电工学讲义-串联型电源电路及晶闸管

1、电工学讲义-串联型电源电路及晶闸管第1页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五0tu交流电源0tu变压ut0整流ut0滤波tu0稳压1. 并联型稳压电源第2页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。2 带有放大环节的串联型稳压电源T+_Ui+_+_UO比较放大基 准取 样UZUB1+_C2RL调整元件第3页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五T+_Ui+_+_UO比较放大基 准取 样UZUB1+_C2RL调整元件调整元件T:与负载串联，通过全部负载电流。可以是 单个功率管，复

2、合管或用几个功率管并联。 比较放大: 可以是单管放大电路，差动放大电路，集 成运算放大器。基准电压: 可由稳压管稳压电路组成。取样电路: 取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。 第4页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五电压关系：R4T1UZR3RP1RP2R1RPR2RLUO+_+_UiUB1UB2(UC1)UCE2I1+_+_+_IR4IB2T2IC1IB1IC2第5页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五稳压原理R4T1UZR3RP1RP2R1RPR2RLUO+_+_UiUB1UB2(UC1)UCE2I1+_+_+_IR4IB2T2IC1IB1I

3、C2电源变化负载变化第6页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五串联型稳压电源特点：1）输出电流IO大（取决于T2管功率）2）输出电压UO更加稳定3）输出电压UO可以调节(调节RP,，可以调节输出电压)R4T1UZR3RP1RP2R1RPR2RLUO+_+_UiUB1UB2(UC1)UCE2I1+_+_+_IR4IB2T2IC1IB1IC2第7页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压

4、器。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。3.集成稳压电源第8页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五W7800系列稳压器外形1输入端3 公共端2 输出端78xxW7900系列稳压器外形1 公共端3输入端2 输出端79xx塑料封装注：金属封装和塑料封装管脚定义不同，使用时一定要先查手册。外形及引脚功能第9页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五注：型号后XX两位数字代表输出电压值输出额定电压值有如下系列:5V、9V、12V 、1

5、8V、 24V等 。三端集成稳压器固定式可调式正稳压W78XX负稳压W79XX第10页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五输入与输出之间的电压不得低于3V！三端固定输出集成稳压器的应用COW7805CiUi+_+_UO123 0.11F1F为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。即用以改善波形。 一、输出为固定电压的电路第11页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五23220V 24V+C 24V+CW7815Ci+15V123CiW79151COCO 15V1F

6、1F0.33F0.33F1000F1000F二 、输出正负电压的电路第12页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五要求1.了解晶闸管的基本结构、工作原理、特 性和主要参数。2. 理解可控整流电路的工作原理、掌握电 压平均值与控制角的关系。3. 了解单结晶体管及其触发电路的工作原 理。4.理解交流调压电路的工作原理4. 晶闸管及其应用第13页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五晶闸管（Silicon Controlled Rectifier） 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 晶闸管也像半导

7、体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。 体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。 优点：第14页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五晶闸管外型第15页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别共九级, 用字母AI表示0.41.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）P-普通晶闸管K-快速晶闸管S -双向晶闸管 晶闸管KP普通型如KP5-7表示额定

8、正向平均电流为5A,额定电压为700V。第16页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五G控制极基本结构K 阴极G阳极 AP1P2N1N2四 层 半 导 体晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。(c) 结构K GA(b) 符号(a) 外形晶闸管的外形、结构及符号三 个PN 结第17页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五S+-灯不亮S+-灯 亮实 验工作原理第18页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGAP1 N1G P2

9、N2K N1P2第19页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五1)晶闸管阳极A与阴极K之间加正向电压，控制极断开，两个三极管均无基极电流，晶闸管不导通。EA+_R T1T2EGA第20页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五 T1T2A该过程在极短时间内连锁循环进行，形成正反馈，晶闸管瞬间全部饱和导通。KGEA 0、EG 0EGEA+_R2) 在控制极G与阴极K之间加正向电压，当IG 到达一定数值，T2 首先导通，随后T1导通， IC1与IG一起进入T2的基极后再次放大。第21页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五GEA 0、EG 0KE

