电工学简明教程 第12章

1、第第 12 章章 直流稳压电源直流稳压电源第第 12 章直流稳压电源章直流稳压电源12.1整流电路整流电路12.2滤波器滤波器12.3直流稳压电源直流稳压电源*12.4晶闸管及可控整流电路晶闸管及可控整流电路下图是半导体直流电源的原理方框图下图是半导体直流电源的原理方框图，它表示把交它表示把交流电变换为直流电的过程。流电变换为直流电的过程。滤波滤波整流整流稳压稳压交流交流电源电源负载负载OtuOtuOtuOtuOtu变压变压滤波滤波整流整流稳压稳压交流交流电源电源负载负载OtuOtuOtuOtuOtu变压变压图中各环节的功能如下图中各环节的功能如下：1整流变压器整流变压器：将交流电源电压变换为

2、符合整流需要的电压。将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。2整流电路整流电路：将交流电压变换为单向脉动电压。将交流电压变换为单向脉动电压。3滤波器滤波器：减小整流电压的脉动程度。减小整流电压的脉动程度。4稳压环节稳压环节：在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定，成为符合整流需要的电压。出电压稳定，成为符合整流需要的电压。12.1整流电路整流电路整流电路中最常用的是单相桥式整流电路，它由四个整流电路中最常用的是单相桥式整流电路，它由四个二极管二极管 D1 D4 接成电桥的形式构成。接成电桥的形式构成。RLiOD4D3D2D1+u +uO RL

3、iO工作原理：工作原理： 在在 u 的的正半周，正半周， D1 和和 D3 导通，导通，D2 和和 D4 截止截止( (相相当于开路当于开路) )，电流的通路如图中电流的通路如图中红色箭头红色箭头所示。所示。D4D3D2D1+u +uO +RLD4D3D2iOD1在在 u 的负半周，的负半周，D2 和和 D4 导通导通，D1 和和 D3 截止截止( (相当相当于开路于开路) )，电流的通路如图中，电流的通路如图中绿色箭头绿色箭头所示。所示。+u +uO +在一个周期内，通过电阻的电流方向相同，在负载在一个周期内，通过电阻的电流方向相同，在负载上得到的是全波整流电压上得到的是全波整流电压 uO。

4、 t0 t0 t0 t0 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uD1uD3uD4uD2uOuuDiOU2U2U2由于二极管的正向压降由于二极管的正向压降很小，因此可认为很小，因此可认为 uO 的波形的波形和和 u 的正半波是相同的。输的正半波是相同的。输出电压的平均值为出电压的平均值为式中，式中，U 是变压器二次交流电是变压器二次交流电压压 u 的有效值。的有效值。截止管所承受的最高反截止管所承受的最高反向电压为向电压为UU2DRM sin()O012dUUtt .2 20 9UU 右右图是单相图是单相桥式整流电路的桥式整流电路的简化画法简化画法 例例 1 已知负载电阻已知负载电阻 RL =

5、 80 ，负载电压负载电压 UO = 110 V。今采用今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为单相桥式整流电路，交流电源电压为 380 V。( (1) )如何如何选用晶体二极管？选用晶体二极管？( (2) )求整流变压器的变比及容量。求整流变压器的变比及容量。 解解 ( (1) )负载电流负载电流A1.4A80110LOO RUI每个二极管通过的平均电流每个二极管通过的平均电流变压器副边电压的有效值为变压器副边电压的有效值为+uo RLio+u V122V0.91100.9O UUDO10.7 A2II考虑到变压器二次绕组及管子上的压降，变压器二次电考虑到变压器二次绕组及管子上的压降，变压器二

6、次电压大约要高出压大约要高出 10%，即，即 122 1.1 V = 134 V。于是。于是V189V1342DRM U因此可选用因此可选用 2CZ55E 晶体二极管，其晶体二极管，其最大整流电流最大整流电流为为 1 A，反向工作峰值电压反向工作峰值电压为为 300 V。( (2) )变压器的变比及容量变压器的变比及容量变压器的变比变压器的变比2.8134380 K变压器二次电流的有效值为变压器二次电流的有效值为A1.55A0.91.40.9O II变压器的容量为变压器的容量为134 1.55 V A208 V ASUI可选用可选用 BK300( (300V A) )，380/134V 的变压

