸出電壓會隨之改變。電子設備一般都需要穩(wěn)定的電源電壓。如果電源電壓不穩(wěn)定，將會引起直流放大器的零點漂移，交流噪聲增大，測量儀表的測量精度降低等。因此必須進行穩(wěn)壓，目前中小功率設備中廣泛采用的穩(wěn)壓電源有并聯(lián)型穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路及開關(guān)型穩(wěn)壓電路。,7.3直流穩(wěn)壓電路,7.2.1硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.電路組成及工作原理硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖7.13所示，經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui，限流電阻R和穩(wěn)壓管V組成穩(wěn)壓電路，輸出電壓Uo=UZ。,圖7.13穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的直流電源電路,在這種電路中，不論是電網(wǎng)電壓波動還是負載電阻RL的變化，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路都能起到穩(wěn)壓作用，因為UZ基本恒定，而Uo=UZ。下面從兩個方面來分析其穩(wěn)壓原理：（1）設RL不變，電網(wǎng)電壓升高使Ui升高，導致Uo升高，而Uo=UZ。根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當UZ升高一點時，IZ將會顯著增加，這樣必然使電阻R上的壓降增大，吸收了Ui的增加部分，從而保持Uo不變。,反之亦然。,（2）設電網(wǎng)電壓不變，當負載電阻RL阻值增大時，IL減小，限流電阻R上壓降UR將會減小。由于Uo=UZ=Ui-UR，所以導致Uo升高，即UZ升高，這樣必然使IZ顯著增加。由于流過限流電阻R的電流為IR=IZ+IL，這樣可以使流過R上的電流基本不變，導致壓降UR基本不變，則Uo也就保持不變。,反之亦然。,2.穩(wěn)壓電路參數(shù)確定（1）限流電阻的計算。穩(wěn)壓電路要輸出穩(wěn)定電壓，必須保證穩(wěn)壓管正常工作。因此必須根據(jù)電網(wǎng)電壓和負載電阻RL的變化范圍,正確地選擇限流電阻R的大小。從兩個極限情況考慮，則有當Ui為最小值，Io達到最大值時，即Ui=Uimin，Io=Iomax,這時IR=(Uimin-UZ)/R。則IZ=IR-Iomax為最小值。為了讓穩(wěn)壓管進入穩(wěn)壓區(qū)，此時IZ值應大于IZmin，即IZ=(Uimin-UZ)/R-IomaxIZmin,則,當Ui達最大值，Io達最小值時，Ui=Uimax，Io=Iomin,這時IR=(Uimax-UZ)/R，則IZ=IR-Iomin為最大值。為了保證穩(wěn)壓管安全工作，此時IZ值應小于IZmax，即IZ=(Uimax-UZ)/R-IominIZmax，則,所以限流電阻R的取值范圍為,(713),在此范圍內(nèi)選一個電阻標準系列中的規(guī)格電阻。,（2）確立穩(wěn)壓管參數(shù)。一般取,（714）,7.3.2串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路并聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定，但穩(wěn)壓值不能隨意調(diào)節(jié)，而且輸出電流很小，由式7.14可知，Iomax=（1/32/3）IZmax，而IZmax一般只有2040mA。為了加大輸出電流，使輸出電壓可調(diào)節(jié)，常用串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路,如圖7.14所示。,圖7.14串聯(lián)型穩(wěn)壓電路（a）分立元件的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路;（b）運算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,（715）,式中，R=R1+Rp+R2,Rp是RP的下半部分阻值。,UoUb2Ub1（Uc2）Uo,圖7.14（a）是由分立元件組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，當電網(wǎng)電壓波動或負載變化時，可能使輸出電壓Uo上升或下降。為了使輸出電壓Uo不變，可以利用負反饋原理使其穩(wěn)定。