電路與模擬電子技術(shù)第7章

第七章直流電源電路在很多場(chǎng)合下，需要用到直流電源，但是電力系統(tǒng)提供的是交流電源，因此要將交流變換為直流電需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟。1.變壓：將電網(wǎng)交流電的電壓變換為符合整流需要的交流電壓。2.整流：將變壓后的交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電。3.濾波：利用電感、電容等原件將脈動(dòng)直流變?yōu)檩^穩(wěn)定的直流。4.穩(wěn)壓：使輸出直流電壓不受負(fù)載變化的影響。7.1半導(dǎo)體二極管7.1.1PN節(jié)及其單向?qū)щ娦?.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性金屬導(dǎo)體原子外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子；絕緣體原子外層電子被原子核束縛的很緊，極難行成自由電子；半導(dǎo)體的最外層電子處于半自由狀態(tài)，導(dǎo)電能力介于金屬導(dǎo)體與絕緣體之間，目前用來(lái)制造電子器件的材料主要是硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)等。硅原子共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖自由電子和空穴的形成

硅晶體中摻硼出現(xiàn)空穴（P型半導(dǎo)體）硅晶體中摻磷出現(xiàn)自由電子（N型半導(dǎo)體）2.PN節(jié)的形成及其單身導(dǎo)電性(1)PN節(jié)的形成(2)PN節(jié)的單向?qū)щ娦?.1.2半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)鍺管——PN節(jié)在鍺半導(dǎo)體上形成的二極管硅管——PN節(jié)在硅半導(dǎo)體上形成的二極管按結(jié)構(gòu)的不同，二極管分為點(diǎn)接觸型和面接觸型。點(diǎn)接觸型面接觸型7.1.3半導(dǎo)體二極管的伏安特性及主要參數(shù)1.二極管的伏安特性曲線(1)正向特性死區(qū)電壓：鍺管為0.2V，硅管為0.5V正向?qū)妷海烘N管為0.3V，硅管為0.7V(2)反向特性外加反向電壓不超過(guò)一定值，反電流很小，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。(3)擊穿特性外加反向電壓超過(guò)一定值，反向電流突然增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電擊穿。若沒(méi)有引起過(guò)熱而永久損壞，撤除外加電壓后單向?qū)щ娦匀钥苫謴?fù)。2.二極管的電路模型二極管是非線性器件，常將二極管伏安特性逐段線性化，得到表達(dá)二極管主要特性的電路模型。(1)理想二極管模型忽略二極管的死區(qū)電壓，正向電壓、反向電流。(2)考慮正向電壓的二極管模型死區(qū)電壓等于正向電壓UD，忽略反向電流。(3)考慮正向伏安特性曲線斜率的二極管模型以動(dòng)態(tài)電阻表示曲線的斜率。（隨Q點(diǎn)的不同而改變）(4)限幅電路(5)或門(mén)電路UAUBD1D2UF00導(dǎo)通導(dǎo)通03V0導(dǎo)通截止3V03V截止導(dǎo)通3V3V3V導(dǎo)通導(dǎo)通3V半導(dǎo)體二極管主要參數(shù)(1)最大整流電流IOM

二極管長(zhǎng)時(shí)間安全工作所允許的最大正向平均電流。由PN節(jié)的面積和散熱條件決定，超過(guò)此值可能導(dǎo)致過(guò)熱損壞。(2)反向工作峰值電壓URWM

保證二極管不被反向擊穿的最大反向工作電壓。為保證二極管不被反向擊穿，工作時(shí)的反向電壓一般規(guī)定為URWM的二分之一或三分之二。(3)反向電流IR

