電工學(xué)講義9-串聯(lián)型電源電路及晶閘管1.ppt

1、第九章 電源電路,1. 并聯(lián)型穩(wěn)壓電源,串聯(lián)式穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。,2 帶有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源,調(diào)整元件T:與負(fù)載串聯(lián)，通過(guò)全部負(fù)載電流?？梢允?單個(gè)功率管，復(fù)合管或用幾個(gè)功率管并聯(lián)。 比較放大: 可以是單管放大電路，差動(dòng)放大電路，集 成運(yùn)算放大器。 基準(zhǔn)電壓: 可由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。 取樣電路: 取出輸出電壓UO的一部分和基準(zhǔn)電壓相比較。,電壓關(guān)系：,穩(wěn)壓原理,電源變化,負(fù)載變化,串聯(lián)型穩(wěn)壓電源特點(diǎn)：,1）輸出電流IO大（取決于T2管功率）,2）輸出電壓UO更加穩(wěn)定,3）輸出電壓UO可以調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)RP,，可以調(diào)節(jié)輸出電壓),隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展

2、，現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡(jiǎn)單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。 本節(jié)主要介紹常用的W7800系列三端集成穩(wěn)壓器，其內(nèi)部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。 該組件的外形如下圖，穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過(guò)熱保護(hù)環(huán)節(jié)。,3.集成穩(wěn)壓電源,W7800系列穩(wěn)壓器外形,W7900系列穩(wěn)壓器外形,塑料封裝,注：金屬封裝和塑料封裝管腳定義不同，使用時(shí)一定要先查手冊(cè)。,外形及引腳功能,注：型號(hào)后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值,輸出額定電壓值有如下系列:,5V、9V、12V 、18V、 24V等

3、 。,三端集成 穩(wěn)壓器,輸入與輸出之間的電壓不得低于3V！,三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用,0.11F,1F,為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流 時(shí)，不致引起輸出電壓 有較大的波動(dòng)。即用來(lái) 改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。,用來(lái)抵消輸入端接線 較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng)， 防止產(chǎn)生自激振蕩。 即用以改善波形。,一、輸出為固定電壓的電路,二 、輸出正負(fù)電壓的電路,要求,1.了解晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特 性和主要參數(shù)。 2. 理解可控整流電路的工作原理、掌握電 壓平均值與控制角的關(guān)系。 3. 了解單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路的工作原 理。 4.理解交流調(diào)壓電路的工作原理,4. 晶閘管及其應(yīng)用,晶閘管 （Silicon Controll

4、ed Rectifier） 晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種大功 率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域 擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。 晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時(shí)間是可控的，主要用于整流、逆變、 調(diào)壓及開(kāi)關(guān)等方面。,體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維修簡(jiǎn)單、操作方便、壽命長(zhǎng)、 容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。,晶閘管外型,晶閘管型號(hào)及其含義,導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別 共九級(jí), 用字母AI表示0.41.2V,額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者,額定正向平均電流(IF),如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。,基本結(jié)構(gòu)

5、,G,晶閘管是具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu), 其外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖。,(c) 結(jié)構(gòu),(a) 外形,晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào),實(shí) 驗(yàn),工作原理,晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合,1)晶閘管陽(yáng)極A與陰極K之間加正向電壓，控制極斷開(kāi)，兩個(gè)三極管均無(wú)基極電流，晶閘管不導(dǎo)通。,A,該過(guò)程在極短時(shí)間內(nèi)連鎖循環(huán)進(jìn)行，形成正反饋，晶閘管瞬間全部飽和導(dǎo)通。,K,G,EA 0、EG 0,EG,2) 在控制極G與陰極K之間加正向電壓，當(dāng)IG 到達(dá)一定數(shù)值，T2 首先導(dǎo)通，隨后T1導(dǎo)通， IC1與IG一起進(jìn)入T2的基極后再次放大。,G,EA 0、EG 0,K,3）晶閘管導(dǎo)通后，去掉控制極，依靠正反饋，T2管

