電工學簡明教程 第12章

1、第第 12 章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源第第 12 章直流穩(wěn)壓電源章直流穩(wěn)壓電源12.1整流電路整流電路12.2濾波器濾波器12.3直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源*12.4晶閘管及可控整流電路晶閘管及可控整流電路下圖是半導體直流電源的原理方框圖下圖是半導體直流電源的原理方框圖，它表示把交它表示把交流電變換為直流電的過程。流電變換為直流電的過程。濾波濾波整流整流穩(wěn)壓穩(wěn)壓交流交流電源電源負載負載OtuOtuOtuOtuOtu變壓變壓濾波濾波整流整流穩(wěn)壓穩(wěn)壓交流交流電源電源負載負載OtuOtuOtuOtuOtu變壓變壓圖中各環(huán)節(jié)的功能如下圖中各環(huán)節(jié)的功能如下：1整流變壓器整流變壓器：將交流電源電壓變換為

2、符合整流需要的電壓。將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。2整流電路整流電路：將交流電壓變換為單向脈動電壓。將交流電壓變換為單向脈動電壓。3濾波器濾波器：減小整流電壓的脈動程度。減小整流電壓的脈動程度。4穩(wěn)壓環(huán)節(jié)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)：在交流電源電壓波動或負載變動時，使直流輸在交流電源電壓波動或負載變動時，使直流輸出電壓穩(wěn)定，成為符合整流需要的電壓。出電壓穩(wěn)定，成為符合整流需要的電壓。12.1整流電路整流電路整流電路中最常用的是單相橋式整流電路，它由四個整流電路中最常用的是單相橋式整流電路，它由四個二極管二極管 D1 D4 接成電橋的形式構成。接成電橋的形式構成。RLiOD4D3D2D1+u +uO RL

3、iO工作原理：工作原理： 在在 u 的的正半周，正半周， D1 和和 D3 導通，導通，D2 和和 D4 截止截止( (相相當于開路當于開路) )，電流的通路如圖中電流的通路如圖中紅色箭頭紅色箭頭所示。所示。D4D3D2D1+u +uO +RLD4D3D2iOD1在在 u 的負半周，的負半周，D2 和和 D4 導通導通，D1 和和 D3 截止截止( (相當相當于開路于開路) )，電流的通路如圖中，電流的通路如圖中綠色箭頭綠色箭頭所示。所示。+u +uO +在一個周期內(nèi)，通過電阻的電流方向相同，在負載在一個周期內(nèi)，通過電阻的電流方向相同，在負載上得到的是全波整流電壓上得到的是全波整流電壓 uO。

4、 t0 t0 t0 t0 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uD1uD3uD4uD2uOuuDiOU2U2U2由于二極管的正向壓降由于二極管的正向壓降很小，因此可認為很小，因此可認為 uO 的波形的波形和和 u 的正半波是相同的。輸?shù)恼氩ㄊ窍嗤?。輸出電壓的平均值為出電壓的平均值為式中，式中，U 是變壓器二次交流電是變壓器二次交流電壓壓 u 的有效值。的有效值。截止管所承受的最高反截止管所承受的最高反向電壓為向電壓為UU2DRM sin()O012dUUtt .2 20 9UU 右右圖是單相圖是單相橋式整流電路的橋式整流電路的簡化畫法簡化畫法 例例 1 已知負載電阻已知負載電阻 RL =

5、 80 ，負載電壓負載電壓 UO = 110 V。今采用今采用單相橋式整流電路，交流電源電壓為單相橋式整流電路，交流電源電壓為 380 V。( (1) )如何如何選用晶體二極管？選用晶體二極管？( (2) )求整流變壓器的變比及容量。求整流變壓器的變比及容量。 解解 ( (1) )負載電流負載電流A1.4A80110LOO RUI每個二極管通過的平均電流每個二極管通過的平均電流變壓器副邊電壓的有效值為變壓器副邊電壓的有效值為+uo RLio+u V122V0.91100.9O UUDO10.7 A2II考慮到變壓器二次繞組及管子上的壓降，變壓器二次電考慮到變壓器二次繞組及管子上的壓降，變壓器二

6、次電壓大約要高出壓大約要高出 10%，即，即 122 1.1 V = 134 V。于是。于是V189V1342DRM U因此可選用因此可選用 2CZ55E 晶體二極管，其晶體二極管，其最大整流電流最大整流電流為為 1 A，反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓為為 300 V。( (2) )變壓器的變比及容量變壓器的變比及容量變壓器的變比變壓器的變比2.8134380 K變壓器二次電流的有效值為變壓器二次電流的有效值為A1.55A0.91.40.9O II變壓器的容量為變壓器的容量為134 1.55 V A208 V ASUI可選用可選用 BK300( (300V A) )，380/134V 的變壓

