第五章集成稳压电源与可控整流电路ppt课件

1、第五章第五章5.1 5.1 串联型稳压电路与集成稳压电源串联型稳压电路与集成稳压电源 5.2 5.2 晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路 5.3 5.3 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 5.1 5.1 串联型稳压电路与集成稳压电源串联型稳压电路与集成稳压电源 5.1.1 5.1.1 串联型稳压电路串联型稳压电路 稳压电路的作用是当交流电源电压波动、负载稳压电路的作用是当交流电源电压波动、负载或温度变化时，维持输出直流电压稳定。在小功率或温度变化时，维持输出直流电压稳定。在小功率电源设备中，用得比较多的稳压电路有两种：一种电源设备中，用得比较多的稳压电路有两种：一种是第一章讨论的用稳压二

2、极管组成的并联稳压电路，是第一章讨论的用稳压二极管组成的并联稳压电路，另一种是串联型稳压电路。另一种是串联型稳压电路。5.1.1.1 串联型晶体管稳压电路及其稳压过程 最简单的串联型晶体管稳压电路如图5-1所示。 图5-1简单的串联型稳压电路 图中UI是经整流滤波后的输入电压，VT为调整管， 为硅稳压管，用来稳定晶体管VT的基极电位 ，作为稳压电路的基准电压；R既是稳压管 的限流电阻，又是晶体管VT的偏置电阻。 电路的稳压过程如下： 若电网电压变动或负载电阻变化使输出电压U0升高，由于基极电位VB被稳压管稳住不变，由图5-1可知 ，这样U0升高时，UBE必然减小，导致IB (IE)减小,从而使

3、Uo 减小,达到输出电压保持不变的目的。上述稳压过程可表示如下： BEBEUUUUoUBEIBIEUo ZVDBUZVD5.1.1.2 带有放大环节的串联型稳压电路 简单的串联型晶体管稳压电源是直接通过输出电压的微小变化去控制调整管来达到稳压的目的，其稳压效果不好。 若先从输出电压中取得微小的变化量，经过放大后再去控制调整管，就可大大提高稳压效果，其电路如图5-2所示。 （1电路组成 该电路由四个基本部分组成，其框图见图5-3。 采样电路 由分压电阻R1、R2组成。它对输出电压U0进行分压，取出一部分作为取样电压给比较放大电路。 图5-2 串联型稳压电路 图5-3串联型稳压电路框图 基准电压电

4、路 由稳压管和限流电阻R3组成，提供一个稳定性较高的直流电压UZ，作为调整、比较的标准，称作基准电压。 比较放大电路 由晶体管VT1和R4构成，其作用是将采样电路采集的电压与基准电压进行比较并放大，进而推动电压调整环节工作。 电压调整电路 由工作于放大状态的晶体管VT2构成，其基极电流受比较放大电路输出信号的控制，在比较放大电路的推动下改变调整环节的压降，使输出电压稳定。 （2稳压过程 假设U0因输入电压波动或负载变化而增大时，则经采样电路获得的采样电压也增大，而基准电压UZ不变，所以采样放大管VT1的输入电压UBE1增大，VT1管基极电流IB1增大，经放大后，VT1的集电极电流IC1也增大，

5、导致VT1的集电极电位UC1下降，VT2管基极电位UB2也下降，IB2减小，IC2减小，UCE2增大，使输出电压U0下降，补偿了U0的升高，从而保证输出电压U0基本不变。 同理，当U0降低时，通过电路的反馈作用也会使U0保持基本不变。 串联型稳压电路的比较放大电路还可以用集成运放来组成。由于集成运放的放大倍数高，输入电流极小，提高了稳压电路的稳定性，因而应用越来越广泛。 UIUOUBE1IB1IC1UC1 UOUCE2IC2IB2UB2 这一调节过程可表示为：5.1.3 稳压电路的过载保护措施 在串联型稳压电路中，负载电流全部流过调整管。当负载短路或过载会使调整管电流过大而损坏，为此必须设置过

