电工学讲义9-串联型电源电路及晶闸管.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章 电源电路,0,t,u,交流,电源,0,t,u,变压,u,t,0,整流,u,t,0,滤波,t,u,0,稳压,1.,并联型稳压电源,串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。,2,带有放大环节的串联型稳压电源,T,+,_,U,i,+,_,+,_,U,O,比较放大,基 准,取 样,U,Z,U,B1,+,_,C,2,R,L,调整元件,T,+,_,U,i,+,_,+,_,U,O,比较放大,基 准,取 样,U,Z,U,B1,+,_,C,2,R,L,调整元件,调整元件,T:,与负载串联，通过全部负载电流。可以是 单个功率管，复合管或用几个功率管并联。,比较放大,:,可以是单管放大电路，差动放大电路，集,成运算放大器。,基准电压,:,可由稳压管稳压电路组成。,取样电路,:,取出输出电压,U,O,的一部分和基准电压相比较。,电压关系：,R,4,T,1,U,Z,R,3,R,P1,R,P2,R,1,R,P,R,2,R,L,U,O,+,_,+,_,U,i,U,B1,U,B2,(,U,C1,),U,CE2,I,1,+,_,+,_,+,_,I,R4,I,B2,T,2,I,C1,I,B1,I,C2,稳压原理,R,4,T,1,U,Z,R,3,R,P1,R,P2,R,1,R,P,R,2,R,L,U,O,+,_,+,_,U,i,U,B1,U,B2,(,U,C1,),U,CE2,I,1,+,_,+,_,+,_,I,R4,I,B2,T,2,I,C1,I,B1,I,C2,电源变化,负载变化,串联型稳压电源特点：,1,）输出电流,I,O,大（取决于,T,2,管功率）,2,）输出电压,U,O,更加稳定,3,）输出电压,U,O,可以调节,(,调节,R,P,，,可以调节输出电压,),R,4,T,1,U,Z,R,3,R,P1,R,P2,R,1,R,P,R,2,R,L,U,O,+,_,+,_,U,i,U,B1,U,B2,(,U,C1,),U,CE2,I,1,+,_,+,_,+,_,I,R4,I,B2,T,2,I,C1,I,B1,I,C2,随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。,本节主要介绍常用的,W7800,系列,三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。,该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。,3.,集成稳压电源,W7800,系列稳压器外形,1,输入端,3,公共端,2,输出端,78xx,W7900,系列稳压器外形,1,公共端,3,输入端,2,输出端,79xx,塑料封装,注：金属封装和塑料封装管脚定义不同，使用时一定要先查手册。,外形及引脚功能,注：,型号后,XX,两位数字代表输出电压值,输出额定电压值有如下系列,:,5V,、,9V,、,12V,、,18V,、,24V,等。,三端集成,稳压器,固定式,可调式,正稳压,W78XX,负稳压,W79XX,输入与输出之间的电压不得低于,3V,！,三端固定输出集成稳压器的应用,C,O,W7805,C,i,U,i,+,_,+,_,U,O,1,2,3,0.11,F,1,F,为了瞬时增减负载电流,时，不致引起输出电压,有较大的波动。即用来,改善负载的瞬态响应。,用来抵消输入端接线,较长时的电感效应，,防止产生自激振荡。,即用以改善波形。,一、输出为固定电压的电路,2,3,220V,24V,+,C,24V,+,C,W7815,C,i,+15V,1,2,3,C,i,W7915,1,C,O,C,O,15V,1,F,1,F,0.33,F,0.33,F,1000,F,1000,F,二、输出正负电压的电路,要求,1.,了解晶闸管的基本结构、工作原理、特,性和主要参数。