6、的基極電流 IB2= IC1，管子維持導(dǎo)通。,晶閘管導(dǎo)通后， 控制極失去控 制作用,在導(dǎo)通后，要關(guān)斷晶閘管：,1）陽(yáng)極電流IA減小到某一數(shù)值以下， 內(nèi)部連鎖狀態(tài)不能維持，管子截止。,2) 切斷陽(yáng)極電源,3) 在陽(yáng)極和陰極之間 加反向電壓,G,K,A,1）晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：,陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓,控制極與陰極之間加正向電壓,2）晶閘管的控制極只有使晶閘管導(dǎo)通的作用，一旦 導(dǎo)通, 就不再有控制作用，無(wú)論控制極對(duì)陰極有無(wú)電壓 或反向電壓，管子始終導(dǎo)通,3）要使晶閘管阻斷(截止), 必須具備下列三個(gè)條件之一：,總 結(jié),晶閘管的伏安特性曲線,晶閘管的導(dǎo)通和截止由陽(yáng)極電壓U、電流I及控制

7、極電流IG 決定，它們之間的關(guān)系用伏安特性曲線來(lái)表示。,0,+ -,- +,當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極加正向電壓，控制極無(wú)電壓時(shí)， J2反偏，因此只有很小電流，稱正向漏電流。 此時(shí) 晶閘管截止，表現(xiàn)出很大的內(nèi)阻。,當(dāng)正向電壓增加到某一數(shù)值，漏電流突然增大，晶閘管導(dǎo)通，可以通過(guò)很大的電流，而管壓降僅1V左右。晶閘管由截止變?yōu)閷?dǎo)通所對(duì)應(yīng)的電壓UBO稱正向轉(zhuǎn)折電壓。,0,+ -,- +,晶閘管導(dǎo)通后，減小正向壓降，正向電流減小，當(dāng)減小到某一數(shù)值，晶閘管又轉(zhuǎn)為阻斷。此時(shí)對(duì)應(yīng)的最小電流稱維持電流IH,當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極陰極加反向電壓，特性與二極管相似，有很小的反向漏電流。加大反向電壓,晶閘管在反向轉(zhuǎn)折電壓UBR處

8、反向?qū)ā?0,+ -,- +,0,當(dāng)陽(yáng)極電壓高于轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，元件導(dǎo)通，但這種導(dǎo)通方法 容易造成元件不可恢復(fù)性擊穿，一般不采用。,當(dāng)控制極加正向電壓，IG 產(chǎn)生，特性曲線左移，正向轉(zhuǎn)折電壓降低, 元件容易導(dǎo)通。 IG 越大，UBO 越低。,因此，通常采用加控制電壓的方式使晶閘管導(dǎo)通,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向轉(zhuǎn)折電壓,反向轉(zhuǎn)折電壓,正向平均電流,維持電流,動(dòng)畫(huà)演示,晶閘管主要參數(shù),1.正向重復(fù)峰值電壓UFRM,2.反向重復(fù)峰值電壓URRM,3.正向平均電流IF,4.維持電流IH,晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，也稱可控硅，它具有 一個(gè)控制電極，通過(guò)控制該電極可以控制晶閘管的 導(dǎo)

9、通時(shí)間，調(diào)節(jié)輸出電壓電流的大小，稱為可控整 流。,可控硅整流電路,半導(dǎo)體二極管只有通斷兩種狀態(tài)，用該元件組成的 整流電路，輸出電流和電壓的大小不能通過(guò)元件本 身來(lái)調(diào)節(jié)，稱為不可控整流。,單相半波可控整流電路,1）以晶閘管代替半波整流電路中的二極管,2）晶閘管與RL串聯(lián)，電路電流為io，控制極施加 周期性正向脈沖電壓uG,特點(diǎn),1. 電路,2 工作原理,t1,u 0 時(shí): 可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通，晶閘管反向阻斷,加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通,u 0時(shí):,無(wú)觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通,O,控制角,t1,O,t2,2,導(dǎo)通角,3 工作波形,輸出電壓及電流的平均值,晶閘管全導(dǎo)通,晶閘管全

