电工学题解：第九章 电源电路.doc

第九章 电源电路
9.1基本要求
（1）掌握串联型稳压电源工作的原理及特点。
（2）掌握晶闸管电路（可控整流、交流调压）的定性分析及一般计算。
（3）熟悉移相触发电路的原理及了解过零触发的优点。
（4）了解直流变换的基本方法。
9.2 基本内容
9.2.1 串联型稳压电源
因为调整管与负载串联而取名的串联型稳压电源基本电路有两个，为了分析这两个电路，首先强调一点，即三极管基极电位UB的变化控制UCE的变化，而且UB的变化与UCE的变化反相位。在图9-1-1中：

图9-1-1

反 相

1．单管稳压电源电路：如图91-2所示，
分析这个电路及使用这个电路应注意以下几点：
（1）由UZ=UBE+U0可知，输出U0取决于UZ ，DZ是稳压管，选定后UZ基本不变。
（2）由Ui=UCE+U0可知，负载RL与三极管T是串联关系；
（3）由上面分析可知，UB（UBE）控制UCE的变化，而且反相；
瞬间
由(1)知
由(2)知
全自动，电子速度
反相位
（4）因IC≈I0，应注意三极管的功率。
稳压过程如下：若Ui↑ UO ↑ UBE↓ UCE ↑ UO↓

图9-1-2

图9-1-3

2．带放大环节的稳压电源电路：如图9-1-3所示：
分析这个电路及使用这个电路应注意如下几点：
（1）这个电路，实际是二级直接耦合的放大电路，由图所能列写的电压关系：
①
②
③
④
借助这些电压关系，可以分析稳压电源的稳压过程（包括电源变化或负载变化时的稳压过程）及输出可以调节的原理。
（2）四个环节中（取样、基准、放大、调整），取样要准，准的关键是取样支路近靠负载，取样量不能太小。基准要稳，稳的关键是选用高质量的稳压二极管。放大环节承担信号（变化量）的放大任务，当然该环节的电压放大倍数Au要大而且要稳定，要求较高的电路该环节可以用差分电路完成。要求更高的地方，该环节用集成运算放大器完成调整环节把UC1（UB2）的变化转化为UCE2的变化，从而使U0保持基本不变，显然调整要灵敏，调整范围要宽。
（3）T1、T2都工作在放大区，但，故T2要根据I0选用适配的功率管。要求较高的电路是用复合管。
3．集成稳压器实质也是串联型稳压电源，78系列与79系列目前已广泛应用在电路中。
表9-1是并联型稳压电源与串联型稳压电源的比较
名称
项目
并联型
串联型
名称来由
稳压管DZ与RL并接
调整管与RL串接
稳压精度
低
高
稳定电流
几mA ~ 几十mA
几十mA ~ 几A
可调情况
不可调
可调节
9.2.2晶闸管电路
1．晶闸管（又名可控硅是一种NPNP四层三端的功率半导体器件，它与一个PN结的二极管相比，其差别在于晶闸管正向导通程度受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，其差别在于晶闸管一旦导通，控制极电流就失去作用，而不象三极管IC紧紧依赖IB。
晶闸管导通的条件是：阳极电位高于阴极电位（UA>UK）；
控制极上加正电压（或正触发脉冲信号）（UG>UK）。
晶闸管关断的条件是：晶闸管的阳极电流小于维持电流（IA>IH）
或阴极电位高于或等于阳极电位（UK≤UA）。
2．晶闸管电路（主电路）对触发电路的要求是：
（1）信号要有足够的幅度和宽度，能平滑移相，移相范围要宽。单结晶体管触发电路是利用改变电容充电回路参数来获得不同延时，从而控制触发时刻，即改变移相角。这种触发脉冲是尖脉冲，目前已广泛应用的集成触发器（如KC-05），所产生的脉冲是方波形式，触发功率大，触发可靠稳定。
（2）触发电路（触发信号）与主电路要同步。主电路和触发电路用同一相电源（共相）即可保证同步。
3．可控整流电路是将交流电变成大小可调的直流电，是通过改变移相角（控制角）来实现的。对于可控整流电路，要分析其工作原理，包括各元件的波形分析及计算输出电压、电流与输入电压的关系。
4．交流调压电路是将正弦交流电变成大小可调的交流电，也是通过改变移相角α来实现的，对于交流调压电路，同样要会分析其工作原理，并掌握各元件波形的画法。
9.2.3直流变换电路
直流变换电路通常有两种形式，其一是直流→交流→直流变换方式，但变换后的直流电压数值与变换前的不一样，且可以调节。主要用于升高直流电压，以满足特殊用电装置的需要。其二是直流→交流变换方式，主要用于无工频电源供应的情况下或作为突然断电的应急备用电源，以保证通讯联络的畅通及特殊设备正常工作。
小功率的变换电路通常采用自激振荡电路完成。
9.3 重点和难点
9.3.1 稳压电源部分
1. 重点：
借助四个电压方程分析稳压过程及输出可调的原理是该部分的重点。
（1）自动稳压过程
① 在图9-3中，当尖头位置不变，负载不变，电网变化（升高）时：
UO 瞬间升高，经过取样放大调整，UO又降了下来，结果UO维持基本不变。
瞬间
全自动，电子速度

