可控整流电路

第6章可控整流电路学习要求（1）了解晶闸管的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数。（2） 了解单相可控整流电路的可控原理和整流电压与电流的波形。（3） 了解单结晶体管及触发电路的工作原理。学习指导本章重点：（1） 晶闸管的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数。（2） 单相可控整流电路的可控原理和整流电压与电流的波形。（3） 单结晶体管及触发电路的工作原理。本章难点：（1） 单相半控桥式整流电路中晶闸管的选取。（2） 单相可控整流电路接电感性负载输出电压与电流的分析。（3） 单结晶体管触发电路的工作原理。工M土上本章考点：（1） 单相可控整流电路输出直流电压的计算。（2） 单相可控整流电路接电阻性负载输出电压的分析。（3） 单相半控桥式整流电路中晶闸管的选取。6.2.1晶闸管晶闸管又称可控硅，是一种可控的单向导通元件，有阳极 A、阴极K和控制极G三个电极。晶闸管的导通条件为：（1） 在阳极和阴极之间加适当的正向电压uAK。（2）在控制极和阴极之间加适当的正向触发电压 UGK。晶闸管一旦导通后，控制极就失去控制作用而维持阳极与阴极之间的导通，管压降约为1V左右。晶闸管由导通变截止称为关断，关断条件为：（1）晶闸管阳极电流小于维持电流IH。

(2)或将阳极与电源断开或给阳极与阴极之间加反向电压。晶闸管的主要参数有：额定正向平均电流 IF，维持电流IH，正向重复峰值电压UFRM，反向重复峰值电压Urrm。若晶闸管工作时通过的电流为 IVSO，承受的最高正向电压为 UFM，最高反向电压为URM，则应按照下列各式选取晶闸管：1F巳1VSOUFRMN(2~3)UfmURRMN(2~3)Urm单相可控整流电路.单相可控半波整流电路6.1所示，导通角0=180-a，0图6.1 接电阻性负载的单相可控半波整流电路及其电压与电流波形输出电压的平均值为:输出电流的平均值为:6.1所示，导通角0=180-a，0图6.1 接电阻性负载的单相可控半波整流电路及其电压与电流波形输出电压的平均值为:输出电流的平均值为:Uo=nW2WJ=0.45U1+C0SaRl Rl晶闸管承受的最高正向电压为:晶闸管承受的最高反向电压为:晶闸管中电流的平均值为:变压器副边电流的有效值为:U=侦2UFM晶闸管承受的最高反向电压为:晶闸管中电流的平均值为:变压器副边电流的有效值为:U=侦2UFM2U=V2URM2I=IVSO o1_if兀-a■sin2a+\4兀2兀（2）电感性负载：电路及其电压与电流波形如图6.2所示。图6.2 接电感性负载的单相可控半波整流电路及其电压与电流波形没有接续流二极管VD时，导通角0>180-a图6.2 接电感性负载的单相可控半波整流电路及其电压与电流波形没有接续流二极管VD时，导通角0>180-a，输出电压的平均值为:Uo<0.45U2止严接上续流二极管VD时，导通角0=180-a，输出电压的平均值为:输出电流的平均值为:UU1+cosai=0.45tR

