电工学讲义串联型电源电路及晶闸管

第九章电源电路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。

电压关系：R4T1UZR3RP1RP2R1RPR2RLUO+_+_UiUB1UB2(UC1)UCE2I1+_+_+_IR4IB2T2IC1IB1IC2稳压原理R4T1UZR3RP1RP2R1RPR2RLUO+_+_UiUB1UB2(UC1)UCE2I1+_+_+_IR4IB2T2IC1IB1IC2电源变化负载变化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、18V、24V等。三端集成稳压器固定式可调式正稳压W78XX负稳压W79XX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

0.1~1F1F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23220V

24V+C

24V+CW7815Ci+15V123CiW79151COCO–15V1F1F0.33F0.33F1000F1000F二、输出正负电压的电路要求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.晶闸管及其应用晶闸管（Silicon

ControlledRectifier）

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：晶闸管外型晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九级,用字母A~I表示0.4~1.2V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表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。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KGA(b)符号(a)外形晶闸管的外形、结构及符号三个

PN

结S++--灯不亮S++--灯亮实验工作原理晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGAP1N1GP2N2KN1P21)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+_RT1T2EGAT1T2A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。GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA3）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GKT1T2EGA1）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，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+-

-+

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，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+--+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。UIIGOIG1IG2>0因此，通常采用加控制电压的方式使晶闸管导通正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO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+--+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。单相半波可控整流电路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2工作原理t12u

<

0时:

可控硅承受反向电压不导通，晶闸管反向阻断加触发信号，晶闸管承受正向电压导通tOu

>0时:tO~uuGuoRL+-+-io-无触发信号，晶闸管承受正向电压导通tO控制角t1tOtOt22tO导通角3工作波形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。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。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。ttO3.工作波形2tO4.输出电压及电流的平均值uo,iouoio0u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+-+-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+-+-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，单结晶体管又称双基极二极管。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0.3~0.9IEPIPIVUPUEVUV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UBBUBBAA3.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。IpIVoIEUEUP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IEPIPIVUPVUV截止区负阻区饱和区UE

1.UE<UP时单结管截止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小结单结晶体管振荡电路R1，R2为外接电阻C为外接电容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。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)电容上的电荷通过R1放电，放电速度取决于R1C，因为R1<<R，放电迅速，放电电流在R1

上形成尖脉冲。upuv(c)电压波形uCttugOO重复上述过程，在R1上形成一系列尖脉冲这种周而复始的自动充放电过程称为振荡通过电路振荡在电容器上形成锯齿波，在R1上形成尖脉冲；R大，电容充电慢，到达uP

的时间长，脉冲出现时间晚；R小，电容充电快，到达uP

的时间短，脉冲出现时间早。尖脉冲出现的时间可通过改变R

的值来调节uFttuGRR2100KC+uC_uGEB1R1B230051+_+_U移相触发单结管触发的可控整流电路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+主电路触发电路1.电路2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2MtOotOtO(2)触发电路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+ttUvUpRLT1D1D2T2uL+(3)输出电压uLOOUZtOtO问题讨论1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？3.一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？如何改变控制角？4.输出电压如何调节？1满足u1,u2不同的电压要求2使u1,u2同相，即触发电路过零时刻与主电路过零时刻保持一致（“同步”）变压器Tr主要元器件的作用~稳压管DZ：把电压u0的顶部削掉，使u0成为梯形波Uz。uouZ整流削波当电网电压波动时，单结晶体管输出脉冲的幅

度以及每半周产生第一个脉冲的时间不受电网

电压波动的影响。uCUpUv电容充、放电触发脉冲uLuCug电容充、放电电位器RPRPC是电容的充电时间常数，RP

越大，电容电压uC

上升慢，第一个尖脉冲到来迟，控制角加大，导通角减小，电压uL

的平均值减小。RPUpUv问题答案1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？

目的：保证主电路和触发电路的电源电压同时过零(即两者同步)，使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同(即角一样)以使输出平均电压不变。2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？

稳压管的作用：是将整流后的电压变成梯形(即削波)，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。3.一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？如何改变控制角？根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。改变充电时间常数即可改变控制角。控制角变化的范围称为移相范围。4.电压的调节R

电容充电速度变慢uL应用举例电瓶充电机电路R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T1该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。工作原理

R2

、RP、

C

、T1

、R3

、R4

构成了单结晶体管触发电路。

当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T1

当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管的峰点电压UP大于稳压管DZ的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。

R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T1R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T1

触发电路和可控整流电路的同步是由二极管D和电阻R1来完成的。

交流电压过零变负后，电容通过D和R1迅速放电。交流电压过零变正后D截止，电瓶电压通过R2

、RP向C充电。改变RP之值，可设定电瓶的初始充电电流。

交流调压电路晶闸管交流调压电路可代替调压变压器，广泛用于调节电阻炉温度，交流电机转速，舞台灯光调节。~uuG1uoRL+-+-++__uG2ioT1T21.电路在u的正半周：T1承受正向电压,T2

承受反向电压,在t1时刻(脉冲出现），

T1

导通2.工作原理~uuG1uoRL+-+-++__uG2ioT1T2在u的负半周：T2

承受正向电压,T1

承受反向电压,在t1时刻(脉冲出现），

T2

导通~uuG1uoRL+-+-++__uG2ioT1T2Uo0uG2u3.波形负载电压UL的有效值为：负载电流IL

的有效值为：IL=UL/RL4.输出电压及电流的有效值双向晶闸管特点：相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。符号：A1A2G控制极第一电极第二电极通过控制电压的控制可实现双向导通。工作原理UA1>UA2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。UA2>UA1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。RCTu+_双向二极管EndT1、T2--晶闸管D1、D2--晶体管T1T2D1D2RL~uu0+-+-io半控桥式全波整流电路T1T2D1D2RL~uu0+-+-ioU的正半周时，T1和D2导通，电流的通路为：ab工作原理U的负半周时，T2和D1导通，电流的通路为：T1T2D1D2RL~uu0+-+-ioab波形分析uo,iouoio0uuT10uT2T1T2D1D2RL~uu0+-+-ioabT1T2D1D2RL~uu0+-+-iouuG2输出电压的平均值为：输出电流的平均值为：输出电压及电流的平均值uo,iouoio0uIEPIPIVUPUEVUV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=RB1×UBB/(RB1+RB2)=UBB称分压系数(分压比)，一般为0.3~0.9，是单结晶体管的重要参数提高发射极电压UE：当UE<UA,PN结反偏,IE几乎为0，RB1呈高阻，单结晶体管截止。IEPIPIVUPVUV截止区负阻区饱和区UE+-+-REB2B1+-UBBERPRB2RB1DAIEPIPIVUPVUV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+-UBBERPRB2RB1DAUE逐步下降至UV点，当UE<UV，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当UE=UP时，单结晶体管导通，呈低阻态当UE<UV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uCttuG工作原理接通电源,电容充电,电压uc

上升,上升速度取决于RC的值,当uC<uP,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R1<<R，放电迅速，放电电流在R1上形成尖脉冲。RR2100KC+uC-uGEB1R1B23051+-+_UuFttuGRR2100KC+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。uouZ整流削波波形关系波形关系UZ削波uZuCUpUvuG电容充、放电触发脉冲uG触发脉冲uL波形关系UZ整流、削波uLuCUpUvug电容充、放电触发脉冲uZ