電工學講義9-串聯型電源電路與晶閘管第一頁，共99頁。0tu交流電源0tu變壓ut0整流ut0濾波tu0穩壓1.并聯型穩壓電源第二頁，共99頁。串聯式穩壓電路由基準電壓、比較放大、取樣電路和調整元件四部分組成。2帶有放大環節的串聯型穩壓電源T+_Ui+_+_UO比較放大基準取樣UZUB1+_C2RL調整元件第三頁，共99頁。T+_Ui+_+_UO比較放大基準取樣UZUB1+_C2RL調整元件調整元件T:與負載串聯，通過全部負載電流。可以是

單個功率管，復合管或用幾個功率管并聯。

比較放大:可以是單管放大電路，差動放大電路，集成運算放大器。基準電壓:可由穩壓管穩壓電路組成。取樣電路:取出輸出電壓UO的一部分和基準電壓相比較。

第四頁，共99頁。電壓關系：R4T1UZR3RP1RP2R1RPR2RLUO+_+_UiUB1UB2(UC1)UCE2I1+_+_+_IR4IB2T2IC1IB1IC2第五頁，共99頁。穩壓原理R4T1UZR3RP1RP2R1RPR2RLUO+_+_UiUB1UB2(UC1)UCE2I1+_+_+_IR4IB2T2IC1IB1IC2電源變化負載變化第六頁，共99頁。串聯型穩壓電源特點：1）輸出電流IO大（取決于T2管功率）2）輸出電壓UO更加穩定3）輸出電壓UO可以調節(調節RP,，可以調節輸出電壓)R4T1UZR3RP1RP2R1RPR2RLUO+_+_UiUB1UB2(UC1)UCE2I1+_+_+_IR4IB2T2IC1IB1IC2第七頁，共99頁。隨著半導體工藝的發展，現在已生產并廣泛應用的單片集成穩壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價格低廉等優點。最簡單的集成穩壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩壓器。本節主要介紹常用的W7800系列三端集成穩壓器，其內部也是串聯型晶體管穩壓電路。該組件的外形如下圖，穩壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內，電路內部附有短路和過熱保護環節。3.集成穩壓電源第八頁，共99頁。W7800系列穩壓器外形1—輸入端3—公共端2—輸出端78xxW7900系列穩壓器外形1—公共端3—輸入端2—輸出端79xx塑料封裝注：金屬封裝和塑料封裝管腳定義不同，使用時一定要先查手冊。外形及引腳功能第九頁，共99頁。注：型號后XX兩位數字代表輸出電壓值輸出額定電壓值有如下系列:5V、9V、12V、18V、24V等。三端集成穩壓器固定式可調式正穩壓W78XX負穩壓W79XX第十頁，共99頁。輸入與輸出之間的電壓不得低于3V！三端固定輸出集成穩壓器的應用COW7805CiUi+_+_UO123

0.1~1F1F為了瞬時增減負載電流時，不致引起輸出電壓有較大的波動。即用來改善負載的瞬態響應。用來抵消輸入端接線較長時的電感效應，防止產生自激振蕩。即用以改善波形。一、輸出為固定電壓的電路第十一頁，共99頁。23220V

24V+C

24V+CW7815Ci+15V123CiW79151COCO–15V1F1F0.33F0.33F1000F1000F二、輸出正負電壓的電路第十二頁，共99頁。要求1.了解晶閘管的基本結構、工作原理、特性和主要參數。2.理解可控整流電路的工作原理、掌握電壓平均值與控制角的關系。3.了解單結晶體管及其觸發電路的工作原理。4.理解交流調壓電路的工作原理4.晶閘管及其應用第十三頁，共99頁。晶閘管（SiliconControlledRectifier）

晶閘管是在晶體管基礎上發展起來的一種大功率半導體器件。它的出現使半導體器件由弱電領域擴展到強電領域。晶閘管也像半導體二極管那樣具有單向導電性，但它的導通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調壓及開關等方面。

體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便、壽命長、容量大（正向平均電流達千安、正向耐壓達數千伏）。

優點：第十四頁，共99頁。晶閘管外型第十五頁，共99頁。晶閘管型號及其含義導通時平均電壓組別共九級,用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位或千位數表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類型）P--普通晶閘管K--快速晶閘管S--雙向晶閘管

晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。第十六頁，共99頁。G控制極基本結構K陰極G陽極

AP1P2N1N2四層半導體晶閘管是具有三個PN結的四層結構,其外形、結構及符號如圖。(c)結構KGA(b)符號(a)外形晶閘管的外形、結構及符號三個

PN

結第十七頁，共99頁。S++--燈不亮S++--燈亮實驗工作原理第十八頁，共99頁。晶閘管相當于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGAP1N1GP2N2KN1P2第十九頁，共99頁。1)晶閘管陽極A與陰極K之間加正向電壓，控制極斷開，兩個三極管均無基極電流，晶閘管不導通。EA+_RT1T2EGA第二十頁，共99頁。T1T2A該過程在極短時間內連鎖循環進行，形成正反饋，晶閘管瞬間全部飽和導通。KGEA>0、EG>0EGEA+_R2)在控制極G與陰極K之間加正向電壓，當IG

到達一定數值，T2

首先導通，隨后T1導通，IC1與IG一起進入T2的基極后再次放大。第二十一頁，共99頁。GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA3）晶閘管導通后，去掉控制極，依靠正反饋，T2管的基極電流IB2=IC1，管子維持導通。晶閘管導通后，控制極失去控制作用第二十二頁，共99頁。在導通后，要關斷晶閘管：1）陽極電流IA減小到某一數值以下，內部連鎖狀態不能維持，管子截止。2)切斷陽極電源3)在陽極和陰極之間加反向電壓GKT1T2EGA第二十三頁，共99頁。1）晶閘管導通必須同時具備兩個條件：陽極與陰極之間加正向電壓控制極與陰極之間加正向電壓2）晶閘管的控制極只有使晶閘管導通的作用，一旦導通,就不再有控制作用，無論控制極對陰極有無電壓或反向電壓，管子始終導通3）要使晶閘管阻斷(截止),必須具備下列三個條件之一：總結切斷陽極電源陽極電壓反向將陽極電流減小到某一數值以下第二十四頁，共99頁。晶閘管的伏安特性曲線晶閘管的導通和截止由陽極電壓U、電流I及控制極電流IG決定，它們之間的關系用伏安特性曲線來表示。UI0+-

-+

第二十五頁，共99頁。當晶閘管的陽極和陰極加正向電壓，控制極無電壓時，J2反偏，因此只有很小電流，稱正向漏電流。此時晶閘管截止，表現出很大的內阻。當正向電壓增加到某一數值，漏電流突然增大，晶閘管導通，可以通過很大的電流，而管壓降僅1V左右。晶閘管由截止變為導通所對應的電壓UBO稱正向轉折電壓。UIUBRUBOIHIF0+--+AP1N1GP2N2KJ1J2J3第二十六頁，共99頁。晶閘管導通后，減小正向壓降，正向電流減小，當減小到某一數值，晶閘管又轉為阻斷。此時對應的最小電流稱維持電流IH當晶閘管的陽極陰極加反向電壓，特性與二極管相似，有很小的反向漏電流。加大反向電壓,晶閘管在反向轉折電壓UBR處反向導通。AP1N1GP2N2KJ1J2J3UIUBRUBOIHIF0+--+第二十七頁，共99頁。UIUBRUBOIHIF0+--+當陽極電壓高于轉折電壓時，元件導通，但這種導通方法容易造成元件不可恢復性擊穿，一般不采用。當控制極加正向電壓，IG

產生，特性曲線左移，正向轉折電壓降低,元件容易導通。IG

越大，UBO

越低。UIIGOIG1IG2>0因此，通常采用加控制電壓的方式使晶閘管導通第二十八頁，共99頁。正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向轉折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉折電壓正向平均電流維持電流U動畫演示第二十九頁，共99頁。晶閘管主要參數1.正向重復峰值電壓UFRM2.反向重復峰值電壓URRM3.正向平均電流IF4.維持電流IHUIUBRUBOURRMIHUFRMIF0+--+第三十頁，共99頁。晶閘管是晶體閘流管的簡稱，也稱可控硅，它具有

一個控制電極，通過控制該電極可以控制晶閘管的

導通時間，調節輸出電壓電流的大小，稱為可控整

流。可控硅整流電路半導體二極管只有通斷兩種狀態，用該元件組成的整流電路，輸出電流和電壓的大小不能通過元件本身來調節，稱為不可控整流。第三十一頁，共99頁。單相半波可控整流電路1）以晶閘管代替半波整流電路中的二極管2）晶閘管與RL串聯，電路電流為io，控制極施加周期性正向脈沖電壓uG特點+~uuGuoRL+-+-io-1.電路第三十二頁，共99頁。2工作原理t12u

<

0時:

