电工电子学_10直流电源

1、电工电子学1101 直流稳压电源图10.1.1为直流稳压电源的原理框图。交流电源电压经整流变压器变换为整流所需要的电压，通过整流电路变换为单向脉动的直流电压，再由滤波电路滤除其中的交流分量，最后经稳压电路得到稳定的直流电压。 图10.1.1 直流稳压电源的原理框图210.1.1 单相桥式整流电路将交流电转换为直流电的过程称为整流。利用二极管的单向导电性，可用来组成整流电路。整流电路按所接交流电源的相数可分为单相整流电路和三相整流电路。单相整流电路又可分为半波、全波、桥式和倍压整流等几种电路形式。 （a）电路 （b）波形 图10.1.2 单相桥式整流电路3单相桥式整流电路如图10.1.2（a）所

2、示。变压器将电网交流电压 变换成整流电路所需要的交流电压 ，设 ，四只整流二极管D1D4联结成电桥的形式，故称为桥式整流电路， 是负载电阻。在U2的正半周（a点为正，b点为负），二极管D1、D3处于正向偏置而导通，D2、D4处于反向偏置而截止，电流的通路为 ，忽略二极管的正向压降，负载上的压降为 。2utUusin222LRbDDa3L1R2ouu 410.1.2 滤波电路整流电路的输出电压虽是方向不变的直流电压，但仍有脉动成分，即交流成分，为了减小输出电压的脉动，必须在整流电路的输出端加上滤波电路。（a）电路 （b）波形 图10.1.3 单相桥式整流滤波电路510.1.3 稳压电路整流滤波电

3、路输出电压会随交流电源电压的波动、负载的变化而变化，要得到稳定的输出电压还需加上稳压电路。稳压电路通常可分为并联稳压、串联稳压、集成稳压电路。图10.1.4 单相桥式整流、滤波、稳压电路6u由稳压管构成的稳压电路是最简单的一种并联稳压电路，其输出电压不可调，如图10.1.4所示。经整流滤波所得到的直流电压 ，再经过限流电阻 R和稳压管 构成的稳压电路接到负载 上。IUZDLR7随着半导体技术的发展，集成稳压器得到迅速发展。将功能较为完善的稳压电路制作在一块芯片上就构成了集成稳压器。它具有体积小，重量轻，使用方便，可靠性高，价格低等优点，得到了广泛的应用。集成稳压器的种类较多，下面仅介绍使用较多

4、的三端集成稳压器。 图10.1.5 三端固定式集成稳压器外形图8 三端集成稳压器因有输入端，输出端和公共端三个引出端而得名。如图10.1.5所示。它有正电压输出的W7800和负电压输出的W7900两大系列。输出电压有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等不同电压规格，型号的后二位数值表示输出电压值，如W7815的输出电压为15V，W7909的输出电压为-9V。除了固定输出的集成稳压器外，还有输出电压可调的三端可调稳压器。稳压器使用时输入端和输出端各接有电容器 和 ，用来减小输入输出电压的脉动和改善负载的瞬态响应。 一般在0.11F之间，如0.33F； 可用1F。如图10.1.

5、6所示。9 （a） （b） 图10.1.6 三端固定式集成稳压器的接法10集成稳压器的主要参数有：（1）输出电压 即集成稳压器的稳定输出电压。（2）电压调整率 又称稳压系数，用输出电压的相对变化量与对应的输入电压的相对变化量之比来表示，即（3）最小电压差 为维持稳压所需要的 与 之差的最小值。（4）最大输入电压 保证稳压器正常工作的最大输入电压。（5）最大输出电流 oUUSminoI)(UU IMUOMI11输出固定正电压和输出固定负电压的稳压电路如图10.1.7和图10.1.8所示，实际应用时要注意电容的极性。 图10.1.7 输出固定正电压的电路12图10.1.8 输出固定负电压的电路同时

6、输出正、负电压的电路如图10.1.9所示。 图10.1.9 同时输出正、负电压的电路13当所需的输出电压高于集成稳压器固定输出电压时，可采用图10.1.10所示电路来提高输出电压。可见，电阻 R两端电压为稳压器的固定输出电压，稳压电路的输出电压为 图10.1.10 提高输出电压的电路ZoUUU1410.2 晶闸管和可控整流电路 整流二极管整流电路的输出电压平均值Uo与输入交流电压有效值U2的比值固定不变。若想调节输出直流电压，只能通过改变变压器副边电压u2来实现，是不可控整流电路。如果在电源和电路确定的前提下，任意调节直流输出电压，则需采用由晶闸管组成的可控整流电路。15u 晶闸管是晶体闸流管