10、阻斷,改變控制角， 可改變輸出電壓Uo。,單相半控橋式整流電路,1. 電路,2. 工作原理,T1和D2承受正向電壓。 T1控制極加觸發(fā)電壓, 則T1和D2導(dǎo)通，電流的通路為,a,(1)電壓u 為正半周時(shí),此時(shí)，T2和D1均承受反向電壓而截止。,T2和D1承受正向 電壓。 T2控制極加觸發(fā)電壓, 則T2和D1導(dǎo) 通，電流的通路為,(2)電壓u 為負(fù)半周時(shí),b,此時(shí)，T1和D2均承受反向電壓而截止。,3. 工作波形,2,4. 輸出電壓及電流的平均值,兩種常用可控整流電路,電路 特點(diǎn),該電路只用一只晶閘管，且其上 無(wú)反向電壓。,2. 晶閘管和負(fù)載上的電流相同。,(1),電路 特點(diǎn),(2),由于T1的

11、陽(yáng)極和T2的陰極相連，兩管控 制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。,單結(jié)晶體管有三個(gè)極，外型類似普通小功率三極管,要使晶閘管導(dǎo)通，除在陽(yáng)極和陰極之間加正向電壓，還要 在控制極和陰極之間加正向觸發(fā)電壓。產(chǎn)生觸發(fā)電壓的電 路稱為觸發(fā)電路。目前常用的是單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。,單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)及工作原理,PN結(jié),N型硅片,1.結(jié)構(gòu),N型硅片的一側(cè)引出兩個(gè)極,B1稱第一基極,B2稱第二基極；硅片另一側(cè)靠近B2處有一個(gè)PN結(jié)，從此處引出電極E稱發(fā)射極。因有兩個(gè)基極，單結(jié)晶體管又稱雙基極二極管。,單結(jié)晶體管兩個(gè)基極之間呈電阻性，稱基極電阻RBB=RB1+RB2，其值為幾千歐。,第一基極與發(fā)射極之間的電

12、阻為RB1，隨射極電流IE的增大而減小，當(dāng)IE為0，RB1為幾千歐，當(dāng)IE為20mA左右，其為幾十歐。,第二基極與發(fā)射極之間的電阻為RB2，數(shù)值恒定。,發(fā)射結(jié)具有單向?qū)щ娦?，以二極管D表示。,2 特性分析,在兩個(gè)基極之間外加一個(gè)電壓UBB，當(dāng)UE=0時(shí)，A點(diǎn)對(duì)地電壓為：,2 特性分析, 分壓系數(shù)（分壓比） 一般為0.3 0.9,伏安特性曲線,A,A,3 .單結(jié)晶體管的伏安特性,Ip,IV,負(fù)阻區(qū)：IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。,UE UA PN結(jié)反偏，IE0 單結(jié)管截止,1. UE UP時(shí)單結(jié)管截止,UE UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通， UE UV時(shí)恢復(fù)截止。,2. 單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP 與外加固

13、定電壓UBB及分 壓比有關(guān)，外加電壓UBB 或分壓比不同，則峰點(diǎn)電 壓UP不同。,小 結(jié),單結(jié)晶體管振蕩電路,R1，R2 為外接電阻 C 為外接電容,單結(jié)晶體管振蕩電路 利用單結(jié)管的負(fù)阻特 性及RC電路的充放電 特性組成頻率可調(diào)的 振蕩電路。,工作原理,設(shè)通電前uC=0。,接通電源U, 電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。,當(dāng)uC UP時(shí),單結(jié)管導(dǎo)通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。,電容放電至 uC Uv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。,(a),(b),電容上的電荷通過(guò)R1 放電，放電速度取決于R1C，因?yàn)镽1R，放電迅速，放電電流在R1 上形成尖脈沖。,(c) 電壓波形,重復(fù)上述過(guò)程

