第 7章 直流稳压电路第 7章
1.
小功率直流电源一般由交流电源,变压器,整流,
滤波和稳压电路几部分组成,7.1所示 。 在电路中,
变压器将常规的交流电压 （ 220V,380V） 变换成所需要的交流电压；整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电；滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大部分交流成分滤掉,得到一个较平滑的直流电；稳压电路用来消除由于电网电压波动,负载改变对其产生的影响,从而使输出电压稳定 。
第 7章 直流稳压电路
u 1
变压器
u 2 整 电流 路
u 3 滤 电波 路
u 4 稳 电压 路
U o
图 7.1 直流电源电路的组成框图第 7章 直流稳压电路
2.
演示电路如图 7.2所示,在图 7.2(a)电路中,变压器的初级接 220V交流电源,用示波器观察 ab间的波形如图 7.3(a)
所示,观察 1~0间的波形如图 7.3(b)所示,合上开关 S,再用示波器观察 1~0间的波形如图 7.3(c)所示,如果加上稳压部分,如图 7.2(b)所示,用示波器观察 2~0间的波形如图 7.3(d)
所示 。 通过各点波形的测量,我们看到稳压电源是将交流电逐步改变成一个平滑的直流电 。 那么,直流电源各部分电路是如何工作的呢？ 下面将分析其工作原理 。
第 7章 直流稳压电路
～ 2 20 V ～ 15 V
＋
a
b
I N 4 0 01 × 4
S
1 00 0? F
R
L
4 70?
( a )
C
1
0,3 3? F
W 7 80 9
～ 2 20 V ～ 15 V
C
o
0,1? F
＋
－
U
o
( b )
1
0
I N 4 0 01 × 4
2
0
图 7.2直流电源演示
（ a）简易直流电源；（ b）直流电源第 7章 直流稳压电路
O t
( a )
O t
u
1
( b )
O t
U
o
O t
u
2
( c )
( d )
图 7.3 各点电压波形第 7章 直流稳压电路
7.1
7.2 直流稳压电路
7.3 晶闸管及可控整流电路第 7章 直流稳压电路
7.1 整流及滤波电路
7.1.1 电路组成及工作原理图 7.4是单相半波整流电路,它由整流变压器 T,整流二极管 V及负载 RL组成 。
单相半波整流电路及电压,电流的波形如图 7.5所示,即
)2(0
)0(s i n2 2
tu
ttUu
o
o
第 7章 直流稳压电路
a
b
－
+
u
2
＋
－
u
1～
＋ －
u
V
i
V
u
o
＋
－
R
L
T
V
图 7.4 单相半波整流电路第 7章 直流稳压电路
O t
u
2
O t
u
o
O t
i
V
O t
u
V
U
2
2
图 7.5单相半波整流电路电压与电流的波形第 7章 直流稳压电路
7.1.2 整流电路的主要技术指标
1,输出电压平均值在图 7.5所示波形电路中,负载上得到的整流电压是单方向的,但其大小是变化的,是一个单向脉动的电压,由此可求出其平均电压值为
2
2
20 45.0
2)(s i n2
2
1 UUttdUU
o
(7— 2)
2.流过二极管的平均电流 iV
由于流过负载的电流就等于流过二极管的电流,所以第 7章 直流稳压电路
3,二极管承受的最高反向电压 URM
在二极管不导通期间，承受反压的最大值就是变压器次级电压 u2的最大值，即
LL
o
oV R
U
R
UIi 245.0 （ 7— 3）
22 UU RM?
（ 7— 4）
第 7章 直流稳压电路
4.脉动系数 S
脉动系数 S是衡量整流电路输出电压平滑程度的指标 。 由于负载上得到的电压 Uo是一个非正弦周期信号,
可用付氏级数展开为
)c o s3 2s i n211(2 2 ttUU o
脉动系数的定义为最低次谐波的峰值与输出电压平均值之比,即
57.1
2
2
2
2
2
U
U
U
U
S
o
o iM
（ 7—5）
(7— 6)
单相半波整流电路的特点是结构简单，但输出电压的平均值低、脉动系数大。
第 7章 直流稳压电路
7.1.3 单相桥式整流电路为了克服半波整流电路电源利用率低,整流电压脉动程度大的缺点,常采用全波整流电路,最常用形式是桥式整流电路 。 它由四个二极管接成电桥形式,
如图 7.6所示 。
第 7章 直流稳压电路
1,电路组成及工作原理在图 7.6（ a） 所示电路中,当变压器次级电压 u2为上正下负时,二极管 V1和 V3导通,V2和 V4截止,电流 i1
的通路为 a→V1→RL→V3→b,这时负载电阻 RL上得到一个正弦半波电压如图 7.7中 （ 0~π） 段所示 。 当变压器次级电压 u2为上负下正时,二极管 V1和 V3反向截止,V2和
V4导通,电流 i2的通路为 b→V2→RL→V4→a,同样,在负载电阻上得到一个正弦半波电压,如图 7.7中 （ π~2π）
段所示 。
第 7章 直流稳压电路图 7.6 单相桥式整流电路组成
b
－
+
u
2
＋
－
～
u
o
＋
－
R
L
T
V
1
V
2
V
3
V
4
( a )
a
i
1
i
2
第 7章 直流稳压电路图 7.6 单相桥式整流电路组成
T
R
L
V
1
V
2
V
4
V
3
( b )
第 7章 直流稳压电路图 7.6 单相桥式整流电路组成
T
( c )
第 7章 直流稳压电路图 7.6 单相桥式整流电路组成
T
( d )
第 7章 直流稳压电路
O t
u
2
O t
u
o
O
t
i
V
t
u
V
( V
1
,V
2
)
O
图 7.7 单相桥式整流电路电压与电流波形第 7章 直流稳压电路
2.技术指标计算及分析
（ 1） 输出电压平均值 Uo。 由以上分析可知,桥式整流电路的整流电压平均值 Uo比半波整流时增加一倍,即
22 9.045.02 UUU o
（ 7— 7）
（ 2）直流电流 Io。桥式整流电路通过负载电阻的直
LL
o
o R
U
R
UI 29.0 （ 7— 8）
第 7章 直流稳压电路
（ 3） 二极管的平均电流 iV。 因为每两个二极管串联轮换导通半个周期,因此,每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半,
L
o
oV R
UIi 45.0
2
1 （ 7— 9）
（ 4） 二极管承受的最高反向电压 URM。 由图 7.6（ a）
可以看出,当 V1和 V3导通时,如果忽略二极管正向压降,
此时,V2和 V4的阴极接近于 a点,阳极接近于 b点,二极管由于承受反压而截止,其最高反压为 u2的峰值,即第 7章 直流稳压电路
(5)脉动系数 S。 全波桥式整流输出电压 uo的付氏级
67.0
22
3
24
)4c o s
15
4
2c o s
3
42
(2
2
2
2
U
U
U
U
S
tUU
o
o i M
o
（ 7— 10）即第 7章 直流稳压电路由以上分析可知,单相桥式整流电路,在变压器次级电压相同的情况下,输出电压平均值高,脉动系数小,管子承受的反向电压和半波整流电路一样 。 虽然二极管用了四只,但小功率二极管体积小,价格低廉,因此全波桥式整流电路得到了广泛的应用 。
第 7章 直流稳压电路
7.1.4 滤波电路整流输出的电压是一个单方向脉动电压,虽然是直流,但脉动较大,在有些设备中不能适应 （ 如电镀和蓄电池充电等设备 ） 。 为了改善电压的脉动程度,
需在整流后再加入滤波电路 。 常用的滤波电路有电容滤波,电感滤波和复式滤波等 。
第 7章 直流稳压电路
1.电容滤波电路图 7.8所示为一单相半波整流电容滤波电路,由于电容两端电压不能突变,因而负载两端的电压也不会突变,使输出电压得以平滑,达到滤波目的 。 ;滤波过程及波形如图 7.9所示 。
第 7章 直流稳压电路
T
u
1
u
2
＋
－
i
充
＋
C
U
C
R
L
i
放
＋
－
u
o
V
i
o
图 7.8 单相半波整流电容滤波电路第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
R
L
u
o
～
L I
o
图 7.9 电容滤波原理及输出波形第 7章 直流稳压电路在 u2的正半周时,二极管 V导通,忽略二极管正向压降,则 uo=u2,这个电压一方面给电容充电,一方面产生负载电流 Io,电容 C上的电压与 u2同步增长,当 u2达到峰值后,开始下降,UC＞ u2,二极管截止,如图 7.9中的 A点 。
之后,电容 C以指数规律经 RL放电,UC下降 。 当放电到 B
点时,u2经负半周后又开始上升,当 u2＞ UC时,电容再次被充电到峰值 。 UC降到 C点以后,电容 C再次经 RL放电,
通过这种周期性充放电,以达到滤波效果 。
第 7章 直流稳压电路由于电容的不断充放电,使得输出电压的脉动性减小,而且输出电压的平均值有所提高 。 输出电压平均值 Uo的大小,显然与 RL,C的大小有关,RL愈大,C
愈大,电容放电愈慢,Uo愈高 。 在极限情况下,当
RL=∞时,Uo=UC= U2,不再放电 。 当 RL很小时,C放电很快,甚至与 u2同步下降,则 Uo=0.9U2,RL,C对输出电压的影响如图 7.9中虚线所示 。 可见电容滤波电路适用于负载较小的场合 。 当满足 RLC≥（ 3~5） T/2时,
则输出电压的平均值为
2
全波）
半波）
(2.1
(
2
2
UU
UU
o
o
（ 7— 12）
（ 7— 11）
其中 T为交流电源电压的周期。
第 7章 直流稳压电路
(1)滤波电容容量较大,一般用电解电容,应注意电容的正极性接高电位,负极性接低电位 。 如果接反则容易击穿,爆裂 。
（ 2） 开始时,电容 C上的电压为零,通电后电源经整流二极管给 C充电 。 通电瞬间二极管流过短路电流,
称浪涌电流 。 一般是正常工作电流 Io的 （ 5~7） 倍,所以选二极管参数时,正向平均电流的参数应选大一些 。 同时在整流电路的输出端应串一个阻值约为 （ 0.02~0.01）
R的电阻,以保护整流二极管 。
第 7章 直流稳压电路
2.电感滤波及复式滤波电路
（ 1） 电感滤波电路 。 由于通过电感的电流不能突变,用一个大电感与负载串联,流过负载的电流也就不能突变,电流平滑,输出电压的波形也就平稳了 。 其实质是因为电感对交流呈现很大的阻抗,频率愈高,感抗越大,则交流成分绝大部分降到了电感上,若忽略导线电阻,
电感对直流没有压降,即直流均落在负载上,达到了滤波目的 。 电感滤波电路如图 7.10所示 。 在这种电路中,
输出电压的交流成分是整流电路输出电压的交流成分经
XL和 RL分压的结果,只有 ωL>>RL时,滤波效果才好 。
第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
R
L
u
o
～
L I
o
图 7.10 带电感滤波器的桥式整流电路图第 7章 直流稳压电路
（ 2） 输出电压平均值 Uo。 一般小于全波整流电路输出电压的平均值,如果忽略电感线圈的铜阻,则 Uo≈0.9U2。
虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击,但为了使
L值大,多用铁芯电感,但体积大,笨重,且输出电压的平均值 Uo较低 。
（ 3） 复式滤波电路 。 为了进一步减小输出电压的脉动程度,可以用电容和铁芯电感组成各种形式的复式滤波电路 。 电感型 LC滤波电路如图 7.11所示 。 整流输出电压中的交流成分绝大部分降落在电感上,电容 C又对交流接近于短路,故输出电压中交流成分很少,几乎是一个平滑第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
R
L
u
o
～
L
＋
C
图 7.11 桥式整流电感型 LC滤波电路第 7章 直流稳压电路的直流电压 。 由于整流后先经电感 L滤波,总特性与电感滤波电路相近,故称为电感型 LC滤波电路,若将电容 C平移到电感 L之前,则为电容型 LC滤波电路 。
第 7章 直流稳压电路
（ 4） Π型滤波电路 。 图 7.12所示为 LCΠ型滤波电路 。
整流输出电压先经电容 C1,滤除了交流成分后,再经电感 L上滤波电容 C2上的交流成分极少,因此输出电路几乎是平直的直流电压 。 但由于铁芯电感体积大,笨重,成本高,使用不便 。 因此,在负载电流不太大而要求输出脉动很小的场合,可将铁芯电感换成电阻,即 RCΠ型滤波电路 。 电阻 R对交流和直流成分均产生压降,故会使输出电压下降,但只要 RL>>1/(ωC2),电容 C1滤波后的输出电压绝大多数降在电阻 RL上 。 RL愈大,C2愈大,滤波效果愈好 。
第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
R
L
u
o
～
L
＋
C
2
( a )
＋
C
1
图 7.12 Π
（ a） LCΠ型滤波电路 ;（ b） RCΠ型滤波电路第 7章 直流稳压电路图 7.12 Π
（ a） LCΠ型滤波电路 ;（ b） RCΠ型滤波电路
＋
C
1
＋
C
2
R
L
R
( b )
第 7章 直流稳压电路
7.2 直流稳压电路通过整流滤波电路所获得的直流电源电压是比较稳定的,当电网电压波动或负载电流变化时,输出电压会随之改变 。 电子设备一般都需要稳定的电源电压 。
如果电源电压不稳定,将会引起直流放大器的零点漂移,交流噪声增大,测量仪表的测量精度降低等 。 因此必须进行稳压,目前中小功率设备中广泛采用的稳压电源有并联型稳压电路,串联型稳压电路,集成稳压电路及开关型稳压电路 。
第 7章 直流稳压电路
7.2.1
1.
