精选一肖一码图片
栏目导航
  1. 精选三肖三码网站
  2. 精选三肖三码资料
  3. 精选一肖一码图片
  4. 香港马会内部免费资枓

精选一肖一码图片

主页 > 精选一肖一码图片 >

稳压器_图文_百度文库

发布日期:2020-12-15 05:12   来源:未知   阅读:

  稳压器_信息与通信_工程科技_专业资料。第7章 直流稳压电路? 1.直流电源的组成? 小功率直流电源一般由交流电源、变压器、整流、 滤波和稳压电路几部分组成,如图?7.1所示。在电路中, 变压器将常规的交流电压(220V、380V)变换成所

  第7章 直流稳压电路? 1.直流电源的组成? 小功率直流电源一般由交流电源、变压器、整流、 滤波和稳压电路几部分组成,如图?7.1所示。在电路中, 变压器将常规的交流电压(220V、380V)变换成所需要 的交流电压;整流电路将交流电压变换成单方向脉动的 直流电;滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大 部分交流成分滤掉,得到一个较平滑的直流电;稳压电 路用来消除由于电网电压波动、负载改变对其产生的影 响,从而使输出电压稳定。? u1 变压器 u2 整 电 u3 流路 滤 电 u4 波路 稳电 压路 Uo 图7.1 直流电源电路的组成框图 2.直流电源演示? 演示电路如图7.2所示,在图7.2(a)电路中,变压器的初 级接220V交流电源,用示波器观察ab间的波形如图7.3(a) 所示,观察1~0间的波形如图7.3(b)所示,合上开关S,再用 示波器观察1~0间的波形如图7.3(c)所示,如果加上稳压部 分,如图7.2(b)所示,用示波器观察2~0间的波形如图7.3(d) 所示。通过各点波形的测量,我们看到稳压电源是将交 流电逐步改变成一个平滑的直流电。那么,直流电源各 部分电路是如何工作的呢?下面将分析其工作原理。? a IN4001× 4 ~15 V 1 (a) ~220 V b S + 1000 ?F 0 IN4001× 4 2 RL 470 ? W7809 C1 0.33 ?F Co 0.1 ?F + Uo - (b) ~220 V ~15 V 图7.2直流电源演示 (a)简易直流电源;(b)直流电源 0 u2 (a) O ? ?t (c) O ? ?t u1 Uo ? ?t (b) O (d) O ? ?t 图7.3 各点电压波形 7.1整流及滤波电路? 7.2 直流稳压电路? 7.3 晶闸管及可控整流电路 7.1 整流及滤波电路? 7.1.1 电路组成及工作原理? 图7.4是单相半波整流电路,它由整流变压器T、整 流二极管V及负载RL组成。 单相半波整流电路及电压、电流的波形如图7.5所 示,即 uo ? 2U 2 sin ?t uo ? 0 ( 0 ? ?t ? ? ) (? ? ?t ? 2? ) a T ~ u1 +- u2 - + b + uV V - iV + uo RL - 图7.4 单相半波整流电路 u2 ? O ?? ?? ?? ? ?t uo O iV ? ?t O uV O 2 U2 ? ?t 图7.5单相半波整流电路电压与 电流的波形 ? ?t 7.1.2 整流电路的主要技术指标 1. 输出电压平均值 在图7.5所示波形电路中,负载上得到的整流电压 是单方向的,但其大小是变化的,是一个单向脉动的 电压,由此可求出其平均电压值为 1 Uo ? 2? ? ? 0 2U 2 sin ?td (?t ) ? 2U 2 ? ? 0.45U 2 (7—2) 2.流过二极管的平均电流iV 由于流过负载的电流就等于流过二极管的电流,所以 Uo U2 iV ? I o ? ? 0.45 RL RL 3. 二极管承受的最高反向电压URM (7—3)? 在二极管不导通期间,承受反压的最大值就是变 压器次级电压u2的最大值,即 U RM ? 2U 2 (7—4) 4.脉动系数S? 脉动系数S是衡量整流电路输出电压平滑程度的指 标。由于负载上得到的电压Uo 是一个非正弦周期信号, 可用付氏级数展开为 1 2 Uo ? 2U 2 ( ? ? sin?t ? ? ? cos?t ? ? ? ?) (7—5)? ? 2 3? 脉动系数的定义为最低次谐波的峰值与输出电压 平均值之比,即 1 U oiM S? ? Uo 2U 2 2 ? 1.57 2U 2 (7—6) ? 单相半波整流电路的特点是结构简单,但输出电压 的平均值低、脉动系数大。 7.1.3 单相桥式整流电路? 为了克服半波整流电路电源利用率低,整流电压 脉动程度大的缺点,常采用全波整流电路,最常用形 式是桥式整流电路。它由四个二极管接成电桥形式, 如图7.6所示。 1. 电路组成及工作原理? 