6、载保护电路。保护电路有限流型和截止型两种。下面仅介绍限流型保护电路，如图5-4所示。 图5-4限流型保护电路 图中RS为检测电阻。正常工作时，负载电流I0在RS上的压降小于VT2导通电压UBE2，VT2截止，稳压电路正常工作。当负载电流I0过大超过允许值时，URS增大使VT2导通，比较放大器输出电流被VT2分流，使流入调整管VT1基极的电流受到限制，从而使输出电流I0受到限制，保护了调整管及整个电路。 5.1.2 5.1.2 集成稳压电源集成稳压电源 集成稳压电源，又称集成稳压器，是把稳压电路中的大集成稳压电源，又称集成稳压器，是把稳压电路中的大部分元件或全部元件制作在一片硅片上而成为集成稳压

7、块，部分元件或全部元件制作在一片硅片上而成为集成稳压块，是一个完整的稳压电路。它具有体积小、重量轻、可靠性高、是一个完整的稳压电路。它具有体积小、重量轻、可靠性高、使用灵活，价格低廉等优点。使用灵活，价格低廉等优点。 集成稳压电源的种类很多。按工作方式可分为线性串联集成稳压电源的种类很多。按工作方式可分为线性串联型和开关型，按输出电压方式可分为固定式和可调式，按结型和开关型，按输出电压方式可分为固定式和可调式，按结构可分为三端式和多端式。我们主要介绍国产构可分为三端式和多端式。我们主要介绍国产W7800W7800系列系列输出正电压和输出正电压和W7900W7900系列输出负电压稳压器的使用。系

8、列输出负电压稳压器的使用。 5.1.2.1 固定式三端稳压器 W7800系列和W7900系列三端稳压器输出固定的直流电压。 （a外形 （b电路图 图5-5 W79XX系列稳压器 7800系列输出固定的正电压，有5V、8V、12V、15V、18V、24V等多种。如W7815的输出电压为15V；最高输入电压为35V；最小输入、输出电压差为2V；加散热器时最大输出电流可达2.2A；输出电阻为0.030.15；电压变化率为0.1%0.2%。 W7900系列输出固定的负电压，其参数与W7800系列基本相同。 三端稳压器的外形和管脚排列如图5-5所示，按管脚编号，W7800系列的管脚1为输入端，2为输出端

9、，3为公共端；W7900系列的管脚3为输入端，2为输出端，1为公共端。使用时，三端稳压器接在整流滤波电路之后，如图5-6所示。电容 用于防止产生自激振荡，减少输入电压的脉动，其容量较小，一般小于1 。电容 用于削弱电路的高频噪声，可取小于1 的电容，也可取几微法甚至几十微法的电容。 CiFFoC 在电子线路中，常需要将W7800系列和W7900系列组合连接，同时输出正、负电压的双向直流稳压电源，电路见图5-7。 图5-6输出固定电压的稳压电路 图5-7 正、负电压同时输出的电路 5.1.2.2 提高输出电压的电路 如果需要扩展三端稳压器的输出电压，可采用如图5-8的升压电路，设U为三端稳压器7

10、8的标称输出电压，R1上的电压为U，产生的电流IR1= U/ R1，在R1 、R2串联电路上产生的压降为 ，IQR2 为稳压器静态工作电流在R2上产生的压降。 211XXRUR图5-8 提高输出电压的电路 一般IR15IQ，IQ约为几毫安，当IR1IQ，即R1、R2较小时，则有 211oXXRUUR 即输出电压仅与R1、R2 、U有关，改变R1、R2的数值，可达到扩展输出电压的目的。上述电路的缺点是，当稳压电路输入电压变化时，IQ也发生变化，这将影响稳压器的稳压精度，当R2 较大时尤其如此。 5.1.2.3 扩展输出电流电路图5-9 扩大输出电流的电路 三端固定式稳压器可借助功率管扩展输出电流

11、，电路如图5-9所示。输出电流Io为 OOXXCIII 由上式可知，输出电流由三端稳压器和晶体管共同提供，输出电流得以扩展，IOmax决定于ICmax。由图又可得： OXXRBQIIII（当 时） 当晶体管VT1截止时，即IC =0，设UBE10.3V，此时Io=10mA，由此可决定R。 为防止输出端短路造成调整管VT1的损坏，可引入限流保护电路VT2。 111BEBEOXXRCBQCQCQUUIIIIIIIIIRR111,30BEBEQQUUIRRRI即5.1.2.4 三端可调式集成稳压器 W317为可调输出正电压稳压器，W337为可调输出负电压稳压器。它们的输出电压分别为1.2V37V连续