硅稳压管组成的并联型稳压电路如图 7.13所示,
经整流滤波后得到的直流电压作为稳压电路的输入电压 Ui,限流电阻 R和稳压管 V组成稳压电路,输出电压
Uo=UZ。
第 7章 直流稳压电路图 7.13 稳压管稳压的直流电源电路
u
1 u
2
R
L
U
o
～
I
R
C
＋
U
i
V
I
Z
I
L
U
Z
R
第 7章 直流稳压电路在这种电路中,不论是电网电压波动还是负载电阻 RL的变化,稳压管稳压电路都能起到稳压作用,因为 UZ基本恒定,而 Uo=UZ。 下面从两个方面来分析其
（ 1） 设 RL不变,电网电压升高使 Ui升高,导致 Uo
升高,而 Uo=UZ。 根据稳压管的特性,当 UZ升高一点时,IZ将会显著增加,这样必然使电阻 R上的压降增大,
吸收了 Ui的增加部分,从而保持 Uo不变 。
第 7章 直流稳压电路
RRIIIZZoUUUi UIIUUU ZLRRio
反之亦然。
第 7章 直流稳压电路
（ 2） 设电网电压不变,当负载电阻 RL阻值增大时,
IL 减小,限 流 电 阻 R 上压降 UR 将会减小 。 由于
Uo=UZ=Ui-UR,所以导致 Uo升高,即 UZ升高,这样必然使 IZ显著增加 。 由于流过限流电阻 R的电流为 IR=IZ+IL，
这样可以使流过 R上的电流基本不变,导致压降 UR基本不变,则 Uo也就保持不变 。
ZoZ
UUU
R
III
RLL IUUUIIR
RiZZLR )(
第 7章 直流稳压电路反之亦然 。
在实际使用中,这两个过程是同时存在的,而两种调整也同样存在 。 因而无论电网电压波动或负载变化,
都能起到稳压作用 。
第 7章 直流稳压电路
2.稳压电路参数确定
（ 1） 限流电阻的计算 。 稳压电路要输出稳定电压,
必须保证稳压管正常工作 。 因此必须根据电网电压和负载电阻 RL的变化范围,正确地选择限流电阻 R的大小 。
从两个极限情况考虑,
① 当 Ui为最小值,Io达到最大值时,即
Ui=Uimin,Io=Iomax,这时 IR=(Uimin-UZ)/R。
则 IZ=IR-Iomax为最小值 。 为了让稳压管进入稳压区,此时 IZ值应大于 IZmin，
即 IZ=(Uimin-UZ)/R-Iomax＞ IZmin,则第 7章 直流稳压电路
② 当 Ui达最大值,Io达最小值时,Ui=Uimax，
Io=Iomin,这时 IR=(Uimax-UZ)/R,则 IZ=IR-Iomin为最大值 。
为了保证稳压管安全工作,此时 IZ值应小于 IZmax,即
IZ=(Uimax-UZ)/R-Iomin＜ IZmax，
m a x
m i n
oZ
Zi
II
UUR
o m ixZ
Zim a n
II
UUR
所以限流电阻 R
o m ixZ
Zim a n
oZ
Zi
II
UUR
II
UU
m a x
m i n
(7—13)
在此范围内选一个电阻标准系列中的规格电阻。
第 7章 直流稳压电路
（ 2） 确立稳压管参数 。 一般取
oi
oZoZ
UU
IIUU
)3~2(
)3~5.1( m a xm a x
（ 7— 14）
第 7章 直流稳压电路
7.2.2 串联型晶体管稳压电路并联型稳压电路可以使输出电压稳定,但稳压值不能随意调节,而且输出电流很小,由式 7.14可知,
Iomax=（ 1/3~2/3） IZmax,而 IZmax一般只有 20~40mA。 为了加大输出电流,使输出电压可调节,常用串联型晶体管稳压电路,如图 7.14所示 。
第 7章 直流稳压电路
＋
R
4
V
1
V
2
R
3
U
Z
V
3
－
U
i
R
1
R
p
R
2
R
p
′
R
L
＋
－
U
o
( a )
R
p
″
图 7.14 串联型稳压电路
（ a）分立元件的串联型稳压电路 ;（ b）运算放大器的串联型稳压电路第 7章 直流稳压电路图 7.14 串联型稳压电路
（ a）分立元件的串联型稳压电路 ;（ b）运算放大器的串联型稳压电路
1 k?
U
i
U
Z
=5 V
＋
－
A
10 k?
＋
－
U
o
10 k?
R
w
V
1
( b )
第 7章 直流稳压电路图 7.14（ a） 是由分立元件组成的串联型稳压电路,
当电网电压波动或负载变化时,可能使输出电压 Uo上升或下降 。 为了使输出电压 Uo不变,可以利用负反馈原理使其稳定 。 假设因某种原因使输出电压 Uo上升,其稳压过程为 Uo↑→Ub2↑→Ub1（ Uc2） ↓→Uo↓。
串联型稳压电路的输出电压可由 Rp进行调节 。
p
Z
p
p
Zo RR
U
RR
RRRUU
22
21
（ 7— 15）
式中,R=R1+Rp+R2,R′p是 RP的下半部分阻值 。
第 7章 直流稳压电路如果将图 7.14（ a） 中的放大元件改成集成运放,
不但可以提高放大倍数,而且能提高灵敏度,这样就构成了由运算放大器组成的串联型稳压电路,电路如图 7.14（ b） 所示 。 假设因某种原因使输出电压 Uo下降,
其稳压过程为 Uo↓→U-↓→Ub1↑→Uo↑。
串联型稳压电路包括四大部分，其组成框图如图
7.15所示。
第 7章 直流稳压电路调整
＋
U
i
比较放大基准电压取样
－
＋
－
U
o
图 7.15 串联型稳压电路组成框图第 7章 直流稳压电路
7.2.3集成稳压器及应用集成稳压器将取样,基准,比较放大,调整及保护环节集成于一个芯片,按引出端不同可分为三端固定式,三端可调式和多端可调式等 。 三端稳压器有输入端,输出端和公共端 （ 接地 ） 三个接线端点,由于它所需外接元件较少,便于安装调试,工作可靠,因此在实际使用中得到广泛应用 。 其外形如图 7.16所示 。
第 7章 直流稳压电路
3
1 2
IN O U T
G N D
T O - 3 封装
7 80 0
31 2
IN G N D O U T
T O - 2 20 封装图 7.16
（ a）三端固定式；（ b）三端可调式第 7章 直流稳压电路
3
1 2
GND OUT
IN
T O - 3 封装
7 9 0 0
31 2
INGND OUT
T O - 2 2 0 封装图 7.16
（ a）三端固定式；（ b）三端可调式第 7章 直流稳压电路图 7.16
（ a）三端固定式；（ b）三端可调式
3
1 2
INADJ
OUT
T O - 3 封装
3 1 7
31 2
ADJ OUT IN
T O - 2 2 0 封装第 7章 直流稳压电路图 7.16
（ a）三端固定式；（ b）三端可调式
3
1 2
A D J O U T
IN
T O - 3 封装
3 37
31 2
INA D J O U T
T O - 2 20 封装第 7章 直流稳压电路
1,固定输出的三端稳压器常用的三端固定稳压器有 7800系列,7900系列,其外型如图 7.16（ a） 所示 。 型号中 78表示输出为正电压值,79
表示输出为负电压值,00表示输出电压的稳定值 。 根据输出电流的大小不同,又分为 CW78系列,最大输出电流
1~1.5A； CW78M00系列,最大输出电流 0.5A； CW78L00
系列,最大输出电流 100mA左右,7800系列输出电压等级有 5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V,7900系列有 -
5V,-6V,-9V,-12V,-15V,-18V,-24V 。 如
CW7815,表明输出 +15V电压,输出电流可达 1.5A，
CW79M12,表明输出 -12V电压,输出电流为 -0.5A
第 7章 直流稳压电路
2.三端可调输出稳压器前面介绍 78,79系列集成稳压器,只能输出固定电压值,在实际应用中不太方便 。 CW117,CW217、
CW317,CW337和 CW337L系列为可调输出稳压器,
其外型如图 7.16（ b） 所示 。
在图 7.16所示电路中 CW317是三端可调式正电压输出稳压器,而 CW337是三端可调式负电压输出稳压器 。 三端可调集成稳压器输出电压为 1.25~37V,输出电流可达 1.5A。
第 7章 直流稳压电路
CW317的基本应用电路如图 7.17所示,它只需外接两个电阻 (R1和 RP)来确定输出电压 。 为了使电路正常工作,它的输出电流不应小于 5mA,调节端 ① 的电流约为 50μA,输出电压的表达式为
)1(25.1
1050)1(25.1
1
6
1
R
R
U
R
R
R
U
P
o
P
P
o
（ 7— 16）
（ 7— 17
在上式中 RP阻值很小,可忽略，由此可得图 7.17所示电路中 C1为预防自激振荡产生,C2用来第 7章 直流稳压电路 C W 3 1 7
R
1
2 4 0?
