50D整流柜脈沖放大電路的設(shè)計(jì)

1、50d整流柜脈沖放大電路的設(shè)計(jì)摘要：在脈沖放大電路中用555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路對(duì)通過(guò)光電耦合器輸出到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，經(jīng)過(guò)整形后得到一個(gè)幅度和寬度都基本相同的脈沖波形，整形后的脈沖信號(hào)通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的放大和脈沖變壓器的隔離，輸出作為可控硅的觸發(fā)信號(hào)。此電路不僅降低了對(duì)光電耦合器等元器件的要求，延長(zhǎng)了元器件的使用壽命，而且增加了可控硅觸發(fā)脈沖信號(hào)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。1 脈沖放大電路原理 輸入脈沖經(jīng)過(guò)光電耦合器4n25的隔離輸出到一個(gè)555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的電源通過(guò)一個(gè)三端集成穩(wěn)壓器提供，將輸入脈沖經(jīng)過(guò)整形輸出到場(chǎng)效應(yīng)管放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，放大

2、后的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器，經(jīng)過(guò)脈沖變壓器的隔離后輸出到可控硅，作為觸發(fā)信號(hào)。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器555對(duì)所需要的觸發(fā)電源要求非常高，輸入的電壓必須精確穩(wěn)定不變而且不能超過(guò)15v，超過(guò)15v會(huì)使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器555無(wú)法正常工作，而電壓不穩(wěn)則會(huì)造成電路vcc電壓的波動(dòng)，無(wú)法輸出規(guī)則的脈沖波形，因此在設(shè)計(jì)電路過(guò)程中選擇三端集成穩(wěn)壓器78l10，輸入端接一個(gè)12v的電壓，在輸出端輸出一個(gè)10v穩(wěn)定的電壓，給555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器提供電源。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要功能是對(duì)脈沖信號(hào)經(jīng)行整形，它能夠把不規(guī)則的輸入信號(hào)整形成為幅度和寬度都相同的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖，矩形脈沖的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，脈沖寬度決定于暫穩(wěn)態(tài)

3、時(shí)間。場(chǎng)效應(yīng)管是利用改變外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件。場(chǎng)效應(yīng)管放大電路主要功能是對(duì)整形后的脈沖信號(hào)經(jīng)行放大，在電路的選擇時(shí)主要是通過(guò)負(fù)載電流的大小，此電路工作在飽和狀態(tài)，信號(hào)被放大后輸出到脈沖變壓器的原邊，變壓器原邊接有一個(gè)rdc三相（一個(gè)由電阻，電容和二極管組成）阻容吸收電路，用于吸收和消耗場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通狀態(tài)變成關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)候脈沖變壓器原邊還存有的能量。脈沖變壓器一般用于脈沖變換或作為觸發(fā)驅(qū)動(dòng)，脈沖變壓器一般是做脈沖高頻信號(hào)耦合、阻抗變換、電壓變換之用，在此電路中脈沖變壓器主要是用于可控硅的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)，將場(chǎng)效應(yīng)管放大的脈沖信號(hào)隔離后輸出到可控硅。2 脈沖放大電路的組成部分

4、2.1 三端集成穩(wěn)壓器三端集成穩(wěn)壓器是一種將功率調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)穩(wěn)壓、誤差放大、啟動(dòng)和保護(hù)電路等全部集成在一個(gè)芯片上的集成電路。所謂三端是指電壓輸入端、電壓輸出端和公共接地端（或電壓調(diào)整端）。三端集成穩(wěn)壓器按性能和用途可分為三端固定輸出正穩(wěn)壓器、三端固定輸出負(fù)穩(wěn)壓器、三端可調(diào)輸出正穩(wěn)壓器和三端可調(diào)輸出負(fù)穩(wěn)壓器四大類。2.1.1 三端集成穩(wěn)壓器的選用（1）首先根據(jù)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓的需要，選擇三端穩(wěn)壓器的輸出電壓極性，是輸出正電壓還是輸出負(fù)電壓。輸出正電壓的可選用78xx系列，如7805、7812等，其中78后面的數(shù)字代表該穩(wěn)壓器輸出正電壓的數(shù)值，以伏特為單位。例如7805表示穩(wěn)壓輸出為