12、可调，其输出电流为1.5A。 图5-10(a)、(b)分别是用W317和W337组成的可调输出电压稳压电路。 图5-10(a)、(b)分别是用W317和W337组成的可调输出电压稳压电路 图5-10可调式集成稳压器 5.1.2.5 具有正、负电压输出的稳压电源 当需要正、负两组电源输出时，可以采用7800系列正单片稳压器和7900系列负压单片稳压器各一块，接线如图5-11所示。由图可见，这种用正、负集成稳压器构成的正负两组电源，不仅稳压器具有公共接地端，而且它们的整流部分也是公共的。 仅用7800系列正压稳压器也能构成正负两组电源，接法如图5-12所示，这时需两个独立的变压器绕组，作为负电源的

13、正压稳压器需将输出端接地，原公共接地端作为输出端。 图5-11 用7800系列和7900系列单片稳压器组成的正、负双电源 图5-12 用两块7800系列单片正集成稳压器组成的正负双电源 5.2 晶闸管可控整流电路5.2.1 晶闸管 晶闸管的全称是晶体闸流管(Thyristor)，又名可控硅(Silicon Controlled Rectifier)，它是一种应用十分广泛的半导体功率器件。晶闸管是可用作可控整流、交流调压、无触点开关电路以及大功率变频和调速系统中的重要器件。它和大功率晶体三极管比较，具有效率高、电流容量大、使用方便而又经济等特点。 晶闸管的品种很多，有普通单向和双向晶闸管、可关断

14、晶闸管、光控晶闸管等。5.2.1.1 晶闸管的结构和工作原理 （1晶闸管的结构和等效电路 晶闸管的外型和符号如图5-13所示，内部结构如图5-14所示。它是由P1N1P2N2四层半导体硅构成，共包含三个PN结：J1、J2和J3,由P1层引出的电极称为阳极A，由N2层引出的电极称为阴极K，由P2层引出的电极G称为控制极或门极）。 为了更好地了解晶闸管的工作原理,常将其N1和P2 两个区域分解成两部分,使得P1N1P2 构成一只PNP型管, N1P2N2 构成一只NPN型管,用晶体管的符号表示等效电路,如图5-15。 图5-13 晶闸管的外型和符号 图5-14 晶闸管的内部结构图 图5-15 晶闸

15、管的等效电路 （2） 晶闸管的工作原理 图5-16 晶闸管的工作原理 a.晶闸管加阳极负电压- 时，J1和J3处于反向偏置,管子不导通,处于反向阻断状态。 b.晶闸管加阳极正电压 ，控制极不加电压时，J2处于反向偏置,管子不导通,处于正向阻断状态。 c.晶闸管加阳极正电压 ，晶体管VT1和VT2都承受正常工作的集射电压,同时也加控制极正电压 ，VT2具备放大条件而导通，流入VT2的基极电流 （即IG被放大后产生集电极电流2 ，它又作为输入VT1的基极电流 ，又经VT1放大后产生VT1的集电极电流12 ，这个电流又反馈入VT2的基极，再一次得到放大，如此循环不止，很快地，两个管子都饱和导通,晶闸

16、管导通。 AUAUAUGU2BI2BI1BI2BI d.晶闸管一旦导通,控制极就失去控制作用,管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。要使导通的晶闸管截止，必须将阳极电压降至零或为负，或使晶闸管阳极电流减小到小于一定数值 ,导致晶闸管不能维持正反馈过程,管子将关断, 称为维持电流。综上所述，可得如下结论： a.晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：阳极加正向电压，同时控制极也加正向触发电压。 b.晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须至少具备以下条件之一：一是将阳极电流减小到小于维持电流 ；二是将阳极