在图7.6(a)所示电路中,当变压器次级电压u2 为 上正下负时,二极管V1 和V3 导通,V2 和V4 截止,电流i1 的通路为a→V1→RL→V3→b,这时负载电阻RL上得到一 个正弦半波电压如图7.7中(0~π)段所示。当变压器次 级电压u2为上负下正时,二极管V1和V3反向截止,V2和 V4 导通,电流i2 的通路为b→V2→RL→V4→a,同样,在 负载电阻上得到一个正弦半波电压,如图7.7中(π~2π) 段所示。 a T ~ +- u2 - + b V3 V2 i2 V4 V1 i1 RL - + uo (a) 图7.6 单相桥式整流电路组成 T V1 V2 RL V4 V3 (b) 图7.6 单相桥式整流电路组成 T (c) 图7.6 单相桥式整流电路组成 T (d) 图7.6 单相桥式整流电路组成 u2 ? O uo ?? ?? ?? ? ?t O iV O uV (V1、V2) O ? ?t 图7.7 单相桥式整流电路 电压与电流波形 ? ?t ? ?t 2.技术指标计算及分析 (1)输出电压平均值Uo 。由以上分析可知,桥式整 流电路的整流电压平均值Uo比半波整流时增加一倍,即 ? Uo ? 2 ? 0.45U 2 ? 0.9U 2 (7—7) (2)直流电流Io。桥式整流电路通过负载电阻的直 流电流也增加一倍,即? Io ? Uo U ? 0 .9 2 RL RL (7—8) (3)二极管的平均电流iV。因为每两个二极管串联 轮换导通半个周期,因此,每个二极管中流过的平均 电流只有负载电流的一半,即?? 1 Uo iV ? I o ? 0.45 2 RL (7—9) (4)二极管承受的最高反向电压URM。由图7.6(a) 可以看出,当V1和V3导通时,如果忽略二极管正向压降, 此时,V2和V4的阴极接近于a点,阳极接近于b点,二极 管由于承受反压而截止,其最高反压为u2的峰值,即 (5)脉动系数S。全波桥式整流输出电压uo 的付氏级 数展开式为?? U o ? 2U 2 ( 2 ? 4 即 U oiM S? ? Uo 2 4 4 ? ? cos 2?t ? ? cos 4? ? ? ? ?) 3? 15? 2U 2 3? ? 0.67 (7—10) 2U 2 ? 由以上分析可知,单相桥式整流电路,在变压器 次级电压相同的情况下,输出电压平均值高、脉动系 数小,管子承受的反向电压和半波整流电路一样。虽 然二极管用了四只,但小功率二极管体积小,价格低 廉,因此全波桥式整流电路得到了广泛的应用。? 7.1.4 滤波电路? 整流输出的电压是一个单方向脉动电压,虽然是 直流,但脉动较大,在有些设备中不能适应(如电镀 和蓄电池充电等设备)。为了改善电压的脉动程度, 需在整流后再加入滤波电路。常用的滤波电路有电容 滤波、电感滤波和复式滤波等。 1.电容滤波电路? 图7.8所示为一单相半波整流电容滤波电路,由于 电容两端电压不能突变,因而负载两端的电压也不会 突变,使输出电压得以平滑,达到滤波目的。;滤波过 程及波形如图7.9所示。? V T u1 + i充 u2 - C i放 + UC io + RL uo - 图7.8 单相半波整流电容滤波电路 L ~ u1 u2 RL Io uo 图7.9 电容滤波原理及输出波形 在u2的正半周时,二极管V导通,忽略二极管正向压 降,则uo=u2 ,这个电压一方面给电容充电,一方面产生 负载电流Io,电容C上的电压与u2同步增长,当u2达到峰值 后,开始下降,UC>u2,二极管截止,如图7.9中的A点。 之后,电容C以指数规律经RL放电,UC下降。当放电到B 点时,u2经负半周后又开始上升,当u2>UC时,电容再次 被充电到峰值。UC降到C点以后,电容C再次经RL放电, 通过这种周期性充放电,以达到滤波效果。? 由于电容的不断充放电,使得输出电压的脉动性 减小,而且输出电压的平均值有所提高。输出电压平 均值Uo的大小,显然与RL、C的大小有关,RL愈大,C 愈大,电容放电愈慢,Uo 愈高。在极限情况下,当 RL=∞时,Uo=UC= 2U2,不再放电。当RL很小时,C放 电很快,甚至与u2同步下降,则Uo=0.9U2,RL、C对输 出电压的影响如图7.9中虚线所示。可见电容滤波电路 适用于负载较小的场合。当满足RLC≥(3~5)T/2时, 则输出电压的平均值为 U o ? U 2 (半波) U o ? 1.2U 2 (全波) 其中T为交流电源电压的周期。 (7—11) (7—12) 利用电容滤波时应注意下列问题:? (1)滤波电容容量较大,一般用电解电容,应注意 电容的正极性接高电位,负极性接低电位。如果接反则 容易击穿、爆裂。? (2)开始时,电容C上的电压为零,通电后电源经 整流二极管给C充电。通电瞬间二极管流过短路电流, 称浪涌电流。一般是正常工作电流Io的(5~7)倍,所以 选二极管参数时,正向平均电流的参数应选大一些。