外壳
V
D 1
③
①
②
＋ U
o
＋ U
i
( ≥ 2 8 V )
( 控制输出 )
R
P
5 k?
V
D 2
( 1,2 5 V ～ 2 5 V )
＋
C
2
1? F
＋
C
3
1 0? F
C
1
0,1? F
图 7.17 可调输出稳压电源第 7章 直流稳压电路
3.三端集成稳压器的应用
1）
输出固定电压的应用电路如图 7.18所示,其中图
（ a） 为输出固定正电压,图 （ b） 为输出固定负电压,
图中 Ci用以抵消输入端因接线较长而产生的电感效应 。
为防止自激振荡,其取值范围在 0.1~1μF之间 （ 若接线不长时可不用 ）,Co用以改善负载的瞬态响应,一般取
1μF左右,其作用是减少高频噪声 。
第 7章 直流稳压电路
W 7 8 0 0
1 2
3
C
i
C
oU
i U
o
0,3 3? F 1? F
( a )
图 7.18固定输出的稳压电路
（ a）输出固定正电压 ; （ b）输出固定负电压第 7章 直流稳压电路图 7.18固定输出的稳压电路
（ a）输出固定正电压 ; （ b）输出固定负电压
W 7 9 0 0
3 2
1
C
i
C
o
U
i
U
o
0,3 3? F 1? F
( b )
第 7章 直流稳压电路
2） 输出正,
当需要正,负两组电源输出时,可采用 W7800系列和 W7900系列各一块,按图 7.19接线,即可得到正负对称的两组电源 。
第 7章 直流稳压电路
～ 2 20 V
24 V
24 V
＋
C
1 00 0? F
＋
1 00 0? F
C
i
0,3 3? F
＋
0,3 3? F
7 81 5
1 2
7 91 5
3
1
3 2
C
o
1? F
1? F
＋ 15 V
－ 15 V
C′
o C′
i
C′
o
图 7.19 正负对称输出稳压电路第 7章 直流稳压电路
7.2.4
串联型稳压器中的调整管工作在放大区,由于负载电流连续通过调整管,因此管子功率损耗大,电源效率低,一般只有 20%~24%。 若用开关型稳压电路,
它可使调整管工作在开关状态,管子损耗很小,效率可提高到 60%~80%,甚至可高达 90%以上 。 开关型稳压电路如图 7.20所示 。
第 7章 直流稳压电路方波发生器
＋
U
i
A
－
U
o
＋
－
( a )
u
A
U
i
O
U
o ( A V )
t
on
T
n
t
V
( b )
t
o f f
图 7.20
（ a）开关型稳压电路 ; （ b）波形第 7章 直流稳压电路
1.
开关型稳压电路就是把串联型稳压电路的调整管,
由线性工作状态改成开关工作状态,如图 7.20（ a） 所示 。 方波发生器为一开关信号发生器,当它输出高电平时,V管饱合导通；当它输出低电平时,V管截止 。
输出电压波形如图 7.20（ b） 所示 。 其中导通时间 ton与开关周期 Tn之比定义为占空比 D，
n
on
o ffon
on
T
t
tt
tD?
（ 7—18）
输出电压平均值为
io DUU?
（ 7— 19)
第 7章 直流稳压电路式中,ton为调整管的导通时间,toff为调整管的截止时间,Tn为调整管的开关周期,D为调整管的占空比 。
对于一定的输入电压 Ui,通过调节占空比,即可调节输出电压 Uo。 调节占空比的方法有两种：一种是固定开关的频率来改变脉冲的宽度 ton,称为脉宽调制型开关电源,用 PWM表示；另一种是固定脉冲宽度而改变开关周期,称为脉冲频率调制型开关电源,用 PFM
表示 。
第 7章 直流稳压电路
2.
图 7.21所示为一 PWM型开关电源,该电路用反馈环路来实现自动调节,在取样,比较放大环节后,再加入一个脉宽调节器 PWM。 它可将比较放大后的输出电压量转换成与固定频率相应脉宽的脉冲序列,而产生一个固定频率的脉冲,其脉冲宽度根据比较放大器的输出电压量而改变 。
第 7章 直流稳压电路脉宽调制器产生一串矩形脉冲,当脉冲是低电平时,
V2截止,Ii全部流过 V1而饱和导通；当脉冲是高电平时,
V2饱和导通,使开关管 V1截止 。 这样开关电源向负载提供的能量是断续的 。 为了使负载得到连续的能量供给,
开关型稳压电源还必须有一套平波装置 。 当 V1饱和导通时,续流二极管截止,此时 A点的电位近似等于输入电压,即 UA≈Ui,这时电感 L储能,电容 C充电,同时给负载提供能量输出 。 当 V截止时,电感释放能量,电容放电 。 适当选择 C和 L值,可在 V1关断期间保证负载电流连续 。 图 7.22所示为开关型电源的组成框图 。
第 7章 直流稳压电路
＋
A
V
1
I
sU
i
U
R
＋
－
A
u
U
o f f
P W M
R
3
－
V
2
V
D
A
C
L
＋
－
R
2
R
1
U
o
I
i
图 7.21 脉宽调制型开关电源图第 7章 直流稳压电路整流器输出滤波器
50 Hz
～
滤波器开 关调整管采样电路比 较放大器开关控制电路负载基准电压图 7.22 开关电源的组成框图第 7章 直流稳压电路
7.3 晶闸管及可控整流电路晶闸管又称可控硅,是一种大功率半导体可控元件 。 它主要用于整流,逆变,调压,开关四个方面,
应用最多的是晶闸管整流 。 它具有输出电压可调等特点 。 晶闸管的种类很多,有普通单向和双向晶闸管,
可关断晶闸管,光控晶闸管等 。 下面主要介绍普通晶闸管的工作原理,特性参数及简单的应用电路 。
第 7章 直流稳压电路
7.3.1晶闸管的基本结构,
1.
晶闸管的基本结构是由 P1—N1—P2—N2三个 PN结四层半导体构成的,如图 7.23所示 。 其中 P1层引出电极 A
为阳极； N2层引出电极 K为阴极； P2层引出电极 G为控制极,其外型及符号如图 7.24所示 。
第 7章 直流稳压电路 N 1
P
1
N
2
P
2
阳极 ( A )
铝片钼片金锑片阴极 ( K ) 控制极 ( G )
金硼钯片硅片
( a )
N
1
P
1
N
2
P
2
J
3
J
2
J
1
控制极 ( G )
阴极 ( K )
阳极 ( A )
( b )
图 7.23 晶闸管结构第 7章 直流稳压电路图 7.24 晶闸管的外型及符号第 7章 直流稳压电路图 7.24 晶闸管的外型及符号
3 C T
( c )
A
A
K
K
G
第 7章 直流稳压电路
2.晶闸管的工作原理我们可以把晶闸管的内部结构看成由 PNP和 NPN型两个晶体管连接而成,如图 7.25所示 。 当在 A,K两极间加上正向电压 UAK时,由于 J2反偏,故晶闸管不导通,在控制极上加一正向控制电压 UGK后,产生控制电流 IG,它流入 V2管的基极,并经过 V2管电流放大得 IC2=β2IG；又因为 IC2=IB1；所以 IC1=β1β2IG,IC1又流入 V2管的基极再经放大形成正反馈,
使 V1和 V2管迅速饱和导通 。 饱和压降约为 1V左右,使阳极有一个很大的电流 IA,电源电压 UAK几乎全部加在负载电阻
RL上 。 这就是晶闸管导通的原理 。 当晶闸管导通后,若去掉
UGK,晶闸管仍维持导通 。
第 7章 直流稳压电路
V
1
A
V
2
K
G
P
1
P
2
N
1
N
2
N
1
P
2
A
K
G
图 7.25 晶闸管内部结构第 7章 直流稳压电路要使晶闸管重新关断,只有使阳极电流小于某一值,
使 V1,V2管截止,这个电流称维持电流 。 当可控硅阳极和阴极之间加反向电压时,无论是否加 UGK,晶闸管都不会导通 。
综上所述,晶闸管是一个可控制的单向开关元件,它的导通条件为,① 阳极到阴极之间加上阳极比阴极高的正偏电压； ② 晶闸管控制极要加门极比阴极电位高的触发电压 。 而关断条件为晶闸管阳极接电源负极,阴极接电源正极,或使晶闸管中电流减小到维持电流以下 。 晶闸管整个工作情况如图 7.26所示 。
第 7章 直流稳压电路
R
G
V
S
U
G
反向阻断
－ U
A
图 7.26 晶闸管工作情况第 7章 直流稳压电路图 7.26 晶闸管工作情况
R
G
V
S
U
G
正向阻断
＋ U
A
第 7章 直流稳压电路
R
G
V
S
U
G
融发导通
＋ U
A
图 7.26 晶闸管工作情况第 7章 直流稳压电路
R
G
V
S
U
G
除去触发信号仍导通
＋ U
A
图 7.26 晶闸管工作情况第 7章 直流稳压电路
3.
晶闸管的基本特性常用伏安特性表示,如图 7.27所示 。 图 7.27（ a） 为 IG=0时的伏安特性曲线 。 在伏安特性曲线上,除 BA转折段外,很像二极管的伏安特性,因此晶闸管相当于导通时可控的一种二极管 。 在很大的正向和反向电压作用下,晶闸管都会损坏 。 通常是在晶闸管接通合适的正向电压下将正向触发电压加在控制极上,
使晶闸管导通,其特性曲线如图 7.27（ b） 所示,由图可知,控制极电流 IG愈大,正向转折电压愈低,晶闸管愈容易导通 。
第 7章 直流稳压电路
I
A
O
U
A
U
BR
AB
C
＋ －
U
BO
－ ＋
( a )
图 7.27 晶闸管伏安特性
(a)IG=0时的伏安特性； (b)不同 IG时的伏安特性第 7章 直流稳压电路图 7.27 晶闸管伏安特性
(a)IG=0时的伏安特性； (b)不同 IG时的伏安特性
I
A
U
A
O
U
BO
I
G 0
I
G2
＞ I
G1
( b )
第 7章 直流稳压电路
4.