LRl晶闸管中电流的平均值为:VSO.单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路及其电压与电流波形如图 6.3所示。输出电压的平均值为:输出电流的平均值为:晶闸管承受的最高正向电压为:晶闸管承受的最高反向电压为:晶闸管中电流的平均值为：变压器副边电流的有效值为:Uo=。如2、R输出电流的平均值为:晶闸管承受的最高正向电压为:晶闸管承受的最高反向电压为:晶闸管中电流的平均值为：变压器副边电流的有效值为:Uo=。如2、RlURM=^U21VSOU:1 兀一a=-...—sin2a+ \2兀 兀2RL图6.3 接电阻性负载的单相半控桥式整流电路及其电压与电流波形单结晶体管触发电路1.单结晶体管的结构及特性单结晶体管两个基极B1、B2和一个发射极E，两基极间的电阻RBB=%+七，当发射极不加电压，两个基极之间加电压 UBB时，RB1上的电压为：RUA=T^TUBB『UBBB1B2式中n称为分压比，一般约在0.3〜0.9之间。单结晶体管的伏安特性曲线如图6.4所示。(1)当UE<UP=UA+UD时，单结晶体管截止，P点称为峰点，UP为峰点电压，IP为峰点电流。(2)当UE>UP时，单结晶体管导通，IE迅速增大，UE减小，进入负阻区。当UE<U:时，单结晶体管由导通恢复到截止状态， V点称为谷点，UV为谷点电压，IV为谷点电流。峰点P和谷点V是单结晶体管的特殊点，U>U时导通，U<U时截止。6.4 单结晶体管的伏安特性.单结晶体管触发电路电路如图6.5所示，波形如图6.6所示。6.5单结晶体管触发电路6.5单结晶体管触发电路(1)触发电路由单结晶体管脉冲发生电路组成，输出触发脉冲电压 ug。同时供给两个晶闸管，但每半周只对一个晶闸管起触发作用。 S（2）变压器原边绕组与主电路接在同一交流电源，主电路交流电压 u1过零时，触发电路电源电压u2也过零，保证了两者同步，从而获得有规律的输出电压波形。（3）u2经桥式电路整流后得到全波整流电压 uo1，再转换为梯形波uZ作为触发电路的同步电源。（4）在每个半周期内，第一次电容C由0开始充电，当Ue=Up（单结晶体管峰点电压）时单结晶体管导通，随后电容迅速向小电阻R1放电，在R1上形成一个尖脉冲电压。当放电到Ue=Uv（单结晶体管谷点电压）时单结晶体管截止。然后又由UV开始充电，…，如此反复，，直到电源电压减小到 0，结束半个周期，uC=0，从而获得一系列的尖脉冲电压u，但只有第一个脉冲起到触发晶闸管的作用，一旦晶闸管被触发导通，后面的脉冲不再起作用。u.犬1Up图6.6 单结晶体管触发电路的波形晶闸管的保护1.过电流保护晶闸管过电流保护措施有以下几种：（1） 快速熔断器保护。（2） 过电流继电器保护。（3） 过流截止保护。前两种方法中保护元件有3种接入方式：交流（输入）侧、直流（输出）侧、元件侧。2.过电压保护晶闸管过电压保护措施有以下几种：（1） 阻容保护。（2） 硒堆保护。保护元件也有3种接入方式：交流侧、直流侧和元件侧。6.3习题解答6.1晶闸管与具有一个PN结的二极管和具有两个PN结的三极管相比有何区别？解晶闸管、二极管以及三极管虽然是3种截然不同的器件，但它们都可以作为单方向导电的开关。然而，即使作为开关使用，它们之间却也存在着很大的差异。与二极管比较，晶闸管具有可控性，即在阳极和阴极之间加上正向电压的时候，并且在控制极和阴极之间也加上正向电压晶闸管才能导通。二极管没有可控性，只要在阳极和阴极之间加上正向电压二极管就会导通。此外，晶闸管导通后可以通过几十至上千安培的电流，比二极管大得多。与三极管比较，晶闸管不具有放大作用，只有当控制极电流达到某一数值时，阳极与阴极之间由阻断突然变为导通，导通后可以通过几十至上千安培的电流，并且控制极就不再起控制作用。三极管具有放大作用，在放大区集电极电流与基极电流成正比，即使在饱和区或截止区，也可以通过改变基极电流使其脱离饱和区或截止区，仍可用基极电流去控制集电极电流的大小。晶闸管导通的条件是什么？晶闸管导通后，通过管子阳极的电流大小由哪些因素决定？晶闸管阻断时，承受电压的大小由什么决定？解晶闸管的导通条件是：在阳极和阴极之间加适当的正向电压 uAK，并且在控制极和阴极之间加适当的正向触发电压 uGK。因为晶闸管导通后的管压降约为 1V左右，电源电压UA几乎全部加到负载电阻RA上，阳极电流IAU，所以，晶闸管导通后阳极的电流大小基本上由电源电压AUA和负载电阻RA决定。晶闸管阻断分正向阻断和反向阻断两种情况。正向阻断时所承受的正向电压由正向转折电压uBO决定，超过此值时晶闸管被击穿导通而损坏。通常将正向转折电压UBO的80%规定为正向阻断峰值电压 Ufrm。反向阻断时所承受的反向电压由反向转折电压UBR决定，超过此值时晶闸管被反向击穿，漏电流剧烈增大而损坏。通常将反向转折电压UBR的80%规定为反向阻断峰值电压Ufrm。晶闸管由导通变为阻断状态的条件是什么？为什么晶闸管导通后控制极就失去控制作用？IH，IH，或由于晶闸管内部存在强烈的电流正反馈，在触发信号使晶闸管导通后，正反馈即可维持晶闸管的饱和导通状态，所以，晶闸管导通后控制极就失去控制作用。某电阻需要0〜24V可调直流电压，采用单相可控半波整流电路。现有两种供电方案：（1）220V交流电网直接供电；（2）用整流变压器供电，U2=60V。试比较两种供电方案下晶闸管的导通角以及所选单相可控半波整流电路是否能满足负载的要求？所选单相可控半波整流电路的导通角 0=180-所选单相可控半波整流电路的导通角 0=180-a，而控制角a的调整范围，所以，欲知所选单相可控半波整流电路是否能满足负载的要求，只要a的调整范围是否为0〜180。即可。解由单相可控半波整流电路输出直流电压的表达式：U=0.45U上冬得晶闸管的控制角为:a=arccos曰-a=arccosI0.45U Iv2 7，2U〉，2x24Aa=arccos 0—-1=arccos-1I0.45Uv 2I10.45x220I=121°（1）采用220V交流电网直接供电时晶闸管的控制角为:晶闸管的导通角为:因为控制角a的调整范围在满足负载的要求。（2因为控制角a的调整范围在满足负载的要求。（2）采用整流变压器供电，0=180°-a=180。—121。=59°0~180。之内，所以，所选单相可控半波整流电路能f2U〉f2x24 "a=arccos o—-1=arccos—1I0.45U2I10.45x60 |=38.9°U2=60V时晶闸管的控制角为:晶闸管的导通角为:0=180°-a=180°-38.9°=141.1°因为控制角a的调整范围在0〜180。之内，所以，所选单相可控半波整流电路能满足负载的要求。6.5 有一电阻性负载，需要直流电压 60V，电流30A。采用单相可控半波整流电路，由电网220V电压供电，试计算晶闸管的导通角、电流的有效值以及管子承受的最大正反向电压。分析根据有效值的定义，电流的有效值1=*：，泌）。为了保证晶闸管在