5、+5v，7812表示穩(wěn)壓輸出為+12v等；輸出負(fù)電壓的可選用79xx系列，如7906、7924等，其中79后面的數(shù)字代表該穩(wěn)壓器輸出負(fù)電壓的數(shù)值，例如7906表示穩(wěn)壓輸出為-6v，7924表示穩(wěn)壓輸出為-24v等。通常都選用78xx系列的三端固定輸出正穩(wěn)壓器，其優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單。（2）其次根據(jù)電路要求選擇三端穩(wěn)壓器的輸出電流。以78xx系列為例，78lxx系列最大輸出電流為100ma，78mxx系列最大輸出電流為500ma，78xx系列最大輸出電流為1.5a。在選用時(shí)，要考慮三端穩(wěn)壓器的最大輸出電流imax，imax是指穩(wěn)壓器能夠輸出的最大電流值，使用時(shí)按其60%選擇為妥。（3）最后根據(jù)選定的三

6、端穩(wěn)壓器考慮其輸入端允許輸入的最大電壓，一般輸出、輸入的電壓差最小為1.7v左右。在不超出最大輸入電壓值的情況下，輸出與輸入電壓差越大越穩(wěn)定。2.1.2 三端集成穩(wěn)壓器電路如下圖 圖 1 三端集成穩(wěn)壓器電路三端穩(wěn)壓電路的輸出電壓u=uo(1+r2/r1),式中uo通過(guò)選擇的三端穩(wěn)壓器得出，r1和r2為串聯(lián)在2管腳和地之間的電阻，由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器555所需要的電源要求輸入的電壓必須穩(wěn)定不變而且不能超過(guò)15v，超過(guò)15v會(huì)使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器555無(wú)法正常工作，因此在設(shè)計(jì)電路過(guò)程中三端集成穩(wěn)壓器選擇78l10，所以u(píng)=10(1+r2/r1),由于2管腳直接接地，所以u(píng)=10v，三端集成穩(wěn)壓器輸出一個(gè)穩(wěn)定

7、的10v，給單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器提供電源，而輸入電壓必須大于輸出電壓，并且要小于穩(wěn)壓器的極限電壓35v，所以輸入電壓選擇12v。 2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點(diǎn)：第一，它有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)；第二，在外來(lái)觸發(fā)脈沖作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài)；第三，暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時(shí)間后，將自動(dòng)返回到穩(wěn)定狀態(tài)，而暫穩(wěn)狀態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短，與觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)，決定于電路本身的參數(shù)。2.2.1 電路組成及其工作原理由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形如圖2所示將555定時(shí)器的6號(hào)腳和7號(hào)腳接在一起，并添加一個(gè)電容和一個(gè)電阻，就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器我們簡(jiǎn)記為“七六搭一，上r下c”。（1）無(wú)觸發(fā)信號(hào)輸

8、入時(shí)電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)電路無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，輸入脈沖vi保持高電平，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出端vo保持低電平,555定時(shí)器內(nèi)放電三極管t飽和導(dǎo)通，管腳7“接地”，電容電壓vc為0v。（2）vi降沿觸發(fā)當(dāng)vi下降沿到達(dá)時(shí),555定時(shí)器觸發(fā)輸入端（2 腳）由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑娐繁挥|發(fā)，vo由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間在暫穩(wěn)態(tài)期間，555定時(shí)器內(nèi)放電三極管t截止,vcc經(jīng)r向c充電。其充電回路為vccrc地，時(shí)間常數(shù)1=rc，電容電壓vc由0v開(kāi)始增大，在電容電壓vcc上升到閾值電壓2/3vcc之前，電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。（4）自動(dòng)返回（暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束）時(shí)間當(dāng)v

9、c上升至閾值電壓2/3vcc時(shí)，輸出電壓vo由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑?55內(nèi)放電三極管t 由截止轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通，管腳7“接地”，電容c經(jīng)放電三極管對(duì)地迅速放電，電壓vc由2/3vcc迅速降至0v（放電三極管的飽和壓降）,電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。（5）恢復(fù)過(guò)程當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容c通過(guò)飽和導(dǎo)通的三極管t放電，時(shí)間常數(shù)2=rcesc，式中rces是t的飽和導(dǎo)通電阻，其阻值非常小，因此2之值亦非常小。經(jīng)過(guò)（35）2后，電容c放電完畢，恢復(fù)過(guò)程結(jié)束。圖 2 用555 定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形2.2.2 主要參數(shù)估算(1) 輸出脈沖寬度tw輸出脈沖寬度就是暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間，也就是定時(shí)電容的充電時(shí)間