,2.,理解可控整流电路的工作原理、掌握电,压平均值与控制角的关系。,3.,了解单结晶体管及其触发电路的工作原,理。,4.,理解交流调压电路的工作原理,4.,晶闸管及其应用,晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier,）,晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种,大功,率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域,扩展到强电领域。,晶闸管,也像半导体二极管那样具有,单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、,调压及开关等方面。,体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,优点：,晶闸管外型,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别,共九级,用字母,AI,表示,0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示,取,U,FRM,或,U,RRM,较小者,额定正向平均电流,(,I,F,),（晶闸管类型）,P,-,普通晶闸管,K,-,快速晶闸管,S,-,双向晶闸管,晶闸管,K,P,普通型,如,KP5-7,表示,额定正向平均电流为,5A,额定电压为,700V,。,G,控制极,基本结构,K,阴极,G,阳极,A,P1,P2,N1,N2,四 层 半 导 体,晶闸管是具有三个,PN,结的四层结构,其外形、结构及符号如图。,(c),结构,K,G,A,(b),符号,(a),外形,晶闸管的外形、结构及符号,三,个,PN,结,S,+,+,-,-,灯不亮,S,+,+,-,-,灯 亮,实 验,S,+,+,-,-,灯 亮,工作原理,晶闸管相当于,PNP,和,NPN,型两个晶体管的组合,+,K,A,T,2,T,1,_,P,2,N,1,N,2,I,G,I,A,P,1,N,1,P,2,I,K,G,A,P,1,N,1,G,P,2,N,2,K,N,1,P,2,1),晶闸管阳极,A,与阴极,K,之间加正向电压，控制极断开，两个三极管均无基极电流，晶闸管不导通。,E,A,+,_,R,T,1,T,2,E,G,A,T,1,T,2,A,该过程在极短时间内连锁循环进行，形成正反馈，晶闸管瞬间全部饱和导通。,K,G,E,A,0、,E,G,0,E,G,E,A,+,_,R,2),在控制极,G,与阴极,K,之间加正向电压，当,I,G,到达一定数值，,T,2,首先导通，随后,T,1,导通，,I,C1,与,I,G,一起进入,T,2,的基极后再次放大。,G,E,A,0、,E,G,0,K,E,A,+,_,R,T,1,T,2,E,G,A,3,）晶,闸管导通,后，去掉控制极，依靠正反馈，,T2,管的基极电流,I,B2,=I,C1,，,管子维持导通。,晶闸管导通后，,控制极失去控,制作用,在导通,后，要关断晶闸管：,1,）阳极电流,I,A,减小到某一数值以下，,内部连锁状态不能维持，管子截止。,2),切断阳极电源,3),在阳极和阴极之间,加反向电压,G,K,T,1,T,2,E,G,A,1,）晶闸管导通必须同时具备两个条件：,阳极与阴极之间加正向电压,控制极与阴极之间加正向电压,2,）晶闸管的控制极只有使晶闸管导通的作用，一旦,导通,就不再有控制作用，无论控制极对阴极有无电压,或反向电压，管子始终导通,3,）要使晶闸管阻断,(,截止,),必须具备下列三个条件之一：,总 结,切断阳极电源,阳极电压反向,将阳极电流减小到某一数值以下,晶闸,管的伏安特性曲线,晶闸管的导通和截止由阳极电压,U,、,电流,I,及控制极电流,I,G,决定，它们之间的关系用伏安特性曲线来表示。,U,I,0,+-,-+,当,晶闸管的阳极和阴极加正向电压,，控制极无电压时，,J,2,反偏，因此只有很小电流，称正向漏电流。