同 时在整流电路的输出端应串一个阻值约为(0.02~0.01) R的电阻,以保护整流二极管。? 2.电感滤波及复式滤波电路? (1)电感滤波电路。由于通过电感的电流不能突 变,用一个大电感与负载串联,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。电感滤波电路如图7.10所示。在这种电路中, 输出电压的交流成分是整流电路输出电压的交流成分经 XL 和RL 分压的结果,只有ωLRL 时,滤波效果才好。 ? L ~ u1 u2 RL Io uo 图7.10 带电感滤波器的桥式整流电路图 (2)输出电压平均值Uo 。一般小于全波整流电路输 出电压的平均值,如果忽略电感线。 虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击,但为了使 L值大,多用铁芯电感,但体积大、笨重,且输出电压的 平均值Uo较低。? (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。电感型LC滤波电路如图7.11所示。整流输出电压中 的交流成分绝大部分降落在电感上,电容C又对交流接近 于短路,故输出电压中交流成分很少,几乎是一个平滑 L ~ u1 u2 + C RL uo 图 7.11 桥式整流电感型LC滤波电路 的直流电压。由于整流后先经电感L滤波,总特性与电 感滤波电路相近,故称为电感型LC滤波电路,若将电 容C平移到电感L之前,则为电容型LC滤波电路。? (4)Π型滤波电路。图7.12所示为LCΠ型滤波电路。 整流输出电压先经电容C1 ,滤除了交流成分后,再经电 感L上滤波电容C2上的交流成分极少,因此输出电路几乎 是平直的直流电压。但由于铁芯电感体积大、笨重、成 本高、使用不便。因此,在负载电流不太大而要求输出 脉动很小的场合,可将铁芯电感换成电阻,即RCΠ型滤 波电路。电阻R对交流和直流成分均产生压降,故会使输 出电压下降,但只要RL1/(ωC2),电容C1 滤波后的输出 电压绝大多数降在电阻RL 上。RL愈大,C2 愈大,滤波效 果愈好。? L ~ u1 u2 + C1 C2 + RL uo (a) 图7.12 Π型滤波电路? (a)LCΠ型滤波电路;(b)RCΠ型滤波电路 R C1 + C2 + RL (b) 图7.12 Π型滤波电路? (a)LCΠ型滤波电路;(b)RCΠ型滤波电路 7.2 直流稳压电路? 通过整流滤波电路所获得的直流电源电压是比较 稳定的,当电网电压波动或负载电流变化时,输出电 压会随之改变。电子设备一般都需要稳定的电源电压。 如果电源电压不稳定,将会引起直流放大器的零点漂 移,交流噪声增大,测量仪表的测量精度降低等。因 此必须进行稳压,目前中小功率设备中广泛采用的稳 压电源有并联型稳压电路、串联型稳压电路、集成稳 压电路及开关型稳压电路。? 7.2.1 硅稳压管组成的并联型稳压电路? 1. 电路组成及工作原理? 硅稳压管组成的并联型稳压电路如图7.13所示, 经整流滤波后得到的直流电压作为稳压电路的输入电 压Ui,限流电阻R和稳压管V组成稳压电路,输出电压 Uo=UZ。? IR ~ u1 u2 Ui + C V R IZ IL UZ RL Uo 图7.13 稳压管稳压的直流电源电路 在这种电路中,不论是电网电压波动还是负载电 阻RL 的变化,稳压管稳压电路都能起到稳压作用,因 为UZ 基本恒定,而Uo=UZ 。下面从两个方面来分析其 稳压原理:? (1)设RL不变,电网电压升高使Ui 升高,导致Uo 升高,而Uo=UZ 。根据稳压管的特性,当UZ 升高一点 时,IZ将会显著增加,这样必然使电阻R上的压降增大, 吸收了Ui的增加部分,从而保持Uo不变。 Ui ? Uo ?Ui ?U R ? Uo ?? UZ ?? I Z ? ? I R ?? U R ? I R ?I L ?I Z 反之亦然。 (2)设电网电压不变,当负载电阻RL阻值增大时, IL 减 小 , 限 流 电 阻 R 上 压 降 UR 将 会 减 小 。 由 于 Uo=UZ=Ui-UR ,所以导致Uo 升高,即UZ 升高,这样必 然使IZ显著增加。由于流过限流电阻R的电流为IR=IZ+IL, 这样可以使流过R上的电流基本不变,导致压降UR 基 本不变,则Uo也就保持不变。 I R ?I L ? I Z U Z ?Ui ?U R RL ?? I L ? I R ?? UR ? ? UZ ? (Uo ) ? I Z 反之亦然。? 在实际使用中,这两个过程是同时存在的,而两种 调整也同样存在。因而无论电网电压波动或负载变化, 都能起到稳压作用。 2.稳压电路参数确定? (1)限流电阻的计算。稳压电路要输出稳定电压, 必须保证稳压管正常工作。