假設因某種原因使輸出電壓Uo上升，其穩(wěn)壓過程為,串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓可由Rp進行調(diào)節(jié)。,UoU-Ub1Uo,串聯(lián)型穩(wěn)壓電路包括四大部分，其組成框圖如圖7.15所示。,如果將圖7.14（a）中的放大元件改成集成運放，不但可以提高放大倍數(shù)，而且能提高靈敏度，這樣就構(gòu)成了由運算放大器組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，電路如圖7.14（b）所示。假設因某種原因使輸出電壓Uo下降，其穩(wěn)壓過程為,圖7.15串聯(lián)型穩(wěn)壓電路組成框圖,7.3.3集成穩(wěn)壓器及應用集成穩(wěn)壓器將取樣、基準、比較放大、調(diào)整及保護環(huán)節(jié)集成于一個芯片，按引出端不同可分為三端固定式、三端可調(diào)式和多端可調(diào)式等。三端穩(wěn)壓器有輸入端、輸出端和公共端（接地）三個接線端點，由于它所需外接元件較少，便于安裝調(diào)試，工作可靠，因此在實際使用中得到廣泛應用。其外形如圖7.16所示。,圖7.16三端穩(wěn)壓器外形圖（a）三端固定式；（b）三端可調(diào)式,1.固定輸出的三端穩(wěn)壓器常用的三端固定穩(wěn)壓器有7800系列、7900系列，其外型如圖7.16（a）所示。型號中78表示輸出為正電壓值，79表示輸出為負電壓值，00表示輸出電壓的穩(wěn)定值。根據(jù)輸出電流的大小不同，又分為CW78系列，最大輸出電流11.5A；CW78M00系列，最大輸出電流0.5A；CW78L00系列，最大輸出電流100mA左右，7800系列輸出電壓等級有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，7900系列有-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V。如CW7815，表明輸出+15V電壓，輸出電流可達1.5A，CW79M12，表明輸出-12V電壓，輸出電流為-0.5A。,2.三端可調(diào)輸出穩(wěn)壓器前面介紹78、79系列集成穩(wěn)壓器，只能輸出固定電壓值，在實際應用中不太方便。CW117、CW217、CW317、CW337和CW337L系列為可調(diào)輸出穩(wěn)壓器，其外型如圖7.16（b）所示。在圖7.16所示電路中CW317是三端可調(diào)式正電壓輸出穩(wěn)壓器，而CW337是三端可調(diào)式負電壓輸出穩(wěn)壓器。三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器輸出電壓為1.2537V，輸出電流可達1.5A。,CW317的基本應用電路如圖7.17所示，它只需外接兩個電阻(R1和RP)來確定輸出電壓。為了使電路正常工作，它的輸出電流不應小于5mA，調(diào)節(jié)端的電流約為50A，輸出電壓的表達式為,（716）,（717）,在上式中RP阻值很小,可忽略，由此可得,圖7.17所示電路中C1為預防自激振蕩產(chǎn)生,C2用來改善輸出電壓波形。,圖7.17可調(diào)輸出穩(wěn)壓電源,3.三端集成穩(wěn)壓器的應用1）輸出固定電壓應用電路輸出固定電壓的應用電路如圖7.18所示，其中圖（a）為輸出固定正電壓，圖（b）為輸出固定負電壓，圖中Ci用以抵消輸入端因接線較長而產(chǎn)生的電感效應。為防止自激振蕩，其取值范圍在0.11F之間（若接線不長時可不用），Co用以改善負載的瞬態(tài)響應，一般取1F左右，其作用是減少高頻噪聲。,圖7.18固定輸出的穩(wěn)壓電路（a）輸出固定正電壓;（b）輸出固定負電壓,2）輸出正、負電壓穩(wěn)壓電路當需要正、負兩組電源輸出時，可采用W7800系列和W7900系列各一塊，按圖7.19接線，即可得到正負對稱的兩組電源。,圖7.19正負對稱輸出穩(wěn)壓電路,7.3.4開關(guān)穩(wěn)壓電源1.串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)電源的組成框圖如圖7.20所示，它主要由開關(guān)調(diào)整管、濾波器、比較放大器和脈寬調(diào)制器等環(huán)節(jié)組成。開關(guān)調(diào)整管是一個由脈沖uPO控制的電子開關(guān)，如圖7.21所示。,圖7.20開關(guān)電源的組成框圖,圖7.21開關(guān)調(diào)整管工作過程示意圖,1.