电路及模拟电子技术第7章

1、第七章第七章 直流电源电路直流电源电路 在很多场合下，需要用到直流电源，但是电力系统提供的是交流电源，因此要将交流变换为直流电需要经过以下几个步骤。1. 变压：将电网交流电的电压变换为符合整流需要的交流电压。2. 整流：将变压后的交流电变为脉动直流电。3. 滤波：利用电感 、电容等原件将脉动直流变为较稳定的直流。4. 稳压：使输出直流电压不受负载变化的影响。电源变压器整流器滤波器稳压器u1u2U3U4UOu1tu2tU3tU4ttUO7.1 7.1 半导体二极管半导体二极管v7.1.1 PN节及其单向导电性节及其单向导电性1.半导体的导电特性 金属导体原子外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电

2、子；绝缘体原子外层电子被原子核束缚的很紧，极难行成自由电子；半导体的最外层电子处于半自由状态，导电能力介于金属导体与绝缘体之间，目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等 。444444444价电子共价键硅原子共价键结构示意图硅原子共价键结构示意图 444444444空穴自由电子自由电子和空穴的形成自由电子和空穴的形成 444434444空穴受主原子硅晶体中掺硼出现空穴硅晶体中掺硼出现空穴 （P型半导体）型半导体）44444444施主原子键外电子5电子空穴(本征激发)硅晶体中掺磷出现自由电子硅晶体中掺磷出现自由电子 （N型半导体）型半导体）2. PN节的形成及

3、其单身导电性(1) PN节的形成空穴扩散方向电子扩散方向内电场方向空间电荷区P型区N型区(2) PN节的单向导电性内电场方向NP外电场方向IE灯亮(a)NPPN结展宽I0E灯灭(b)v7.1.2 半导体二极管的基本结构半导体二极管的基本结构锗管PN节在锗半导体上形成的二极管硅管PN节在硅半导体上形成的二极管按结构的不同，二极管分为点接触型和面接触型。点接触型点接触型 面接触型面接触型 v7.1.3 半导体二极管的伏安特性及主要参数半导体二极管的伏安特性及主要参数1. 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线(1) 正向特性 死区电压：锗管为0.2V，硅管为0.5V正向导通电压：锗管为0.3V，

4、硅管为0.7V(2) 反向特性 外加反向电压不超过一定值 ，反电流很小，二极管处于截止状态。(3) 击穿特性 外加反向电压超过一定值 ，反向电流突然增大，这种现象称为电击穿。若没有引起过热而永久损坏，撤除外加电压后单向导电性仍可恢复。2. 二极管的电路模型二极管的电路模型 二极管是非线性器件，常将二极管伏安特性逐段线性化，得到表达二极管主要特性的电路模型。(1) 理想二极管模型 忽略二极管的死区电压，正向电压、反向电流。(2) 考虑正向电压的二极管模型 死区电压等于正向电压UD，忽略反向电流。(3) 考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管模型 以动态电阻 表示曲线的斜率。（ 随Q点的不同而改变）DD

5、DuriDr(4) 限幅电路(5) 或门电路UAUBD1D2UF00导通导通03V0导通截止3V03V截止导通3V3V3V导通导通3V半导体二极管主要参数(1) 最大整流电流IOM 二极管长时间安全工作所允许的最大正向平均电流。由PN节的面积和散热条件决定，超过此值可能导致过热损坏。(2) 反向工作峰值电压URWM 保证二极管不被反向击穿的最大反向工作电压。为保证二极管不被反向击穿，工作时的反向电压一般规定为URWM的二分之一或三分之二。(3) 反向电流IR 二极管未被击穿时流过二极管的反向电流。此值越小二极管的单向导电性越好，温度升高，反向电流增大。(4) 最高工作频率fM 二极管维持单向导