因此必须根据电网电压和 负载电阻RL 的变化范围,正确地选择限流电阻R的大小。 从两个极限情况考虑,则有? ①当Ui为最小值,Io达到最大值时,即 Ui=Uimin,Io=Iomax,这时IR=(Uimin-UZ)/R。 则IZ=IR-Iomax为最小值。为了让稳压管进入稳压区,此 时IZ值应大于IZmin, 即IZ=(Uimin-UZ)/R-Iomax>IZmin,则 U i min ? U Z R? I Z ? I o max ②当Ui达最大值,Io达最小值时,Ui=Uimax, Io=Iomin,这时IR=(Uimax-UZ)/R,则IZ=IR-Iomin 为最大值。 为了保证稳压管安全工作,此时IZ值应小于IZmax ,即 IZ=(Uimax-UZ)/R-Iomin<IZmax,则?? U iman ? U Z R? I Z ? I omix 所以限流电阻R的取值范围为?? U i min ? U Z U iman ? U Z ?R? I Z ? I o max I Z ? I omix (7—13) 在此范围内选一个电阻标准系列中的规格电阻。 (2)确立稳压管参数。一般取 U Z ? Uo I Z max ? (1.5 ~ 3) I o max (7—14) Ui ? (2 ~ 3)Uo 7.2.2 串联型晶体管稳压电路? 并联型稳压电路可以使输出电压稳定,但稳压值 不能随意调节,而且输出电流很小,由式7.14可知, Iomax=(1/3~2/3)IZmax,而IZmax一般只有20~40mA。为 了加大输出电流,使输出电压可调节,常用串联型晶 体管稳压电路,如图7.14所示。 V1 + R4 Ui V2 V3 UZ R3 R1 R″p R′ p R2 Rp RL + Uo - - 图7.14 串联型稳压电路 (a) (a)分立元件的串联型稳压电路;(b)运算放大器的串联型稳压电路 Ui Rw 1 k? 10 k? - A + UZ=5 V + Uo 10 k? V1 (b) 图7.14 串联型稳压电路 - (a)分立元件的串联型稳压电路;(b)运算放大器的串联型稳压电路 图7.14(a)是由分立元件组成的串联型稳压电路, 当电网电压波动或负载变化时,可能使输出电压Uo上升 或下降。为了使输出电压Uo不变,可以利用负反馈原理 使其稳定。假设因某种原因使输出电压Uo上升,其稳压 过程为Uo↑→Ub2↑→Ub1(Uc2)↓→Uo↓。? 串联型稳压电路的输出电压可由Rp进行调节。 R1 ? R p ? R2 UZ Uo ? U Z ? R2 ? R? R2 ? R? p p (7—15) ?式中,R=R1+Rp+R2, R′p是RP的下半部分阻值。 如果将图7.14(a)中的放大元件改成集成运放, 不但可以提高放大倍数,而且能提高灵敏度,这样就 构成了由运算放大器组成的串联型稳压电路,电路如 图7.14(b)所示。假设因某种原因使输出电压Uo下降, 其稳压过程为Uo↓→U-↓→Ub1↑→Uo↑。? 串联型稳压电路包括四大部分,其组成框图如图 7.15所示。 调整 + 比较放大 Ui 基准电压 - 图7.15 串联型稳压电路组成框图 + 取样 Uo - 7.2.3集成稳压器及应用? 集成稳压器将取样、基准、比较放大、调整及保 护环节集成于一个芯片,按引出端不同可分为三端固 定式、三端可调式和多端可调式等。三端稳压器有输 入端、输出端和公共端(接地)三个接线端点,由于 它所需外接元件较少,便于安装调试,工作可靠,因 此在实际使用中得到广泛应用。其外形如图7.16所示。 IN 1 3 GND TO-3封装 2 OUT 7800 1 3 2 IN GND OUT TO-220封装 图7.16三端稳压器外形图? (a)三端固定式;(b)三端可调式 GND 1 3 IN TO-3封装 2 OUT 7900 1 3 2 GND IN OUT TO-220封装 图7.16三端稳压器外形图? (a)三端固定式;(b)三端可调式 ADJ 1 3 OUT TO-3封装 2 IN 317 1 3 2 ADJ OUT IN TO-220封装 图7.16三端稳压器外形图? (a)三端固定式;(b)三端可调式 ADJ 1 3 IN TO-3封装 2 OUT 337 1 3 2 ADJ IN OUT TO-220封装 图7.16三端稳压器外形图? (a)三端固定式;(b)三端可调式 1. 固定输出的三端稳压器? 常用的三端固定稳压器有7800系列、7900系列,其外 型如图7.16(a)所示。型号中78表示输出为正电压值,79 表示输出为负电压值,00表示输出电压的稳定值。