7、器。的变压器。12.2滤波器滤波器电容电容充电充电电容电容放电放电二极管导通时给电容充电二极管导通时给电容充电，二极管截止时电容向负载放二极管截止时电容向负载放电电；滤波后输出电压滤波后输出电压 uO 的波形变得平缓的波形变得平缓，平均值提高。平均值提高。12.2.1电容滤波器电容滤波器( (C 滤波器滤波器) )电容滤波器的电容滤波器的组成和工作原理组成和工作原理RLD1D4D3D2iOC+ uO= uC +u 经经 C 滤波后滤波后 uO 的波形的波形 tuO 0U2 2 可见放电时间常数可见放电时间常数 = RLC越大越大，脉动越小脉动越小，输出电压平均输出电压平均值越高值越高，一般要求

8、一般要求式中，式中，T 是是 uO 的周期。这时，的周期。这时，UO 1.2U。 例例 1 有一有一单相桥式单相桥式电容滤波电容滤波整流电路，已知交流电源整流电路，已知交流电源频率频率 f = 50 Hz，负载电阻负载电阻 RL = 200 ，要求直流输出电压要求直流输出电压 UO = 30 V，选择选择整流二极管整流二极管及及滤波电容器。滤波电容器。 解解 ( (1) )选择选择整流二极管整流二极管流过二极管的电流流过二极管的电流mA75A0.075A20030212121LOOD RUII取取 UO = 1.2U，所以变压器二次电压的有效值。所以变压器二次电压的有效值。( )L352TR

9、CmA75A0.075A20030212121LOOD RUII取取 UO = 1.2U，所以变压器二次电压的有效值所以变压器二次电压的有效值V25V1.2301.2O UU二极管所承受的最高反向电压二极管所承受的最高反向电压V35V2522DRM UU因此可选用因此可选用 2CZ52B 型二极管，其型二极管，其最大整流电流最大整流电流为为 100 mA，反向工作峰值电压反向工作峰值电压为为 50 V。( (2) )选择滤波电容器选择滤波电容器所以所以取取25LTCR s0.05s21/505L CR选用选用 C = 250 F ，耐压为，耐压为 50 V 的极性电容器。的极性电容器。6L0.

10、050.05F250 10F250 F200CR RLL C+u 12.2.2电感电容滤波器电感电容滤波器( (LC 滤波器滤波器) )当通过电感线圈的电流发生变化时当通过电感线圈的电流发生变化时，线圈中要产生自感线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化，因而使负载电流和负载电压的脉动电动势阻碍电流的变化，因而使负载电流和负载电压的脉动大为减小。频率越高，电感越大，滤波效果越好，而后又经大为减小。频率越高，电感越大，滤波效果越好，而后又经过电容滤波，使输出电压更为平直。过电容滤波，使输出电压更为平直。12.3直流稳压电源直流稳压电源12.3.1稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路引起电压不稳定的原

11、因是交流电源电压的波动和负载电流引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化的变化，下面分析在这两种情况下的稳压作用。下面分析在这两种情况下的稳压作用。( (1) )当交流电源电压增加而使整流输出电压当交流电源电压增加而使整流输出电压 UI 随着增加随着增加时，负载电压时，负载电压 UO 也要增加。也要增加。UO 即为稳压管两端的反向电压。即为稳压管两端的反向电压。负载电压负载电压 UO 稍有增加时，稳压管的电流稍有增加时，稳压管的电流 IZ 就显著增加，就显著增加，因此限流电阻因此限流电阻 R 上的电压降增加，以抵偿上的电压降增加，以抵偿 UI 的增加，从而使的增加，从而使 UO