10、A+_R T1T2EGA3）晶闸管导通后，去掉控制极，依靠正反馈，T2管的基极电流 IB2= IC1，管子维持导通。晶闸管导通后，控制极失去控制作用第22页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五在导通后，要关断晶闸管：1）阳极电流IA减小到某一数值以下， 内部连锁状态不能维持，管子截止。2) 切断阳极电源3) 在阳极和阴极之间 加反向电压GK T1T2EGA第23页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五1）晶闸管导通必须同时具备两个条件：阳极与阴极之间加正向电压控制极与阴极之间加正向电压2）晶闸管的控制极只有使晶闸管导通的作用，一旦 导通, 就不再有控制作用

11、，无论控制极对阴极有无电压 或反向电压，管子始终导通3）要使晶闸管阻断(截止), 必须具备下列三个条件之一：总 结切断阳极电源阳极电压反向将阳极电流减小到某一数值以下第24页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的导通和截止由阳极电压U、电流I及控制极电流IG决定，它们之间的关系用伏安特性曲线来表示。UI0+ - - + 第25页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五当晶闸管的阳极和阴极加正向电压，控制极无电压时，J2反偏，因此只有很小电流，称正向漏电流。 此时晶闸管截止，表现出很大的内阻。当正向电压增加到某一数值，漏电流突然增大，

12、晶闸管导通，可以通过很大的电流，而管压降仅1V左右。晶闸管由截止变为导通所对应的电压UBO称正向转折电压。UIUBRUBOIHIF0+ - - + AP1N1GP2N2KJ1J2J3第26页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五晶闸管导通后，减小正向压降，正向电流减小，当减小到某一数值，晶闸管又转为阻断。此时对应的最小电流称维持电流IH当晶闸管的阳极阴极加反向电压，特性与二极管相似，有很小的反向漏电流。加大反向电压,晶闸管在反向转折电压UBR处反向导通。AP1N1GP2N2KJ1J2J3UIUBRUBOIHIF0+ - - + 第27页，共99页，2022年，5月20日，23

13、点14分，星期五UIUBRUBOIHIF0+ - - + 当阳极电压高于转折电压时，元件导通，但这种导通方法容易造成元件不可恢复性击穿，一般不采用。当控制极加正向电压，IG 产生，特性曲线左移，正向转折电压降低, 元件容易导通。 IG 越大，UBO 越低。UIIGOIG1IG20因此，通常采用加控制电压的方式使晶闸管导通第28页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五正向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流U动画演示第29页，共99页，2022年，5月20日，23点1

14、4分，星期五晶闸管主要参数1.正向重复峰值电压UFRM2.反向重复峰值电压URRM3.正向平均电流IF4.维持电流IHUIUBRUBOURRMIHUFRMIF0+ - - + 第30页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五 晶闸管是晶体闸流管的简称，也称可控硅，它具有 一个控制电极，通过控制该电极可以控制晶闸管的 导通时间，调节输出电压电流的大小，称为可控整 流。可控硅整流电路 半导体二极管只有通断两种状态，用该元件组成的 整流电路，输出电流和电压的大小不能通过元件本 身来调节，称为不可控整流。第31页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五单相半波可控整流电

15、路1）以晶闸管代替半波整流电路中的二极管2）晶闸管与RL串联，电路电流为io，控制极施加 周期性正向脉冲电压uG特点+uuGuoRL+-+-io-1. 电路第32页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五2 工作原理t12u 0时: tOuuGuoRL+-+-io- 无触发信号，晶闸管承受正向电压导通第33页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五 tO控制角t1 tO tOt22tO导通角3 工作波形第34页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五输出电压及电流的平均值uo,iouoio晶闸管全导通晶闸管全阻断改变控制角，可改变输出电压Uo。第