串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)電源的組成框圖如圖7.20所示，它主要由開關(guān)調(diào)整管、濾波器、比較放大和脈寬調(diào)制器等環(huán)節(jié)組成。開關(guān)調(diào)整管是一個由脈沖uPO控制的電子開關(guān)，如圖7.21所示。,當控制脈沖uPO出現(xiàn)時，電子開關(guān)閉合，uSO=uI；而uPO=0時，電子開關(guān)斷開，uSO=0，開關(guān)的開通時間ton與開關(guān)周期T之比稱為脈沖電壓uSO的占空比。由此可見，開關(guān)調(diào)整管的輸出電壓uSO是一個脈高為uI、脈寬由uPO控制、脈率與uPO相同的矩形脈沖電壓。濾波器由電感電容組成，對脈沖電壓uSO進行濾波，得到波紋很小的直流輸出電壓uO。將輸出電壓uO取樣與基準電壓在比較放大環(huán)節(jié)中比較放大，其結(jié)果uE（誤差）作為脈寬調(diào)制器的輸入信號。脈寬調(diào)制器是一個基準電壓為鋸齒波的電壓比較器，輸出脈沖電壓uPO的脈寬由uE控制，而頻率與鋸齒波相同。,其工作原理：當輸入電壓uI和負載都處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出電壓uO也穩(wěn)定不變，設對應的誤差信號uE和控制脈沖uPO的波形如圖7.22（a）所示。如果輸出電壓uO發(fā)生波動，例如uI上升會導致uO上升，則比較放大電路使uE下降，脈寬調(diào)制器的輸出信號uPO的脈寬變窄，如圖722（b）所示，開關(guān)調(diào)整管的開通時間減小，使uO下降。通過上述調(diào)整過程，使輸出電壓uO保持不變。輸出電壓uO的穩(wěn)定過程可描述為：,這種定頻調(diào)寬控制方法稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）法。,圖7.22開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理示意圖,串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理如圖7.23所示。三極管V1為開關(guān)調(diào)整管，穩(wěn)壓管V2的穩(wěn)定電壓U2作為基準電壓，電位器RP對輸出電壓uO取樣送入比較放大環(huán)節(jié)與基準電壓u2相比較。濾波器由L、C和續(xù)流二極管V組成，當三極管V1導通時，uI向負載RL供電的同時也為電感L和電容C充電，當控制信號使開關(guān)調(diào)整管V1截止時，電感L儲存的能量通過續(xù)流二極管V2向負載釋放，電容也同時向負載放電。使負載電流連續(xù)的臨界電感值為,其中f為輸入電壓的頻率大小。實際使用中，選用電感L應大于Lc。,(7-18),圖7.23串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理圖,濾波電容的容量是根據(jù)輸出電壓的波紋峰值Upp來確定的，表示為,由于有濾波器的影響，該電路輸出電壓平均值Uo必然大于Ui，而小于Ui，因此稱為降壓型開關(guān)電源。,2.并聯(lián)升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源,圖7.24并聯(lián)升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理示意圖,當控制信號到來使開關(guān)調(diào)整管V1導通期間，二極管V2截止，其等效電路如圖724（b）所示，在此Ton期間，uI通過開關(guān)調(diào)整管V1給電感L充磁儲能，負載電壓由電容C放電供給。當控制信號使開關(guān)調(diào)整管V1關(guān)斷期間，二極管V2導通，其等效電路如圖724（c）所示，在此Toff期間，因電感儲有能量產(chǎn)生的感應電動勢能保持iL的方向不變，即電動勢的方向與iL的方向一致，故uL與uI同向串聯(lián)，兩個電壓疊加后通過二極管向負載供電，同時對電容C充電，使電感電流iL連續(xù)的最小電感值Lmin為：,(7-20),濾波電容C與波紋峰值PP的關(guān)系為：,(7-21),由于在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)時，電感電壓在一個周期內(nèi)的平均值為零，即,Ui*Ton+(Ui-Uo)Toff=0,Ui*T=Uo*Toff,所以，,(7-22),3.