14、， 在R1上形成一系列尖脈沖,這種周而復(fù)始的自動(dòng)充放電過(guò)程稱為振蕩,通過(guò)電路振蕩在電容器上形成鋸齒波，在R1上形成尖脈沖； R大，電容充電慢，到達(dá) uP 的時(shí)間長(zhǎng)，脈沖出現(xiàn)時(shí)間晚； R小，電容充電快，到達(dá) uP 的時(shí)間短，脈沖出現(xiàn)時(shí)間早。,尖脈沖出現(xiàn) 的時(shí)間可通 過(guò)改變 R 的 值來(lái)調(diào)節(jié),移相 觸發(fā),單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路,1. 電路,2. 工作原理,(1)整流削波,削 波,整流,(2) 觸發(fā)電路,t,(3) 輸出電壓uL,O,O,問(wèn) 題 討 論,1. 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā) 電路為什么接在同一個(gè)變壓器上？,2. 觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？,3. 一系列觸發(fā)脈沖中，

15、為什么只有第一個(gè)起作用？ 如何改變控制角？,4. 輸出電壓如何調(diào)節(jié)？,1滿足u1 ,u2 不同的電壓要求 2 使u1 ,u2 同相，即觸發(fā)電 路過(guò)零時(shí)刻與主電路過(guò)零 時(shí)刻保持一致（“同步”）,變壓器Tr,主要元器件的作用,穩(wěn)壓管 DZ：,把電壓u0 的頂部削掉， 使u0 成為梯形波Uz。,當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，單結(jié)晶體管輸出脈沖的幅 度以及每半周產(chǎn)生第一個(gè)脈沖的時(shí)間不受電網(wǎng) 電壓波動(dòng)的影響。,電位器 RP,RPC 是電容的充電時(shí)間常數(shù)，RP 越大，電容電壓uC 上升慢，第一個(gè)尖脈沖到來(lái)遲，控制角 加大，導(dǎo)通角 減小，電壓 uL 的平均值減小。,問(wèn) 題 答案,1. 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路

16、和觸發(fā) 電路為什么接在同一個(gè)變壓器上？,目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時(shí)過(guò)零(即兩者同步)，使電容在每半個(gè)周期均從零開(kāi)始充電，從而保證每半個(gè)周期的第一個(gè)觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。,2. 觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？,穩(wěn)壓管的作用：是將整流后的電壓變成梯形(即削波)，使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個(gè)周期產(chǎn)生 第一脈沖的時(shí)間，不受交流電源電壓變化的影響。,3. 一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)起作用？ 如何改變控制角？,根據(jù)晶閘管的特性，它一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽(yáng)極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號(hào)，仍能維持導(dǎo)通

17、狀態(tài)。因此，每半個(gè)周期中只有第一個(gè)觸發(fā)脈沖起作用。,改變充電時(shí)間常數(shù)即可改變控制角。 控制角變化的范圍稱為移相范圍。,4. 電壓的調(diào)節(jié),應(yīng)用舉例,電瓶充電機(jī)電路,該電瓶充電機(jī)電路使用元件較少，線路簡(jiǎn)單， 具有過(guò)充電保護(hù)、短路保護(hù)和電瓶短接保護(hù)。,工作原理,R2 、RP、 C 、T1 、 R3 、 R4 構(gòu)成了單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。,當(dāng)待充電電瓶接入電路后，觸發(fā)電路獲得所需電源電壓開(kāi)始工作。,當(dāng)電瓶電壓充到一定數(shù)值時(shí)，使得單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP大于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓，單結(jié)晶體管不能導(dǎo)通，觸發(fā)電路不再產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，充電機(jī)停止充電。,觸發(fā)電路和可控整流電路的同步是由二極管D和電阻R1來(lái)完成的。,交

