《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(xí)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(dòng)的直流電壓；濾波電路再將單方向脈動(dòng)的直流電中所含的交流成分濾掉，得到一個(gè)較平滑的直流電；穩(wěn)壓電路用來(lái)消除由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載改變對(duì)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(jí)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(kāi)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(guò)各點(diǎn)波形的測(cè)量，我們看到穩(wěn)壓電源是將交流電逐步改變成一個(gè)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(jiǎn)易直流電源；（b）直流電源,圖7.3各點(diǎn)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(fù)載RL組成。當(dāng)次級(jí)電壓時(shí),在0區(qū)間內(nèi)，u2瞬時(shí)上正下負(fù)，二極管V因正偏而導(dǎo)通，忽略二極管正向?qū)▔航?，則在0區(qū)間內(nèi)uo=u2，此時(shí)流過(guò)二極管的電流iV等于流過(guò)負(fù)載的電流；在2區(qū)間內(nèi)，次級(jí)電壓u2瞬時(shí)為上負(fù)下正，此時(shí)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(biāo)1.輸出電壓平均值在圖7.5所示波形電路中，負(fù)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(gè)單向脈動(dòng)的電壓，由此可求出其平均電壓值為,2.流過(guò)二極管的平均電流iV由于流過(guò)負(fù)載的電流就等于流過(guò)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(dǎo)通期間，承受反壓的最大值就是變壓器次級(jí)電壓u2的最大值，即,（74）,4.脈動(dòng)系數(shù)S脈動(dòng)系數(shù)S是衡量整流電路輸出電壓平滑程度的指標(biāo)。由于負(fù)載上得到的電壓Uo是一個(gè)非正弦周期信號(hào)，可用付氏級(jí)數(shù)展開(kāi)為,脈動(dòng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出電壓的平均值低、脈動(dòng)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(dòng)程度大的缺點(diǎn)，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(gè)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(dāng)變壓器次級(jí)電壓u2為上正下負(fù)時(shí)，二極管V1和V3導(dǎo)通，V2和V4截止，電流i1的通路為aV1RLV3b，這時(shí)負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)正弦半波電壓如圖7.7中（0）段所示。當(dāng)變壓器次級(jí)電壓u2為上負(fù)下正時(shí)，二極管V1和V3反向截止，V2和V4導(dǎo)通，電流i2的通路為bV2RLV4a，同樣，在負(fù)載電阻上得到一個(gè)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(biāo)計(jì)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(shí)增加一倍，即,（77）,（2）直流電流Io。橋式整流電路通過(guò)負(fù)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?yàn)槊績(jī)蓚€(gè)二極管串聯(lián)輪換導(dǎo)通半個(gè)周期，因此，每個(gè)二極管中流過(guò)的平均電流只有負(fù)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(dāng)V1和V3導(dǎo)通時(shí)，如果忽略二極管正向壓降，此時(shí)，V2和V4的陰極接近于a點(diǎn)，陽(yáng)極接近于b點(diǎn)，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(dòng)系數(shù)S。全波橋式整流輸出電壓uo的付氏級(jí)數(shù)展開(kāi)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(jí)電壓相同的情況下，輸出電壓平均值高、脈動(dòng)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(jià)格低廉，因此全波橋式整流電路得到了廣泛的應(yīng)用。,7.2.4濾波電路整流輸出的電壓是一個(gè)單方向脈動(dòng)電壓，雖然是直流，但脈動(dòng)較大，在有些設(shè)備中不能適應(yīng)（如電鍍和蓄電池充電等設(shè)備）。為了改善電壓的脈動(dòng)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(fù)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(fù)載兩端的電壓也不會(huì)突變，使輸出電壓得以平滑，達(dá)到濾波目的。;濾波過(guò)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(shí)，二極管V導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，則uo=u2，這個(gè)電壓一方面給電容充電，一方面產(chǎn)生負(fù)載電流Io，電容C上的電壓與u2同步增長(zhǎng)，當(dāng)u2達(dá)到峰值后，開(kāi)始下降，UCu2，二極管截止，如圖7.9中的A點(diǎn)。之后，電容C以指數(shù)規(guī)律經(jīng)RL放電，UC下降。當(dāng)放電到B點(diǎn)時(shí)，u2經(jīng)負(fù)半周后又開(kāi)始上升，當(dāng)u2UC時(shí)，電容再次被充電到峰值。UC降到C點(diǎn)以后，電容C再次經(jīng)RL放電，通過(guò)這種周期性充放電，以達(dá)到濾波效果。,由于電容的不斷充放電，使得輸出電壓的脈動(dòng)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(dāng)RL=時(shí)，Uo=UC=U2，不再放電。當(dāng)RL很小時(shí)，C放電很快，甚至與u2同步下降，則Uo=0.9U2，RL、C對(duì)輸出電壓的影響如圖7.9中虛線所示。可見(jiàn)電容濾波電路適用于負(fù)載較小的場(chǎng)合。當(dāng)滿足RLC（35）T/2時(shí)，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(shí)應(yīng)注意下列問(wèn)題：(1)濾波電容容量較大，一般用電解電容，應(yīng)注意電容的正極性接高電位，負(fù)極性接低電位。