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第 13 讲

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  1. 第13讲 直流稳压电源 一、直流稳压电源的组成和功能 二、单相整流电路(17.2.1) 三、滤波电路 四、稳压电路(12.8.2) 五、集成稳压电源(12.8.2)

  2. 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路 u1 u2 u3 u4 uo 一、直流稳压电源的组成和功能 稳 压 电 路 整 流 电 路 滤 波 电 路 • 电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。 • 整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。 • 滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。 • 稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。

  3. 二极管 可控硅 单相 三相 半波 全波 桥式 倍压整流 整流电路的任务: 把交流电压转变为直流脉动的电压。 整流电路分类: 本课主要介绍: 单相半波整流,单相全波整流,单相桥式整流

  4. D T a + + io u1 u2 RL uo – – b 二、单相整流电路 1.单相半波整流电路 u2 >0 时: 二极管导通,忽略二极管正向压降, uo=u2 u2<0时: 二极管截止, uo=0 为分析简单起见,把二极管当作理想元件处理,即二极管的正向导通电阻为零,反向电阻为无穷大。

  5. u2 uD t  2 3 D 0 4 T a uo u1 u2 RL uo uD b 单相半波整流电压波形

  6. uD uo io D T a t 0  2 u1 u2 RL uo 1 p ( ) ò w = sinw t d t 2 U 1 p ( ) 2 ò p 2 2 = w U u d t 0 b o o p 2 0 2 U = 2 = 0 . 45 U 2 p 输出电压平均值(Uo),输出电流平均值(Io ): Io= Uo /RL =0.45 U2 / RL

  7. uD uD io D T a t  2 0 u1 u2 RL uo UDRM b 二极管上的平均电流: ID = IO 2 U UDRM= 2 承受的最高反向电压: 二极管上的平均电流及承受的最高反向电压:

  8. + + D1 T a – – + + io u1 u2 RL – – u2 uo b D2 2.单相全波整流电路 原理: 变压器副边中心抽头, 感应出两个相等的电压u2 当u2正半周时, D1导通, D2截止。 当u2负半周时, D2导通, D1截止。

  9. u2 + D1 t T  2 3 0 4 a – uo + io u1 u2 RL – u2 uo uD1 b D2 uD2 0 ~ : uD2 = 2u2 单相全波整流电压波形 + 忽略二极管正向压降

  10. D1 uo T a t io u1  0 2 u2 RL u2 uo 1 1 p ( ) p ( ) ò b ò w = w = sinw t d t U u d t 2 U p p o o 2 D2 0 0 2 2 U = = 2 0 . 9 U 2 p 输出电压平均值(Uo),输出电流平均值(Io ): Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL

  11. D1 T a io u1 u2 RL u2 uo uD b D2 t = U U  2 0 2 2 DRM 2 1 = I I D o 2 二极管上的平均电流及承受的最高反向电压: 二极管上的平均电流: 二极管承受的最高反向电压:

  12. T D3 RL u1 u2 D1 uo D4 D2 D1 u2 D2 RL uo u2 uo D3 D4 3. 单相桥式整流电路 组成:由四个二极管组成桥路

  13. + T D3 RL u1 u2 D1 uo D4 D2 – u2正半周时电流通路 D1、D4导通, D2、D3截止

  14. - T D3 RL u0 u1 u2 D1 D4 + D2 u2负半周时电流通路 D2、D3导通, D1、D4截止

  15. a D3 RL D1 u2 uo D4 D2 b u2 uD2,uD3 uD1,uD4 uo = U U 2 二极管最大反向电压: DRM 2 单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形 u2>0 时 u2<0 时 D1,D4导通 D2,D3截止 电流通路: a D1 RLD4b D2,D3导通 D1,D4截止 电流通路: b D2 RLD4a 整流输出电压平均值: Uo=0.9U2 负载电流平均值: Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL 二极管平均电流:ID=Io/2

  16. +  –  – + ~+~-  u2 uo 集成硅整流桥:

  17. uo t  0 2 1 ( ) 2 π ò = w U u d t o o 2 π 0 U = o I o R L 4. 整流电路的主要参数 (1)整流输出电压的平均值 负载电压 Uo的平均值为: 负载上的(平均)电流:

  18. uo t  0 2 基波 基波峰值 输出电压平均值 2. 脉动系数S S定义:整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值之比。S越小越好。 用傅氏级数对全波整流的输出 uo分解后可得:

  19. 1 = I I D o 2 (3)二极管平均电流与反向峰值电压 平均电流(ID)与反向峰值电压(UDRM)是选择整流管的主要依据。 例如: 在桥式整流电路中,每个二极管只有半周导通。因此,流过每只整流二极管的平均电流 ID是负载平均电流的一半。 (选购时:二极管额定电流2ID) 二极管截止时两端承受的最大反向电压: (选购时:最大反向电压  2URM)

  20. 滤波 整流 L C RL RL 三、滤波电路 交流 电压 脉动 直流电压 直流 电压 滤波电路的结构特点:电容与负载 RL 并联,或电感与负载RL串联。

  21. a D4 u1 u1 S u2 D1 uo D3 C RL D2 b 桥式整流电容滤波电路 1. 电容滤波电路 (1)电容滤波原理 以单向桥式整流电容滤波为例进行分析,其电路如图所示。

  22. a D4 u1 u1 S u2 D1 uo D3 C RL D2 b uo u2 t1 设t1时刻接通电源 t t 整流电路为电容充电 RL未接入时(忽略整流电路内阻) 没有电容时的输出波形 uc 充电结束

  23. D4 u1 u1 S u2 D1 uo D3 C u2 RL D2 b t uo t RL接入(且RLC较大)时 (忽略整流电路内阻) 加入滤波电容 时的波形 无滤波电容 时的波形

  24. uo t u2下降, u2小于电容上的电压。 二极管承受反向电压而截止。 电容C通过RL放电, uc按指数 规律下降,时间常数 = RL C u2上升, u2大于电容 上的电压uc,u2对电容充电, uo= uc u2

  25. D4 u1 u1 S u2 D1 uo D3 C RL D2 b uo u2 t t 只有整流电路输出电压大于uc时,才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。 二极管中的电流

  26. D4 u1 u1 S u2 D1 uo D3 C RL D2 b u2 uo t t RL接入(且RLC较大)时 (考虑整流电路内阻) 电容充电时,电容电压滞后于u2。 RLC越小,输出电压越低。

  27. 一般取 = ³ - (T:电源电压的周期) ) R C ( 5 10 T τ L (c) 二极管承受的最高反向电压 (2)电容滤波电路的特点 (a) 输出电压 平均值Uo与时间常数 RLC 有关 RLC 愈大 电容器放电愈慢  Uo(平均值)愈大 近似估算: Uo=1.2U2 Io= Uo/RL (b) 流过二极管瞬时电流很大 RLC 越大  Uo越高负载电流的平均值越大 ;整流管导电时间越短  iD的峰值电流越大

  28. L u1 u2 uo RL 2. 电感滤波电路 电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。

  29. L u1 u2 uo RL 当忽略电感线圈的直流电阻时,输出平均电压约为: Uo=0.9U2 电感滤波原理 对直流分量:XL=0 相当于短路,电压大部分降在RL上 对谐波分量:f越高,XL 越大,电压大部分降在XL上。 因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。

  30. R uo1´ u1 u2 RL uo C1 C2 3. RC –型滤波器 改善滤波特性的方法:采取多级滤波 RC – 型滤波器 将RC – 型滤波器中的电阻换为电感,变为LC – 型滤波器

  31. 滤波 稳压 整流 交流 电压 脉动 直流电压 有波纹的 直流电压 直流 电压 四、稳压电路 稳压电路的作用:

  32. 常用稳压电路 (小功率设备) 开关型 稳压管 线性 稳压电路 稳压电路 稳压电路 稳压电源类型: 效率较高,目前用的也比较多,但因学时有限,这里不做介绍。 电路最简单,但是带负载能力差,一般只提供基准电压,不作为电源使用。 以下主要讨论线性稳压电路。

  33. 1. 稳压电路的主要性能指标 (1)稳压系数 S(越小越好) 稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时,输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。 (2)输出电阻Ro (越小越好) 输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。

  34. 调整元件 + + T 基 准电压 比较放大 Uo取样 + _ UI RL UO FUO UR – – 2. 串联反馈式稳压电路 (1)电路结构的一般形式 串联式稳压电路的组成: (1)基准电压; (2)比较放大; (3)输出电压取样电路;(4)调整元件

  35. 调整元件 + + T1 基 准电压 比较放大 Uo取样 + _ UI RL UO FUO UR +UI – – 比较放大 R3 UB1 Uo RL 因调整管与负载接成射极输出器形式,为深度串联电压负反馈,故称之为: 串联反馈式稳压电路。 若因输入电压变化或负载变化而使UO加大,比较放大电路使UB1变小,从而使UO降低.