16、35页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五单相半控桥式整流电路1. 电路2. 工作原理T1和D2承受正向电压。 T1控制极加触发电压, 则T1和D2导通，电流的通路为T1、T2 晶闸管D1、D2晶体管aRLD2T1b(1)电压u 为正半周时io+T1T2RLuoD1D2au+b此时，T2和D1均承受反向电压而截止。第36页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五io+T1T2RLuoD1D2au+b T2和D1承受正向电压。 T2控制极加触发电压, 则T2和D1导通，电流的通路为(2)电压u 为负半周时bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。第

17、37页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五 t tO3. 工作波形2 tO第38页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五4. 输出电压及电流的平均值uo,iouoio0u第39页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五两种常用可控整流电路电路特点该电路只用一只晶闸管，且其上 无反向电压。2. 晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-第40页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五电路特点(2) 由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-第4

18、1页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五单结晶体管有三个极，外型类似普通小功率三极管EB2B1要使晶闸管导通，除在阳极和阴极之间加正向电压，还要在控制极和阴极之间加正向触发电压。产生触发电压的电路称为触发电路。目前常用的是单结晶体管触发电路。单结晶体管触发电路第42页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五单结晶体管结构及工作原理B2第二基极B1N欧姆接触接触电阻P发射极E第一基极PN结N型硅片B2EB11.结构N型硅片的一侧引出两个极,B1称第一基极,B2称第二基极；硅片另一侧靠近B2处有一个PN结，从此处引出电极E称发射极。因有两个基极，单结晶体管又称双

19、基极二极管。第43页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五E（发射极）B2（第二基极）B1（第一基极）PN基极电阻EB2B1RB2RB1等效电路单结晶体管两个基极之间呈电阻性，称基极电阻RBB=RB1+RB2，其值为几千欧。第一基极与发射极之间的电阻为RB1，随射极电流IE的增大而减小，当IE为0，RB1为几千欧，当IE为20mA左右，其为几十欧。第二基极与发射极之间的电阻为RB2，数值恒定。发射结具有单向导电性，以二极管D表示。2 特性分析第44页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五E（发射极）B2（第二基极）B1（第一基极）PN等效电路在两个基极之间外

20、加一个电压UBB，当UE=0时，A点对地电压为：2 特性分析EB2B1RB2RB1A 分压系数（分压比） 一般为0.3 0.9第45页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五IEPIPIVUPUEVUV截止区负阻区饱和区伏安特性曲线+-+-REB2B1+- E+-UEIERP+-+-REB2B1+-ERPRB2RB1D 测量单结晶体管特性的实验电路UBBUBBAA第46页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五3 .单结晶体管的伏安特性 UV、IV(谷点电压、电流): 维持单结管导通的最小 电压、电流。 UP(峰点电压)： 单结管由截止变导通 所需发射极电压。I

21、pIVoIEUEUP峰点电压UV谷点电压V负阻区截止区饱和区负阻区：IE增加、UE反而下降，出现负阻。PUE UAPN结反偏，IE0单结管截止第47页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五IEPIPIVUPVUV截止区负阻区饱和区UE 1. UE UP时单结管导通，UE UV时恢复截止。2. 单结晶体管的峰点电压UP 与外加固定电压UBB及分 压比有关，外加电压UBB 或分压比不同，则峰点电 压UP不同。RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1小 结第48页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五单结晶体管振荡电路R1，R2 为外接电阻C 为外接电容

22、ugR2R1RUucE+C+_+_50100k3000. 47F单结晶体管振荡电路利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。第49页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五ugR2R1RUuCE+C+_+_50100k3000. 47F工作原理设通电前uC=0。接通电源U, 电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高。当uC UP时,单结管导通,电容C放电,R1上得到一脉冲电压。UpUvUp-UDuCtugt电容放电至 uC Uv时，单结管重新关断，使ug0。(a)(b)第50页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五电容上的电荷通过R1

23、放电，放电速度取决于R1C，因为R1UA2时，控制极相对于A2加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从A1流向A2。UA2UA1时，控制极相对于A2加负脉冲，晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。A1A2G第72页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五交流调压电路 双向二极管：只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。RC Tu+_双向二极管第73页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五End第74页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五T1、T2 -晶闸管D1、D2 -晶体管T1T2D1D2RLuu0+-+-io半控桥式全波整流电路第75页