變壓器輸出型開關(guān)穩(wěn)壓電源從實用角度出發(fā)，希望開關(guān)電源的輸入直流電壓，直接從220V交流電源經(jīng)整流、濾波而獲得，再將斬波后得到的高頻電壓用脈沖變壓器轉(zhuǎn)換成所需要的直流輸出電壓。這樣做的目的是去掉笨重的工頻變壓器，并將輸出電路與供電電源，開關(guān)器件和控制電路隔離開來，顯著的降低了能耗，使直流穩(wěn)壓電源的體積更小，效率更高。,圖7.25所示為單端正激式變壓器輸出型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖，這種開關(guān)電源的工作情況與降壓型開關(guān)電源有相似之處，當開關(guān)調(diào)整管V4開通時，變壓器原邊近似等于輸入電壓uI，變壓器副邊電壓使二極管V2導通，為負載供電，并為電容C2充電。當開關(guān)調(diào)整管V4截止時，濾波電感L產(chǎn)生反向感應電動勢使二極管V3導通，C2放電，使負載電流連續(xù)，在此Toff期間，二極管V2截止，變壓器副邊相當于開路，但變壓器儲存的磁能量必須在Toff期間放掉，否則在下一個導通期間，磁能將壘加，并逐漸進入飽和狀態(tài)使開關(guān)調(diào)整管過流而燒毀。因而，在變壓器原邊必須并聯(lián)電阻、電容、并通過二極管V1形成退磁回路。,圖7.25變壓器輸出型開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖,7.4晶閘管及可控整流電路,7.4.1晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、性能及參數(shù)1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)晶閘管的基本結(jié)構(gòu)是由P1N1P2N2三個PN結(jié)四層半導體構(gòu)成的，如圖7.26所示。其中P1層引出電極A為陽極；N2層引出電極K為陰極；P2層引出電極G為控制極，其外型及符號如圖7.24所示。,圖7.26晶閘管結(jié)構(gòu),圖7.27晶閘管的外型及符號,2.晶閘管的工作原理我們可以把晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看成由PNP和NPN型兩個晶體管連接而成，如圖7.28所示。當在A、K兩極間加上正向電壓UAK時，由于J2反偏，故晶閘管不導通，在控制極上加一正向控制電壓UGK后，產(chǎn)生控制電流IG，它流入V2管的基極，并經(jīng)過V2管電流放大得IC2=2IG；又因為IC2=IB1；所以IC1=12IG，IC1又流入V2管的基極再經(jīng)放大形成正反饋，使V1和V2管迅速飽和導通。飽和壓降約為1V左右，使陽極有一個很大的電流IA，電源電壓UAK幾乎全部加在負載電阻RL上。這就是晶閘管導通的原理。當晶閘管導通后，若去掉UGK，晶閘管仍維持導通。,圖7.28晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu),綜上所述,晶閘管是一個可控制的單向開關(guān)元件，它的導通條件為：陽極到陰極之間加上陽極比陰極高的正偏電壓；晶閘管控制極要加門極比陰極電位高的觸發(fā)電壓。而關(guān)斷條件為晶閘管陽極接電源負極，陰極接電源正極，或使晶閘管中電流減小到維持電流以下。晶閘管整個工作情況如圖7.29所示。,圖7.29晶閘管工作情況,3.晶閘管特性晶閘管的基本特性常用伏安特性表示，如圖7.30所示。圖7.30（a）為IG=0時的伏安特性曲線。在伏安特性曲線上，除BA轉(zhuǎn)折段外，很像二極管的伏安特性，因此晶閘管相當于導通時可控的一種二極管。在很大的正向和反向電壓作用下，晶閘管都會損壞。通常是在晶閘管接通合適的正向電壓下將正向觸發(fā)電壓加在控制極上，使晶閘管導通，其特性曲線如圖7.30（b）所示，由圖可知，控制極電流I愈大，正向轉(zhuǎn)折電壓愈低，晶閘管愈容易導通。,圖7.30晶閘管伏安特性(a)IG=0時的伏安特性；(b)不同IG時的伏安特性,4.主要參數(shù)(1)正向重復峰值電壓UFRM是在控制極斷路時，可以重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，通常規(guī)定該電壓比正向轉(zhuǎn)折電壓小100V左右。(2)反向重復峰值電壓URRM是在控制極開路時，可以重復加在晶閘管元件上的反向重復峰值電壓，一般情況下URRM=UFRM。,(3)額定正向平均電流IF是在規(guī)定環(huán)境溫度和標準散熱及全導通條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。