(1)正向重复峰值电压 UFRM是在控制极断路时,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压,通常规定该电压比正向转折电压小 100V左右 。
(2)反向重复峰值电压 URRM是在控制极开路时,可以重复加在晶闸管元件上的反向重复峰值电压,一般情况下 URRM=UFRM。
第 7章 直流稳压电路
(3)额定正向平均电流 IF是在规定环境温度和标准散热及全导通条件下,晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值 。
(4)维持电流 IH是在规定环境温度和控制极开路时,
维持元件继续导通的最小电流 。
(5)触发电压 UG与触发电流 IG是在规定环境温度下加一正向电压,使晶闸管从阻断转变为导通时所需的最小控制极电压和电流 。
第 7章 直流稳压电路
7.3.2
1.单向半波可控整流电路图 7.28是由晶闸管组成的半波可控整流电路,其中负载电阻为 RL,工作情况如图 7.29所示 （ 对不同性质的负载工作情况不同,在此仅介绍电阻性负载,对于电感性负载的工作情况可参考有关书籍 ） 。 由图 7.29可见,在输入交流电压 u的正半周时,晶闸管 V承受正向电压 。
第 7章 直流稳压电路
u
～
V
u
V
i
o
u
o
R
L
＋
－
图 7.28 晶闸管组成的半波第 7章 直流稳压电路
( a )
O? t
t
2
t
1
u
G
u
o
u
V
i
o
t
t
t
( b )
( c )
( d )
O
O
u
o
i
o
图 7.29 电压电流波形图第 7章 直流稳压电路闸管承受反向电压而关断,负载上的电压,电流均为零 。 在第二个正半周内,再在相应的 ωt2时刻加入触发脉冲,晶闸管再次导通,使负载 RL上得到如图 7.29（ c）
所示的电压波形 。 图 7.29（ d） 所示的波形为晶闸管所承受的正向和反向电压 。 最高正向和反向电压均为输入交流电压的幅值 。
第 7章 直流稳压电路显然,在晶闸管承受正向电压的时间内,改变控制极触发脉冲的加入时间 （ 称为移相 ）,负载上得到的电压波形随之改变 。 可见,移相可以控制负载电压的大小 。
晶闸管在加正向电压下不导通的区域称控制角 α（ 又称移相角 ）,如图 7.29（ c） 所示 。 而导通区域称为导通角
θ,可以看出导通角愈大,输出电压愈高,可控整流电路第 7章 直流稳压电路
2
c o s1
45.0
2
c o s1
45.0
)c o s1(
2
2
)(s i n2
2
1
L
o
o
R
U
I
UttdUU
(7— 20)
(7— 21)
第 7章 直流稳压电路由式 (7—20)可知,输出电压 Uo的大小随 α的大小而变化 。 当 α=0时,Uo=0.45U,输出最大,晶闸管处于全导通状态；当 α=π时,Uo=0,晶闸管处于截止状态 。 以上分析说明,只要适当改变控制角 α,也就是控制触发信号的加入时间,就可灵活地改变电路的输出电压 Uo。
第 7章 直流稳压电路
2.单相半控桥式整流电路单相半波可控整流电路,虽然具有电路简单,使用元件少等优点,但输出电压脉动性大,电流小 。 单相半控桥式整流电路如图 7.30所示,桥中有两个桥臂用晶闸管,另两个桥臂用二极管 。
设 u2= U2sinωt,当 u2为正半波时,瞬时极性为上
,正,下,负,,V1和 V4承受正向电压 。 若在 t1时刻给
V1加触发脉冲,则 V1导通,负载上有电压 Uo,电流通路为 a→V1→RL→V4→b。
2
第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
V
1
V
2
V
3
V
4
R
L
u
o
i
o
a
b
图 7.30 单相半控桥式整流电路第 7章 直流稳压电路当 u2为负半波时,晶闸管 V2和二极管 V3承受正向电压 。
在 t2 时刻给 V2 加触发脉冲,V2 导通,电流通路为
b→V2→RL→V3→a。 显而易见,桥式整流的输出电压平均值要比单相半波整流大一倍,即
LL
o
o
o
R
U
R
U
I
U
U
2
)co s1(9.0
2
)co s1(9.0
2
2
(7— 23)
(7— 22)
第 7章 直流稳压电路
7.3.3 可控整流的触发电路产生和控制触发信号的电路称为触发电路,其工作性能的好坏对可控整流的效果有很大影响 。 触发电路种类很多,在此仅介绍常用的单结晶体管触发电路 。
1.单结晶体管单结晶体管的外形及结构如图 7.31（ a） 所示 。 单结晶体管有三个电极,E为发射极,B1,B2分别为第一基极和第二基极 。 由于有两个基极,通常又称为双基极二极管 。 单结晶体管发射极和两基极间的 PN结具有单向导电性,可等效成一个二极管 V；
第 7章 直流稳压电路
B
2
B
1
E
PN 结
N 型硅片镀金陶瓷片
( a )
B
1
B
2
E
图 7.31 单结晶体管结构,
（ a） 单结晶体管外形及结构示意图 ;（ b） 符号及等效电路第 7章 直流稳压电路图 7.31 单结晶体管结构,
（ a） 单结晶体管外形及结构示意图 ;（ b） 符号及等效电路
E
B
1
B
2
U
BB
A
＋
－
E
R
B1
R
B2
A
A
＋
－
U
BB
( b )
V
第 7章 直流稳压电路两基极 B1,B2之间的电阻约为 2~12kΩ,B1到 PN结之间的硅片电阻为 RB1； B2到 PN结之间的硅片电阻用 RB2表示；其等效电路及符号如图 7.31（ b） 所示 。
BB
BB
BBB
A URR
URU
12
1
（ 7— 24）
式中 η=RB1/（ RB1+RB2）,称为分压比,一般在
0.3~0.9之间 。
第 7章 直流稳压电路设单结晶体管中 PN结的导通压降为 UD,当发射极电位 UE<UD+ηUBB时,单结晶体管因 PN结反偏而截止,
IE=0。 如果调节发射极电位 UE,使 UE>UD+ηUBB,单结晶体管中 PN结导通,有电流 IE流进发射极,流过电阻 RB1。
因 RB1是随电流增加而阻值减小,所以这个电流使 RB1减小,造成 IE进一步增大,使 RB1进一步减小,这个连锁正反馈过程,很快使 RB1 减小到最小值 。 上述电压值
UD+ηUBB称作单结晶体管的峰点电压,用 UP表示 。
第 7章 直流稳压电路当 RB1减小到最小值时,UA也下降到最小值 UAmin，
此时单结晶体管的发射极电位 UE=UD+UAmin,叫单结晶体管的谷点电压 UV。 RB1减小过程中,由于 UA
的下降,使 UE也跟着下降 。 这样,单结晶体管发射极电位 UE下降,发射极电流 IE反而增大,这种现象称为
,负阻效应,。
综上所述：当 UE<UV时,单结晶体管截止；当
UE≥UP时,单结晶体管处于导通状态；当 UE因导通从 UP
下降到使 UE＜ UV时,单结晶体管将恢复截止 。
第 7章 直流稳压电路
2.
利用单结晶体管的负阻效应并配以 RC充放电回路,
可以组成一个非正弦波的振荡电路,这个电路可产生可控整流电路中晶闸管所需要的触发脉冲电压 。 单结晶体管触发脉冲电路如图 7.32所示 。
第 7章 直流稳压电路
R
1 00 k?
B
1
B
2
R
2
3 00?
R
1
50?
E
V
U
g
U
C
＋
－
C
0,4 7? F
U
BB
( a )
图 7.32单结晶体管触发脉冲电路
（ a）触发脉冲电路 ; （ b）触发脉冲波形第 7章 直流稳压电路图 7.32单结晶体管触发脉冲电路
（ a）触发脉冲电路 ; （ b）触发脉冲波形
O
t
t
O
U
g
U
V
U
C
( b )
U
P
第 7章 直流稳压电路在图 7.32所示电路中,接通电源以前 UC=0,接通电源后,电源通过电阻 R向 C充电,当 UC上升到峰点电压 UP
时,即 UC=UP,单结晶体管导通,电容器 C即通过 V管向
R1放电 。 由于 RB1的负阻特性,RB1的阻值在 V管导通后迅速下降,又因 R1的阻值很小,故放电很快,使 UC迅速下降,当 UC放电到谷点电压时,即 UC＜ UV时,单结晶体管恢复截止 。 电源又通过电阻 R向 C充电,使 UC再次等于 UP，
上述过程又重复进行 。 这样在电阻 R1上就得到了一个又一个由电容器放电产生的脉冲电压 Ug,因 C放电很快,故
Ug为尖脉冲电压 。
第 7章 直流稳压电路
3.
在图 7.32所示电路中,R1上产生的脉冲电压 Ug不一定能触发晶闸管,因为触发脉冲与被触发的晶闸管可控整流电路还存在一个同步问题,为了解决这一问题,
通常采用单结晶体管同步触发电路,如图 7.33所示 。
第 7章 直流稳压电路
＋
V
1
V
2
V
3
V
4
R
L
V
5
V
6
a
R
o
b
－
U
o
50 V
u
2
T
22 0 V
～
V
7
V
8
R
p
20 k?
R
1 k?
R
2
3
90
B
T
33
D
R
1
1
00
U
g
＋
－
U
C
＋
－
C
0
.
4
7
F
V
D Z
2C W 2 1
4× 2 C P 2
( a )
图 7.33 （ a） 单结晶体管同步触发电路第 7章 直流稳压电路
t
O
U
o
t
t
O
U
g
O
U
C
O
u
2
t
U
bo
u
ao
u
bo
( b )
U
P
U
V
图 7.33
（ a） 单结晶体管同步触发电路；
（ b） 电压波形第 7章 直流稳压电路图 7.33（ a） 所示电路为同步电压触发电路,T为同步变压器,它的初级与主电路接在同一电源上,与之同频率的次级电压经桥式整流,稳压,得到一个幅值为 Ubo
的梯形电压,如图 7.33（ b） 所示,此电压作为单结晶体管的工作电压 。
当 Ubo梯形电压由 0上升时,电容器 C开始充电 。 电容器 C充电到单结晶体管峰点电压 Up时,单结晶体管进入负阻区,电容器 C放电,在 R1上产生触发脉冲 。 电容器 C放电到单结晶体管的谷点电压 UV,当下一个 Ubo梯形电压到来时,重复上述过程 。
第 7章 直流稳压电路该电路在主电路交流电源的半个周期内,可能产生多个触发脉冲,但起作用的只有第一个触发脉冲,
去触发加有正向电压的那个晶闸管导通 。 电路中各点电压的波形如图 7.33（ b） 所示 。
输出电流电压的大小,可以通过调节充电回路的电阻 Rp来实现 。 改变 Rp,即改变控制角 α的大小,从而改变第一个实现脉冲输出时间,达到触发脉冲移相的目的 。 一般 Rp愈小,α愈小,导通角 θ愈大,输出平均值电压愈高 。
1.