24、，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五T1T2D1D2RLuu0+-+-ioU 的正半周时，T1和D2导通，电流的通路为：ab工作原理第76页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五U 的负半周时，T2和D1导通，电流的通路为：T1T2D1D2RLuu0+-+-ioab第77页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五波形分析uo,iouoio0uuT10uT2T1T2D1D2RLuu0+-+-ioabT1T2D1D2RLuu0+-+-iouuG2第78页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五输出电压的平均值为：输出电流的平均值

25、为：输出电压及电流的平均值uo,iouoio0u第79页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五IEPIPIVUPUEVUV截止区负阻区饱和区伏安特性曲线+-+-REB2B1+-UBBE+-UEIERP+-+-REB2B1+-UBBERPRB2RB1D测量单结晶体管特性的实验电路第80页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五伏安特性曲线在两个基极之间加正向电压UBB当发射极电压为0：UA=RB1UBB /(RB1+RB2 )= UBB 称分压系数(分压比)，一般为0.30.9，是单结晶体管的重要参数提高发射极电压UE：当UEUA, PN结反偏, IE几乎为0，

26、 RB1呈高阻，单结晶体管截止。IEPIPIVUPVUV截止区负阻区饱和区UE+-+-REB2B1+-UBBERPRB2RB1DA第81页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五IEPIPIVUPVUV截止区负阻区饱和区UE当UE 升高到一定值: PN 结导通，发射极电流 IE 增大，电压 UE 的最大值称为峰点电压UP ，与之对应的电流称峰点电流IPUP=UA+UD= UBB+UD ，UD 为二极管正向压降，约0.6VPN结导通后，RB1 迅速减小，E与B1之间的电压UE 下降，这段曲线的动态电阻UE / IE为负值，称为负阻区+-+-REB2B1+-UBBERPRB2RB1

27、DA第82页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五UE 逐步下降至UV 点，当 UEUV，单结晶体管关断。IE 再增大，UE 仅略有增大，单结晶体管进入饱和区。电压UE 的最低点称谷点电压UVIEPIPIVUPVUV截止区负阻区饱和区UE+-+-REB2B1+-UBBERPRB2RB1DA第83页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五当UE=UP 时，单结晶体管导通，呈低阻态当UEUV 时，单结晶体管关断，呈高阻态IEPIPIVUPVUV截止区负阻区饱和区UE小 结第84页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五uCttuG工作原理接通电源,

28、电容充电,电压uc 上升,上升速度取决于RC的值,当 uCuP, 单结晶体管截止2) 当uC=uP, 单结管E导通, E 与B1间电阻突然减小，电容上的电荷通过R1 放电，放电速度取决于RC1，因为R1R，放电迅速，放电电流在R1 上形成尖脉冲。RR2100KC+uC-uGEB1R1B23051+-+_U第85页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五uFttuGRR2100KC+uC-uGEB1R1B23051+-+_U3) 当uc 降到谷点电压 uV , 单结管关断。4)重复上述过程， 在R1上形成一系列尖脉冲。第86页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期

29、五uouZ整 流削 波波形关系第87页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五波形关系UZ削 波uZuCUpUvuG电容充、放电触 发 脉 冲第88页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五uG触发脉冲uL波形关系第89页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五UZ整流、削波uLuCUpUvug电容充、放电触 发 脉 冲uZ小结第90页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五温度补偿电阻R2R2R2 的作用是补偿温度变化对单结晶体管峰值电压UP 的影响UP=UBB+UD 当温度升高，结电压UD 略有减小，而RBB随温度升高而略有增大。串联R2 以后，若RBB增大，按照分压原理，UBB 升高，补偿UD 的 减小，使UP 稳定。200600第91页，共99页，2022年，5月20日，23点14分，星期五(1)稳压管削波作用。使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周期产生的第一个脉冲的时间不受交流电源电压的波动影响。