6、电性的最高工作频率。空穴扩散方向电子扩散方向内电场方向空间电荷区P型区N型区7.2 整流电路整流电路整流电路是直流电源中的一个重要环节，利用二极管的单向导电性，可以将交流电变换成方向不变，大小变化的脉动直流电。v7.2.1单向半波整流电路单向半波整流电路22()DRMOOMDRMRWMUUIIUU22220021122sin0.45220.45ooooLLUu d tUtd tUUUUIRR二极管的反向电压为222sinVuUt设v7.2.2单向桥式整流电路单向桥式整流电路变压器副边电压为222sinVuUtd t()2220()2()12 22sin0.90.9o AVo AVo AVLLU

7、Utd tUUUUIRR2()10.452Do AVLUIIR()22()1.110.9o AVo AVLLUUIIRR整流电路的平均电压和电流为每个二极管只导通了半个周期，流经每个管子的平均电流为变压器副边平均电流为22DRMUU()21(2)2OMO AVRWMIIUU二极管的反向电压为v7.2.3三相桥式整流电路三相桥式整流电路 单相整流电路的功率较小，且脉动成分较大，若要求功率较大，或电压脉动成分较小，则采用单相整流电路会造成三相电网负载不平衡且电压稳定度达不到要求，因此多采用三相桥式整流电路。2()6()()2sin32sin(30 )332sin(30 )2.342.34aabo

8、AVo AVo AVLLuUtuUtUUtd tUuUIRR()10.783Do AVLUIIR设每个二极管在一个周期内仅导通三分之一周期，所以流过每个管子的平均电流为每个二极管承受的最高反向电压为变压器副边电压的最大值322.45DRMUUU三相桥式整流比单相全波整流输出电压脉动小，平均值大。7.3 电源滤波电路电源滤波电路对全波整流波形进行傅利叶级数分解22 222(1cos2cos4)315Uuttv7.3.1 电容滤波电路电容滤波电路()2()2()1.2()o AVo AVUUUU单向半波整流单向全波整流(3 5)(3 5)22LLTTR CCR工程上滤波电路输出电压平均值取为得到较

9、平滑的输出电压，滤波电容的取值为T为交流电源电压的周期 二极管导通的时间（导通角）小于输入正弦波的半个周期（），在导通期间，流过二极管的电流既要给电容充电又要给负载供电，这就产生了二极管冲击电流；同时二极管承受的反向电压最大可以达到 ，这些都容易损坏二极管，在选择参数时应留有余地。 同时，电容滤波电路的带负载能力很差，空载和负载时的输出特性相差很大。22 2Uv7.3.1 电感滤波电路电感滤波电路电感滤波的原理：(1) 电感电流不能突变，当电流变化时电感产生感应电动势阻碍 电流的变化，减少波动。(2) 电感有通直流隔交流的作用，频率较高的交流分量降在电感 上，直流和频率较低的交流分量降在电阻上

10、。222 20.9oUuU 电感滤波电路的导通角大于电容滤波电路，因此二极管的冲击电流小，对二极管的要求较低，同时电感滤波电路的带负载能力较好。 但是当电感较大时，线圈的匝数多，导致体积和重量增大，同时线圈的损耗也随之增大，限制了电感滤波电路的使用。v7.3.1 电感电电感电容容(LC)和电阻电容和电阻电容(RC)滤波电路滤波电路 由于频率较低的交流分量仍能通过电感，而电容则可以让低频分量通过，使直流分量主要落在电阻上。 电感线圈笨重，体积大，一般用于负载电流较大，输出电压脉动较小的场合。(1) LC滤波电路滤波电路 RC滤波电路一般适用于小功率晶体管电子设备中。 电容C对 中的直流分量 相当

11、于开路，则ouLooLRUURR(2) RC滤波电路滤波电路oU(0.1 0.2)ooRIU1(3 5)2CR为使滤波电阻R上的直流压降不至过大，R可按如下方法选取 对于中的各次交流谐波分量，只要滤波电容C足够大，其容抗就远小于负载电阻，电容和负载的并联阻抗就接近容抗，同时容抗也远小于滤波电阻R，这样各次谐波电压主要落在滤波电容R上，负载电阻上的谐波电压很小，达到滤波效果。 选取滤波电容C时，要求电容对二次谐波的容抗比滤波电阻R小得多，这样对高次谐波的滤波效果就更好，一般取v7.3.4 型滤波电路型滤波电路 它的输出电压比LC滤波电路更平坦，但整流二极管的冲击电流在较大。7.4 稳压二极管稳压