根据输 出电流的大小不同,又分为CW78系列,最大输出电流 1~1.5A;CW78M00系列,最大输出电流0.5A;CW78L00 系列,最大输出电流100mA左右,7800系列输出电压等级 有5V、?6V、9V、12V、15V、18V、24V,7900系列有5V 、 -6V 、 -9V 、 -12V 、 ? -15V 、 ? -18V 、 -24V 。 如 CW7815 , 表 明 输 出 +15V 电 压 , 输 出 电 流 可 达 1.5A , CW79M12,表明输出-12V电压,输出电流为-0.5A 2.三端可调输出稳压器? 前面介绍78、79系列集成稳压器,只能输出固定 电压值,在实际应用中不太方便。CW117、CW217、 CW317、CW337和CW337L系列为可调输出稳压器, 其外型如图7.16(b)所示。? 在图7.16所示电路中CW317是三端可调式正电压 输出稳压器,而CW337是三端可调式负电压输出稳压 器。三端可调集成稳压器输出电压为1.25~37V,输出 电流可达1.5A。 CW317的基本应用电路如图7.17所示,它只需外 接两个电阻(R1和RP)来确定输出电压。为了使电路正常 工作,它的输出电流不应小于5mA,调节端①的电流 约为50μA,输出电压的表达式为 RP U o ? 1.25(1 ? ) ? 50 ? 10 ?6 ? RP R1 在上式中RP阻值很小,可忽略,由此可得 (7—16) (7—17)? ? 图7.17所示电路中C1为预防自激振荡产生,C2用来 改善输出电压波形。? RP U o ? 1.25(1 ? ) R1 VD2 外壳 +Ui (≥28 V) ② CW317 VD1 C1 0.1 ?F (控制输 出) ① RP 5k ? + C3 10 ?F ③ R1 240 ? + C2 1 ?F +Uo (1.25 V~25 V) 图7.17 可调输出稳压电源 3.三端集成稳压器的应用? 1)输出固定电压应用电路? 输出固定电压的应用电路如图7.18所示,其中图 (a)为输出固定正电压,图(b)为输出固定负电压, 图中Ci用以抵消输入端因接线较长而产生的电感效应。 为防止自激振荡,其取值范围在0.1~1μF之间(若接线 不长时可不用),Co用以改善负载的瞬态响应,一般取 ?1μF左右,其作用是减少高频噪声。? 1 Ui W7800 2 Uo 3 Co Ci 0.33 ?F 1 ?F (a) 图7.18固定输出的稳压电路 (a)输出固定正电压; (b)输出固定负电压 3 W7900 1 2 Co 1 ?F Ui Ci 0.33 ?F Uo (b) 图7.18固定输出的稳压电路 (a)输出固定正电压; (b)输出固定负电压 2)输出正、负电压稳压电路? 当需要正、负两组电源输出时,可采用W7800系 列和W7900系列各一块,按图7.19接线,即可得到正负 对称的两组电源。 1 24 V ~220 V + + C′ i 0.33 ?F 3 + 7815 3 2 +15 V C 1000 ?F Ci 0.33 ?F Co 1 ?F 24 V C′o 1000 ?F 1 7915 C′o 1 ?F 2 -15 V 图7.19 正负对称输出稳压电路 7.2.4开关型稳压电路简介? 串联型稳压器中的调整管工作在放大区,由于负 载电流连续通过调整管,因此管子功率损耗大,电源 效率低,一般只有20%~24%。若用开关型稳压电路, 它可使调整管工作在开关状态,管子损耗很小,效率 可提高到60%~80%,甚至可高达90%以上。开关型稳 压电路如图7.20所示。? + V A + Ui uA Ui 方波发生器 Uo Uo(AV) O ton toff Tn t - - (a) (b) 图7.20 开关型稳压电路及波形? (a)开关型稳压电路; (b)波形 1.开关型稳压电路的工作原理? 开关型稳压电路就是把串联型稳压电路的调整管, 由线性工作状态改成开关工作状态,如图7.20(a)所 示。方波发生器为一开关信号发生器,当它输出高电 平时,V管饱合导通;当它输出低电平时,V管截止。 输出电压波形如图7.20(b)所示。其中导通时间ton与 开关周期Tn之比定义为占空比D,即? ton ton D? ? ton ? toff Tn 输出电压平均值为 ( 7—18 ) ?? (7—19) Uo ? DU i 式中,ton 为调整管的导通时间,toff 为调整管的截止时 间,Tn为调整管的开关周期,D为调整管的占空比。 ? 对于一定的输入电压Ui,通过调节占空比,即可调 节输出电压Uo 。调节占空比的方法有两种:一种是固 定开关的频率来改变脉冲的宽度ton ,称为脉宽调制型 开关电源,用PWM表示;另一种是固定脉冲宽度而改 变开关周期,称为脉冲频率调制型开关电源,用PFM 表示。? 2.开关型稳压电路应用实例? 图7.21所示为一PWM型开关电源,该电路用反馈 环路来实现自动调节,在取样、比较放大环节后,再 加入一个脉宽调节器PWM。