(4)維持電流IH是在規(guī)定環(huán)境溫度和控制極開路時，維持元件繼續(xù)導通的最小電流。(5)觸發(fā)電壓UG與觸發(fā)電流IG是在規(guī)定環(huán)境溫度下加一正向電壓，使晶閘管從阻斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷〞r所需的最小控制極電壓和電流。,7.4.2可控整流電路1.單向半波可控整流電路圖7.31是由晶閘管組成的半波可控整流電路，其中負載電阻為RL，工作情況如圖7.32所示（對不同性質(zhì)的負載工作情況不同，在此僅介紹電阻性負載，對于電感性負載的工作情況可參考有關(guān)書籍）。由圖7.32可見，在輸入交流電壓u的正半周時，晶閘管V承受正向電壓。,圖7.31晶閘管組成的半波可控整流電路,圖7.32電壓電流波形圖,顯然，在晶閘管承受正向電壓的時間內(nèi)，改變控制極觸發(fā)脈沖的加入時間（稱為移相），負載上得到的電壓波形隨之改變?？梢?，移相可以控制負載電壓的大小。晶閘管在加正向電壓下不導通的區(qū)域稱控制角（又稱移相角），如圖7.32（c）所示。而導通區(qū)域稱為導通角，可以看出導通角愈大，輸出電壓愈高，可控整流電路輸出電壓和輸出電流的平均值分別為,(723),(724),由式(723)可知，輸出電壓Uo的大小隨的大小而變化。當=0時，Uo=0.45U，輸出最大，晶閘管處于全導通狀態(tài)；當=時,Uo=0,晶閘管處于截止狀態(tài)。以上分析說明，只要適當改變控制角，也就是控制觸發(fā)信號的加入時間，就可靈活地改變電路的輸出電壓Uo。,2.單相半控橋式整流電路單相半波可控整流電路，雖然具有電路簡單，使用元件少等優(yōu)點，但輸出電壓脈動性大，電流小。單相半控橋式整流電路如圖7.33所示，橋中有兩個橋臂用晶閘管，另兩個橋臂用二極管。設u2=U2sint，當u2為正半波時，瞬時極性為上“正”下“負”，V1和V4承受正向電壓。若在t1時刻給V1加觸發(fā)脈沖，則V1導通，負載上有電壓Uo，電流通路為aV1RLV4b。,圖7.33單相半控橋式整流電路,當u2為負半波時，晶閘管V2和二極管V3承受正向電壓。在t2時刻給V2加觸發(fā)脈沖，V2導通，電流通路為bV2RLV3a。顯而易見，橋式整流的輸出電壓平均值要比單相半波整流大一倍，即,(726),(725),7.3.3可控整流的觸發(fā)電路1.單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管的外形及結(jié)構(gòu)如圖7.34（a）所示。單結(jié)晶體管有三個電極：E為發(fā)射極，B1、B2分別為第一基極和第二基極。由于有兩個基極，通常又稱為雙基極二極管。單結(jié)晶體管發(fā)射極和兩基極間的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，可等效成一個二極管V；兩基極B1、B2之間的電阻約為212k，B1到PN結(jié)之間的硅片電阻為RB1；B2到PN結(jié)之間的硅片電阻用RB2表示；其等效電路及符號如圖7.34（b）所示。,圖7.34單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)、符號及等效電路（a）單結(jié)晶體管外形及結(jié)構(gòu)示意圖;（b）符號及等效電路,（727）,式中=RB1/（RB1+RB2），稱為分壓比，一般在0.30.9之間。,設單結(jié)晶體管中PN結(jié)的導通壓降為UD,當發(fā)射極電位UEUD+UBB，單結(jié)晶體管中PN結(jié)導通，有電流IE流進發(fā)射極，流過電阻RB1。因RB1是隨電流增加而阻值減小，所以這個電流使RB1減小，造成IE進一步增大，使RB1進一步減小，這個連鎖正反饋過程，很快使RB1減小到最小值。上述電壓值UD+UBB稱作單結(jié)晶體管的峰點電壓，用UP表示。,當RB1減小到最小值時，UA也下降到最小值UAmin，此時單結(jié)晶體管的發(fā)射極電位UE=UD+UAmin，叫單結(jié)晶體管的谷點電壓UV。在上述RB1減小過程中，由于UA的下降，使UE也跟著下降。這樣，單結(jié)晶體管發(fā)射極電位UE下降，發(fā)射極電流IE反而增大，這種現(xiàn)象稱為“負阻效應”。綜上所述：當UE<UV時，單結(jié)晶體管截止；當UEUP時，單結(jié)晶體管處于導通狀態(tài)；當UE因?qū)◤腢P下降到使UEUV時，單結(jié)晶體管將恢復截止。,2.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路利用單結(jié)晶體管的負阻效應并配以RC充放電回路，可以組成一個非正弦波的振蕩電路，這個電路可產(chǎn)生可控整流電路中晶閘管所需要的觸發(fā)脈沖電壓。