小功率直流电源一般由交流电源,变压器,整流,
滤波和稳压电路几部分组成,7.1所示 。 在电路中,
变压器将常规的交流电压 （ 220V,380V） 变换成所需要的交流电压；整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电；滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大部分交流成分滤掉,得到一个较平滑的直流电；稳压电路用来消除由于电网电压波动,负载改变对其产生的影响,从而使输出电压稳定 。
第 7章 直流稳压电路
u 1
变压器
u 2 整 电流 路
u 3 滤 电波 路
u 4 稳 电压 路
U o
图 7.1 直流电源电路的组成框图第 7章 直流稳压电路
2.
演示电路如图 7.2所示,在图 7.2(a)电路中,变压器的初级接 220V交流电源,用示波器观察 ab间的波形如图 7.3(a)
所示,观察 1~0间的波形如图 7.3(b)所示,合上开关 S,再用示波器观察 1~0间的波形如图 7.3(c)所示,如果加上稳压部分,如图 7.2(b)所示,用示波器观察 2~0间的波形如图 7.3(d)
所示 。 通过各点波形的测量,我们看到稳压电源是将交流电逐步改变成一个平滑的直流电 。 那么,直流电源各部分电路是如何工作的呢？ 下面将分析其工作原理 。
第 7章 直流稳压电路
～ 2 20 V ～ 15 V
＋
a
b
I N 4 0 01 × 4
S
1 00 0? F
R
L
4 70?
( a )
C
1
0,3 3? F
W 7 80 9
～ 2 20 V ～ 15 V
C
o
0,1? F
＋
－
U
o
( b )
1
0
I N 4 0 01 × 4
2
0
图 7.2直流电源演示
（ a）简易直流电源；（ b）直流电源第 7章 直流稳压电路
O t
( a )
O t
u
1
( b )
O t
U
o
O t
u
2
( c )
( d )
图 7.3 各点电压波形第 7章 直流稳压电路
7.1
7.2 直流稳压电路
7.3 晶闸管及可控整流电路第 7章 直流稳压电路
7.1 整流及滤波电路
7.1.1 电路组成及工作原理图 7.4是单相半波整流电路,它由整流变压器 T,整流二极管 V及负载 RL组成 。
单相半波整流电路及电压,电流的波形如图 7.5所示,即
)2(0
)0(s i n2 2
tu
ttUu
o
o
第 7章 直流稳压电路
a
b
－
+
u
2
＋
－
u
1～
＋ －
u
V
i
V
u
o
＋
－
R
L
T
V
图 7.4 单相半波整流电路第 7章 直流稳压电路
O t
u
2
O t
u
o
O t
i
V
O t
u
V
U
2
2
图 7.5单相半波整流电路电压与电流的波形第 7章 直流稳压电路
7.1.2 整流电路的主要技术指标
1,输出电压平均值在图 7.5所示波形电路中,负载上得到的整流电压是单方向的,但其大小是变化的,是一个单向脉动的电压,由此可求出其平均电压值为
2
2
20 45.0
2)(s i n2
2
1 UUttdUU
o
(7— 2)
2.流过二极管的平均电流 iV
由于流过负载的电流就等于流过二极管的电流,所以第 7章 直流稳压电路
3,二极管承受的最高反向电压 URM
在二极管不导通期间，承受反压的最大值就是变压器次级电压 u2的最大值，即
LL
o
oV R
U
R
UIi 245.0 （ 7— 3）
22 UU RM?
（ 7— 4）
第 7章 直流稳压电路
4.脉动系数 S
脉动系数 S是衡量整流电路输出电压平滑程度的指标 。 由于负载上得到的电压 Uo是一个非正弦周期信号,
可用付氏级数展开为
)c o s3 2s i n211(2 2 ttUU o
脉动系数的定义为最低次谐波的峰值与输出电压平均值之比,即
57.1
2
2
2
2
2
U
U
U
U
S
o
o iM
（ 7—5）
(7— 6)
单相半波整流电路的特点是结构简单，但输出电压的平均值低、脉动系数大。
第 7章 直流稳压电路
7.1.3 单相桥式整流电路为了克服半波整流电路电源利用率低,整流电压脉动程度大的缺点,常采用全波整流电路,最常用形式是桥式整流电路 。 它由四个二极管接成电桥形式,
如图 7.6所示 。
第 7章 直流稳压电路
1,电路组成及工作原理在图 7.6（ a） 所示电路中,当变压器次级电压 u2为上正下负时,二极管 V1和 V3导通,V2和 V4截止,电流 i1
的通路为 a→V1→RL→V3→b,这时负载电阻 RL上得到一个正弦半波电压如图 7.7中 （ 0~π） 段所示 。 当变压器次级电压 u2为上负下正时,二极管 V1和 V3反向截止,V2和
V4导通,电流 i2的通路为 b→V2→RL→V4→a,同样,在负载电阻上得到一个正弦半波电压,如图 7.7中 （ π~2π）
段所示 。
第 7章 直流稳压电路图 7.6 单相桥式整流电路组成
b
－
+
u
2
＋
－
～
u
o
＋
－
R
L
T
V
1
V
2
V
3
V
4
( a )
a
i
1
i
2
第 7章 直流稳压电路图 7.6 单相桥式整流电路组成
T
R
L
V
1
V
2
V
4
V
3
( b )
第 7章 直流稳压电路图 7.6 单相桥式整流电路组成
T
( c )
第 7章 直流稳压电路图 7.6 单相桥式整流电路组成
T
( d )
第 7章 直流稳压电路
O t
u
2
O t
u
o
O
t
i
V
t
u
V
( V
1
,V
2
)
O
图 7.7 单相桥式整流电路电压与电流波形第 7章 直流稳压电路
2.技术指标计算及分析
（ 1） 输出电压平均值 Uo。 由以上分析可知,桥式整流电路的整流电压平均值 Uo比半波整流时增加一倍,即
22 9.045.02 UUU o
（ 7— 7）
（ 2）直流电流 Io。桥式整流电路通过负载电阻的直
LL
o
o R
U
R
UI 29.0 （ 7— 8）
第 7章 直流稳压电路
（ 3） 二极管的平均电流 iV。 因为每两个二极管串联轮换导通半个周期,因此,每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半,
L
o
oV R
UIi 45.0
2
1 （ 7— 9）
（ 4） 二极管承受的最高反向电压 URM。 由图 7.6（ a）
可以看出,当 V1和 V3导通时,如果忽略二极管正向压降,
此时,V2和 V4的阴极接近于 a点,阳极接近于 b点,二极管由于承受反压而截止,其最高反压为 u2的峰值,即第 7章 直流稳压电路
(5)脉动系数 S。 全波桥式整流输出电压 uo的付氏级
67.0
22
3
24
)4c o s
15
4
2c o s
3
42
(2
2
2
2
U
U
U
U
S
tUU
o
o i M
o
（ 7— 10）即第 7章 直流稳压电路由以上分析可知,单相桥式整流电路,在变压器次级电压相同的情况下,输出电压平均值高,脉动系数小,管子承受的反向电压和半波整流电路一样 。 虽然二极管用了四只,但小功率二极管体积小,价格低廉,因此全波桥式整流电路得到了广泛的应用 。
第 7章 直流稳压电路
7.1.4 滤波电路整流输出的电压是一个单方向脉动电压,虽然是直流,但脉动较大,在有些设备中不能适应 （ 如电镀和蓄电池充电等设备 ） 。 为了改善电压的脉动程度,
需在整流后再加入滤波电路 。 常用的滤波电路有电容滤波,电感滤波和复式滤波等 。
第 7章 直流稳压电路
1.电容滤波电路图 7.8所示为一单相半波整流电容滤波电路,由于电容两端电压不能突变,因而负载两端的电压也不会突变,使输出电压得以平滑,达到滤波目的 。 ;滤波过程及波形如图 7.9所示 。
第 7章 直流稳压电路
T
u
1
u
2
＋
－
i
充
＋
C
U
C
R
L
i
放
＋
－
u
o
V
i
o
图 7.8 单相半波整流电容滤波电路第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
R
L
u
o
～
L I
o
图 7.9 电容滤波原理及输出波形第 7章 直流稳压电路在 u2的正半周时,二极管 V导通,忽略二极管正向压降,则 uo=u2,这个电压一方面给电容充电,一方面产生负载电流 Io,电容 C上的电压与 u2同步增长,当 u2达到峰值后,开始下降,UC＞ u2,二极管截止,如图 7.9中的 A点 。
之后,电容 C以指数规律经 RL放电,UC下降 。 当放电到 B
点时,u2经负半周后又开始上升,当 u2＞ UC时,电容再次被充电到峰值 。 UC降到 C点以后,电容 C再次经 RL放电,
通过这种周期性充放电,以达到滤波效果 。
第 7章 直流稳压电路由于电容的不断充放电,使得输出电压的脉动性减小,而且输出电压的平均值有所提高 。 输出电压平均值 Uo的大小,显然与 RL,C的大小有关,RL愈大,C
愈大,电容放电愈慢,Uo愈高 。 在极限情况下,当
RL=∞时,Uo=UC= U2,不再放电 。 当 RL很小时,C放电很快,甚至与 u2同步下降,则 Uo=0.9U2,RL,C对输出电压的影响如图 7.9中虚线所示 。 可见电容滤波电路适用于负载较小的场合 。 当满足 RLC≥（ 3~5） T/2时,
则输出电压的平均值为
2
全波）
半波）
(2.1
(
2
2
UU
UU
o
o
（ 7— 12）
（ 7— 11）
其中 T为交流电源电压的周期。
第 7章 直流稳压电路
(1)滤波电容容量较大,一般用电解电容,应注意电容的正极性接高电位,负极性接低电位 。 如果接反则容易击穿,爆裂 。
（ 2） 开始时,电容 C上的电压为零,通电后电源经整流二极管给 C充电 。 通电瞬间二极管流过短路电流,
称浪涌电流 。 一般是正常工作电流 Io的 （ 5~7） 倍,所以选二极管参数时,正向平均电流的参数应选大一些 。 同时在整流电路的输出端应串一个阻值约为 （ 0.02~0.01）
R的电阻,以保护整流二极管 。
第 7章 直流稳压电路
2.电感滤波及复式滤波电路
（ 1） 电感滤波电路 。 由于通过电感的电流不能突变,用一个大电感与负载串联,流过负载的电流也就不能突变,电流平滑,输出电压的波形也就平稳了 。 其实质是因为电感对交流呈现很大的阻抗,频率愈高,感抗越大,则交流成分绝大部分降到了电感上,若忽略导线电阻,
电感对直流没有压降,即直流均落在负载上,达到了滤波目的 。 电感滤波电路如图 7.10所示 。 在这种电路中,
输出电压的交流成分是整流电路输出电压的交流成分经
XL和 RL分压的结果,只有 ωL>>RL时,滤波效果才好 。
第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
R
L
u
o
～
L I
o
图 7.10 带电感滤波器的桥式整流电路图第 7章 直流稳压电路
（ 2） 输出电压平均值 Uo。 一般小于全波整流电路输出电压的平均值,如果忽略电感线圈的铜阻,则 Uo≈0.9U2。
虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击,但为了使
L值大,多用铁芯电感,但体积大,笨重,且输出电压的平均值 Uo较低 。
（ 3） 复式滤波电路 。 为了进一步减小输出电压的脉动程度,可以用电容和铁芯电感组成各种形式的复式滤波电路 。 电感型 LC滤波电路如图 7.11所示 。 整流输出电压中的交流成分绝大部分降落在电感上,电容 C又对交流接近于短路,故输出电压中交流成分很少,几乎是一个平滑第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
R
L
u
o
～
L
＋
C
图 7.11 桥式整流电感型 LC滤波电路第 7章 直流稳压电路的直流电压 。 由于整流后先经电感 L滤波,总特性与电感滤波电路相近,故称为电感型 LC滤波电路,若将电容 C平移到电感 L之前,则为电容型 LC滤波电路 。
第 7章 直流稳压电路
（ 4） Π型滤波电路 。 图 7.12所示为 LCΠ型滤波电路 。
整流输出电压先经电容 C1,滤除了交流成分后,再经电感 L上滤波电容 C2上的交流成分极少,因此输出电路几乎是平直的直流电压 。 但由于铁芯电感体积大,笨重,成本高,使用不便 。 因此,在负载电流不太大而要求输出脉动很小的场合,可将铁芯电感换成电阻,即 RCΠ型滤波电路 。 电阻 R对交流和直流成分均产生压降,故会使输出电压下降,但只要 RL>>1/(ωC2),电容 C1滤波后的输出电压绝大多数降在电阻 RL上 。 RL愈大,C2愈大,滤波效果愈好 。
第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
R
L
u
o
～
L
＋
C
2
( a )
＋
C
1
图 7.12 Π
（ a） LCΠ型滤波电路 ;（ b） RCΠ型滤波电路第 7章 直流稳压电路图 7.12 Π
（ a） LCΠ型滤波电路 ;（ b） RCΠ型滤波电路
＋
C
1
＋
C
2
R
L
R
( b )
第 7章 直流稳压电路
7.2 直流稳压电路通过整流滤波电路所获得的直流电源电压是比较稳定的,当电网电压波动或负载电流变化时,输出电压会随之改变 。 电子设备一般都需要稳定的电源电压 。
如果电源电压不稳定,将会引起直流放大器的零点漂移,交流噪声增大,测量仪表的测量精度降低等 。 因此必须进行稳压,目前中小功率设备中广泛采用的稳压电源有并联型稳压电路,串联型稳压电路,集成稳压电路及开关型稳压电路 。
第 7章 直流稳压电路
7.2.1
1.