此时,晶闸管截止，表现出很大的内阻。,当,正向电压增加到某一数值,，漏电流突然增大，晶闸管导通，可以通过很大的电流，而管压降仅,1V,左右。晶闸管由截止变为导通所对应的电压,U,BO,称正向转折电压。,U,I,U,BR,U,BO,I,H,I,F,0,+-,-+,A,P,1,N,1,G,P,2,N,2,K,J,1,J,2,J,3,晶闸管导通后，,减小正向压降，正向电流减小，当减小到某一数值，晶闸管又转为阻断。此时对应的最小电流称维持电流,I,H,当,晶闸管的阳极阴极加反向电压，,特性与二极管相似，有很小的反向漏电流。加大反向电压,晶闸管在反向转折电压,U,BR,处反向导通。,A,P,1,N,1,G,P,2,N,2,K,J,1,J,2,J,3,U,I,U,BR,U,BO,I,H,I,F,0,+-,-+,U,I,U,BR,U,BO,I,H,I,F,0,+-,-+,当,阳极电压高于转折电压时，元件导通，但这种导通方法,容易造成元件不可恢复性击穿，一般不采用。,当,控制极加正向电压，,I,G,产生，特性曲线左移，正向转折电压降低,元件容易导通。,I,G,越大，,U,BO,越低。,U,I,I,GO,I,G1,I,G2,0,因此，通常采用加控制电压的方式使晶闸管导通,正向特性,反向特性,U,RRM,U,FRM,I,G2,I,G1,I,G0,U,BR,I,F,U,BO,正向转折电压,I,H,o,U,I,I,G0,I,G1,I,G2,+,_,+,_,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,U,动画演示,晶闸管,主要参数,1.,正向重复峰值电压,U,FRM,2.,反向重复峰值电压,U,RRM,3.,正向平均电流,I,F,4.,维持电流,I,H,U,I,U,BR,U,BO,U,RRM,I,H,U,FRM,I,F,0,+-,-+,晶闸管是晶体闸流管的简称，也称可控硅，它具有 一个控制电极，通过控制该电极可以控制晶闸管的 导通时间，调节输出电压电流的大小，称为,可控整 流,。,可控硅整流电路,半导体二极管只有通断两种状态，用该元件组成的,整流电路，输出电流和电压的大小不能通过元件本,身来调节，称为,不可控整流,。,单相半波可控整流电路,1,）以晶闸管代替半波整流电路中的二极管,2,）晶闸管与,R,L,串联，电路电流为,i,o,，,控制极施加,周期性正向脉冲电压,u,G,特点,+,u,u,G,u,o,R,L,+,-,+,-,i,o,-,1.,电路,2,工作原理,t,1,2,u,0,时:,t,O,u,u,G,u,o,R,L,+,-,+,-,i,o,-,无触发信号，,晶闸管承受正向电压,导通,t,O,控制角,t,1,t,O,t,O,t,2,2,t,O,导通角,3,工作波形,输出电压及电流的平均值,u,o,i,o,u,o,i,o,晶闸管全导通,晶闸管全阻断,改变控制角,，,可改变输出电压,U,o,。,单相半控桥式整流电路,1.,电路,2.,工作原理,T,1,和,D,2,承受正向电压。,T,1,控制极加触发电压,则,T,1,和,D,2,导通，,电流的通路为,T,1,、,T,2,晶闸管,D,1,、,D,2,晶体管,a,R,L,D,2,T,1,b,(1),电压,u,为正半周,时,i,o,+,+,T,1,T,2,R,L,u,o,D,1,D,2,a,u,+,b,此时，,T,2,和,D,1,均承受反向电压而截止。,i,o,+,+,T,1,T,2,R,L,u,o,D,1,D,2,a,u,+,b,T,2,和,D,1,承受正向,电压。,T,2,控制极加触发电压,则,T,2,和,D,1,导,通，,电流的通路为,(2),电压,u,为负半周,时,b,R,L,D,1,T,2,a,此时，,T,1,和,D,2,均承受反向电压而截止。,t,t,O,3.,工作波形,2,t,O,4.,输出电压及电流的平均值,u,o,i,o,u,o,i,o,0,u,两种常用可控整流电路,电路,特点,该电路只用一只晶闸管，且其上,无反向电压。