17、电压减小到零或使之反向。 HIHIHI5.2.1.2 晶闸管的伏安特性和主要参数 （1晶闸管的伏安特性 图5-17 晶闸管的伏安特性 晶闸管的阳、阴极间电压和阳极电流的关系伏安特性如图5-17所示。当控制极不加电压IG=0时，从图5-16的结构图可以看出，尽管晶闸管的阳、阴极间加上正向电压，由于J2结处于反向偏置，因而，晶闸管只能流过很小的正向漏电流IDR见图5-17）。我们称晶闸管处于“正向阻断状态”，当正向电压增大到特性上的正向转折电压UBO值时，J2结被击穿，电流由IDR值突然上升，晶闸管就由阻断状态变为正向导通状态，管压降迅速降为UF值。 当晶闸管加反向的阳、阴电压时，从图5-14的结

18、构图可以看出，J1和J3结处于反向偏置，晶闸管也只能流过很小的反向电流IR见图5-17）。我们称晶闸管处于“反向阻断状态”，当反向电压增大到特性上的反向转折电压UBR值时，J1、J3结被击穿，电流由IR值突然上升，晶闸管反向导通，此时功耗很大击穿电压UBR很大），晶闸管可能损坏。 图5-17的特性还反映出，当控制极加有电压使IG0时，晶闸管承受的正向转折电压要比IG0时的小得多，晶闸管一旦被触发导通，管压降迅速下降至UF值约1V左右），功耗很小，晶闸管可以安全工作。 （2主要参数 a.电压定额 1正向转折电压UBO。 指在额定结温和控制极断开的条件下，使晶闸管直接导通的正向电压，其值愈大愈好。

19、 2断态重复峰值电压UDRM。 又称正向阻断峰值电压，这是安全工作的正向最大电压，其值规定为：UDRMUBO100V。 3反向转折电压UBR。 又称为反向击穿电压。 4反向重复峰值电压URRM。 又称反向阻断峰值电压，这是安全工作的反向最大电压，其值规定为：|URRM|UBR|100V。 5晶闸管额定电压UT。 通常把UDRM和URRM中较小者的标准值作为器件的标称额定电压。为了防止工作中的晶闸管遭受瞬态过电压的损害，在选用晶闸管的额定电压时要留有余量。通常取电压安全系数为23，即取额定电压为电路正常峰值电压的23倍。 6正向平均电压UF或UT(AV)）。 晶闸管导通时管压降的平均值，一般在0

20、412V范围内，分为AI九个等级。器件发热的管耗由UFIT乘积决定。 b.电流定额 1额定通态平均电流IT(AV)（额定电流）。指在规定环境温度及散热条件下，允许通过的正弦半波电流的平均值。为了安全工作起见，一般取IT(AV)为电路正常工作平均电流的l.52倍，即电流安全系数为l.52。 2挚住电流ILa。 晶闸管从断态到通态，去掉控制极电压，能使它保持导通所需的最小电流。 3维持电流IH。 晶闸管从通态到断态的最小电流，当晶闸管导通后，必降低所加的正向电压，直至阳极电流IAIH时，晶闸管才会关断。一般有 。 1142HLaII c.控制极定额 1控制极触发电压UGT和电流IGT。 指环境温度

21、不高于40C，阳阴极间所加正向电压为6V直流），触发晶闸管使其从阻断到导通所需的最小控制极直流电压和电流。 2控制极反向电压峰值URGM。 一般控制极所加反向电压应小于其允许电压峰值，通常安全电压为5V左右。 5.2.25.2.2晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路 可控整流电路的作用是将交流电变换为电压大小可以调可控整流电路的作用是将交流电变换为电压大小可以调节的直流电节的直流电, ,以供给直流用电设备以供给直流用电设备, , 如电池充电器、直流电如电池充电器、直流电机无级调速、电解或电镀用直流电源等。它主要利用晶闸管机无级调速、电解或电镀用直流电源等。它主要利用晶闸管的单向导电性和可控性构