UFRM巳(2~3)UUFRM巳(2~3)UfmURRM巳(2~3)Urm解由单相可控半波整流电路输出直流电压的表达式:U=0.45U1+cosa得晶闸管的控制角为:，2U〉f2x60 "a=arccos o——1=arccos110.45Uv 2J"0.45x220 J22=77.8°晶闸管的导通角为:0=180。—a=180。—77.8°=102.2°晶闸管电流的有效值为：sinJ/sinJ/=EXU 1 兀一a—「—sin2a+ R 4兀 2兀Lf U1 兀一a—21 -sin2a+———o220“'1.一”*)兀—1.36 x30x(——sin也x77.8°)+ 60 4兀 2兀=62(A)晶闸管所承受的最高正向电压 uFM、最高反向电压URM都等于：U=U =4iu=J2x220=310(V)为了保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，通常根据下式选取晶闸管所承受的正向和反向重复峰值电压 UFRM和URRM:UFRM巳(2~3)Ufm=(2~3)x310=620~930(V)URRMN(2~3)Urm=(2~3)x310=620~930(V)6.6 一单相可控半波整流电路，负载电阻 Rl=10Q，由电网220V电压供电，控制角a=60°，试计算整流电压的平均值、电流的有效值以及管子承受的最大正反向电压。解因为是单相可控半波整流电路，所以整流电压的平均值为：1+cosa 1+cos60°Uo=0.45U2——2=0.45x220x 2 =74.25(V)电流有效值为:邑sin折drlU 1 兀—a=—2 sin2ah R 4” 2”L=竺x(匹sin(2X60。)+”^!10*4” 2”=13.95(A)晶闸管所承受的最高正向电压uFM、最高反向电压URM都等于：U=U =4iu=J2X220=310(V)为了保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，通常根据下式选取晶闸管所承受的正向和反向重复峰值电压 UFRM和URRM:uFRMN(2〜3)UFM=(2~3)X310=620〜930(V)URRM巳(2-3)URM=(2~3)x310=620〜930(V)一单相半控桥式整流电路，其输入交流电压有效值为 220V，负载为1kQ电阻，试求控制角a=0。及a=90。时负载上电压和电流的平均值，并画出相应的波形。分析 根据单相半控桥式整流电路负载上电压的平均值 Uo=0.9U21+C0Sa可知，控制角a不同，负载上电压的平均值不同，电流的平均值以及相应的波形也不同。解(1)控制角a=0。时负载上电压的平均值为:Uo=0.9U21+『a=0.9x220x1+；s0。=198(V)电流的平均值为：1o=U=¥=198(mA)(2)控制角a=90。时负载上电压的平均值为：1+cosa 1+cos90。Uo=0.9U =0.9x220Uo=0.9U22电流的平均值为：I=^°=哭=99(mA)L相应的波形如图6.7所示。