如果接反則容易擊穿、爆裂。（2）開(kāi)始時(shí)，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(guò)短路電流，稱(chēng)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(shí)，正向平均電流的參數(shù)應(yīng)選大一些。同時(shí)在整流電路的輸出端應(yīng)串一個(gè)阻值約為（0.020.01）R的電阻，以保護(hù)整流二極管。,2.電感濾波及復(fù)式濾波電路（1）電感濾波電路。由于通過(guò)電感的電流不能突變，用一個(gè)大電感與負(fù)載串聯(lián),流過(guò)負(fù)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(shí)質(zhì)是因?yàn)殡姼袑?duì)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(dǎo)線電阻，電感對(duì)直流沒(méi)有壓降，即直流均落在負(fù)載上，達(dá)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(shí)，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(duì)整流二極管沒(méi)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(fù)式濾波電路。為了進(jìn)一步減小輸出電壓的脈動(dòng)程度，可以用電容和鐵芯電感組成各種形式的復(fù)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(duì)交流接近于短路，故輸出電壓中交流成分很少，幾乎是一個(gè)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L(zhǎng)C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(fù)載電流不太大而要求輸出脈動(dòng)很小的場(chǎng)合，可將鐵芯電感換成電阻，即RC型濾波電路。電阻R對(duì)交流和直流成分均產(chǎn)生壓降，故會(huì)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(guò)整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化時(shí)，輸出電壓會(huì)隨之改變。電子設(shè)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(huì)引起直流放大器的零點(diǎn)漂移，交流噪聲增大，測(cè)量?jī)x表的測(cè)量精度降低等。因此必須進(jìn)行穩(wěn)壓，目前中小功率設(shè)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(kāi)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(dòng)還是負(fù)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?yàn)閁Z基本恒定，而Uo=UZ。下面從兩個(gè)方面來(lái)分析其穩(wěn)壓原理：（1）設(shè)RL不變，電網(wǎng)電壓升高使Ui升高，導(dǎo)致Uo升高，而Uo=UZ。根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當(dāng)UZ升高一點(diǎn)時(shí)，IZ將會(huì)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(shè)電網(wǎng)電壓不變，當(dāng)負(fù)載電阻RL阻值增大時(shí)，IL減小，限流電阻R上壓降UR將會(huì)減小。由于Uo=UZ=Ui-UR，所以導(dǎo)致Uo升高，即UZ升高，這樣必然使IZ顯著增加。由于流過(guò)限流電阻R的電流為IR=IZ+IL，這樣可以使流過(guò)R上的電流基本不變，導(dǎo)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(jì)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(fù)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(gè)極限情況考慮，則有當(dāng)Ui為最小值，Io達(dá)到最大值時(shí)，即Ui=Uimin，Io=Iomax,這時(shí)IR=(Uimin-UZ)/R。則IZ=IR-Iomax為最小值。為了讓穩(wěn)壓管進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)，此時(shí)IZ值應(yīng)大于IZmin，即IZ=(Uimin-UZ)/R-IomaxIZmin,則,當(dāng)Ui達(dá)最大值，Io達(dá)最小值時(shí)，Ui=Uimax，Io=Iomin,這時(shí)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(shí)IZ值應(yīng)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(gè)電阻標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，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(fù)反饋原理使其穩(wěn)定。假設(shè)因某種原因使輸出電壓Uo上升，其穩(wěn)壓過(guò)程為,串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓可由Rp進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(shè)因某種原因使輸出電壓Uo下降，其穩(wěn)壓過(guò)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(yīng)用集成穩(wěn)壓器將取樣、基準(zhǔn)、比較放大、調(diào)整及保護(hù)環(huán)節(jié)集成于一個(gè)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(gè)接線端點(diǎn)，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(shí)際使用中得到廣泛應(yīng)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(hào)中78表示輸出為正電壓值，79表示輸出為負(fù)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(jí)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(dá)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(shí)際應(yīng)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(fù)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(dá)1.5A。