可控硅承受反向電壓不導通，晶閘管反向阻斷加觸發信號，晶閘管承受正向電壓導通tOu

>0時:tO~uuGuoRL+-+-io-無觸發信號，晶閘管承受正向電壓導通第三十三頁，共99頁。tO控制角t1tOtOt22tO導通角3工作波形第三十四頁，共99頁。輸出電壓及電流的平均值uo,iouoio晶閘管全導通晶閘管全阻斷改變控制角，可改變輸出電壓Uo。第三十五頁，共99頁。單相半控橋式整流電路1.電路2.工作原理T1和D2承受正向電壓。T1控制極加觸發電壓,則T1和D2導通，電流的通路為T1、T2晶閘管D1、D2晶體管aRLD2T1b(1)電壓u為正半周時io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此時，T2和D1均承受反向電壓而截止。第三十六頁，共99頁。io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2和D1承受正向電壓。T2控制極加觸發電壓,則T2和D1導通，電流的通路為(2)電壓u為負半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。第三十七頁，共99頁。ttO3.工作波形2tO第三十八頁，共99頁。4.輸出電壓及電流的平均值uo,iouoio0u第三十九頁，共99頁。兩種常用可控整流電路電路特點該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。2.晶閘管和負載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-第四十頁，共99頁。電路特點(2)

由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨立的觸發信號。T1T2D1D2uuORL+-+-第四十一頁，共99頁。單結晶體管有三個極，外型類似普通小功率三極管EB2B1要使晶閘管導通，除在陽極和陰極之間加正向電壓，還要在控制極和陰極之間加正向觸發電壓。產生觸發電壓的電路稱為觸發電路。目前常用的是單結晶體管觸發電路。單結晶體管觸發電路第四十二頁，共99頁。單結晶體管結構及工作原理B2第二基極B1N歐姆接觸接觸電阻P發射極E第一基極PN結N型硅片B2EB11.結構N型硅片的一側引出兩個極,B1稱第一基極,B2稱第二基極；硅片另一側靠近B2處有一個PN結，從此處引出電極E稱發射極。因有兩個基極，單結晶體管又稱雙基極二極管。第四十三頁，共99頁。E（發射極）B2（第二基極）B1（第一基極）PN基極電阻EB2B1RB2RB1等效電路單結晶體管兩個基極之間呈電阻性，稱基極電阻RBB=RB1+RB2，其值為幾千歐。第一基極與發射極之間的電阻為RB1，隨射極電流IE的增大而減小，當IE為0，RB1為幾千歐，當IE為20mA左右，其為幾十歐。第二基極與發射極之間的電阻為RB2，數值恒定。發射結具有單向導電性，以二極管D表示。2特性分析第四十四頁，共99頁。E（發射極）B2（第二基極）B1（第一基極）PN等效電路在兩個基極之間外加一個電壓UBB，當UE=0時，A點對地電壓為：2特性分析EB2B1RB2RB1A

–分壓系數（分壓比）一般為0.3~0.9第四十五頁，共99頁。IEPIPIVUPUEVUV截止區負阻區飽和區伏安特性曲線+-+-REB2B1+-

E+-UEIERP+-+-REB2B1+-ERPRB2RB1D測量單結晶體管特性的實驗電路UBBUBBAA第四十六頁，共99頁。3.單結晶體管的伏安特性UV、IV(谷點電壓、電流):

維持單結管導通的最小電壓、電流。

UP(峰點電壓)：

單結管由截止變導通

所需發射極電壓。IpIVoIEUEUP峰點電壓UV谷點電壓V負阻區截止區飽和區負阻區：IE增加、UE反而下降，出

現負阻。PUE<UAPN結反偏，IE0單結管截止第四十七頁，共99頁。IEPIPIVUPVUV截止區負阻區飽和區UE1.UE<UP時單結管截止UE>UP時單結管導通，UE<UV時恢復截止。2.單結晶體管的峰點電壓UP與外加固定電壓UBB及分壓比有關，外加電壓UBB

或分壓比不同，則峰點電壓UP不同。RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1小結第四十八頁，共99頁。單結晶體管振蕩電路R1，R2為外接電阻C為外接電容ugR2R1RUucE+C+__+_50100k3000.47F單結晶體管振蕩電路利用單結管的負阻特性及RC電路的充放電特性組成頻率可調的振蕩電路。第四十九頁，共99頁。ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F工作原理設通電前uC=0。接通電源U,電容C經電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。當uC

UP時,單結管導通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUvUp-UDuCtugt電容放電至uC

Uv時，單結管重新關斷，使ug0。(a)(b)第五十頁，共99頁。電容上的電荷通過R1放電，放電速度取決于R1C，因為R1<<R，放電迅速，放電電流在R1

上形成尖脈沖。upuv(c)電壓波形uCttugOO重復上述過程，在R1上形成一系列尖脈沖第五十一頁，共99頁。這種周而復始的自動充放電過程稱為振蕩通過電路振蕩在電容器上形成鋸齒波，在R1上形成尖脈沖；R大，電容充電慢，到達uP