二極管未被擊穿時(shí)流過(guò)二極管的反向電流。此值越小二極管的單向?qū)щ娦栽胶?，溫度升高，反向電流增大?4)最高工作頻率fM

二極管維持單向?qū)щ娦缘淖罡吖ぷ黝l率。7.2整流電路

整流電路是直流電源中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，利用二極管的單向?qū)щ娦?，可以將交流電變換成方向不變，大小變化的脈動(dòng)直流電。7.2.1單向半波整流電路二極管的反向電壓為設(shè)7.2.2單向橋式整流電路變壓器副邊電壓為整流電路的平均電壓和電流為每個(gè)二極管只導(dǎo)通了半個(gè)周期，流經(jīng)每個(gè)管子的平均電流為變壓器副邊平均電流為二極管的反向電壓為7.2.3三相橋式整流電路單相整流電路的功率較小，且脈動(dòng)成分較大，若要求功率較大，或電壓脈動(dòng)成分較小，則采用單相整流電路會(huì)造成三相電網(wǎng)負(fù)載不平衡且電壓穩(wěn)定度達(dá)不到要求，因此多采用三相橋式整流電路。設(shè)每個(gè)二極管在一個(gè)周期內(nèi)僅導(dǎo)通三分之一周期，所以流過(guò)每個(gè)管子的平均電流為每個(gè)二極管承受的最高反向電壓為變壓器副邊電壓的最大值三相橋式整流比單相全波整流輸出電壓脈動(dòng)小，平均值大。7.3電源濾波電路對(duì)全波整流波形進(jìn)行傅利葉級(jí)數(shù)分解7.3.1電容濾波電路工程上濾波電路輸出電壓平均值取為得到較平滑的輸出電壓，濾波電容的取值為T(mén)為交流電源電壓的周期二極管導(dǎo)通的時(shí)間（導(dǎo)通角）小于輸入正弦波的半個(gè)周期（π），在導(dǎo)通期間，流過(guò)二極管的電流既要給電容充電又要給負(fù)載供電，這就產(chǎn)生了二極管沖擊電流；同時(shí)二極管承受的反向電壓最大可以達(dá)到，這些都容易損壞二極管，在選擇參數(shù)時(shí)應(yīng)留有余地。

同時(shí)，電容濾波電路的帶負(fù)載能力很差，空載和負(fù)載時(shí)的輸出特性相差很大。7.3.1電感濾波電路電感濾波的原理：(1)電感電流不能突變，當(dāng)電流變化時(shí)電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的變化，減少波動(dòng)。(2)電感有通直流隔交流的作用，頻率較高的交流分量降在電感上，直流和頻率較低的交流分量降在電阻上。電感濾波電路的導(dǎo)通角大于電容濾波電路，因此二極管的沖擊電流小，對(duì)二極管的要求較低，同時(shí)電感濾波電路的帶負(fù)載能力較好。

但是當(dāng)電感較大時(shí)，線圈的匝數(shù)多，導(dǎo)致體積和重量增大，同時(shí)線圈的損耗也隨之增大，限制了電感濾波電路的使用。7.3.1電感電容(LC)和電阻電容(RC)濾波電路由于頻率較低的交流分量仍能通過(guò)電感，而電容則可以讓低頻分量通過(guò)，使直流分量主要落在電阻上。

電感線圈笨重，體積大，一般用于負(fù)載電流較大，輸出電壓脈動(dòng)較小的場(chǎng)合。(1)LC濾波電路

RC濾波電路一般適用于小功率晶體管電子設(shè)備中。

電容C對(duì)中的直流分量相當(dāng)于開(kāi)路，則(2)RC濾波電路為使濾波電阻R上的直流壓降不至過(guò)大，R可按如下方法選取對(duì)于中的各次交流諧波分量，只要濾波電容C足夠大，其容抗就遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻，電容和負(fù)載的并聯(lián)阻抗就接近容抗，同時(shí)容抗也遠(yuǎn)小于濾波電阻R，這樣各次諧波電壓主要落在濾波電容R上，負(fù)載電阻上的諧波電壓很小，達(dá)到濾波效果。