7、的简称，也称可控硅(SCR)，是一种大功率半导体器件。它具有容量大、电压高、损耗小、控制方便等特点，被广泛地应用于可控整流、逆变、交流调压和开关等方面。它的出现使半导体器件从弱电领域进入了强电领域，因此，又称电力电子器件。本节主要介绍目前应用最多的可控整流与交流调压电路的原理及应用。1610.2.1 晶闸管 晶闸管的种类很多，除普通型晶闸管外，还有双向型、逆导型、可关断型和快速型等特种晶闸管。这里仅介绍普通型晶闸管的工作原理和特性。1. 基本结构晶闸管是在晶体管基础上发展起来的大功率半导体器件。它由硅材料做成，是一种四层三端器件。如图10.2.1(a)所示。四层半导体PNPN形成三个PN结J1

8、、J2和J3，最外层的P层和N层引出两个电极，分别为阳极A和阴极K，中间的P层引出控制极（门极）G。晶闸管的电路符号如图10.2.1(b)所示。172. 工作原理晶闸管是一个PNPN四层结构半导体器件，为了说明其工作原理，可以将其视为由一个PNP型晶体管T1和一个NPN型晶体管T2联接而成。等效模型如图10.2.2所示。18晶闸管的阳极与阴极之间电压用UAK表示，控制极与阴极之间电压用UGK表示。下面分几种情况进行分析。 （1）晶闸管加反向电压当UAK 0时，从图10.2.1（a）晶闸管结构图可知，T1的发射结J1和T2的发射结J3均处于反偏置，无论UGK为何值，晶闸管均不导通，处于反向阻断状

9、态。19 （2）晶闸管加正向电压 当UAK 0时，若G、K之间开路，则控制极电流IG=0，因此IB2=0，T2不能导通，晶闸管处于截止状态，即正向阻断状态；若UGK0，则T2的发射结J3处于反偏置，使晶闸管处于正向阻断状态；若UGK0且为某一适当的数值，则满足T1和T2的发射结正偏置，集电结反偏置，这时T1和T2均导通，UGK产生控制极电流IG，为T2提供基极电流IB2，IB2经T2放大后形成集电极电流IC2，IC2=2IB2，IC2就是T1的基极电流IB1，IB1经T1放大后形成较大的集电极电流IC1，故IC1=1IB1=12IB2，IC1又流入T2的基极再一次放大，形成正反馈，这样循环下去

10、，使两个晶体管迅速进入饱和状态，晶闸管导通。203. 伏安特性晶闸管的导通和阻断是由阳极和阴极之间的电压UAK、阳极电流IA及控制极电流IG控制的，IA与UAK之间的关系IA= f (UAK)即为晶闸管的伏安特性。如图10.2.3所示。21 （1）正向特性当UAK0时，晶闸管承受正向电压，若控制极不加电压，即IG=0，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流，对应正向特性的OA段。当UAK增大到UBO时， J2结被击穿，漏电流突然增大，曲线由A点跳到B点，晶闸管转入导通状态，UBO称为正向转折电压。这种导通是由正向击穿造成的，容易造成晶闸管的损坏，实际使用时应避免。而当控制极加正向电压时

11、，转折电压减小，控制极电流越大，转折电压越低，如图9.2.3所示。（2）反向特性 晶闸管的反向特性与二极管类似。当UAK 0时，晶闸管承受反向电压，处于阻断状态，只流过很小的反向漏电流，当反向电压UAK数值增大到UBR时，晶闸管反向击穿，反向电流剧增，UBR称为反向击穿电压。224. 主要参数 为了合理地选择和正确地使用晶闸管，有必要了解晶闸管主要参数的意义。 （1）正向平均电流IF 在规定温度和标准散热条件下，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值。 （2）维持电流IH 控制极断开后，维持晶闸管通态所需最小电流。 23（3）正向重复峰值电压UFRM 在晶闸管控制极开路和正向

12、阻断情况下，可以重复加在晶闸管上的正向峰值电压。UFRM为UBO的80%。 （4）反向重复峰值电压URRM 在晶闸管控制极开路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压。URRM为UBR的80%。24 10.2.2 可控整流电路在桥式整流电路中，若整流管由晶闸管组成即构成可控整流电路。如果整流管全部采用晶闸管，则组成单相桥式全控整流电路，如图10.2.4所示。若只采用两只晶闸管，另外两只用整流二极管，则组成图10.2.5所示的是单相桥式半控整流电路。图10.2.4 单相桥式全控整流电路 图10.2.5 单相桥式半控整流电路 + uo - RL io T1 T2 T3 T4 + u2 - a b + uo - RL io T1 T2 D1 D2 + uo - a b 25 在图10.2.4所示电路中，当变压器副边电压u2为正半周时，晶闸管T1、T4承受正向电压。若在t= 时给T1和T4加一触发脉冲uG，则T1和T4导通，电流通路为：aT1RLT4b，这时T2、T3均承受反向电压而截止。当u2过零时，T1、T4自行关断。 同理，在u2负半周，T1、T4承受反向电压而截止，晶闸管T2、T3承受正向电压。若在t=+ 时给T2和T3加触发脉冲uG，则T2和T3导通，电流通路为：bT2RLT3a 。当u2过零时，T1、T4自行关断。26可控整流电流的性能