,CW317的基本應(yīng)用電路如圖7.17所示，它只需外接兩個(gè)電阻(R1和RP)來(lái)確定輸出電壓。為了使電路正常工作，它的輸出電流不應(yīng)小于5mA，調(diào)節(jié)端的電流約為50A，輸出電壓的表達(dá)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(yù)防自激振蕩產(chǎn)生,C2用來(lái)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(yīng)用1）輸出固定電壓應(yīng)用電路輸出固定電壓的應(yīng)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(fù)電壓，圖中Ci用以抵消輸入端因接線較長(zhǎng)而產(chǎn)生的電感效應(yīng)。為防止自激振蕩，其取值范圍在0.11F之間（若接線不長(zhǎng)時(shí)可不用），Co用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，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(fù)電壓,2）輸出正、負(fù)電壓穩(wěn)壓電路當(dāng)需要正、負(fù)兩組電源輸出時(shí)，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(fù)對(duì)稱(chēng)的兩組電源。,圖7.19正負(fù)對(duì)稱(chēng)輸出穩(wěn)壓電路,7.3.4開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源1.串聯(lián)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源開(kāi)關(guān)電源的組成框圖如圖7.20所示，它主要由開(kāi)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(kāi)關(guān)調(diào)整管是一個(gè)由脈沖uPO控制的電子開(kāi)關(guān)，如圖7.21所示。,圖7.20開(kāi)關(guān)電源的組成框圖,圖7.21開(kāi)關(guān)調(diào)整管工作過(guò)程示意圖,1.串聯(lián)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源開(kāi)關(guān)電源的組成框圖如圖7.20所示，它主要由開(kāi)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(kāi)關(guān)調(diào)整管是一個(gè)由脈沖uPO控制的電子開(kāi)關(guān)，如圖7.21所示。,當(dāng)控制脈沖uPO出現(xiàn)時(shí)，電子開(kāi)關(guān)閉合，uSO=uI；而uPO=0時(shí)，電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，uSO=0，開(kāi)關(guān)的開(kāi)通時(shí)間ton與開(kāi)關(guān)周期T之比稱(chēng)為脈沖電壓uSO的占空比。由此可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)調(diào)整管的輸出電壓uSO是一個(gè)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(duì)脈沖電壓uSO進(jìn)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(zhǔn)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(hào)。脈寬調(diào)制器是一個(gè)基準(zhǔn)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(dāng)輸入電壓uI和負(fù)載都處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出電壓uO也穩(wěn)定不變，設(shè)對(duì)應(yīng)的誤差信號(hào)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(dòng)，例如uI上升會(huì)導(dǎo)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(hào)uPO的脈寬變窄，如圖722（b）所示，開(kāi)關(guān)調(diào)整管的開(kāi)通時(shí)間減小，使uO下降。通過(guò)上述調(diào)整過(guò)程，使輸出電壓uO保持不變。輸出電壓uO的穩(wěn)定過(guò)程可描述為：,這種定頻調(diào)寬控制方法稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制（PWM）法。,圖7.22開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理示意圖,串聯(lián)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理如圖7.23所示。三極管V1為開(kāi)關(guān)調(diào)整管，穩(wěn)壓管V2的穩(wěn)定電壓U2作為基準(zhǔn)電壓，電位器RP對(duì)輸出電壓uO取樣送入比較放大環(huán)節(jié)與基準(zhǔn)電壓u2相比較。濾波器由L、C和續(xù)流二極管V組成，當(dāng)三極管V1導(dǎo)通時(shí)，uI向負(fù)載RL供電的同時(shí)也為電感L和電容C充電，當(dāng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)調(diào)整管V1截止時(shí)，電感L儲(chǔ)存的能量通過(guò)續(xù)流二極管V2向負(fù)載釋放，電容也同時(shí)向負(fù)載放電。使負(fù)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(shí)際使用中，選用電感L應(yīng)大于Lc。,(7-18),圖7.23串聯(lián)降壓型開(kāi)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(lái)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(chēng)為降壓型開(kāi)關(guān)電源。,2.并聯(lián)升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,圖7.24并聯(lián)升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理示意圖,當(dāng)控制信號(hào)到來(lái)使開(kāi)關(guān)調(diào)整管V1導(dǎo)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(guò)開(kāi)關(guān)調(diào)整管V1給電感L充磁儲(chǔ)能，負(fù)載電壓由電容C放電供給。