7、器。的變壓器。12.2濾波器濾波器電容電容充電充電電容電容放電放電二極管導通時給電容充電二極管導通時給電容充電，二極管截止時電容向負載放二極管截止時電容向負載放電電；濾波后輸出電壓濾波后輸出電壓 uO 的波形變得平緩的波形變得平緩，平均值提高。平均值提高。12.2.1電容濾波器電容濾波器( (C 濾波器濾波器) )電容濾波器的電容濾波器的組成和工作原理組成和工作原理RLD1D4D3D2iOC+ uO= uC +u 經(jīng)經(jīng) C 濾波后濾波后 uO 的波形的波形 tuO 0U2 2 可見放電時間常數(shù)可見放電時間常數(shù) = RLC越大越大，脈動越小脈動越小，輸出電壓平均輸出電壓平均值越高值越高，一般要求

8、一般要求式中，式中，T 是是 uO 的周期。這時，的周期。這時，UO 1.2U。 例例 1 有一有一單相橋式單相橋式電容濾波電容濾波整流電路，已知交流電源整流電路，已知交流電源頻率頻率 f = 50 Hz，負載電阻負載電阻 RL = 200 ，要求直流輸出電壓要求直流輸出電壓 UO = 30 V，選擇選擇整流二極管整流二極管及及濾波電容器。濾波電容器。 解解 ( (1) )選擇選擇整流二極管整流二極管流過二極管的電流流過二極管的電流mA75A0.075A20030212121LOOD RUII取取 UO = 1.2U，所以變壓器二次電壓的有效值。所以變壓器二次電壓的有效值。( )L352TR

9、CmA75A0.075A20030212121LOOD RUII取取 UO = 1.2U，所以變壓器二次電壓的有效值所以變壓器二次電壓的有效值V25V1.2301.2O UU二極管所承受的最高反向電壓二極管所承受的最高反向電壓V35V2522DRM UU因此可選用因此可選用 2CZ52B 型二極管，其型二極管，其最大整流電流最大整流電流為為 100 mA，反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓為為 50 V。( (2) )選擇濾波電容器選擇濾波電容器所以所以取取25LTCR s0.05s21/505L CR選用選用 C = 250 F ，耐壓為，耐壓為 50 V 的極性電容器。的極性電容器。6L0.

10、050.05F250 10F250 F200CR RLL C+u 12.2.2電感電容濾波器電感電容濾波器( (LC 濾波器濾波器) )當通過電感線圈的電流發(fā)生變化時當通過電感線圈的電流發(fā)生變化時，線圈中要產(chǎn)生自感線圈中要產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的變化，因而使負載電流和負載電壓的脈動電動勢阻礙電流的變化，因而使負載電流和負載電壓的脈動大為減小。頻率越高，電感越大，濾波效果越好，而后又經(jīng)大為減小。頻率越高，電感越大，濾波效果越好，而后又經(jīng)過電容濾波，使輸出電壓更為平直。過電容濾波，使輸出電壓更為平直。12.3直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源12.3.1穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路引起電壓不穩(wěn)定的原

11、因是交流電源電壓的波動和負載電流引起電壓不穩(wěn)定的原因是交流電源電壓的波動和負載電流的變化的變化，下面分析在這兩種情況下的穩(wěn)壓作用。下面分析在這兩種情況下的穩(wěn)壓作用。( (1) )當交流電源電壓增加而使整流輸出電壓當交流電源電壓增加而使整流輸出電壓 UI 隨著增加隨著增加時，負載電壓時，負載電壓 UO 也要增加。也要增加。UO 即為穩(wěn)壓管兩端的反向電壓。即為穩(wěn)壓管兩端的反向電壓。負載電壓負載電壓 UO 稍有增加時，穩(wěn)壓管的電流稍有增加時，穩(wěn)壓管的電流 IZ 就顯著增加，就顯著增加，因此限流電阻因此限流電阻 R 上的電壓降增加，以抵償上的電壓降增加，以抵償 UI 的增加，從而使的增加，從而使 UO