單結(jié)晶體管觸發(fā)脈沖電路如圖7.35所示。,圖7.35單結(jié)晶體管觸發(fā)脈沖電路（a）觸發(fā)脈沖電路;（b）觸發(fā)脈沖波形,3.單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路在圖7.35所示電路中，R1上產(chǎn)生的脈沖電壓Ug不一定能觸發(fā)晶閘管，因為觸發(fā)脈沖與被觸發(fā)的晶閘管可控整流電路還存在一個同步問題，為了解決這一問題，通常采用單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路，如圖7.36所示。,圖7.36單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路（a）單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路；（b）電壓波形,習題七,7.1如題7.1圖所示是一組多輸出的整流電路,RL1=RL2=900。試求：（1）負載RL1和RL2上的整流電壓平均值Uo1和Uo2,并標出極性；（2）二極管V1、V2和V3中的平均電流IV1、IV2、IV3及各管所承受的最高反向電壓URM1、URM2、URM3。,題7.1圖,7.2單相橋式全波整流電路如題7.2圖所示。當電路出現(xiàn)下列幾種情況時，會有什么問題？（1）二極管V1開路，未接通；（2）二極管V1短路；（3）二極管V1極性接反；（4）二極管V1、V2極性接反；（5）二極管V1開路，V2短路。,題7.2圖,7.3整流電路如題7.3圖所示。已知輸入正弦信號。（1）試說明電路為哪種形式的整流電路？有何特點？（2）當圖中電流表滿量程為100A時，R取值應為多大？（計算時可忽略電流表和二極管上的壓降。）,題7.3圖,7.4橋式全波整流電路如題7.2圖所示。已知變壓器副邊電壓。（1）試計算負載RL兩端直流電壓Uo=？（2）當負載電流IL=0.5A時,試確定整流二極管的正向平均電流IF和反向耐壓UR的值。7.5橋式全波整流電路如題7.5圖所示。試分析說明:（1）RL1、RL2兩端為何種整流波形？（2）若U21=U22=25V，則Uo1、Uo2各為多少？（3）若二極管V2虛焊，則Uo1、Uo2會發(fā)生什么變化？,題7.5圖,7.6橋式整流電容濾波電路如題7.6圖所示。已知,在下列不同情況下,計算輸出平均電壓Uo的值。（1）電容C虛焊；（2）焊接正常，但RL=（負載RL開路）；（3）整流橋中有一個二極管因虛焊開路，有電容C，RL=；（4）有電容C，但RL；（5）同上述（3），但RL，即一般負載情況下。,題7.6圖,7.7穩(wěn)壓管VZ組成題7.7圖電路,已知UZ=6V,PZM=300mW,VZ中電流不宜低于10A,當Ui=9V時,試確定電阻R的范圍。,題7.7圖,7.8穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如題7.8圖所示。已知UZ1=6V,UZ2=7V,試確定UI分別為24V和12V時,電路輸出Uo的值。,題7.8圖,7.9具有復合管的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如題7.9圖所示。已知三極管的UBE=0.7V,1=50,2=60,R1=200,R2=300,R3=200,Rc3=9.2k,UZ=4.3V。（1）試計算輸出電壓Uo可調(diào)的范圍。（2）試計算負載RL上最大電流ILmax。（3）分析V2管射極電阻Re2的作用。（4）當U1=24V時，求調(diào)整管V1的最大功耗PCM。,題7.9圖,7.10三端穩(wěn)壓器W7815和W7915組成的直流穩(wěn)壓電路如題7.10圖所示,已知副邊電壓u21=u22=20sintV。7900系列穩(wěn)壓器為負電壓輸出。（1）在圖中標明電容的極性。（2）確定Uo1、Uo2的值。（3）當負載RL1，RL2上電流IL1，Il2均為1A時，估算穩(wěn)壓器上的功耗PCM值。,題7.10圖,7.11W7805組成的恒流源電路如題7.11圖所示,已知IW=5mA,R=200,RL范圍為100200,試計算:(1)負載RL上的電流IO值。(2)輸出電壓UO的大小。,題7.11圖,7.12一單相半控橋式整流電路,其輸入交流電壓有效值為220V,負載為1k電阻,試求:當控制角=0及=90時，負載上電壓和電流的平均值，并畫出相應的波形。7.13一電阻性負載,要求在060V范圍內(nèi)調(diào)壓,采用單相半控橋式整流電路,直接由220V交流電源供電,試計算整流輸出平均電壓為30V和60V時晶閘管的導通角。,