18、流電壓過(guò)零變負(fù)后，電容通過(guò)D和R1迅速放電。,交流電壓過(guò)零變正后D截止，電瓶電壓通過(guò)R2 、 RP向C充電。改變RP之值，可設(shè)定電瓶的初始充電 電流。,交流調(diào)壓電路,晶閘管交流調(diào)壓電路可代替調(diào)壓變壓器，廣泛用于調(diào)節(jié) 電阻爐溫度，交流電機(jī)轉(zhuǎn)速，舞臺(tái)燈光調(diào)節(jié)。,1. 電路,在u 的正半周： T1 承受正向電壓, T2 承受反向電壓, 在 t1時(shí)刻(脈沖出現(xiàn)）， T1 導(dǎo)通,2.工作原理,在u 的負(fù)半周： T2 承受正向電壓, T1 承受反向電壓, 在 t1時(shí)刻(脈沖出現(xiàn)）， T2 導(dǎo)通,Uo,0,uG,2,3. 波形,負(fù)載電壓UL 的有效值為：,負(fù)載電流 IL 的有效值為：,IL=UL / RL,

19、4. 輸出電壓及電流的有效值,雙向晶閘管,特點(diǎn)：,相當(dāng)于兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)，兩者共用一個(gè)控制極。,符號(hào)：,通過(guò)控制電壓的控制可實(shí)現(xiàn)雙向?qū)ā?UA1UA2時(shí)，控制極相對(duì)于A2加正脈沖， 晶閘管正向?qū)?，電流從A1流向A2。,UA2UA1時(shí)，控制極相對(duì)于A2加負(fù)脈沖， 晶閘管反向?qū)?，電流從A2流向A1。,交流調(diào)壓電路,雙向二極管： 只要在其兩端加上一定數(shù)值的正或負(fù)電壓即可使其導(dǎo)通。,雙向二極管,End,T1、T2 -晶閘管,D1、D2 -晶體管,半控橋式全波整流電路,U 的正半周時(shí)，T1和D2導(dǎo)通，電流的通路為：,a,b,工作原理,U 的負(fù)半周時(shí)，T2和D1導(dǎo)通，電流的通路為：,波形分析,T1

20、,T2,D1,D2,RL,u,u0,+ -,+ -,io,uG,2,輸出電壓的平均值為：,輸出電流的平均值為：,輸出電壓及電流的平均值,伏安特性曲線,伏安特性曲線,在兩個(gè)基極之間加正向電壓UBB,當(dāng)發(fā)射極電壓為0：UA=RB1UBB /(RB1+RB2 )= UBB 稱分壓系數(shù)(分壓比)，一般為0.30.9，是單結(jié)晶體管的重要參數(shù),提高發(fā)射極電壓UE：當(dāng)UEUA, PN結(jié)反偏, IE幾乎為0， RB1呈高阻，單結(jié)晶體管截止。,當(dāng)UE 升高到一定值: PN 結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射極電流 IE 增大， 電壓 UE 的最大值稱為峰點(diǎn)電壓UP ，與之對(duì)應(yīng)的電流 稱峰點(diǎn)電流IP,UP=UA+UD= UBB+UD

21、，UD 為二極管正向壓降，約0.6V,PN結(jié)導(dǎo)通后，RB1 迅速減小，E與B1之間的電壓UE 下 降，這段曲線的動(dòng)態(tài)電阻UE / IE為負(fù)值，稱為負(fù)阻區(qū),UE 逐步下降至UV 點(diǎn)，當(dāng) UEUV，單結(jié)晶體管關(guān)斷。 IE 再增大，UE 僅略有增大，單結(jié)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。,電壓UE 的最低點(diǎn)稱谷點(diǎn)電壓UV,當(dāng)UE=UP 時(shí)，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，呈低阻態(tài),當(dāng)UEUV 時(shí)，單結(jié)晶體管關(guān)斷，呈高阻態(tài),小 結(jié),t,uG,工作原理,接通電源,電容充電,電壓uc 上升,上升速度取決于RC的值,當(dāng) uCuP, 單結(jié)晶體管截止,2) 當(dāng)uC=uP, 單結(jié)管E導(dǎo)通, E 與B1間電阻突然減小，電容上的電荷通過(guò)R1 放電，放電