硅稳压管组成的并联型稳压电路如图 7.13所示,
经整流滤波后得到的直流电压作为稳压电路的输入电压 Ui,限流电阻 R和稳压管 V组成稳压电路,输出电压
Uo=UZ。
第 7章 直流稳压电路图 7.13 稳压管稳压的直流电源电路
u
1 u
2
R
L
U
o
～
I
R
C
＋
U
i
V
I
Z
I
L
U
Z
R
第 7章 直流稳压电路在这种电路中,不论是电网电压波动还是负载电阻 RL的变化,稳压管稳压电路都能起到稳压作用,因为 UZ基本恒定,而 Uo=UZ。 下面从两个方面来分析其
（ 1） 设 RL不变,电网电压升高使 Ui升高,导致 Uo
升高,而 Uo=UZ。 根据稳压管的特性,当 UZ升高一点时,IZ将会显著增加,这样必然使电阻 R上的压降增大,
吸收了 Ui的增加部分,从而保持 Uo不变 。
第 7章 直流稳压电路
RRIIIZZoUUUi UIIUUU ZLRRio
反之亦然。
第 7章 直流稳压电路
（ 2） 设电网电压不变,当负载电阻 RL阻值增大时,
IL 减小,限 流 电 阻 R 上压降 UR 将会减小 。 由于
Uo=UZ=Ui-UR,所以导致 Uo升高,即 UZ升高,这样必然使 IZ显著增加 。 由于流过限流电阻 R的电流为 IR=IZ+IL，
这样可以使流过 R上的电流基本不变,导致压降 UR基本不变,则 Uo也就保持不变 。
ZoZ
UUU
R
III
RLL IUUUIIR
RiZZLR )(
第 7章 直流稳压电路反之亦然 。
在实际使用中,这两个过程是同时存在的,而两种调整也同样存在 。 因而无论电网电压波动或负载变化,
都能起到稳压作用 。
第 7章 直流稳压电路
2.稳压电路参数确定
（ 1） 限流电阻的计算 。 稳压电路要输出稳定电压,
必须保证稳压管正常工作 。 因此必须根据电网电压和负载电阻 RL的变化范围,正确地选择限流电阻 R的大小 。
从两个极限情况考虑,
① 当 Ui为最小值,Io达到最大值时,即
Ui=Uimin,Io=Iomax,这时 IR=(Uimin-UZ)/R。
则 IZ=IR-Iomax为最小值 。 为了让稳压管进入稳压区,此时 IZ值应大于 IZmin，
即 IZ=(Uimin-UZ)/R-Iomax＞ IZmin,则第 7章 直流稳压电路
② 当 Ui达最大值,Io达最小值时,Ui=Uimax，
Io=Iomin,这时 IR=(Uimax-UZ)/R,则 IZ=IR-Iomin为最大值 。
为了保证稳压管安全工作,此时 IZ值应小于 IZmax,即
IZ=(Uimax-UZ)/R-Iomin＜ IZmax，
m a x
m i n
oZ
Zi
II
UUR
o m ixZ
Zim a n
II
UUR
所以限流电阻 R
o m ixZ
Zim a n
oZ
Zi
II
UUR
II
UU
m a x
m i n
(7—13)
在此范围内选一个电阻标准系列中的规格电阻。
第 7章 直流稳压电路
（ 2） 确立稳压管参数 。 一般取
oi
oZoZ
UU
IIUU
)3~2(
)3~5.1( m a xm a x
（ 7— 14）
第 7章 直流稳压电路
7.2.2 串联型晶体管稳压电路并联型稳压电路可以使输出电压稳定,但稳压值不能随意调节,而且输出电流很小,由式 7.14可知,
Iomax=（ 1/3~2/3） IZmax,而 IZmax一般只有 20~40mA。 为了加大输出电流,使输出电压可调节,常用串联型晶体管稳压电路,如图 7.14所示 。
第 7章 直流稳压电路
＋
R
4
V
1
V
2
R
3
U
Z
V
3
－
U
i
R
1
R
p
R
2
R
p
′
R
L
＋
－
U
o
( a )
R
p
″
图 7.14 串联型稳压电路
（ a）分立元件的串联型稳压电路 ;（ b）运算放大器的串联型稳压电路第 7章 直流稳压电路图 7.14 串联型稳压电路
（ a）分立元件的串联型稳压电路 ;（ b）运算放大器的串联型稳压电路
1 k?
U
i
U
Z
=5 V
＋
－
A
10 k?
＋
－
U
o
10 k?
R
w
V
1
( b )
第 7章 直流稳压电路图 7.14（ a） 是由分立元件组成的串联型稳压电路,
当电网电压波动或负载变化时,可能使输出电压 Uo上升或下降 。 为了使输出电压 Uo不变,可以利用负反馈原理使其稳定 。 假设因某种原因使输出电压 Uo上升,其稳压过程为 Uo↑→Ub2↑→Ub1（ Uc2） ↓→Uo↓。
串联型稳压电路的输出电压可由 Rp进行调节 。
p
Z
p
p
Zo RR
U
RR
RRRUU
22
21
（ 7— 15）
式中,R=R1+Rp+R2,R′p是 RP的下半部分阻值 。
第 7章 直流稳压电路如果将图 7.14（ a） 中的放大元件改成集成运放,
不但可以提高放大倍数,而且能提高灵敏度,这样就构成了由运算放大器组成的串联型稳压电路,电路如图 7.14（ b） 所示 。 假设因某种原因使输出电压 Uo下降,
其稳压过程为 Uo↓→U-↓→Ub1↑→Uo↑。
串联型稳压电路包括四大部分，其组成框图如图
7.15所示。
第 7章 直流稳压电路调整
＋
U
i
比较放大基准电压取样
－
＋
－
U
o
图 7.15 串联型稳压电路组成框图第 7章 直流稳压电路
7.2.3集成稳压器及应用集成稳压器将取样,基准,比较放大,调整及保护环节集成于一个芯片,按引出端不同可分为三端固定式,三端可调式和多端可调式等 。 三端稳压器有输入端,输出端和公共端 （ 接地 ） 三个接线端点,由于它所需外接元件较少,便于安装调试,工作可靠,因此在实际使用中得到广泛应用 。 其外形如图 7.16所示 。
第 7章 直流稳压电路
3
1 2
IN O U T
G N D
T O - 3 封装
7 80 0
31 2
IN G N D O U T
T O - 2 20 封装图 7.16
（ a）三端固定式；（ b）三端可调式第 7章 直流稳压电路
3
1 2
GND OUT
IN
T O - 3 封装
7 9 0 0
31 2
INGND OUT
T O - 2 2 0 封装图 7.16
（ a）三端固定式；（ b）三端可调式第 7章 直流稳压电路图 7.16
（ a）三端固定式；（ b）三端可调式
3
1 2
INADJ
OUT
T O - 3 封装
3 1 7
31 2
ADJ OUT IN
T O - 2 2 0 封装第 7章 直流稳压电路图 7.16
（ a）三端固定式；（ b）三端可调式
3
1 2
A D J O U T
IN
T O - 3 封装
3 37
31 2
INA D J O U T
T O - 2 20 封装第 7章 直流稳压电路
1,固定输出的三端稳压器常用的三端固定稳压器有 7800系列,7900系列,其外型如图 7.16（ a） 所示 。 型号中 78表示输出为正电压值,79
表示输出为负电压值,00表示输出电压的稳定值 。 根据输出电流的大小不同,又分为 CW78系列,最大输出电流
1~1.5A； CW78M00系列,最大输出电流 0.5A； CW78L00
系列,最大输出电流 100mA左右,7800系列输出电压等级有 5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V,7900系列有 -
5V,-6V,-9V,-12V,-15V,-18V,-24V 。 如
CW7815,表明输出 +15V电压,输出电流可达 1.5A，
CW79M12,表明输出 -12V电压,输出电流为 -0.5A
第 7章 直流稳压电路
2.三端可调输出稳压器前面介绍 78,79系列集成稳压器,只能输出固定电压值,在实际应用中不太方便 。 CW117,CW217、
CW317,CW337和 CW337L系列为可调输出稳压器,
其外型如图 7.16（ b） 所示 。
在图 7.16所示电路中 CW317是三端可调式正电压输出稳压器,而 CW337是三端可调式负电压输出稳压器 。 三端可调集成稳压器输出电压为 1.25~37V,输出电流可达 1.5A。
第 7章 直流稳压电路
CW317的基本应用电路如图 7.17所示,它只需外接两个电阻 (R1和 RP)来确定输出电压 。 为了使电路正常工作,它的输出电流不应小于 5mA,调节端 ① 的电流约为 50μA,输出电压的表达式为
)1(25.1
1050)1(25.1
1
6
1
R
R
U
R
R
R
U
P
o
P
P
o
（ 7— 16）
（ 7— 17
在上式中 RP阻值很小,可忽略，由此可得图 7.17所示电路中 C1为预防自激振荡产生,C2用来第 7章 直流稳压电路 C W 3 1 7
R
1
2 4 0?