12、 保持近似不變。保持近似不變。IRRLCRIZDZIO+UO +UI +( (2) )當電源電壓保持不變，而負載電流增大時，電阻當電源電壓保持不變，而負載電流增大時，電阻 R 上上的電壓降增大，負載電壓的電壓降增大，負載電壓 UO 因而下降。只要因而下降。只要 UO 下降一點，下降一點，穩(wěn)壓管電流穩(wěn)壓管電流 IZ 就顯著減小，使通過電阻就顯著減小，使通過電阻 R 的電流和電阻上的的電流和電阻上的電壓降保持近似不變，因此負載電壓電壓降保持近似不變，因此負載電壓 UO 也就近似穩(wěn)定不變也就近似穩(wěn)定不變選擇穩(wěn)壓管時一般取選擇穩(wěn)壓管時一般取 UZ = UO ， UI = (2 3)UO 。 例例 1

13、有一有一穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路，負載電阻負載電阻 RL 由開路變由開路變到到 3 k ，交流電壓經(jīng)，交流電壓經(jīng)整流濾波后得出整流濾波后得出 UI = 30 V。今要求輸出。今要求輸出直流電壓直流電壓 UO = 12 V，試選擇，試選擇穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 DZ。 解解 根據(jù)輸出電壓根據(jù)輸出電壓 UO = 12V 的要求，負載電流最大值的要求，負載電流最大值mA4A104A1031233LOOM RUI可選擇穩(wěn)壓二極管可選擇穩(wěn)壓二極管 2CW60，其穩(wěn)定電壓，其穩(wěn)定電壓 UZ = (11.5 12.5) V，其穩(wěn)定電流其穩(wěn)定電流 IZ = 5 mA，最大最大穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZM =

14、19 mA。12.3.2集成穩(wěn)壓電源集成穩(wěn)壓電源本節(jié)主要介紹本節(jié)主要介紹 W7800 系列系列( (輸出正電壓輸出正電壓) )和和 W7900 系列系列( (輸出負電壓輸出負電壓) )，它們它們的電路符號如下圖所示的電路符號如下圖所示:W7800+231W790013_2_這種穩(wěn)壓器只有輸入端、輸出端和公共端三個引出端，故這種穩(wěn)壓器只有輸入端、輸出端和公共端三個引出端，故也稱為三端集成穩(wěn)壓器。也稱為三端集成穩(wěn)壓器。W7800 系列系列 1 為輸入端，為輸入端，2 為輸出端，為輸出端，3 為公共端；為公共端；W7900 系列系列 3 為輸入端，為輸入端，2 為輸出端，為輸出端，1 為公共為公共端

15、。端。W7800 系列輸出固定的正電壓有系列輸出固定的正電壓有 5 V，8 V，12 V，15 V，18 V，24 V多種。例如多種。例如 W7812 的輸出電壓為的輸出電壓為 12V。W7900 系系列輸出固定負電壓，其參數(shù)與列輸出固定負電壓，其參數(shù)與 W7800 基本相同?；鞠嗤?。下圖給出了三端集成穩(wěn)壓器的接線方法，下圖給出了三端集成穩(wěn)壓器的接線方法， Ci 用以抵消輸用以抵消輸入端較長接線的電感效應，防止產(chǎn)生自激振蕩。入端較長接線的電感效應，防止產(chǎn)生自激振蕩。 Ci 一般在一般在 0.1 1 F 之間；之間；Co 是為了瞬時增減負載電流時不致引起輸出電壓是為了瞬時增減負載電流時不致引起

16、輸出電壓有較大的波動，有較大的波動，Co 可取可取 1 F 。UO = 12VW7812123Co+UICi三端集成穩(wěn)壓器的幾種應用電路：三端集成穩(wěn)壓器的幾種應用電路：( (1) )同時輸出正、負電壓的電路同時輸出正、負電壓的電路24V24V220 VW7815W7915132321+CC1000 F 1000 F Ci0.33 F Ci0.33 F CO1 F CO1 F+15 V 15 V( (2) )提高輸出電壓的電路提高輸出電壓的電路輸出電壓輸出電壓 UO = U + UZW78132 Ci CO DZ+UO +UI +U +UZ ( (3) )擴大輸出電流的電路擴大輸出電流的電路可采

17、用外接功率管可采用外接功率管 T的方法來擴大輸出電流。的方法來擴大輸出電流。一般一般 I3 很小，可忽略不計，很小，可忽略不計，則可得出則可得出 CBE12IRUIIIIBR TICW78123CiCOI2RI3I1+UO +UI IRIBIO設設 = 10，UBE = 0.3 V，R = 0.5 ， I2 = 1 A，由上式可算由上式可算出出 IC = 4 A，輸出電流，輸出電流 IO = I2 + IC = 5 A，比，比 I2 擴大了。擴大了。( (4) ) 輸出電壓可調(diào)的電路輸出電壓可調(diào)的電路W78 Ci CO+UI + U + +UO R1R2R3R4 UUO211433URRRUR