12、 保持近似不变。保持近似不变。IRRLCRIZDZIO+UO +UI +( (2) )当电源电压保持不变，而负载电流增大时，电阻当电源电压保持不变，而负载电流增大时，电阻 R 上上的电压降增大，负载电压的电压降增大，负载电压 UO 因而下降。只要因而下降。只要 UO 下降一点，下降一点，稳压管电流稳压管电流 IZ 就显著减小，使通过电阻就显著减小，使通过电阻 R 的电流和电阻上的的电流和电阻上的电压降保持近似不变，因此负载电压电压降保持近似不变，因此负载电压 UO 也就近似稳定不变也就近似稳定不变选择稳压管时一般取选择稳压管时一般取 UZ = UO ， UI = (2 3)UO 。 例例 1

13、有一有一稳压二极管稳压电路，稳压二极管稳压电路，负载电阻负载电阻 RL 由开路变由开路变到到 3 k ，交流电压经，交流电压经整流滤波后得出整流滤波后得出 UI = 30 V。今要求输出。今要求输出直流电压直流电压 UO = 12 V，试选择，试选择稳压管稳压管 DZ。 解解 根据输出电压根据输出电压 UO = 12V 的要求，负载电流最大值的要求，负载电流最大值mA4A104A1031233LOOM RUI可选择稳压二极管可选择稳压二极管 2CW60，其稳定电压，其稳定电压 UZ = (11.5 12.5) V，其稳定电流其稳定电流 IZ = 5 mA，最大最大稳定电流稳定电流 IZM =

14、19 mA。12.3.2集成稳压电源集成稳压电源本节主要介绍本节主要介绍 W7800 系列系列( (输出正电压输出正电压) )和和 W7900 系列系列( (输出负电压输出负电压) )，它们它们的电路符号如下图所示的电路符号如下图所示:W7800+231W790013_2_这种稳压器只有输入端、输出端和公共端三个引出端，故这种稳压器只有输入端、输出端和公共端三个引出端，故也称为三端集成稳压器。也称为三端集成稳压器。W7800 系列系列 1 为输入端，为输入端，2 为输出端，为输出端，3 为公共端；为公共端；W7900 系列系列 3 为输入端，为输入端，2 为输出端，为输出端，1 为公共为公共端

15、。端。W7800 系列输出固定的正电压有系列输出固定的正电压有 5 V，8 V，12 V，15 V，18 V，24 V多种。例如多种。例如 W7812 的输出电压为的输出电压为 12V。W7900 系系列输出固定负电压，其参数与列输出固定负电压，其参数与 W7800 基本相同。基本相同。下图给出了三端集成稳压器的接线方法，下图给出了三端集成稳压器的接线方法， Ci 用以抵消输用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡。入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡。 Ci 一般在一般在 0.1 1 F 之间；之间；Co 是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压是为了瞬时增减负载电流时不致引起

16、输出电压有较大的波动，有较大的波动，Co 可取可取 1 F 。UO = 12VW7812123Co+UICi三端集成稳压器的几种应用电路：三端集成稳压器的几种应用电路：( (1) )同时输出正、负电压的电路同时输出正、负电压的电路24V24V220 VW7815W7915132321+CC1000 F 1000 F Ci0.33 F Ci0.33 F CO1 F CO1 F+15 V 15 V( (2) )提高输出电压的电路提高输出电压的电路输出电压输出电压 UO = U + UZW78132 Ci CO DZ+UO +UI +U +UZ ( (3) )扩大输出电流的电路扩大输出电流的电路可采

17、用外接功率管可采用外接功率管 T的方法来扩大输出电流。的方法来扩大输出电流。一般一般 I3 很小，可忽略不计，很小，可忽略不计，则可得出则可得出 CBE12IRUIIIIBR TICW78123CiCOI2RI3I1+UO +UI IRIBIO设设 = 10，UBE = 0.3 V，R = 0.5 ， I2 = 1 A，由上式可算由上式可算出出 IC = 4 A，输出电流，输出电流 IO = I2 + IC = 5 A，比，比 I2 扩大了。扩大了。( (4) ) 输出电压可调的电路输出电压可调的电路W78 Ci CO+UI + U + +UO R1R2R3R4 UUO211433URRRUR