,2.,晶闸管和负载上的电流相同。,(1),u,T,D,2,D,1,D,4,u,0,R,L,D,3,+,-,+,-,电路,特点,(2),由于,T,1,的阳极和,T,2,的阴极相连，两管控,制极必须加独立的触发信号。,T,1,T,2,D,1,D,2,u,u,O,R,L,+,-,+,-,单结晶体管有三个极，外型类似普通小功率三极管,E,B,2,B,1,要使晶闸管导通，除在阳极和阴极之间加正向电压，还要,在控制极和阴极之间加正向触发电压。产生触发电压的电,路称为触发电路。,目前常用的是单结晶体管触发电路。,单结晶体管触发电路,单结晶体管结构及工作原理,B,2,第二基极,B,1,N,欧姆接触,接触电阻,P,发射极,E,第一基极,PN结,N,型硅片,B,2,E,B,1,1.,结构,N,型硅片的一侧引出两个极,B1,称第一基极,B2,称第二基极；硅片另一侧靠近,B2,处有一个,PN,结，从此处引出电极,E,称发射极。因有两个基极，单结晶体管又称,双基极二极管,。,E,（发射极）,B,2,（,第二基极）,B,1,（,第一基极）,P,N,基极电阻,E,B,2,B,1,R,B2,R,B1,等效电路,单结晶体管两个基极之间呈电阻性，称基极电阻,R,BB,=R,B1,+R,B2,，,其值为几千欧。,第一基极与发射极之间的电阻为,R,B1,，,随射极电流,I,E,的增大而减小，当,I,E,为,0,，,R,B1,为几千欧，当,I,E,为,20mA,左右，其为几十欧。,第二基极与发射极之间的电阻为,R,B2,，,数值恒定。,发射结具有单向导电性，以二极管,D,表示。,2,特性分析,E,（发射极）,B,2,（,第二基极）,B,1,（,第一基极）,P,N,等效电路,在两个基极之间外加一个电压,U,BB,，当,U,E,=0,时，,A,点对地电压为：,2,特性分析,E,B,2,B,1,R,B2,R,B1,A,分压系数（分压比）,一般为,0.3 0.9,I,E,P,I,P,I,V,U,P,U,E,V,U,V,截止区,负阻区,饱和区,伏安特性曲线,+,-,+-,R,E,B,2,B,1,+,-,E,+,-,U,E,I,E,R,P,+,-,+-,R,E,B,2,B,1,+,-,E,R,P,R,B2,R,B1,D,测量单结晶体管特性的实验电路,U,BB,U,BB,A,A,3.,单结晶体管的伏安特性,U,V,、,I,V,(,谷点电压、电流,):,维持单结管导通的最小,电压、电流。,U,P,(,峰点电压,),：,单结管由截止变导通,所需发射极电压,。,I,p,I,V,o,I,E,U,E,U,P,峰点电压,U,V,谷点电压,V,负阻区,截止区,饱和区,负阻区：,I,E,增加、,U,E,反而下降，出现负阻。,P,U,E,U,A,PN,结反偏，,I,E,0,单结管截止,I,E,P,I,P,I,V,U,P,V,U,V,截止区,负阻区,饱和区,U,E,1.,U,E,U,P,时单结管导通，,U,E,U,V,时恢复截止。,2.,单结晶体,管的峰点电压,U,P,与外加固定电压,U,BB,及分,压比,有关，,外加电压,U,BB,或,分压比,不同，则峰点电,压,U,P,不同。,R,B1,R,B2,A,U,BB,E,U,E,+,_,R,P,+,_,+,_,B,2,B,1,小 结,单结晶体管振荡电路,R,1,，,R,2,为外接电阻,C,为外接电容,u,g,R,2,R,1,R,U,u,c,E,+,C,+,_,_,+,_,50,100k,300,0.47,F,单结晶体管振荡电路,利用单结管的负阻特,性及,RC,电路的充放电,特性组成频率可调的,振荡电路。,u,g,R,2,R,1,R,U,u,C,E,+,C,+,_,_,+,_,50,100k,300,0.47,F,工作原理,设通电前,u,C,=0,。,接通电源,U,电容,C,经电阻,R,充电。,电容电压,u,C,逐渐升高。,当,u,C,U,P,时,单结管导通,电容,C,放电,R,1,上得到一脉冲电压。