18、RR URRRRRU43312O)1(可見移動電位器滑動可見移動電位器滑動端端，改變電阻改變電阻 R2 和和 R1 的的比值比值，便可調(diào)節(jié)輸出電壓便可調(diào)節(jié)輸出電壓 UO 的大小。的大小。*12.4晶閘管及可控整流電路晶閘管及可控整流電路12.4.1晶閘管晶閘管AGKPNPN陽極陽極陰極陰極控制極控制極AKG符號符號結構結構1基本結構基本結構晶閘管晶閘管是具有是具有三個三個 PN 結的四層結的四層結構。引出的三個結構。引出的三個電極分別為陽極電極分別為陽極 A，陰極陰極 K 和控制極和控制極( (或稱門極或稱門極) )G。2. 工作原理工作原理S( (c) )S( (a) )S( (b) )可用

19、下面的實驗來說明晶閘管的工作原理可用下面的實驗來說明晶閘管的工作原理( (1) )晶閘管導通晶閘管導通( (燈亮燈亮) )必須同時具備兩個條件：第一，在必須同時具備兩個條件：第一，在陽極與陰極之間加正向電壓；第二，控制極和陰極之間也要加陽極與陰極之間加正向電壓；第二，控制極和陰極之間也要加正向電壓正向電壓( (實際上加正觸發(fā)脈沖實際上加正觸發(fā)脈沖) )。( (2) )晶閘管導通后晶閘管導通后，斷開控制極斷開控制極 圖圖(b)(b)所示所示 ，晶閘管繼續(xù)晶閘管繼續(xù)導通導通, ,即晶閘管一旦導通后即晶閘管一旦導通后，控制極就失去控制作用控制極就失去控制作用( (這對普通這對普通晶閘管而言晶閘管而言

20、) )。( (3) )要使從導通轉為阻要使從導通轉為阻斷斷( (截止截止) )，必須切斷陽極電源必須切斷陽極電源, ,或在或在陽極與陰極之間加反向電壓陽極與陰極之間加反向電壓，或將電流減小到某一數(shù)值或將電流減小到某一數(shù)值( (維持電維持電流流 IH) )以下。以下。3. 伏安特性伏安特性導通導通阻斷阻斷OIHIAUAUBRUBOIG0 IG1 IG2+ +從正向特性看從正向特性看，當當 UA UBO 時時，晶閘管晶閘管處于阻斷狀態(tài)處于阻斷狀態(tài)，只有很小的漏電流通過。當只有很小的漏電流通過。當 UA 增大到某一數(shù)值時，增大到某一數(shù)值時，晶閘晶閘管管由阻斷狀態(tài)突然導通，由阻斷狀態(tài)突然導通，這時所對

21、應的電壓稱為這時所對應的電壓稱為正向轉折電壓正向轉折電壓 UBO 。IG 越大，越大，UBO越低。越低。晶閘管導通后，晶閘管導通后，就有較大電流通過，但管壓降只有就有較大電流通過，但管壓降只有 1 V左右。左右。 從反向特性看，從反向特性看，晶閘管晶閘管處于阻斷狀態(tài)，只有很小的反向漏處于阻斷狀態(tài)，只有很小的反向漏電流通過，當電流通過，當反向電壓反向電壓增大到某一數(shù)值時，使增大到某一數(shù)值時，使晶閘管晶閘管反向反向導通導通( (擊穿擊穿) )，所對應的電壓稱為所對應的電壓稱為反向轉折電壓反向轉折電壓 UBR 。晶閘管晶閘管的型號及其含義如下的型號及其含義如下：K P 導通時平均電壓組別導通時平均電

22、壓組別( (小于小于 100 A 不標不標) )，共共 9 級級，用用 A I 字母表示字母表示 0.4 1.2 V額定電壓額定電壓，用其百位數(shù)或千位數(shù)表示用其百位數(shù)或千位數(shù)表示額定正向平均電流額定正向平均電流( (A) )普通型普通型晶閘管晶閘管12.4.2可控整流電路可控整流電路單相半控橋式整流電路單相半控橋式整流電路ug t tuO 導通角導通角iO t0u200 2 3 T1，D2導通導通T1，D2導通導通T2，D1導通導通 控制角控制角( (又稱移相角又稱移相角) )在在 u 的正半周，的正半周，T1 和和D2 承受承受正向電壓正向電壓，這時如這時如引入觸發(fā)脈沖引入觸發(fā)脈沖 ug，則則 T1 和和 D2 導通導通，而而 T