  36. T1 + _ T1调整管 R1、 RW、R2采样电阻 + _ R3 R1 R RW1 T2 RW RL UI UO RW2 UB2 R2 UZ R、 UZ基准电压 R3、 T2比较放大 (2)一种实际的串联式稳压电源

  37. T1 + _ + _ R3 R1 R RW1 T2 RW RL UI UO RW2 UC2 (UB1 ) UB2 R2 UZ Uo UB2 Uo UBE2=(UB2-UZ) UC2 (UB1 ) 稳压原理 当 UI 增加或输出电流减小使 Uo升高时

  38. T1 + _ + _ R3 R1 R RW1 T2 RW RL UI UO RW2 UB2 R2 UZ + + R R R + ( ) R R = + 1 2 W U U U + + R R R 因为: W 2 2 O Z BE 2 = + + 1 2 W U U U R R O Z BE 2 W 2 2 + + R R R = 1 2 W U Z + R R 所以: W 2 2 忽略UBE2 (3) 输出电压的确定和调节范围

  39. T1 + _ + _ R3 R1 R RW1 T2 RW RL UI UO RW2 UB2 R2 UZ + + 4.7 4.7 4.7 = 4=6V + 4.7 4.7 + + R R R = 1 2 W U U Omin Z + + + R R R + + R R 4.7 4.7 4.7 = 1 2 W W 2 U U = 4=12V Omax Z 4.7 R 2 例:UI=18V,UZ=4V,R1=R2=RW=4.7k,求输出电压的调节范围。

  40. T1 + _ + _ R3 R1 R RW1 T2 RW RL UI UO RW2 UB2 R2 UZ (4) 实际的稳压电源采取的改进措施 集成化集成稳压电源 1. 比较放大级采用差动放大器或集成运放 2.调整管采用复合三极管 3. 采用辅助电源(比较放大部分的电源) 4. 用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益 5. 内部加短路和过热保护电路

  41. 五、集成稳压电源 特点:体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉 内部电路:串联型晶体管稳压电路 类型:W7800系列 —— 稳定正电压 W7805 输出+5V W7809 输出+9V W7812 输出+12V W7815 输出+15V W7900系列 —— 稳定负电压 W7905 输出-5V W7909 输出-9V W7912 输出-12V W7915 输出-15V

  42. 1 3 W7805 2 + _ + _ UI CI Co Uo 0.1~1F 1µF 3 2 1 W7800系列稳压器外形及接线图 +10V +5V 注意:输入与输出端 之间的电压不 得低于3V! 1端: 输入端 2端: 公共端 3端: 输出端

  43. 2 3 W7905 1 – + – + UI CI Co Uo 0.1~1F 1µF 3 2 1 W7900系列稳压器外形及接线图 -10V -5V 1端: 公共端 2端: 输入端 3端: 输出端

  44. 1 3 W7805 + _ + _ RL CI 2 u1 u2 1F Co Uo C1 300µF 1µF 集成稳压电源应用电路 U1=220V U2=8V UC1=1.2 U2 =9.6V Uo=5V

  45. 第7章 可控硅及其应用 7.1 晶闸管工作原理 7.2 晶闸管特性与参数 7.3 可控整流电路 7.4 触发电路 7.5 单结管触发的可控整流电路 7.6 晶闸管的其它应用 7.7 晶闸管的保护及其它类型

  46. 晶闸管(Thyristor) 别名:可控硅(SCR)(Silicon Controlled Rectifier)是一种大功率半导体器件,出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 特点:体积小、重量轻、无噪声、寿命长、 容量大(正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏)。 应用领域: • 整流(交流  直流) • 逆变(直流  交流) • 斩波(直流  直流) • 变频(交流  交流) 此外还可作无触点开关等。

  47. A(阳极) 三 个 P1 四 层 半 导 体 PN N1 结 P2 G(控制极) N2 K(阴极) 7.1 工作原理 1. 结构 PNPN四层半导体结构

  48. A A A 阳极 P P1 N N G G 控制极 N1 G P P K P2 N 阴极 N2 K K 2. 工作原理 符号

  49. A P A RL ßßig N N T2 UAK G P P G ß ig T1 ig UGK N K K 等效为由二个三极管组成 T1、T2都导通后,即使去掉UGK, T1、T2仍然导通

  50. A RL T2 A UAK ßßig G T1 G UGK ß K K ig ig 可控硅导通的条件: (1)阳极A加正电压 (2)控制极G加正的触发电压 可控硅截止的条件: (1)阳极A加反向电压,或不加触发信号(即UGK= 0 )。 (2)可控硅正向导通后,若令其关断,必须减小UAK(或使UAK反向),使可控硅中电流小于某一最小电流IH( IH称为维持电流)