,U,p,U,v,U,p,-,U,D,u,C,t,u,g,t,电容放电至,u,C,U,v,时，单结管重新关断，使,u,g,0,。,(a),(b),电容上的电荷通过,R,1,放电，放电速度取决于,R,1,C,，,因为,R,1,U,A2,时，,控制极,相对于,A,2,加正脉冲，,晶闸管,正向导通，电流从,A,1,流向,A,2,。,U,A2,U,A1,时，,控制极相对于,A,2,加,负,脉冲，,晶闸管,反向导通，电流从,A,2,流向,A,1,。,A,1,A,2,G,交流调压电路,双向二极管：,只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。,R,C,T,u,+,_,双向二极管,End,T1,、,T2-,晶闸管,D1,、,D2-,晶体管,T1,T2,D1,D2,R,L,u,u,0,+,-,+,-,i,o,半控桥式全波整流电路,T1,T2,D1,D2,R,L,u,u,0,+,-,+,-,i,o,U,的正半周时，,T,1,和,D,2,导通，电流的通路为：,a,b,工作原理,U,的负半周时，,T,2,和,D,1,导通，电流的通路为：,T1,T2,D1,D2,R,L,u,u,0,+,-,+,-,i,o,a,b,波形分析,u,o,i,o,u,o,i,o,0,u,u,T1,0,u,T2,T1,T2,D1,D2,R,L,u,u,0,+,-,+,-,i,o,a,b,T1,T2,D1,D2,R,L,u,u,0,+,-,+,-,i,o,u,u,G,2,输出电压的平均值为：,输出电流的平均值为：,输出电压及电流的平均值,u,o,i,o,u,o,i,o,0,u,I,E,P,I,P,I,V,U,P,U,E,V,U,V,截止区,负阻区,饱和区,伏安特性曲线,+,-,+-,R,E,B,2,B,1,+,-,U,BB,E,+,-,U,E,I,E,R,P,+,-,+-,R,E,B,2,B,1,+,-,U,BB,E,R,P,R,B2,R,B1,D,测量单结晶体管特性的实验电路,伏安特性曲线,在,两个基极之间加正向电压,U,BB,当,发射极电压为,0,：,U,A,=R,B1,U,BB,/(R,B1,+R,B2,)=,U,BB,称分压系数,(,分压比,),，一般为,0.30.9,，是单结晶体管的重要参数,提高发射极电压,U,E,：,当,U,E,U,A,PN,结反偏,I,E,几乎为,0,，,R,B1,呈高阻，单结晶体管,截止,。,I,E,P,I,P,I,V,U,P,V,U,V,截止区,负阻区,饱和区,U,E,+,-,+-,R,E,B,2,B,1,+,-,U,BB,E,R,P,R,B2,R,B1,D,A,I,E,P,I,P,I,V,U,P,V,U,V,截止区,负阻区,饱和区,U,E,当,U,E,升高到一定值,:,PN,结导通，发射极电流,I,E,增大，,电压,U,E,的最大值称为峰点电压,U,P,，,与之对应的电流,称峰点电流,I,P,U,P,=U,A,+U,D,=,U,BB,+U,D,，,U,D,为二极管正向压降，约,0.6V,PN,结导通后,，,R,B1,迅速减小，,E,与,B1,之间的电压,U,E,下,降，这段曲线的动态电阻,U,E,/I,E,为负值，称为,负阻区,+,-,+-,R,E,B,2,B,1,+,-,U,BB,E,R,P,R,B2,R,B1,D,A,U,E,逐步下降至,U,V,点，,当,U,E,U,V,，,单结晶体管关断。,I,E,再增大，,U,E,仅略有增大，单结晶体管进入,饱和区,。,电压,U,E,的最低点称谷点电压,U,V,I,E,P,I,P,I,V,U,P,V,U,V,截止区,负阻区,饱和区,U,E,+,-,+-,R,E,B,2,B,1,+,-,U,BB,E,R,P,R,B2,R,B1,D,A,当,U,E,=U,P,时，单结晶体管导通，呈低阻态,当,U,E,U,V,时，单结晶体管关断,，,呈高阻态,I,E,P,I,P,I,V,U,P,V,U,V,截止区,负阻区,饱和区,U,E,小 结,u,C,t,t,u,G,工作原理,接通电源,电容充电,电压,u,c,上升,上升速度取决于,RC,的值,当,u,C,u,P,单结晶体管截止,2),当,u,C,=,u,P,单结管,E,导通,E,与,B,1,间电阻突然减小，电容上的电荷通过,R,1,放电，放电速度取决于,RC,1,，,因为,R,1,R,，,放电迅速，放电电流在,R,1,上形成尖脉冲。