22、成。为满足不同的生产需要的单向导电性和可控性构成。为满足不同的生产需要, ,可控可控整流电路有多种类型整流电路有多种类型, ,其中最基本、应用最多的是单相和三其中最基本、应用最多的是单相和三相桥式可控整流电路。下面介绍单相可控整流的几种典型电相桥式可控整流电路。下面介绍单相可控整流的几种典型电路及其分析方法。路及其分析方法。 5.2.2.1 单相半波可控整流电路 （1电路组成及工作原理 图5-18 单相半波可控整流电路 图5-18是单相半波可控整流电路，当交流电压u输入后，在正半周内，晶闸管承受正向电压，如果在t1时刻给控制极加入一个适当的正向触发电压脉冲uG，晶闸管就会导通，于是负载上就会得

23、到如图5-18d所示的单向脉动电压uO，并有相应电流流过。当交流电压u经过零值时，流过晶闸管的电流小于维持电流，晶闸管便自行关断。当交流电压u进入负半周时，晶闸管因承受反向电压而保持关断状态。 当输入交流电压u的第二个周期来到后，在相应的时刻t2加入触发正脉冲，于是晶闸管又导通，这样负载上就得到有规律的直流电压输出。电路各处的电压波形如图5-18所示。 如果在晶闸管承受正向电压期间，改变控制极触发电压uG加入的时刻称为触发脉冲的移相），显然负载上得到的直流电压波形和大小也都随之改变，这样就实现了对输出电压的调节。由于触发电压uG数值很小，而负载上得到的电流和电压和要大的多，因此这是一种以弱控制

24、强的调节过程。 （2控制角与导通角 晶闸管在正向阳、阴极电压下，半个周期内，不导通的范围称为控制角，用“表示，导通的范围称为导通角，用“表示，如图5-18d所示。单相半波可控整流的与变化范围为0180，并且180。 （3输出电压UO的计算 由图5-18d的输出电压波形图可求得输出电压的平均值为 () 11 cos2 sin0.4522O AVUUtd tU 当控制角0时，成为半波整流电路。 （4晶闸管承受的最大正、反向电压 由图5-18可以看出，当控制角90时，晶闸管在正、负半周中所承受的正向和反向截止电压最大值，都可达到输入交流电压的峰值，即 。如果交流输入电压U220V，则承受的峰值电压为

25、 312V，再考虑到安全系数23倍，则要选额定电压为600V以上的晶闸管。 （5对单相半波可控整流电路的评价 单相半波可控整流电路的优点是电路简单，元件用的少，调整安装方便，缺点是输出电压低、脉动大。适用于小容量、电容滤波的可控直流电源。 2U2U5.2.2.2 单相桥式全波可控整流电路 （1电路组成与工作原理 图5-19 单相全波可控整流电路 图5-19为一单相桥式可控整流电路。当输入电压为正半周时a正b负），VT1处于正向电压下，VT2处于反向电压下。在t1时刻加上控制极触发脉冲，只有VT1被触发导通，电流途径是：电源a端VT1RLVD1电源b端，如图5-19a中实线所示。当输入电压为负半

26、周时a负b正），同理，在t2时刻，VT2和VD2导通，电流途径如图5-19a中虚线所示。这样，负载RL上便得到如图5-19d所示的全波输出电压uO。 （2输出电压Uo计算 对照图5-19d和图5-18d），可见单相桥式可控整流电路的直流输出电压平均值为单相半波的两倍，即 Uo (AV)045 U1cos） （3晶闸管和二极管上承受的最大正、反向电压由图5-19d不难看出，当控制角90时，两只晶闸管承爱的正、反向电压也为 ；二极管VD1、VD2上承受的最大反压也是 。 （4晶闸管的额定电压和电流选择 按照前面介绍的参数含义，可按下列条件选择晶闸管的额定电压 (2 3) 2TUU2U2U 流过晶闸

27、管的电流为负载电流的一半，故按下列条件选择晶闸管的额定正向平均电流 ()()(1.5 2)2o AVT AVII 必须指出，式5-7是一个估算电流定额的近似式。因为使晶闸管发热的是有效值电流，而不是电流的平均值。当晶闸管的控制角不同时，流过晶闸管的电流波形也不同。计算各种导通角下的电流有效值是相当繁琐的工作。工程实用上采用查表或曲线法，表5-1列出了在电阻性负载下，不同导通角时的电流有效值I与平均值IT之比；输出电压平均值Uo与输入电压有效值U之比的数据。 表5-1 晶闸管导通角与电流电压关系电阻性负载） 30 60 90 120 150 180 半波Uo/U 0.03 0.113 0.225