②当尖头不变，电网不变时，负载变化（变重）时：
UO 瞬间降低，经过取样放大调整，UO又升了上去，结果UO维持基本不变。
瞬间
全自动，电子速度

（2）输出可调：
电网不变，负载不变，改变尖头相对位置，

2.难点：
（1）既然是放大电路，就有静态工作点的问题，电网不变，不变，尖头位置不变，电路各元件中的电流就是工作点（又名零点）。
（2）既然是放大电路，就有要放大的信号问题。电网的变化，负载的变化都将引起的变化及UF的变化，因为UZ基本不变，UF的变化集中体现在UBE1的变化上（D UBE1）。虽然这个变化是缓变的，但却是要放大的输入信号。
9.3.2 晶闸管电路
1.重点
（1）关于元件
①与二极管的比较：二极管像一扇门，要么不通，要么全通，没有半通，而晶闸管也像一扇门，可以开大开小，受控制，是一扇可控的门，而且所需要的控制信号功率非常小。
②与三极管的比较：三极导通要二个条件，发射结正偏，集电极反偏，集中体现在控制上，两条件需要同时存在，相互依赖，而且，与有关。晶闸管导通也需要两个条件，，，然而一旦导通，失去作用，并非相互依赖。管压降与阳极电流无关，约为1V左右。
（2）关于电路
① 触发电路
· 充电路径，放电路径，充电时间常数（R，C）及放电时间常数（）都与脉冲有关，特别是第一个脉冲的产生密切相关，第一个脉冲到来的时刻即移相角（控制角），导通角则为θ，。通常多用调节R改变。
· （单结晶体管参数），单结晶体管不通，电容充电，指数增加。
当充电至UP时，单结晶体管导通，电容C放电，指数衰减。
当衰减至UV时，单结晶体管关断，放电停止，进入第二次充电。
② 主电路
· 以波形为基准，根据已知的（或），画出的波形（零点对齐），在图上标注移相角与导通角。
· 由导通角，定出所对应的导通范围。
· 在主电路的输入端设a，b两点，正半周时，a为（+），b为（-），电流从a（+）发出，经过SCR，等回到b（-）；为负半周时，b为（+），a为（-），电流从b（+）发出，经过SCR，等回到a（-）。
· 由电流流向，画出电流波形及相关电压波形，从而确定电路性质（交流调压还是可控整流）
· 由波形形状，选用相关公式，计算输出电压、电流值。
2.难点：
（1）晶闸管导通瞬间， 起作用，导通后，失去作用的理解及时SCR关断的认识。
（2）晶闸管误导通与反向击穿的区别，SCR正向误导通并没有坏，而反向击穿则坏。
（3）触发电路与主电路要求绝对同步的认识及判别。
9.4 例题与习题解答
9.4.1 例题
9-1：设计一个能输出±12V的全波整流稳压电源，输出电流为0.5A，画出电路，估算U2的值，确定二极管和电容器的参数（注：电路有两种结构如图9-1-4所示）。

　　　　　　　　　　　　　　图9-1-4　　结构一

　　　　　　　　　　 图9-1-4　结构二

注：结构二比结构一使用方便，精度高，故常用之。
解：
1．定U2的值
三极管管压降UCE（或78系列集成稳压电源输入输出的压降）一般取4 ~ 8V，这里我们取6V，则电容器C1两端电压UC1=12+6=18（V）。
根据U0=1.2U2，
2．定电容器C1(C2)、C3(C4)、C5(C6)的参数：
（1）由输出电流0.5A，定负载RL， 。
由定电容C1， 。
C1两端最高电压为。
根据产品实际情况，C1定为。
（2）C3取()C1,这里取，根据产品实际情况，C3定为。
（3）C5取。
3．定二极管的参数：
（1）二极管承受的反向电压。
（2）二极管通过的电流。
根据产品实际情况，二极管选1N4001（前面1代表1A，后面1代表100V）。
例 9-2：已知图9-1-5（a）的波形为正弦波，控制角α=：