,R,R,2,100K,C,+,u,C,-,u,G,E,B,1,R,1,B,2,30,51,+,-,+,_,U,u,F,t,t,u,G,R,R,2,100K,C,+,u,C,-,u,G,E,B,1,R,1,B,2,30,51,+,-,+,_,U,3),当,u,c,降到谷点电压,u,V,单结管关断。,4),重复上述过程，在,R,1,上形成一系列尖脉冲。,u,o,u,Z,整 流,削 波,波形关系,波形关系,U,Z,削 波,u,Z,u,C,U,p,U,v,u,G,电容充、放电,触 发 脉 冲,u,G,触发脉冲,u,L,波形关系,U,Z,整流、,削波,u,L,u,C,U,p,U,v,u,g,电容充、放电,触 发 脉 冲,u,Z,小,结,温度补偿电阻,R,2,R,2,R,2,的作用是补偿温度,变化对单结晶体管峰,值电压,U,P,的影响,U,P,=,U,BB,+U,D,当温度升高，结电压,U,D,略有减小，而,R,BB,随温度升高而略有增大。串联,R,2,以后，若,R,BB,增大，按照分压原理，,U,BB,升高，补偿,U,D,的 减小，使,U,P,稳定。,200600,(1),稳压管,削波作用。使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周期产生的第一个脉冲的时间不受交流电源电压的波动影响。此外还可以展宽脉冲的移相范围。,(2),变压器,同步作用。使主电路和触发电路保持同步。,(3),电位器,R,P,移相作用。改变,R,P,可以改变电容,C,的充放电时间常数，从而达到移相的目的。,小 结,(4),电位器,R,2,温度补偿作用。补偿温度变化对单结晶体管峰值电压,U,P,的影响,2),在控制极,G,与阴极,K,之间加正向电压，当,I,G,到达一定数值，,T,2,首先导通：,I,B2,=I,G,，,I,C2,=,I,B2,=I,G,随后,T,1,导通，,I,B2,=I,C1,I,C1,与,I,G,一起进入,T,2,的基极后再次放大。,该过程在极短时间内连锁循环进行，晶闸管瞬间全部饱和导通。,K,+,A,G,P,1,P,2,N,1,N,1,N,2,P,2,I,A,I,G,I,K,T,1,T,2,3,）晶,闸管导通,后，即使控制极与外界断 开，,T,2,管的基极电流,I,B2,=I,C1,I,A,，,比,I,G,大，管子维持导通。,晶闸管导通后，控制极失去控制作用,K,+,A,G,P,1,P,2,N,1,N,1,N,2,P,2,I,A,I,G,I,K,T,1,T,2,u,g,u,o,u,o,i,o,i,o,t=0,，,电压为,0,，,u,G,为,0,，晶闸管电流,i,o,=0,t,=0,t,1,(,不含,t,1,点,),，,电压为正，但,u,G,为,0,晶闸管正向阻断，电流,i,o,=0,u,t,1,2,工作波形分析,u,2,u,G,u,o,R,L,+,-,+,-,i,o,-,t=t,1,电压为正，控制极电压在,t,1,点出现,晶闸管导通条件具备，正向导通，产生电流,i,o,t=t,1,u,G,消失，但晶闸管一旦导通，控制极失去作用，晶闸管仍然有导通电流,i,o,存在,u,g,u,o,u,o,i,o,i,o,u,t,1,2,u,u,G,u,o,R,L,+,-,+,-,i,o,-,t=2,电源电压反向，不论,u,G,是否存在,晶闸管反向阻断，,i,o,=0,u,g,u,o,u,o,i,o,i,o,u,t,1,2,u,2,u,G,u,o,R,L,+,-,+,-,i,o,-,u,u,g,u,T,u,o,i,o,u,o,i,o,晶闸管在正向电压下的阻断范围称为,控制角,晶闸管在正向电压下的导通范围称为,导通角,+=180,u,o,i,o,u,o,i,o,