18、RR URRRRRU43312O)1(可见移动电位器滑动可见移动电位器滑动端端，改变电阻改变电阻 R2 和和 R1 的的比值比值，便可调节输出电压便可调节输出电压 UO 的大小。的大小。*12.4晶闸管及可控整流电路晶闸管及可控整流电路12.4.1晶闸管晶闸管AGKPNPN阳极阳极阴极阴极控制极控制极AKG符号符号结构结构1基本结构基本结构晶闸管晶闸管是具有是具有三个三个 PN 结的四层结的四层结构。引出的三个结构。引出的三个电极分别为阳极电极分别为阳极 A，阴极阴极 K 和控制极和控制极( (或称门极或称门极) )G。2. 工作原理工作原理S( (c) )S( (a) )S( (b) )可用

19、下面的实验来说明晶闸管的工作原理可用下面的实验来说明晶闸管的工作原理( (1) )晶闸管导通晶闸管导通( (灯亮灯亮) )必须同时具备两个条件：第一，在必须同时具备两个条件：第一，在阳极与阴极之间加正向电压；第二，控制极和阴极之间也要加阳极与阴极之间加正向电压；第二，控制极和阴极之间也要加正向电压正向电压( (实际上加正触发脉冲实际上加正触发脉冲) )。( (2) )晶闸管导通后晶闸管导通后，断开控制极断开控制极 图图(b)(b)所示所示 ，晶闸管继续晶闸管继续导通导通, ,即晶闸管一旦导通后即晶闸管一旦导通后，控制极就失去控制作用控制极就失去控制作用( (这对普通这对普通晶闸管而言晶闸管而言

20、) )。( (3) )要使从导通转为阻要使从导通转为阻断断( (截止截止) )，必须切断阳极电源必须切断阳极电源, ,或在或在阳极与阴极之间加反向电压阳极与阴极之间加反向电压，或将电流减小到某一数值或将电流减小到某一数值( (维持电维持电流流 IH) )以下。以下。3. 伏安特性伏安特性导通导通阻断阻断OIHIAUAUBRUBOIG0 IG1 IG2+ +从正向特性看从正向特性看，当当 UA UBO 时时，晶闸管晶闸管处于阻断状态处于阻断状态，只有很小的漏电流通过。当只有很小的漏电流通过。当 UA 增大到某一数值时，增大到某一数值时，晶闸晶闸管管由阻断状态突然导通，由阻断状态突然导通，这时所对

21、应的电压称为这时所对应的电压称为正向转折电压正向转折电压 UBO 。IG 越大，越大，UBO越低。越低。晶闸管导通后，晶闸管导通后，就有较大电流通过，但管压降只有就有较大电流通过，但管压降只有 1 V左右。左右。 从反向特性看，从反向特性看，晶闸管晶闸管处于阻断状态，只有很小的反向漏处于阻断状态，只有很小的反向漏电流通过，当电流通过，当反向电压反向电压增大到某一数值时，使增大到某一数值时，使晶闸管晶闸管反向反向导通导通( (击穿击穿) )，所对应的电压称为所对应的电压称为反向转折电压反向转折电压 UBR 。晶闸管晶闸管的型号及其含义如下的型号及其含义如下：K P 导通时平均电压组别导通时平均电

22、压组别( (小于小于 100 A 不标不标) )，共共 9 级级，用用 A I 字母表示字母表示 0.4 1.2 V额定电压额定电压，用其百位数或千位数表示用其百位数或千位数表示额定正向平均电流额定正向平均电流( (A) )普通型普通型晶闸管晶闸管12.4.2可控整流电路可控整流电路单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路ug t tuO 导通角导通角iO t0u200 2 3 T1，D2导通导通T1，D2导通导通T2，D1导通导通 控制角控制角( (又称移相角又称移相角) )在在 u 的正半周，的正半周，T1 和和D2 承受承受正向电压正向电压，这时如这时如引入触发脉冲引入触发脉冲 ug，则则 T1 和和 D2 导通导通，而而 T