的時間長，脈沖出現時間晚；R小，電容充電快，到達uP

的時間短，脈沖出現時間早。尖脈沖出現的時間可通過改變R的值來調節uFttuGRR2100KC+uC_uGEB1R1B230051+_+_U移相觸發第五十二頁，共99頁。單結管觸發的可控整流電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+主電路觸發電路1.電路第五十三頁，共99頁。2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2MtOotOtO第五十四頁，共99頁。(2)觸發電路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+ttUvUpRLT1D1D2T2uL+(3)輸出電壓uLOOUZtOtO第五十五頁，共99頁。問題討論1.單結管觸發的可控整流電路中，主電路和觸發電路為什么接在同一個變壓器上？2.觸發電路中，整流后為什么加穩壓管？3.一系列觸發脈沖中，為什么只有第一個起作用？如何改變控制角？4.輸出電壓如何調節？第五十六頁，共99頁。1滿足u1,u2不同的電壓要求2使u1,u2同相，即觸發電路過零時刻與主電路過零時刻保持一致（“同步”）變壓器Tr主要元器件的作用~第五十七頁，共99頁。穩壓管DZ：把電壓u0的頂部削掉，使u0成為梯形波Uz。uouZ整流削波當電網電壓波動時，單結晶體管輸出脈沖的幅

度以及每半周產生第一個脈沖的時間不受電網

電壓波動的影響。uCUpUv電容充、放電第五十八頁，共99頁。觸發脈沖uLuCug電容充、放電電位器RPRPC是電容的充電時間常數，RP

越大，電容電壓uC

上升慢，第一個尖脈沖到來遲，控制角加大，導通角減小，電壓uL

的平均值減小。RPUpUv第五十九頁，共99頁。問題答案1.單結管觸發的可控整流電路中，主電路和觸發電路為什么接在同一個變壓器上？

目的：保證主電路和觸發電路的電源電壓同時過零(即兩者同步)，使電容在每半個周期均從零開始充電，從而保證每半個周期的第一個觸發脈沖出現的時刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。2.觸發電路中，整流后為什么加穩壓管？

穩壓管的作用：是將整流后的電壓變成梯形(即削波)，使單結管兩端電壓穩定在穩壓管的穩壓值上，從而保證單結管產生的脈沖幅度和每半個周期產生第一脈沖的時間，不受交流電源電壓變化的影響。第六十頁，共99頁。3.一系列觸發脈沖中，為什么只有第一個起作用？如何改變控制角？根據晶閘管的特性，它一旦觸發導通，在陽極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發信號，仍能維持導通狀態。因此，每半個周期中只有第一個觸發脈沖起作用。改變充電時間常數即可改變控制角。控制角變化的范圍稱為移相范圍。4.電壓的調節R

電容充電速度變慢uL第六十一頁，共99頁。應用舉例電瓶充電機電路R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充電瓶T1該電瓶充電機電路使用元件較少，線路簡單，具有過充電保護、短路保護和電瓶短接保護。第六十二頁，共99頁。工作原理R2、RP、

C、T1、R3、R4

構成了單結晶體管觸發電路。當待充電電瓶接入電路后，觸發電路獲得所需電源電壓開始工作。R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充電瓶T1第六十三頁，共99頁。

當電瓶電壓充到一定數值時，使得單結晶體管的峰點電壓UP大于穩壓管DZ的穩定電壓，單結晶體管不能導通，觸發電路不再產生觸發脈沖，充電機停止充電。R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充電瓶T1第六十四頁，共99頁。R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充電瓶T1

觸發電路和可控整流電路的同步是由二極管D和電阻R1來完成的。

交流電壓過零變負后，電容通過D和R1迅速放電。交流電壓過零變正后D截止，電瓶電壓通過R2、RP向C充電。改變RP之值，可設定電瓶的初始充電電流。

第六十五頁，共99頁。交流調壓電路晶閘管交流調壓電路可代替調壓變壓器，廣泛用于調節電阻爐溫度，交流電機轉速，舞臺燈光調節。~uuG1uoRL+-+-++__uG2ioT1T21.電路第六十六頁，共99頁。在u的正半周：T1承受正向電壓,T2