10、。由圖2（b）所示電容電壓vc的工作波形不難看出vc（0+）0v，vc（）=vcc，vc（tw）= 2/3vcc，代入rc過(guò)渡過(guò)程計(jì)算公式，可得：此電路中r選用的是5.6k的電阻，電容選用的是103，所以脈沖寬度tw=1.1*5600*10000pf=61.6us上式說(shuō)明，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tw僅決定于定時(shí)元件r、c的取值，與輸入觸發(fā)信號(hào)和電源電壓無(wú)關(guān)，調(diào)節(jié)r、c的取值，即可方便的調(diào)節(jié)脈沖寬度tw。2.2.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把不規(guī)則的輸入信號(hào)vi，整形成為幅度和寬度都相同的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖vo。vo的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度tw決定于暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間，如圖3所

11、示。 圖 3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用于波形的整形2.3 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管是利用改變外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件。它具有雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，還具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等特點(diǎn)。在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管的分類根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，場(chǎng)效應(yīng)管可分為兩大類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(jfet)和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(igfet)。2.3.1 工作原理（1）vgs對(duì)id的控制作用為便于討論，先假設(shè)漏源極間所加的電壓vds =0。(a) 當(dāng)vgs =0時(shí)，溝道較寬，其電阻較小。(b) 當(dāng)vg

12、s 0，且其大小增加時(shí)，在這個(gè)反偏電壓的作用下，兩個(gè)pn結(jié)耗盡層將加寬。由于n區(qū)摻雜濃度小于p+區(qū)，因此，隨著| vgs | 的增加，耗盡層將主要向n溝道中擴(kuò)展，使溝道變窄，溝道電阻增大。當(dāng)| vgs | 進(jìn)一步增大到一定值|vp| 時(shí)，兩側(cè)的耗盡層將在溝道中央合攏，溝道全部被夾斷。由于耗盡層中沒(méi)有載流子，因此這時(shí)漏-源極間的電阻將趨于無(wú)窮大，即使加上一定的電壓vds，漏極電流id也將為零。這時(shí)的柵源電壓vgs稱為夾斷電壓，用vp表示。在預(yù)夾斷處：vgd=vgsvds =vp。上述分析表明：(a)改變柵-源電壓vgs的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。(b)若同時(shí)在漏-源極間加上固定的正向電

13、壓vds，則漏極電流id將受vgs的控制，| vgs |增大時(shí)，溝道電阻增大，id減小。(c)上述效應(yīng)也可以看作是柵源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小控制了溝道的寬度，即控制了溝道電阻的大小，從而控制了漏極電流id的大小。（2）vds對(duì)id的影響設(shè)vgs值固定，且vp vgs 0。(a)當(dāng)漏-源電壓vgs從零開(kāi)始增大時(shí)，溝道中有電流id流過(guò)。(b)在vds的作用下,導(dǎo)電溝道呈楔形由于溝道存在一定的電阻，因此，id沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)的電位不再相等，漏極端電位最高，源極端電位最低。這就使柵極與溝道內(nèi)各點(diǎn)間的電位差不再相等，其絕對(duì)值沿溝道從漏極到源極逐漸減小，在漏極端最

14、大(為 |vgd| )，即加到該處pn結(jié)上的反偏電壓最大，這使得溝道兩側(cè)的耗盡層從源極到漏極逐漸加寬，溝道寬度不再均勻，而呈楔形。(c)在vds較小時(shí)，id隨vds增加而幾乎呈線性地增加。（3）它對(duì)id的影響應(yīng)從兩個(gè)角度來(lái)分析：一方面vds增加時(shí)，溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，id隨著增加；另一方面，隨著vds的增加，溝道的不均勻性增大，即溝道電阻增加，id應(yīng)該下降，但是在vds較小時(shí)，溝道的不均勻性不明顯，在漏極附近的區(qū)域內(nèi)溝道仍然較寬，即vds對(duì)溝道電阻影響不大，故id隨vds增加而幾乎呈線性地增加。隨著vds的進(jìn)一步增加，靠近漏極一端的pn結(jié)上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應(yīng)變寬，溝道電阻相應(yīng)