選取濾波電容C時(shí)，要求電容對(duì)二次諧波的容抗比濾波電阻R小得多，這樣對(duì)高次諧波的濾波效果就更好，一般取7.3.4型濾波電路它的輸出電壓比LC濾波電路更平坦，但整流二極管的沖擊電流在較大。7.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管允許通過(guò)較大的反向電流，其反向擊穿電壓為幾伏至幾十伏。穩(wěn)壓管主要參數(shù)：(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作情況下兩端的擊穿電壓。(2)穩(wěn)定電流IZ和最大穩(wěn)定電流IZM

穩(wěn)定電流是指在穩(wěn)壓范圍內(nèi)穩(wěn)壓性能最好的工作電流值。在功耗不超過(guò)規(guī)定值的條件下允許的最大工作電流叫做最大穩(wěn)定電流。(3)最大允許耗散功率PZM

管子不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗，。(4)動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻指穩(wěn)壓管端電壓變化量與對(duì)應(yīng)電流變化量的比值。動(dòng)態(tài)電阻越小穩(wěn)壓性能越好。(5)電壓溫度系數(shù)穩(wěn)壓值受溫度變化影響的參數(shù)，數(shù)值上等于溫度每升高時(shí)穩(wěn)定電壓的變化量。7.5穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路的功能是在輸入交流電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，使輸出直流電壓保持恒定。穩(wěn)壓電路的主要指標(biāo)：(1)穩(wěn)壓系數(shù)Sr

負(fù)載和工作環(huán)境溫度不變時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比。穩(wěn)壓系數(shù)的值越小，穩(wěn)壓效果越好。有時(shí)也有電壓調(diào)整率SV表示，定義為電網(wǎng)電壓變化10%，輸出電壓變化的量。(2)內(nèi)阻Ro(輸出電阻)

在電網(wǎng)電壓和環(huán)境溫度不變時(shí)，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。內(nèi)阻表征了穩(wěn)壓電路帶負(fù)載的能力，內(nèi)阻越小越好(3)溫度系數(shù)電網(wǎng)電壓和負(fù)載都不變的情況下，輸出電壓變化量與溫度變化量的比值。(4)最大波紋電壓指在輸出端存在的50Hz或100Hz交流電壓分量，通常以有效值或峰值表示。7.5.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路選穩(wěn)壓管時(shí)穩(wěn)壓管電流負(fù)載電流ui范圍若則若則R的取值范圍為7.5.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路單管穩(wěn)壓電路存在的問(wèn)題：1.具體型號(hào)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值固定不可調(diào)；2.輸出電流可調(diào)范圍受最大穩(wěn)定電流的限制，可調(diào)范圍??；3.輸出電阻較大，電壓穩(wěn)定性不夠好；在電子系統(tǒng)中一般使用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源或開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源。和構(gòu)成取樣電路。確定基準(zhǔn)電壓，為限流電阻。和構(gòu)成比較放大器。為調(diào)整管。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路集成穩(wěn)壓電路用于抵消長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)，防止引起自激振蕩。用于防止瞬間增減負(fù)載電流時(shí)引起輸出電壓的較大波動(dòng)。(1)提高輸出電壓的電路(2)正、負(fù)電壓同時(shí)輸出的電路7.5.4開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路調(diào)整管工作在放大區(qū)，管子的電壓和電流較大，因而功耗較高，需加裝散熱片，導(dǎo)致體積較大，且電源效率低。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路調(diào)整管交替工作在截止和飽和區(qū)，因而功耗小，電源效率也較高。，，集成運(yùn)放和基準(zhǔn)電壓構(gòu)滯回比較器。和構(gòu)成取樣電路。電感，電容和二極管構(gòu)成續(xù)流濾波電路。為工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的調(diào)整管。若，A輸出高電平，T飽和導(dǎo)通，，D截止，滯回比較器同相端電壓為上門(mén)限電壓。Ui通過(guò)L對(duì)C充電，Uo逐漸升高，u-也逐漸升高。滯回比較器翻轉(zhuǎn)，輸出變?yōu)榈碗娖剑筎處于截止?fàn)顟B(tài)。由于電