承受反向電壓,在t1時刻(脈沖出現），

T1

導通2.工作原理~uuG1uoRL+-+-++__uG2ioT1T2第六十七頁，共99頁。在u的負半周：T2

承受正向電壓,T1

承受反向電壓,在t1時刻(脈沖出現），

T2

導通~uuG1uoRL+-+-++__uG2ioT1T2第六十八頁，共99頁。Uo0uG2u3.波形第六十九頁，共99頁。負載電壓UL的有效值為：負載電流IL

的有效值為：IL=UL/RL4.輸出電壓及電流的有效值第七十頁，共99頁。雙向晶閘管特點：相當于兩個晶閘管反向并聯，兩者共用一個控制極。符號：A1A2G控制極第一電極第二電極通過控制電壓的控制可實現雙向導通。第七十一頁，共99頁。工作原理UA1>UA2時，控制極相對于A2加正脈沖，晶閘管正向導通，電流從A1流向A2。UA2>UA1時，控制極相對于A2加負脈沖，晶閘管反向導通，電流從A2流向A1。A1A2G第七十二頁，共99頁。交流調壓電路雙向二極管：只要在其兩端加上一定數值的正或負電壓即可使其導通。RCTu+_雙向二極管第七十三頁，共99頁。End第七十四頁，共99頁。T1、T2--晶閘管D1、D2--晶體管T1T2D1D2RL~uu0+-+-io半控橋式全波整流電路第七十五頁，共99頁。T1T2D1D2RL~uu0+-+-ioU的正半周時，T1和D2導通，電流的通路為：ab工作原理第七十六頁，共99頁。U的負半周時，T2和D1導通，電流的通路為：T1T2D1D2RL~uu0+-+-ioab第七十七頁，共99頁。波形分析uo,iouoio0uuT10uT2T1T2D1D2RL~uu0+-+-ioabT1T2D1D2RL~uu0+-+-iouuG2第七十八頁，共99頁。輸出電壓的平均值為：輸出電流的平均值為：輸出電壓及電流的平均值uo,iouoio0u第七十九頁，共99頁。IEPIPIVUPUEVUV截止區負阻區飽和區伏安特性曲線+-+-REB2B1+-UBBE+-UEIERP+-+-REB2B1+-UBBERPRB2RB1D測量單結晶體管特性的實驗電路第八十頁，共99頁。伏安特性曲線在兩個基極之間加正向電壓UBB當發射極電壓為0：UA=RB1×UBB/(RB1+RB2)=UBB稱分壓系數(分壓比)，一般為0.3~0.9，是單結晶體管的重要參數提高發射極電壓UE：當UE<UA,PN結反偏,IE幾乎為0，RB1呈高阻，單結晶體管截止。IEPIPIVUPVUV截止區負阻區飽和區UE+-+-REB2B1+-UBBERPRB2RB1DA第八十一頁，共99頁。IEPIPIVUPVUV截止區負阻區飽和區UE當UE升高到一定值:PN結導通，發射極電流IE增大，電壓UE的最大值稱為峰點電壓UP，與之對應的電流稱峰點電流IPUP=UA+UD=

UBB+UD

，UD為二極管正向壓降，約0.6VPN結導通后，RB1迅速減小，E與B1之間的電壓UE下降，這段曲線的動態電阻UE/IE為負值，稱為負阻區+-+-REB2B1+-UBBERPRB2RB1DA第八十二頁，共99頁。UE逐步下降至UV點，當UE<UV，單結晶體管關斷。IE再增大，UE僅略有增大，單結晶體管進入飽和區。電壓UE的最低點稱谷點電壓UVIEPIPIVUPVUV截止區負阻區飽和區UE+-+-REB2B1+-UBBERPRB2RB1DA第八十三頁，共99頁。當UE=UP時，單結晶體管導通，呈低阻態當UE<UV時，單結晶體管關斷，呈高阻態IEPIPIVUPVUV截止區負阻區飽和區UE小結第八十四頁，共99頁。uCttuG工作原理接通電源,電容充電,電壓uc上升,上升速度取決于RC的值,當uC<uP,單結晶體管截止2)當uC=uP,單結管E導通,E與B1間電阻突然減小，電容上的電荷通過R1放電，放電速度取決于RC1，因為R1<<R，放電迅速，放電電流在R1上形成尖脈沖。RR2100KC+uC-uGEB1R1B23051+-+_U第八十五頁，共99頁。uFttuGRR2100KC+uC-uGEB1R1B23051+-+_U3)當uc降到谷點電壓uV

,單結管關斷。4)重復上述過程，在R1上形成一系列尖脈沖。第八十六頁，共99頁。uouZ整流削波波形關系第八十七頁，共99頁。波形關系UZ削波uZuCUpUvuG電容充、放電觸發脈沖第八十八頁，共99頁。uG觸發脈沖uL波形關系