外壳
V
D 1
③
①
②
＋ U
o
＋ U
i
( ≥ 2 8 V )
( 控制输出 )
R
P
5 k?
V
D 2
( 1,2 5 V ～ 2 5 V )
＋
C
2
1? F
＋
C
3
1 0? F
C
1
0,1? F
图 7.17 可调输出稳压电源第 7章 直流稳压电路
3.三端集成稳压器的应用
1）
输出固定电压的应用电路如图 7.18所示,其中图
（ a） 为输出固定正电压,图 （ b） 为输出固定负电压,
图中 Ci用以抵消输入端因接线较长而产生的电感效应 。
为防止自激振荡,其取值范围在 0.1~1μF之间 （ 若接线不长时可不用 ）,Co用以改善负载的瞬态响应,一般取
1μF左右,其作用是减少高频噪声 。
第 7章 直流稳压电路
W 7 8 0 0
1 2
3
C
i
C
oU
i U
o
0,3 3? F 1? F
( a )
图 7.18固定输出的稳压电路
（ a）输出固定正电压 ; （ b）输出固定负电压第 7章 直流稳压电路图 7.18固定输出的稳压电路
（ a）输出固定正电压 ; （ b）输出固定负电压
W 7 9 0 0
3 2
1
C
i
C
o
U
i
U
o
0,3 3? F 1? F
( b )
第 7章 直流稳压电路
2） 输出正,
当需要正,负两组电源输出时,可采用 W7800系列和 W7900系列各一块,按图 7.19接线,即可得到正负对称的两组电源 。
第 7章 直流稳压电路
～ 2 20 V
24 V
24 V
＋
C
1 00 0? F
＋
1 00 0? F
C
i
0,3 3? F
＋
0,3 3? F
7 81 5
1 2
7 91 5
3
1
3 2
C
o
1? F
1? F
＋ 15 V
－ 15 V
C′
o C′
i
C′
o
图 7.19 正负对称输出稳压电路第 7章 直流稳压电路
7.2.4
串联型稳压器中的调整管工作在放大区,由于负载电流连续通过调整管,因此管子功率损耗大,电源效率低,一般只有 20%~24%。 若用开关型稳压电路,
它可使调整管工作在开关状态,管子损耗很小,效率可提高到 60%~80%,甚至可高达 90%以上 。 开关型稳压电路如图 7.20所示 。
第 7章 直流稳压电路方波发生器
＋
U
i
A
－
U
o
＋
－
( a )
u
A
U
i
O
U
o ( A V )
t
on
T
n
t
V
( b )
t
o f f
图 7.20
（ a）开关型稳压电路 ; （ b）波形第 7章 直流稳压电路
1.
开关型稳压电路就是把串联型稳压电路的调整管,
由线性工作状态改成开关工作状态,如图 7.20（ a） 所示 。 方波发生器为一开关信号发生器,当它输出高电平时,V管饱合导通；当它输出低电平时,V管截止 。
输出电压波形如图 7.20（ b） 所示 。 其中导通时间 ton与开关周期 Tn之比定义为占空比 D，
n
on
o ffon
on
T
t
tt
tD?
（ 7—18）
输出电压平均值为
io DUU?
（ 7— 19)
第 7章 直流稳压电路式中,ton为调整管的导通时间,toff为调整管的截止时间,Tn为调整管的开关周期,D为调整管的占空比 。
对于一定的输入电压 Ui,通过调节占空比,即可调节输出电压 Uo。 调节占空比的方法有两种：一种是固定开关的频率来改变脉冲的宽度 ton,称为脉宽调制型开关电源,用 PWM表示；另一种是固定脉冲宽度而改变开关周期,称为脉冲频率调制型开关电源,用 PFM
表示 。
第 7章 直流稳压电路
2.
图 7.21所示为一 PWM型开关电源,该电路用反馈环路来实现自动调节,在取样,比较放大环节后,再加入一个脉宽调节器 PWM。 它可将比较放大后的输出电压量转换成与固定频率相应脉宽的脉冲序列,而产生一个固定频率的脉冲,其脉冲宽度根据比较放大器的输出电压量而改变 。
第 7章 直流稳压电路脉宽调制器产生一串矩形脉冲,当脉冲是低电平时,
V2截止,Ii全部流过 V1而饱和导通；当脉冲是高电平时,
V2饱和导通,使开关管 V1截止 。 这样开关电源向负载提供的能量是断续的 。 为了使负载得到连续的能量供给,
开关型稳压电源还必须有一套平波装置 。 当 V1饱和导通时,续流二极管截止,此时 A点的电位近似等于输入电压,即 UA≈Ui,这时电感 L储能,电容 C充电,同时给负载提供能量输出 。 当 V截止时,电感释放能量,电容放电 。 适当选择 C和 L值,可在 V1关断期间保证负载电流连续 。 图 7.22所示为开关型电源的组成框图 。
第 7章 直流稳压电路
＋
A
V
1
I
sU
i
U
R
＋
－
A
u
U
o f f
P W M
R
3
－
V
2
V
D
A
C
L
＋
－
R
2
R
1
U
o
I
i
图 7.21 脉宽调制型开关电源图第 7章 直流稳压电路整流器输出滤波器
50 Hz
～
滤波器开 关调整管采样电路比 较放大器开关控制电路负载基准电压图 7.22 开关电源的组成框图第 7章 直流稳压电路
7.3 晶闸管及可控整流电路晶闸管又称可控硅,是一种大功率半导体可控元件 。 它主要用于整流,逆变,调压,开关四个方面,
应用最多的是晶闸管整流 。 它具有输出电压可调等特点 。 晶闸管的种类很多,有普通单向和双向晶闸管,
可关断晶闸管,光控晶闸管等 。 下面主要介绍普通晶闸管的工作原理,特性参数及简单的应用电路 。
第 7章 直流稳压电路
7.3.1晶闸管的基本结构,
1.
晶闸管的基本结构是由 P1—N1—P2—N2三个 PN结四层半导体构成的,如图 7.23所示 。 其中 P1层引出电极 A
为阳极； N2层引出电极 K为阴极； P2层引出电极 G为控制极,其外型及符号如图 7.24所示 。
第 7章 直流稳压电路 N 1
P
1
N
2
P
2
阳极 ( A )
铝片钼片金锑片阴极 ( K ) 控制极 ( G )
金硼钯片硅片
( a )
N
1
P
1
N
2
P
2
J
3
J
2
J
1
控制极 ( G )
阴极 ( K )
阳极 ( A )
( b )
图 7.23 晶闸管结构第 7章 直流稳压电路图 7.24 晶闸管的外型及符号第 7章 直流稳压电路图 7.24 晶闸管的外型及符号
3 C T
( c )
A
A
K
K
G
第 7章 直流稳压电路
2.晶闸管的工作原理我们可以把晶闸管的内部结构看成由 PNP和 NPN型两个晶体管连接而成,如图 7.25所示 。 当在 A,K两极间加上正向电压 UAK时,由于 J2反偏,故晶闸管不导通,在控制极上加一正向控制电压 UGK后,产生控制电流 IG,它流入 V2管的基极,并经过 V2管电流放大得 IC2=β2IG；又因为 IC2=IB1；所以 IC1=β1β2IG,IC1又流入 V2管的基极再经放大形成正反馈,
使 V1和 V2管迅速饱和导通 。 饱和压降约为 1V左右,使阳极有一个很大的电流 IA,电源电压 UAK几乎全部加在负载电阻
RL上 。 这就是晶闸管导通的原理 。 当晶闸管导通后,若去掉
UGK,晶闸管仍维持导通 。
第 7章 直流稳压电路
V
1
A
V
2
K
G
P
1
P
2
N
1
N
2
N
1
P
2
A
K
G
图 7.25 晶闸管内部结构第 7章 直流稳压电路要使晶闸管重新关断,只有使阳极电流小于某一值,
使 V1,V2管截止,这个电流称维持电流 。 当可控硅阳极和阴极之间加反向电压时,无论是否加 UGK,晶闸管都不会导通 。
综上所述,晶闸管是一个可控制的单向开关元件,它的导通条件为,① 阳极到阴极之间加上阳极比阴极高的正偏电压； ② 晶闸管控制极要加门极比阴极电位高的触发电压 。 而关断条件为晶闸管阳极接电源负极,阴极接电源正极,或使晶闸管中电流减小到维持电流以下 。 晶闸管整个工作情况如图 7.26所示 。
第 7章 直流稳压电路
R
G
V
S
U
G
反向阻断
－ U
A
图 7.26 晶闸管工作情况第 7章 直流稳压电路图 7.26 晶闸管工作情况
R
G
V
S
U
G
正向阻断
＋ U
A
第 7章 直流稳压电路
R
G
V
S
U
G
融发导通
＋ U
A
图 7.26 晶闸管工作情况第 7章 直流稳压电路
R
G
V
S
U
G
除去触发信号仍导通
＋ U
A
图 7.26 晶闸管工作情况第 7章 直流稳压电路
3.
晶闸管的基本特性常用伏安特性表示,如图 7.27所示 。 图 7.27（ a） 为 IG=0时的伏安特性曲线 。 在伏安特性曲线上,除 BA转折段外,很像二极管的伏安特性,因此晶闸管相当于导通时可控的一种二极管 。 在很大的正向和反向电压作用下,晶闸管都会损坏 。 通常是在晶闸管接通合适的正向电压下将正向触发电压加在控制极上,
使晶闸管导通,其特性曲线如图 7.27（ b） 所示,由图可知,控制极电流 IG愈大,正向转折电压愈低,晶闸管愈容易导通 。
第 7章 直流稳压电路
I
A
O
U
A
U
BR
AB
C
＋ －
U
BO
－ ＋
( a )
图 7.27 晶闸管伏安特性
(a)IG=0时的伏安特性； (b)不同 IG时的伏安特性第 7章 直流稳压电路图 7.27 晶闸管伏安特性
(a)IG=0时的伏安特性； (b)不同 IG时的伏安特性
I
A
U
A
O
U
BO
I
G 0
I
G2
＞ I
G1
( b )
第 7章 直流稳压电路
4.