解答用图解答用图一电阻性负载，要求在0〜60V范围内调压，采用单相半控桥式整流电路，直接由220V交流电源供电，试计算整流输出平均电压为30V和60V时晶闸管的导通角。分析本题可先应用分析本题可先应用Uo=炀2上詈求出控制角a，则导通角0=180。-以。由单相半控桥式整流电路输出直流电压的表达式:=0.9U°汽茨a=a=arccos，2U〉f2x30 "a=arccos °--1=arccos1I0.9U2I10.9x220 Jit0-1I0.9UIv2 7(1)输出平均电压为30V时晶闸管的控制角为：=134.2。导通角为:0=180。一a=180。-134.2。=45.8。f2U〉f2x60 "a=arccos *--1=arccos1I0.9U' 2J10.9x220 J(2)输出平均电压为60V时晶闸管的控制角为:=113.2。导通角为:0=180。-a=180。-113.2。=66.8。在电阻性负载单相半控桥式整流电路中，已知当控制角 a=0。时，输出直流

电压Uo=150V，输出直流电流Io=50A。如果将输出直流电压调到 U=120V，则需要将控制角。调到多大？这时的输出直流电流 Io是多少？分析 本题可先应用a=0。时Uo=0.9U2土严=0.9U2=150V求出变压器副边电压U2，然后再求Uo=120V时的控制角a和输出直流电流Io。解 由单相可控半波整流电路输出直流电压的表达式： °Uo=0-U2竺理得变压器副边电压的有效值为:2U2U° _0.9（L+Cosa）2x1500.9xG+cos0。）=166.7（V）将输出直流电压调到Uo=120V时的控制角为:a=arccos=a=arccos=arccos'2x120、0.9x166.7、1=53.2°）负载电阻为:RlRlU=四=3（Q）Io 50这时的输出直流电流为：1o=U="EUo在0〜60VU2Uo在0〜60VU2（考虑电分析本题计算变压器副边电压U2时需要考虑电源电压的10%波动，应在计算所得结果的基础上加大10%，而不是减小10%。解由单相半控桥式整流电路输出直流电压的表达式:U=0.9U三必2x2x60 …〜、< = =66.7（V）+cosa）0.9xU+cos0°）2UU2=091考虑电源电压的此时的控制角为:考虑电源电压的此时的控制角为:10%波动，则U2应取：U2=66.7x1.1=74（V）2Ua=arccos2Ua=arccos °-〔0.9U2（2x60=arccos 10.9x74=36.7°Uo=0V时的控制角为:a=arccosf2U 〉-1=arccosf2x0 )—1I0.9U27"0.9x74 7=180°晶闸管控制角的调节范围为a=36.7°~180°。在上题中，如果不用变压器，而直接将整流电路的输入端接在 220V的交流电源上，要使输出直流电压 Uo仍在0〜60V的范围内连续可调，则晶闸管控制角。的调节范围变为多少？ °分析根据Uo=0.9U21+C°Sa可知，在输出直流电压U可调范围不变的情况下，输入的交流电压U2增大，则晶闸管控制角。的调节范围变小。解由单相半控桥式整流电路输出直流电压的表达式：U=0.9U上*得晶闸管的控制角为:a=arccos所以，Ua=arccos所以，Uo=60V时的控制角为:f2U〉f2x60 "a=arccos —1=arccos… 110.9U27"0.9x220 7=113.2。[粉-J' 2 7Uo=0V时的控制角为:a=arccosf2U e—〉—1=arccos*—1]10.9U27"0.9x74 7=180°晶闸管控制角的调节范围为a=113.2°〜180°。直流电流U2，并选6.12有一电阻性负载，需要可调的直流电压U=0~60VIo直流电流U2，并选分析根据Uo=0.9U「+C0S以可知，在晶闸管控制角最小即 a=0°时输出直流电压Uo最大，为U=60V。解 由单相半控桥式整流电路输出直流电压的表达式：Uo=0.9U2^^得变压器副边电压的有效值为：U= ^o——\= ^60——\=66.7(V)2 0.9灯+cosa)0.9x\1+cos0°7晶闸管所承受的最高正向电压 uFM、最高反向电压URM和二极管所承受的最高反向电压uDRM都等于：

U=U=U =42u=41X66.7=94(V)流过晶闸管和二极管电流的平均值为: 2I=I=-1=-x10=5(A)vsod2°2为了保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，通常根据下式选取晶闸管所承受的正向和反向重复峰值电压 UFRM和URRM:UFRM巳(2〜3)UFM=(2~3)X94=188~282(V)URRM巳(2-3)URM=(2~3)x94=188~282(V)选10A、200V的晶闸管和10A、100V的二极管。6.4习题与考研试题精选6-1单相半控桥式整流电路如图6.8