(1) 画出的波形，求出的平均值；
(2) 若用二极管替代，画出的波形，求出的平均值；
(3) 若、全用二极管替代，画出的波形，求出的平均值。
解：参阅9.3.2-1-(2)画波形及求解的步骤。

(1) uO的波形如图9-1-5（b）：
uO的平均值： 。
(2) 的波形见图9-1-5(b)。
的平均值：。
(3) 的波形见图9-1-5(b)，
的平均值：。

例9-3：图9-1-6画出了晶体管可控整流电路的主电路和控制电路。

(1) 指出图中两处错误；
(2) 若导通角θ=，估算灯泡两端电压；
(3) 若开路，灯泡亮度有何变化？
(4) 若晶闸管的G开路，灯泡状态如何变化？
(5) 若滑动端上移，灯泡亮度如何变化？
(6) 若开路，灯泡亮度又有何变化？
解 (1) 图中错误有两处，其一是与是两相电源，过零时刻不相同，破坏同步，改成共相即可（改成）。其二是100μF多余，它的存在，虽然起滤波作用，但也破坏了触发电路的零点，破坏了同步，去掉即可。
(2) 。
(3) 开路， 主电路只有半波，故为33.75，灯泡变暗。
(4) G开路，晶闸管过零点后关断，故灯泡不亮。
(5)滑动端上移→数阻值变大→充电变慢→第一个脉冲到来的时刻变晚→α↑→θ↓→灯变暗。
(6) 当开路时，移相电路的供电变为半波整流，π~ 2π间无充放电进行，也没有脉冲产生，主电路的晶闸管在π~ 2π间也不通，故灯泡亮度变暗。
例9-4已知电路及参数如图9-1-7，的数值增大时，增大还是减小，若，画出波形（为阻性负载）

解：是单结晶体管，移相触发电路的核心元件。
是单向晶闸管，小功率（如1A），起脉冲放大作用。
是双向晶闸管，大功率（如100A），控制正负半周的导通。
的数值增大（尖头上移）充电电流充电变慢电容电压uC充到UP（单结管参数）所需时间变长放电产生的第一个脉冲（）到来的时刻晚的导通角θ↓→T2导通的电流出现的时间晚， T2的电流i2乘以R4等于UR4，UR4又是的触发信号，故双向晶闸管的导通角θ↓。交流调压的输出变小，流经的电流变小。时，波形如图9-1-8所示。

9.4.2习题解答
9-1分析图9-35所示电路的工作原理，说明是交流调压还是可控整流。若晶闸管的控制角，画出负载电压的波形。

解：要判别是交流调压还是可控整流，先画出通过的电流波形，如果波形都是一个方向，则为可控整流，如果正负半周都有波形则为交流调压。
根据9.3.2-1-(2)的解题步骤，画出的波形，如图9-35-1所示，由波形可知是可控整流。

9-2：分析图9-36所示电路的工作原理，说明对负载而言，是交流调压还是可控整流。若晶闸管的导通角为，画出的波形。

解：此题同9-1题很相似，求解思路也一样。
根据9.3.2-1-(2)的解题步骤，正半周时（a+,b-），电流经、、T、构成回路（ab）。负半周时b+,a-），电流经、T、、构成回路（ba）。画出的波形，如图9-36-1所示，由波形可知，是交流调压。

9-3：分析图9-37所示电路工作原理，从电路的结构和作用上与图9-42比较，看其有何相同与不同。若开路，画出的波形。（设）

解：T是双向晶闸管，即双向可控门，由一个信号控制。正半周时（a+,b-），电流经T的上门、、、构成回路；负半周时（b+,a-），电流经、、、T的下门构成回路。改变，即可改变两扇门的开度，从而改变输出电压的大小。该电路调压和整流是分开的，由一个双向SCR完成正负半周的分别调压，全局而言，还是可控整流电路。图9-42也是可控整流，不过调压（改变）与整流同时完成。图9-37的开路时，的波形如图9-37-1所示。

9-4：基本同例题9 -4