它可将比较放大后的输出 电压量转换成与固定频率相应脉宽的脉冲序列,而产 生一个固定频率的脉冲,其脉冲宽度根据比较放大器 的输出电压量而改变。? 脉宽调制器产生一串矩形脉冲,当脉冲是低电平时, V2 截止,Ii 全部流过V1 而饱和导通;当脉冲是高电平时, V2饱和导通,使开关管V1截止。这样开关电源向负载提 供的能量是断续的。为了使负载得到连续的能量供给, 开关型稳压电源还必须有一套平波装置。当V1饱和导通 时,续流二极管截止,此时A点的电位近似等于输入电 压,即UA≈Ui,这时电感L储能,电容C充电,同时给负 载提供能量输出。当V截止时,电感释放能量,电容放 电。适当选择C和L值,可在V1关断期间保证负载电流连 续。图7.22所示为开关型电源的组成框图。 Ii + Ui Is A V1 Uoff VD A L + C R1 Uo UR + - Au PWM R3 V2 R2 - - 图7.21 脉宽调制型开关电源图 50 H z ~ 整 流 器 滤 波 器 开关 调整管 输 出 滤 波 器 负载 开关 控制 电路 比较 放大器 采样 电路 基准电压 图7.22 开关电源的组成框图 7.3 晶闸管及可控整流电路 晶闸管又称可控硅,是一种大功率半导体可控元 件。它主要用于整流、逆变、调压、开关四个方面, 应用最多的是晶闸管整流。它具有输出电压可调等特 点。晶闸管的种类很多,有普通单向和双向晶闸管、 可关断晶闸管、光控晶闸管等。下面主要介绍普通晶 闸管的工作原理、特性参数及简单的应用电路。 7.3.1晶闸管的基本结构、性能及参数? 1.晶闸管的基本结构? 晶闸管的基本结构是由P1—N1—P2—N2 三个PN结四 层半导体构成的,如图7.23所示。其中P1层引出电极A 为阳极;N2层引出电极K为阴极;P2层引出电极G为控 制极,其外型及符号如图7.24所示。? 金锑片 N2 阴极(K ) 控制极(G ) 金硼钯片 阴极(K ) N2 P2 N1 J1 P1 P2 N1 P1 硅片 铝片 J3 J2 控制极(G ) 钼片 阳极(A ) (a) 阳极(A ) (b) 图7.23 晶闸管结构 图7.24 晶闸管的外型及符号 K 3CT G A K A (c) 图7.24 晶闸管的外型及符号 2.晶闸管的工作原理? 我们可以把晶闸管的内部结构看成由PNP和NPN型两个 晶体管连接而成,如图7.25所示。当在A、K两极间加上正 向电压UAK时,由于J2反偏,故晶闸管不导通,在控制极上 加一正向控制电压UGK后,产生控制电流IG,它流入V2管的 基极,并经过V2 管电流放大得IC2=β2IG ;又因为IC2=IB1 ;所 以IC1=β1β2IG ,IC1 又流入V2 管的基极再经放大形成正反馈, 使V1 和V2 管迅速饱和导通。饱和压降约为1V左右,使阳极 有一个很大的电流IA,电源电压UAK几乎全部加在负载电阻 RL上。这就是晶闸管导通的原理。当晶闸管导通后,若去掉 UGK,晶闸管仍维持导通。 A A P1 G N1 P2 N2 N1 P2 G V1 V2 K 图7.25 晶闸管内部结构 K 要使晶闸管重新关断,只有使阳极电流小于某一值, 使V1、V2 管截止,这个电流称维持电流。当可控硅阳极 和阴极之间加反向电压时,无论是否加UGK ,晶闸管都 不会导通。? 综上所述,晶闸管是一个可控制的单向开关元件,它 的导通条件为:①阳极到阴极之间加上阳极比阴极高的 正偏电压;②晶闸管控制极要加门极比阴极电位高的触 发电压。而关断条件为晶闸管阳极接电源负极,阴极接 电源正极,或使晶闸管中电流减小到维持电流以下。晶 闸管整个工作情况如图7.26所示。 RG S UG V -UA 反向阻断 图7.26 晶闸管工作情况 RG S UG V +UA 正向阻断 图7.26 晶闸管工作情况 RG S UG V +UA 融发导通 图7.26 晶闸管工作情况 RG S UG V +UA 除去触发信号仍导通 图7.26 晶闸管工作情况 3.晶闸管特性? 晶闸管的基本特性常用伏安特性表示,如图7.27所 示。图7.27(a)为IG=0时的伏安特性曲线。在伏安特性 曲线上,除BA转折段外,很像二极管的伏安特性,因 此晶闸管相当于导通时可控的一种二极管。在很大的正 向和反向电压作用下,晶闸管都会损坏。通常是在晶闸 管接通合适的正向电压下将正向触发电压加在控制极上, 使晶闸管导通,其特性曲线(b)所示,由图可 知,控制极电流IG愈大,正向转折电压愈低,晶闸管愈 容易导通。? IA C B O UBR UBO UA + - A - + (a) 图7.27 晶闸管伏安特性 (a)IG=0时的伏安特性;(b)不同IG时的伏安特性 IA IG2> IG1 IG0 O UBO (b) 图7.27 晶闸管伏安特性 UA (a)IG=0时的伏安特性;(b)不同IG时的伏安特性 4.