15、增加，id隨vds上升的速度趨緩。(d)當(dāng)vds增加到vds = vgs -vp，即vgd= vgs - vds =vp(夾斷電壓)時(shí)，溝道預(yù)夾斷此時(shí),漏極附近的耗盡層即在a點(diǎn)處合攏，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。與前面講過(guò)的整個(gè)溝道全被夾斷不同，預(yù)夾斷后，漏極電流id0。因?yàn)檫@時(shí)溝道仍然存在，溝道內(nèi)的電場(chǎng)仍能使多數(shù)載流子(電子)作漂移運(yùn)動(dòng)，并被強(qiáng)電場(chǎng)拉向漏極。(e)若vds繼續(xù)增加，使vdsvgsvp,即vgdvp時(shí)，耗盡層合攏部分會(huì)有增加，即自a點(diǎn)向源極方向延伸，夾斷區(qū)的電阻越來(lái)越大，但漏極電流i d不隨vds的增加而增加,基本上趨于飽和。因?yàn)檫@時(shí)夾斷區(qū)電阻很大，vds的增加量主要降落在夾斷區(qū)電阻上

16、，溝道電場(chǎng)強(qiáng)度增加不多，因而id基本不變。但當(dāng)vds增加到大于某一極限值(用v(br)ds表示)后，漏極一端pn結(jié)上反向電壓將使pn結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，id會(huì)急劇增加，正常工作時(shí)vds不能超過(guò)v(br)ds。2.3.2 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路如下圖： 圖 4 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)的時(shí)候，脈沖變壓器的原邊還存有一定的能量，所以電路的設(shè)計(jì)中必須在脈沖變壓器的原邊再加一個(gè)阻容吸收電路，如上圖所示，脈沖變壓器原邊輸入端通過(guò)一個(gè)rdc阻容吸收電路與+12v和放大后的脈沖信號(hào)輸出連接，這個(gè)阻容吸收電路由電阻、電容、二極管各一個(gè)組成，其中電阻和電容并聯(lián)后與二極管串聯(lián)，這個(gè)電路的作用是在場(chǎng)效應(yīng)管

17、關(guān)斷的時(shí)候，通過(guò)電阻和電容吸收消耗掉變壓器原邊剩余的能量，使場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷過(guò)電壓能得到有效抑制并減小關(guān)斷損耗。2.4 脈沖變壓器脈沖變壓器一般用于脈沖變換或作為觸發(fā)驅(qū)動(dòng)，脈沖變壓器一般是做脈沖高頻信號(hào)耦合、阻抗變換、電壓變換之用，指標(biāo)要求比一般工頻變壓器高，鐵芯常用高導(dǎo)磁鐵合金或鐵氧體，繞制要求比較嚴(yán)格。脈沖變壓器是電子變壓器一種特殊類型，它所變換的不是正弦電壓，也不是交流方波，而是接近矩形的單極性脈沖；脈沖變壓器現(xiàn)已極其廣泛地應(yīng)用于各種電子設(shè)備之中。2.4.1 脈沖變壓器的主要用途脈沖變壓器廣泛用于負(fù)載電阻與饋線特性阻抗的匹配；升高或降低脈沖電壓；改變脈沖的極性；變壓器次級(jí)電路和初級(jí)電路的隔離

18、應(yīng)用幾個(gè)次級(jí)繞組以取得相位關(guān)系；隔離電源部分的直流成分；采用若干個(gè)次級(jí)繞組，以便得到幾個(gè)不同幅值的脈沖，使電子管的板極回路和柵極回路，或晶體管的集電極與基極間形成正反饋，以便產(chǎn)生自激振蕩；作為功率合成及變換元件等。在脈沖放大電路中主要用到的是它的隔離作用。2.4.2 脈沖變壓器輸出端電路如下圖 圖 5 脈沖變壓器輸出端電路電路中二極管的選用的是fr107,電容為100nf，電阻阻值為100。電路中二極管的作用：觸發(fā)脈沖在經(jīng)過(guò)脈沖變壓器后會(huì)在y軸下半部分形成感應(yīng)波形，通過(guò)二極管的濾波作用可以去掉感應(yīng)波形，對(duì)脈沖進(jìn)行整形。而電路中的電阻能夠有效的消除尖峰電壓，由于脈沖變壓器副邊是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果副邊電路空載會(huì)形成一個(gè)很大的尖峰電壓，對(duì)可控硅造成很大的損害，所以接一個(gè)負(fù)載電阻，用來(lái)消除尖峰電壓。3 總結(jié)脈沖放大電路是一個(gè)對(duì)脈沖信號(hào)的整形、放大、隔離等處理過(guò)程的綜合電路，三端集成穩(wěn)壓器、555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路、脈沖變壓器，每一部分都基本上完成了對(duì)電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇，輸出的脈沖觸發(fā)信號(hào)也能符合系統(tǒng)要求，使可控硅的觸發(fā)脈沖信號(hào)和整個(gè)整流柜系統(tǒng)