(1)正向重复峰值电压 UFRM是在控制极断路时,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压,通常规定该电压比正向转折电压小 100V左右 。
(2)反向重复峰值电压 URRM是在控制极开路时,可以重复加在晶闸管元件上的反向重复峰值电压,一般情况下 URRM=UFRM。
第 7章 直流稳压电路
(3)额定正向平均电流 IF是在规定环境温度和标准散热及全导通条件下,晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值 。
(4)维持电流 IH是在规定环境温度和控制极开路时,
维持元件继续导通的最小电流 。
(5)触发电压 UG与触发电流 IG是在规定环境温度下加一正向电压,使晶闸管从阻断转变为导通时所需的最小控制极电压和电流 。
第 7章 直流稳压电路
7.3.2
1.单向半波可控整流电路图 7.28是由晶闸管组成的半波可控整流电路,其中负载电阻为 RL,工作情况如图 7.29所示 （ 对不同性质的负载工作情况不同,在此仅介绍电阻性负载,对于电感性负载的工作情况可参考有关书籍 ） 。 由图 7.29可见,在输入交流电压 u的正半周时,晶闸管 V承受正向电压 。
第 7章 直流稳压电路
u
～
V
u
V
i
o
u
o
R
L
＋
－
图 7.28 晶闸管组成的半波第 7章 直流稳压电路
( a )
O? t
t
2
t
1
u
G
u
o
u
V
i
o
t
t
t
( b )
( c )
( d )
O
O
u
o
i
o
图 7.29 电压电流波形图第 7章 直流稳压电路闸管承受反向电压而关断,负载上的电压,电流均为零 。 在第二个正半周内,再在相应的 ωt2时刻加入触发脉冲,晶闸管再次导通,使负载 RL上得到如图 7.29（ c）
所示的电压波形 。 图 7.29（ d） 所示的波形为晶闸管所承受的正向和反向电压 。 最高正向和反向电压均为输入交流电压的幅值 。
第 7章 直流稳压电路显然,在晶闸管承受正向电压的时间内,改变控制极触发脉冲的加入时间 （ 称为移相 ）,负载上得到的电压波形随之改变 。 可见,移相可以控制负载电压的大小 。
晶闸管在加正向电压下不导通的区域称控制角 α（ 又称移相角 ）,如图 7.29（ c） 所示 。 而导通区域称为导通角
θ,可以看出导通角愈大,输出电压愈高,可控整流电路第 7章 直流稳压电路
2
c o s1
45.0
2
c o s1
45.0
)c o s1(
2
2
)(s i n2
2
1
L
o
o
R
U
I
UttdUU
(7— 20)
(7— 21)
第 7章 直流稳压电路由式 (7—20)可知,输出电压 Uo的大小随 α的大小而变化 。 当 α=0时,Uo=0.45U,输出最大,晶闸管处于全导通状态；当 α=π时,Uo=0,晶闸管处于截止状态 。 以上分析说明,只要适当改变控制角 α,也就是控制触发信号的加入时间,就可灵活地改变电路的输出电压 Uo。
第 7章 直流稳压电路
2.单相半控桥式整流电路单相半波可控整流电路,虽然具有电路简单,使用元件少等优点,但输出电压脉动性大,电流小 。 单相半控桥式整流电路如图 7.30所示,桥中有两个桥臂用晶闸管,另两个桥臂用二极管 。
设 u2= U2sinωt,当 u2为正半波时,瞬时极性为上
,正,下,负,,V1和 V4承受正向电压 。 若在 t1时刻给
V1加触发脉冲,则 V1导通,负载上有电压 Uo,电流通路为 a→V1→RL→V4→b。
2
第 7章 直流稳压电路
u
1
u
2
V
1
V
2
V
3
V
4
R
L
u
o
i
o
a
b
图 7.30 单相半控桥式整流电路第 7章 直流稳压电路当 u2为负半波时,晶闸管 V2和二极管 V3承受正向电压 。
在 t2 时刻给 V2 加触发脉冲,V2 导通,电流通路为
b→V2→RL→V3→a。 显而易见,桥式整流的输出电压平均值要比单相半波整流大一倍,即
LL
o
o
o
R
U
R
U
I
U
U
2
)co s1(9.0
2
)co s1(9.0
2
2
(7— 23)
(7— 22)
第 7章 直流稳压电路
7.3.3 可控整流的触发电路产生和控制触发信号的电路称为触发电路,其工作性能的好坏对可控整流的效果有很大影响 。 触发电路种类很多,在此仅介绍常用的单结晶体管触发电路 。
1.单结晶体管单结晶体管的外形及结构如图 7.31（ a） 所示 。 单结晶体管有三个电极,E为发射极,B1,B2分别为第一基极和第二基极 。 由于有两个基极,通常又称为双基极二极管 。 单结晶体管发射极和两基极间的 PN结具有单向导电性,可等效成一个二极管 V；
第 7章 直流稳压电路
B
2
B
1
E
PN 结
N 型硅片镀金陶瓷片
( a )
B
1
B
2
E
图 7.31 单结晶体管结构,
（ a） 单结晶体管外形及结构示意图 ;（ b） 符号及等效电路第 7章 直流稳压电路图 7.31 单结晶体管结构,
（ a） 单结晶体管外形及结构示意图 ;（ b） 符号及等效电路
E
B
1
B
2
U
BB
A
＋
－
E
R
B1
R
B2
A
A
＋
－
U
BB
( b )
V
第 7章 直流稳压电路两基极 B1,B2之间的电阻约为 2~12kΩ,B1到 PN结之间的硅片电阻为 RB1； B2到 PN结之间的硅片电阻用 RB2表示；其等效电路及符号如图 7.31（ b） 所示 。
BB
BB
BBB
A URR
URU
12
1
（ 7— 24）
式中 η=RB1/（ RB1+RB2）,称为分压比,一般在
0.3~0.9之间 。
第 7章 直流稳压电路设单结晶体管中 PN结的导通压降为 UD,当发射极电位 UE<UD+ηUBB时,单结晶体管因 PN结反偏而截止,
IE=0。 如果调节发射极电位 UE,使 UE>UD+ηUBB,单结晶体管中 PN结导通,有电流 IE流进发射极,流过电阻 RB1。
因 RB1是随电流增加而阻值减小,所以这个电流使 RB1减小,造成 IE进一步增大,使 RB1进一步减小,这个连锁正反馈过程,很快使 RB1 减小到最小值 。 上述电压值
UD+ηUBB称作单结晶体管的峰点电压,用 UP表示 。
第 7章 直流稳压电路当 RB1减小到最小值时,UA也下降到最小值 UAmin，
此时单结晶体管的发射极电位 UE=UD+UAmin,叫单结晶体管的谷点电压 UV。 RB1减小过程中,由于 UA
的下降,使 UE也跟着下降 。 这样,单结晶体管发射极电位 UE下降,发射极电流 IE反而增大,这种现象称为
,负阻效应,。
综上所述：当 UE<UV时,单结晶体管截止；当
UE≥UP时,单结晶体管处于导通状态；当 UE因导通从 UP
下降到使 UE＜ UV时,单结晶体管将恢复截止 。
第 7章 直流稳压电路
2.
利用单结晶体管的负阻效应并配以 RC充放电回路,
可以组成一个非正弦波的振荡电路,这个电路可产生可控整流电路中晶闸管所需要的触发脉冲电压 。 单结晶体管触发脉冲电路如图 7.32所示 。
第 7章 直流稳压电路
R
1 00 k?
B
1
B
2
R
2
3 00?
R
1
50?
E
V
U
g
U
C
＋
－
C
0,4 7? F
U
BB
( a )
图 7.32单结晶体管触发脉冲电路
（ a）触发脉冲电路 ; （ b）触发脉冲波形第 7章 直流稳压电路图 7.32单结晶体管触发脉冲电路
（ a）触发脉冲电路 ; （ b）触发脉冲波形
O
t
t
O
U
g
U
V
U
C
( b )
U
P
第 7章 直流稳压电路在图 7.32所示电路中,接通电源以前 UC=0,接通电源后,电源通过电阻 R向 C充电,当 UC上升到峰点电压 UP
时,即 UC=UP,单结晶体管导通,电容器 C即通过 V管向
R1放电 。 由于 RB1的负阻特性,RB1的阻值在 V管导通后迅速下降,又因 R1的阻值很小,故放电很快,使 UC迅速下降,当 UC放电到谷点电压时,即 UC＜ UV时,单结晶体管恢复截止 。 电源又通过电阻 R向 C充电,使 UC再次等于 UP，
上述过程又重复进行 。 这样在电阻 R1上就得到了一个又一个由电容器放电产生的脉冲电压 Ug,因 C放电很快,故
Ug为尖脉冲电压 。
第 7章 直流稳压电路
3.
在图 7.32所示电路中,R1上产生的脉冲电压 Ug不一定能触发晶闸管,因为触发脉冲与被触发的晶闸管可控整流电路还存在一个同步问题,为了解决这一问题,
通常采用单结晶体管同步触发电路,如图 7.33所示 。
第 7章 直流稳压电路
＋
V
1
V
2
V
3
V
4
R
L
V
5
V
6
a
R
o
b
－
U
o
50 V
u
2
T
22 0 V
～
V
7
V
8
R
p
20 k?
R
1 k?
R
2
3
90
B
T
33
D
R
1
1
00
U
g
＋
－
U
C
＋
－
C
0
.
4
7
F
V
D Z
2C W 2 1
4× 2 C P 2
( a )
图 7.33 （ a） 单结晶体管同步触发电路第 7章 直流稳压电路
t
O
U
o
t
t
O
U
g
O
U
C
O
u
2
t
U
bo
u
ao
u
bo
( b )
U
P
U
V
图 7.33
（ a） 单结晶体管同步触发电路；
（ b） 电压波形第 7章 直流稳压电路图 7.33（ a） 所示电路为同步电压触发电路,T为同步变压器,它的初级与主电路接在同一电源上,与之同频率的次级电压经桥式整流,稳压,得到一个幅值为 Ubo
的梯形电压,如图 7.33（ b） 所示,此电压作为单结晶体管的工作电压 。
当 Ubo梯形电压由 0上升时,电容器 C开始充电 。 电容器 C充电到单结晶体管峰点电压 Up时,单结晶体管进入负阻区,电容器 C放电,在 R1上产生触发脉冲 。 电容器 C放电到单结晶体管的谷点电压 UV,当下一个 Ubo梯形电压到来时,重复上述过程 。
第 7章 直流稳压电路该电路在主电路交流电源的半个周期内,可能产生多个触发脉冲,但起作用的只有第一个触发脉冲,
去触发加有正向电压的那个晶闸管导通 。 电路中各点电压的波形如图 7.33（ b） 所示 。
输出电流电压的大小,可以通过调节充电回路的电阻 Rp来实现 。 改变 Rp,即改变控制角 α的大小,从而改变第一个实现脉冲输出时间,达到触发脉冲移相的目的 。 一般 Rp愈小,α愈小,导通角 θ愈大,输出平均值电压愈高 。