主要参数? (1)正向重复峰值电压UFRM是在控制极断路时,可 以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压,通常规定该 电压比正向转折电压小100V左右。? (2)反向重复峰值电压URRM是在控制极开路时,可 以重复加在晶闸管元件上的反向重复峰值电压,一般 情况下URRM=UFRM。? (3)额定正向平均电流IF 是在规定环境温度和标准散 热及全导通条件下,晶闸管元件可以连续通过的工频正 弦半波电流的平均值。? (4)维持电流IH 是在规定环境温度和控制极开路时, 维持元件继续导通的最小电流。? (5)触发电压UG与触发电流IG是在规定环境温度下加 一正向电压,使晶闸管从阻断转变为导通时所需的最小 控制极电压和电流。 7.3.2 可控整流电路? 1.单向半波可控整流电路? 图7.28是由晶闸管组成的半波可控整流电路,其 中负载电阻为RL,工作情况如图7.29所示(对不同性质 的负载工作情况不同,在此仅介绍电阻性负载,对于 电感性负载的工作情况可参考有关书籍)。由图7.29可 见,在输入交流电压u的正半周时,晶闸管V承受正向 电压。? V uV ~ u io + uo RL - 图7.28 晶闸管组成的半波 (a) O ? ?t1 ? ?? ? ?t2 ?t (b) uG uo io uo io ?t (c) O ? ? ?t uV (d) O ?t 图7.29 电压电流波形图 闸管承受反向电压而关断,负载上的电压、电流均 为零。在第二个正半周内,再在相应的ωt2 时刻加入触 发脉冲,晶闸管再次导通,使负载RL上得到如图7.29(c) 所示的电压波形。图7.29(d)所示的波形为晶闸管所承 受的正向和反向电压。最高正向和反向电压均为输入交 流电压的幅值。 显然,在晶闸管承受正向电压的时间内,改变控制 极触发脉冲的加入时间(称为移相),负载上得到的电 压波形随之改变。可见,移相可以控制负载电压的大小。 晶闸管在加正向电压下不导通的区域称控制角α(又称 移相角),如图7.29(c)所示。而导通区域称为导通角 θ,可以看出导通角愈大,输出电压愈高,可控整流电路 输出电压和输出电流的平均值分别为?? 1 Uo ? 2? ?? ? 2U sin ?td (?t ) ? 2 2? U (1 ? cos? ) (7—20) 1 ? cos? ? 0.45 2 U 1 ? cos? I o ? 0.45 ? RL 2 (7—21) 由式(7—20)可知,输出电压Uo 的大小随α的大小而 变化。当α=0时,Uo=0.45U,输出最大,晶闸管处于全 导通状态;当α=π时,Uo=0,晶闸管处于截止状态。以上 分析说明,只要适当改变控制角α,也就是控制触发信 号的加入时间,就可灵活地改变电路的输出电压Uo 。 ? 2.单相半控桥式整流电路? 单相半波可控整流电路,虽然具有电路简单,使 用元件少等优点,但输出电压脉动性大,电流小。单 相半控桥式整流电路如图7.30所示,桥中有两个桥臂用 晶闸管,另两个桥臂用二极管。? 设u2= 2 U2sinωt,当u2为正半波时,瞬时极性为上 “正”下“负”,V1和V4承受正向电压。若在t1时刻给 V1 加触发脉冲,则V1 导通,负载上有电压Uo ,电流通 路为a→V1→RL→V4→b。 V1 u1 u2 a V2 b RL io uo V3 V4 图7.30 单相半控桥式整流电路 当u2 为负半波时,晶闸管V2 和二极管V3 承受正向电压。 在 t2 时 刻 给 V2 加 触 发 脉 冲 , V2 导 通 , 电 流 通 路 为 b→V2→RL→V3→a。显而易见,桥式整流的输出电压 平均值要比单相半波整流大一倍,即 0.9U 2 (1 ? cos? ) Uo ? 2 U o 0.9U 2 (1 ? cos? ) Io ? ? RL 2 RL (7—22)? (7—23)? 7.3.3 可控整流的触发电路? 产生和控制触发信号的电路称为触发电路,其工 作性能的好坏对可控整流的效果有很大影响。触发电 路种类很多,在此仅介绍常用的单结晶体管触发电路。 1.单结晶体管? 单结晶体管的外形及结构如图7.31(a)所示。单 结晶体管有三个电极:E为发射极,B1 、B2 分别为第 一基极和第二基极。由于有两个基极,通常又称为双 基极二极管。单结晶体管发射极和两基极间的PN结 具有单向导电性,可等效成一个二极管V; PN结 B2 镀金陶瓷片 E E B2 B1 N型硅片 B1 (a) 图7.31 单结晶体管结构、符号及等效电路? (a)单结晶体管外形及结构示意图;(b)符号及等效电路 A + RB1 A + E B1 B2 UBB E V A RB2 - - UBB (b) 图7.31 单结晶体管结构、符号及等效电路? (a)单结晶体管外形及结构示意图;(b)符号及等效电路 两基极B1、B2之间的电阻约为2~12kΩ,B1到PN结之间 的硅片电阻为RB1 ;B2 到PN结之间的硅片电阻用RB2 表 示;其等效电路及符号如图7.31(b)所示。? RB1U BB UA ? ? ?U BB RB 2 ? RB1 0.3~0.9之间。 (7—24) 式中η=RB1/(RB1+RB2),称为分压比,一般在 设单结晶体管中PN结的导通压降为UD,当发射极电 位UEUD+ηUBB 时,单结晶体管因 PN结 反 偏 而 截 止, IE=0。如果调节发射极电位UE,使UEUD+ηUBB,单结晶 体管中PN结导通,有电流IE流进发射极,流过电阻RB1。 因RB1 是随电流增加而阻值减小,所以这个电流使RB1 减 小,造成IE进一步增大,使RB1进一步减小,这个连锁正 反 馈 过 程 , 很 快 使 RB1 减 小 到 最 小 值 。 上 述 电 压 值 UD+ηUBB称作单结晶体管的峰点电压,用UP表示。? 当RB1 减小到最小值时,UA 也下降到最小值UAmin , 此时单结晶体管的发射极电位UE=UD+UAmin,叫单结晶 体管的谷点电压UV。?在上述RB1减小过程中,由于UA 的下降,使UE 也跟着下降。这样,单结晶体管发射极 电位UE 下降,发射极电流IE 反而增大,这种现象称为 “负阻效应”。? 综 上 所 述 : 当 UEUV 时 , 单 结 晶 体 管 截 止 ; 当 UE≥UP时,单结晶体管处于导通状态;当UE因导通从UP 下降到使UE<UV时,单结晶体管将恢复截止。 2. 单结晶体管触发电路? 利用单结晶体管的负阻效应并配以RC充放电回路, 可以组成一个非正弦波的振荡电路,这个电路可产生 可控整流电路中晶闸管所需要的触发脉冲电压。单结 晶体管触发脉冲电路如图7.32所示。? R 100 k? E R2 300 ? V B2 B1 Ug + UBB - C 0.47 ?F UC R1 50 ? (a) 图7.32单结晶体管触发脉冲电路 (a)触发脉冲电路; (b)触发脉冲波形 UC UP UV O Ug t (b) O 图7.32单结晶体管触发脉冲电路 t (a)触发脉冲电路; (b)触发脉冲波形 在图7.32所示电路中,接通电源以前UC=0,接通电 源后,电源通过电阻R向C充电,当UC上升到峰点电压UP 时,即UC=UP,单结晶体管导通,电容器C即通过V管向 R1放电。由于RB1的负阻特性,RB1的阻值在V管导通后迅 速下降,又因R1 的阻值很小,故放电很快,使UC迅速下 降,当UC放电到谷点电压时,即UC<UV时,单结晶体管 恢复截止。电源又通过电阻R向C充电,使UC再次等于UP, 上述过程又重复进行。这样在电阻R1 上就得到了一个又 一个由电容器放电产生的脉冲电压Ug,因C放电很快,故 Ug为尖脉冲电压。? 3.单结晶体管同步触发电路? 在图7.32所示电路中,R1上产生的脉冲电压Ug不一 定能触发晶闸管,因为触发脉冲与被触发的晶闸管可 控整流电路还存在一个同步问题,为了解决这一问题, 通常采用单结晶体管同步触发电路,如图7.33所示。 + (a) V1 V2 RL Uo V3 a V4 - b Ro Rp 20 k? R 1 k? + UC C 0.47 ?F 390 ? R2 100 ? BT33D V5 T 220 V ~ u2 50 V V7 4× 2CP2 V6 VDZ 2CW21 - 图7.33单结晶体管同步触发电路?(a)单结晶体管同步触发电路 R1 V8 + Ug - u2 Ubo O UC UP UV O Ug O Uo uao ubo t 图7.33单结晶体管同步触发电路? t (a)单结晶体管同步触发电路; (b)电压波形 t O ? ? t (b) 图7.33(a)所示电路为同步电压触发电路,T为同 步变压器,它的初级与主电路接在同一电源上,与之同 频率的次级电压经桥式整流、稳压,得到一个幅值为Ubo 的梯形电压,如图7.33(b)所示,此电压作为单结晶体 管的工作电压。 ? 当Ubo梯形电压由0上升时,电容器C开始充电。电容 器C充电到单结晶体管峰点电压Up时,单结晶体管进入负 阻区,电容器C放电,在R1上产生触发脉冲。电容器C放 电到单结晶体管的谷点电压UV,当下一个Ubo梯形电压到 来时,重复上述过程。 该电路在主电路交流电源的半个周期内,可能产 生多个触发脉冲,但起作用的只有第一个触发脉冲, 去触发加有正向电压的那个晶闸管导通。电路中各点 电压的波形如图7.33(b)所示。 输出电流电压的大小,可以通过调节充电回路的 电阻Rp来实现。改变Rp,即改变控制角α的大小,从而 改变第一个实现脉冲输出时间,达到触发脉冲移相的 目的。一般Rp 愈小,α愈小,导通角θ愈大,输出平均 值电压愈高。 ?