12、二极管 稳压二极管允许通过较大的反向电流，其反向击穿电压为几伏至几十伏。稳压管主要参数：(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作情况下两端的击穿电压。(2) 稳定电流IZ和最大稳定电流IZM 稳定电流是指在稳压范围内稳压性能最好的工作电流值。在功耗不超过规定值的条件下允许的最大工作电流叫做最大稳定电流。(3) 最大允许耗散功率PZM 管子不发生热击穿的最大功率损耗， 。ZMZZMPU I(4) 动态电阻 动态电阻指稳压管端电压变化量与对应电流变化量的比值。动态电阻越小稳压性能越好。(5) 电压温度系数 稳压值受温度变化影响的参数，数值上等于温度每升高 时稳定电压的变化量。ZZZUrIU1 C7.5

13、 稳压电路稳压电路 稳压电路的功能是在输入交流电压波动或负载变化时，使输出直流电压保持恒定。稳压电路的主要指标：(1) 稳压系数Sr 负载和工作环境温度不变时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。稳压系数的值越小，稳压效果越好。oorIIUUSUU,100%LoVoR TUSU常数有时也有电压调整率SV表示，定义为电网电压变化10%，输出电压变化的量。,IoooUTURI常数(2) 内阻Ro(输出电阻) 在电网电压和环境温度不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比。内阻表征了稳压电路带负载的能力，内阻越小越好(3) 温度系数 电网电压和负载都不变的情况下，输出电压变化量与温度变化

14、量的比值。(4) 最大波纹电压 指在输出端存在的50Hz或100Hz交流电压分量，通常以有效值或峰值表示。v7.5.1 稳压管稳压电路稳压管稳压电路(1.5 3)(2 3)ZoZMOMioUUIIUU选稳压管时ZZMIImaxminOOiiIIUUminmaxiiUU稳压管电流负载电流minmaxOOIIui范围minminmaxiZRZOUUIIIRminmaxOOiiIIUUmaxmaxmaxminiZRZOUUIIIR若则若则maxminmaxminmaxiZiZZOZOUUUURIIIIR的取值范围为2u iU oU ZU ZI I RU oU 2u iU oU ZU ZI I RU

15、oU 7.5.2 串联型稳压电路单管稳压电路存在的问题：1. 具体型号稳压管的稳压值固定不可调；2. 输出电流可调范围受最大稳定电流的限制，可调范围小；3. 输出电阻较大，电压稳定性不够好； 在电子系统中一般使用串联型稳压电源或开关型稳压电源。 和 构成取样电路。 确定基准电压， 为限流电阻。 和 构成比较放大器。 为调整管。1R2RZD3R2T4R1Tv串联型稳压电路串联型稳压电路1122(1)(1)WZoZWRRRUUURRR()()ioSSZToiTLUUUUUUUUUR()()ioSSZToiTLUUUUUUUUURv集成稳压电路集成稳压电路 用于抵消长接线的电感效应，防止引起自激振荡

16、。 用于防止瞬间增减负载电流时引起输出电压的较大波动。iCoCoZUUU(1) 提高输出电压的电路(2) 正、负电压同时输出的电路7.5.4 开关型稳压电路开关型稳压电路 串联型稳压电路调整管工作在放大区，管子的电压和电流较大，因而功耗较高，需加装散热片，导致体积较大，且电源效率低。开关型稳压电路调整管交替工作在截止和饱和区，因而功耗小，电源效率也较高。 ， ，集成运放 和基准电压 构滞回比较器。 和 构成取样电路。 电感 ，电容 和二极管 构成续流滤波电路。 为工作在开关状态的调整管。ARULCD1R2R3RT4R 若 ，A输出高电平，T饱和导通， ，D截止，滞回比较器同相端电压为上门限电压。SuUEIuU121212iRRiTHRUURUR UUURRRRUi通过L对C充电，Uo逐渐升高， u-也逐渐升高。滞回比较器翻转，输出变为低电平，使T处于截止状