當(dāng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)調(diào)整管V1關(guān)斷期間，二極管V2導(dǎo)通，其等效電路如圖724（c）所示，在此Toff期間，因電感儲(chǔ)有能量產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能保持iL的方向不變，即電動(dòng)勢(shì)的方向與iL的方向一致，故uL與uI同向串聯(lián)，兩個(gè)電壓疊加后通過(guò)二極管向負(fù)載供電，同時(shí)對(duì)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(shí)，電感電壓在一個(gè)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源從實(shí)用角度出發(fā)，希望開(kāi)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(kāi)關(guān)器件和控制電路隔離開(kāi)來(lái)，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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖，這種開(kāi)關(guān)電源的工作情況與降壓型開(kāi)關(guān)電源有相似之處，當(dāng)開(kāi)關(guān)調(diào)整管V4開(kāi)通時(shí)，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(dǎo)通，為負(fù)載供電，并為電容C2充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)調(diào)整管V4截止時(shí)，濾波電感L產(chǎn)生反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使二極管V3導(dǎo)通，C2放電，使負(fù)載電流連續(xù)，在此Toff期間，二極管V2截止，變壓器副邊相當(dāng)于開(kāi)路，但變壓器儲(chǔ)存的磁能量必須在Toff期間放掉，否則在下一個(gè)導(dǎo)通期間，磁能將壘加，并逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)使開(kāi)關(guān)調(diào)整管過(guò)流而燒毀。因而，在變壓器原邊必須并聯(lián)電阻、電容、并通過(guò)二極管V1形成退磁回路。,圖7.25變壓器輸出型開(kāi)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(gè)PN結(jié)四層半導(dǎo)體構(gòu)成的，如圖7.26所示。其中P1層引出電極A為陽(yáng)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(hào)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(hào),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(gè)晶體管連接而成，如圖7.28所示。當(dāng)在A、K兩極間加上正向電壓UAK時(shí)，由于J2反偏，故晶閘管不導(dǎo)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(guò)V2管電流放大得IC2=2IG；又因?yàn)镮C2=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(dǎo)通。飽和壓降約為1V左右，使陽(yáng)極有一個(gè)很大的電流IA，電源電壓UAK幾乎全部加在負(fù)載電阻RL上。這就是晶閘管導(dǎo)通的原理。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，若去掉UGK，晶閘管仍維持導(dǎo)通。,圖7.28晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu),綜上所述,晶閘管是一個(gè)可控制的單向開(kāi)關(guān)元件，它的導(dǎo)通條件為：陽(yáng)極到陰極之間加上陽(yáng)極比陰極高的正偏電壓；晶閘管控制極要加門(mén)極比陰極電位高的觸發(fā)電壓。而關(guān)斷條件為晶閘管陽(yáng)極接電源負(fù)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(gè)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(shí)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(dāng)于導(dǎo)通時(shí)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(huì)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(dǎo)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(dǎo)通。,圖7.30晶閘管伏安特性(a)IG=0時(shí)的伏安特性；(b)不同IG時(shí)的伏安特性,4.主要參數(shù)(1)正向重復(fù)峰值電壓UFRM是在控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)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(fù)峰值電壓URRM是在控制極開(kāi)路時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管元件上的反向重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過(guò)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(kāi)路時(shí)，維持元件繼續(xù)導(dǎo)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?dǎo)通時(shí)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(fù)載電阻為RL，工作情況如圖7.32所示（對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載工作情況不同，在此僅介紹電阻性負(fù)載，對(duì)于電感性負(fù)載的工作情況可參考有關(guān)書(shū)籍）。由圖7.32可見(jiàn)，在輸入交流電壓u的正半周時(shí)，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(shí)間內(nèi)，改變控制極觸發(fā)脈沖的加入時(shí)間（稱(chēng)為移相），負(fù)載上得到的電壓波形隨之改變?？梢?jiàn)，移相可以控制負(fù)載電壓的大小。晶閘管在加正向電壓下不導(dǎo)通的區(qū)域稱(chēng)控制角（又稱(chēng)移相角），如圖7.32（c）所示。而導(dǎo)通區(qū)域稱(chēng)為導(dǎo)通角，可以看出導(dǎo)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(dāng)=0時(shí)，Uo=0.45U，輸出最大，晶閘管處于全導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)=時(shí),Uo=0,晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。