28、 0.338 0.420 0.45 I/IT 3.99 2.78 2.22 1.88 1.66 1.57 桥式 Uo/U 0.06 0.226 0.45 0.676 0.84 0.9 I/IT 3.99 2.78 2.22 1.88 1.66 1.57 应用表5-1时，应先计算流过晶闸管的实际电流平均值IT和导通角，查表得电流比IIT，从而求出流过晶闸管的电流有效值I，最后按下式选择晶闸管的正弦半波电流平均值的定额，即 ()(1.5 2)1.57T AVII式中：I流过晶闸管的电流有效值，1.57正弦半波全导通时(180)的有效值与平均值之比，1.52为安全系数。 例5-1有一单相全波可控整流

29、电路，采用图5-19的电路，RL5，负载两端的电压平均值Uo100V，交流电源电压U220V，试 （1计算晶闸管的导通角； （2选择晶闸管的额定电压UT和电流IT(AV)。解：（1计算导通角 根据单相全波可控整流电路输出电压平均值公式： ()0.45 (1 cos)O AVUU可得： 100=0.45 220(1+cos )那么 100cos10.010.45 220 故 2因此得到导通角： 01802 （2选择晶闸管 负载电流平均值： 010020A5oLUIR流过晶闸管的电流：o1I =10A2TI 查表5-1，当90，电流比IIT2.22，取安全系数为1.5，代入： ()(1.5 2)1

30、.57T AVII可得晶闸管额定电流： ()1.5 2.221.5 2.22 101.521.2A1.571.571.57TT AVIII取安全系数为2，可求得晶闸管的额定电压为： 2 22 1.41 220620VTUU查产品手册KP307型晶闸管，IT(AV)30A，UT700V。 5.3 单结晶体管触发电路 晶闸管可控整流电路中，要实现可控目的，就需要将一个相位可以移动的触发信号加到晶闸管的控制极，以改变晶闸管的导通角，调节输出电压的大小。 根据晶闸管的性能，对触发电路提出下列要求。 （1触发信号要满足晶闸管控制极参数的电压UGT和电流IGT要求，一般触发电压幅值为410V。 （2触发脉

31、冲上升沿要陡，对于触发时间要求严格的其触发脉冲上升前沿要小于10s。 （3触发脉冲要有足够的宽度，因为晶闸管的开通时间为6s左右，故触发脉冲的宽度不能小于6s，特别是电感性的负载，其触发脉冲宽度最好在2050s以上。 （4不触发时，触发电路的输出电压应小于0.150.2V，以免误触发。 （5触发脉冲必须与主电路的交流电源同步，以保证晶闸管在每个周期的同一时刻触发，导通角保持相对稳定。 （6触发脉冲应能平稳地移相，控制角的移动范围要求接近或大于150。 下面介绍一种最简单的触发电路。 5.3.1 5.3.1 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 用单结晶体管用单结晶体管UJTUJTUnijunc

32、tion TransistorUnijunction Transistor组成的组成的触发电路，线路简单，具有工作可靠、调整方便等优点，因触发电路，线路简单，具有工作可靠、调整方便等优点，因此应用相当广泛。此应用相当广泛。5.3.1 5.3.1 单结晶体管的结构、特性单结晶体管的结构、特性 （1 1构造构造 它的外形很象晶体三极管，它也有三个电极，称为发射它的外形很象晶体三极管，它也有三个电极，称为发射权权E E，第一基极，第一基极B1B1，第二基极，第二基极B2B2，所以又叫双基极二极管。，所以又叫双基极二极管。 内部结构如图5-20a），在一块高电阻率的N型硅片两端，制作两个镀金欧姆接触电极接触电阻非常小），分别叫做第一基极B1和第二基极B2，硅片的另一侧靠近第二基极B2处制作了一个PN结，在P型半导体上引出的电极叫做发射极E。为了便于分析单结晶体管的工作特性，通常把两个基极B1和B2之间的N型