以上分析說(shuō)明，只要適當(dāng)改變控制角，也就是控制觸發(fā)信號(hào)的加入時(shí)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(jiǎn)單，使用元件少等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電壓脈動(dòng)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(gè)橋臂用晶閘管，另兩個(gè)橋臂用二極管。設(shè)u2=U2sint，當(dāng)u2為正半波時(shí)，瞬時(shí)極性為上“正”下“負(fù)”，V1和V4承受正向電壓。若在t1時(shí)刻給V1加觸發(fā)脈沖，則V1導(dǎo)通，負(fù)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(dāng)u2為負(fù)半波時(shí)，晶閘管V2和二極管V3承受正向電壓。在t2時(shí)刻給V2加觸發(fā)脈沖，V2導(dǎo)通，電流通路為bV2RLV3a。顯而易見(jiàn)，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(gè)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(gè)基極，通常又稱(chēng)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娦裕傻刃С梢粋€(gè)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(hào)如圖7.34（b）所示。,圖7.34單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)、符號(hào)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(hào)及等效電路,（727）,式中=RB1/（RB1+RB2），稱(chēng)為分壓比，一般在0.30.9之間。,設(shè)單結(jié)晶體管中PN結(jié)的導(dǎo)通壓降為UD,當(dāng)發(fā)射極電位UEUD+UBB，單結(jié)晶體管中PN結(jié)導(dǎo)通，有電流IE流進(jìn)發(fā)射極，流過(guò)電阻RB1。因RB1是隨電流增加而阻值減小，所以這個(gè)電流使RB1減小，造成IE進(jìn)一步增大，使RB1進(jìn)一步減小，這個(gè)連鎖正反饋過(guò)程，很快使RB1減小到最小值。上述電壓值UD+UBB稱(chēng)作單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓，用UP表示。,當(dāng)RB1減小到最小值時(shí)，UA也下降到最小值UAmin，此時(shí)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(diǎn)電壓UV。在上述RB1減小過(guò)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(chēng)為“負(fù)阻效應(yīng)”。綜上所述：當(dāng)UE<UV時(shí)，單結(jié)晶體管截止；當(dāng)UEUP時(shí)，單結(jié)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)UE因?qū)◤腢P下降到使UEUV時(shí)，單結(jié)晶體管將恢復(fù)截止。,2.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻效應(yīng)并配以RC充放電回路，可以組成一個(gè)非正弦波的振蕩電路，這個(gè)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?yàn)橛|發(fā)脈沖與被觸發(fā)的晶閘管可控整流電路還存在一個(gè)同步問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)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(xí)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(fù)載RL1和RL2上的整流電壓平均值Uo1和Uo2,并標(biāo)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(dāng)電路出現(xiàn)下列幾種情況時(shí)，會(huì)有什么問(wèn)題？（1）二極管V1開(kāi)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(kāi)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(hào)。（1）試說(shuō)明電路為哪種形式的整流電路？有何特點(diǎn)？（2）當(dāng)圖中電流表滿量程為100A時(shí)，R取值應(yīng)為多大？（計(jì)算時(shí)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(jì)算負(fù)載RL兩端直流電壓Uo=？（2）當(dāng)負(fù)載電流IL=0.5A時(shí),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(shuō)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(huì)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(jì)算輸出平均電壓Uo的值。（1）電容C虛焊；（2）焊接正常，但RL=（負(fù)載RL開(kāi)路）；（3）整流橋中有一個(gè)二極管因虛焊開(kāi)路，有電容C，RL=；（4）有電容C，但RL；（5）同上述（3），但RL，即一般負(fù)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(dāng)Ui=9V時(shí),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(shí),電路輸出Uo的值。,題7.8圖,7.9具有復(fù)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(jì)算輸出電壓Uo可調(diào)的范圍。（2）試計(jì)算負(fù)載RL上最大電流ILmax。（3）分析V2管射極電阻Re2的作用。（4）當(dāng)U1=24V時(shí)，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(fù)電壓輸出。（1）在圖中標(biāo)明電容的極性。（2）確定Uo1、Uo2的值。（3）當(dāng)負(fù)載RL1，RL2上電流IL1，Il2均為1A時(shí)，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(jì)算:(1)負(fù)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(fù)載為1k電阻,試求:當(dāng)控制角=0及=90時(shí)，負(fù)載上電壓和電流的平均值，并畫(huà)出相應(yīng)的波形。7.13一電阻性負(fù)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(jì)算整流輸出平均電壓為30V和60V時(shí)晶閘管的導(dǎo)通角。,