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文檔簡介

功率變換電路第一頁,共五十二頁,2022年,8月28日一、主要特點2.7.1功率放大電路的特點和基本類型由于輸出電壓或輸出電流的幅度較大,功率放大電路必須工作在大信號條件下,因而容易產(chǎn)生非線性失真。如何盡量減小輸出信號的失真是首先要考慮的問題。輸出信號功率的能量來源于直流電源,應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)換的效率。半導(dǎo)體器件在大信號條件下運用時,電路中應(yīng)考慮器件的過熱、過流、過壓、散熱等一系列問題,并要有適當(dāng)?shù)谋Wo措施。

第二頁,共五十二頁,2022年,8月28日甲類單管功放級+VCCRLRb+-viCbVCC/RLVCC為了取得最大的動態(tài)范圍,必須使靜態(tài)工作點Q位于負(fù)載線的中點,靜態(tài)管壓降,靜態(tài)電流。在正弦輸入信號vi的驅(qū)動下,晶體管的電壓和電流將在靜態(tài)值的基礎(chǔ)上分別疊加交流成分:第三頁,共五十二頁,2022年,8月28日因為集電極交流電流也為正弦波,電源輸出的平均電流為ICQ,因而電源提供的功率不變負(fù)載上得到的輸出信號功率為由此可得該功率輸出級的效率為

當(dāng)晶體管處于最大不失真輸出時,如不考慮其飽和壓降VCES,則極限情況下該類電路的理想效率為第四頁,共五十二頁,2022年,8月28日可見這類放大器的功率轉(zhuǎn)換效率很低(若采用變壓器耦合單管功放級,則理想效率可達50%),原因是電源VCC所提供的總功率中,大部分消耗在晶體管的管耗和負(fù)載電阻的直流功耗上了。這類單管放大器由于不允許在一個周期內(nèi)出現(xiàn)截止失真,所以必須取,這顯然是造成較大管耗和負(fù)載直流功耗的根源。為了提高功率輸出級的效率,人們設(shè)想能否使晶體管的靜態(tài)電流?若這樣,波形中將出現(xiàn)半個周期的截止區(qū)。但如果再用另一個同樣的電路,使之與前一個電路交替工作(即前一電路中晶體管截止時,后一電路晶體管工作),則負(fù)載上仍可得到完整的正弦波。我們把在一個周期內(nèi),要求完整導(dǎo)通的放大器稱為甲類放大器,而對僅導(dǎo)通半個周期的放大器()稱為乙類放大器。根據(jù)靜態(tài)工作點的不同設(shè)置,功率放大器可以工作在乙類θ=180°,甲類θ=360°和甲乙類θ=180°~360°(θ為導(dǎo)通角)。第五頁,共五十二頁,2022年,8月28日功率放大器的工作點設(shè)置乙類θ=180°甲類θ=360°甲乙類θ=180°~360°乙類放大甲類放大甲乙類放大ICQ略大于0第六頁,共五十二頁,2022年,8月28日乙類功率放大器主要有互補對稱式和變壓器耦合推挽式兩種類型。二、基本類型1。雙電源供電的互補對稱功放電路,又稱OCL電路(OutputCapacitorless)靜態(tài)(vi=0)時,T1、T2管均截止,VOQ=0正半周(vi>0)時,T1管導(dǎo)通,T2管截止,+VCC→T1→RL→GND負(fù)半周(vi<0)時,T1管截止,T2管導(dǎo)通,GND→RL→T2→-VCC第七頁,共五十二頁,2022年,8月28日2。單電源供電的互補對稱功放電路,又稱OTL電路(OutputTransformerless)OCLOTL大容量(幾百~幾千微法)的電解電容器OTL功率放大器由于靜態(tài)時,所以要求輸入端(T1、T2基極)上的靜態(tài)電壓也為,即而OCL電路的輸入端上不需要靜態(tài)電壓。第八頁,共五十二頁,2022年,8月28日單電源互補功放電路(OTL)的工作原理OTL功放電路與OCL功放電路的工作原理類似,都由NPN和PNP管構(gòu)成,但增加了一只大容量(幾百~幾千微法)的電解電容器。靜態(tài)(vi=0)時,T1、T2管均截止,vo=VCC/2,所以電容C上充有VCC/2的電壓,VOQ=0正半周(vi>0)時,T1導(dǎo)通,T2截止,+VCC→T1→C

→RL→GND。電容充電。負(fù)半周(vi<0)時,電容C上的電壓VCC/2作為電源,T1截止,T2導(dǎo)通,電容放電,RL→C

→T2→GND。負(fù)載上流過負(fù)半周信號電流。第九頁,共五十二頁,2022年,8月28日2.變壓器耦合推挽式Tr1、Tr2為輸入和輸出變壓器;T1、T2為同極型對稱推挽管;Rb1、Rb2提供靜態(tài)偏置,克服交越失真。正半周(vi>0)時,v21為正,T1導(dǎo)通,v22為負(fù),T2截止輸出正半周。負(fù)半周(vi<0)時,v21為負(fù),T1截止,v22為正,T2導(dǎo)通,輸出負(fù)半周。+__+第十頁,共五十二頁,2022年,8月28日變壓器耦合的突出優(yōu)點是,通過改變變壓器的變比,能找到一個最佳的等效負(fù)載(此時輸出功率最大,且不失真)。并且,在不提高電源電壓的條件下,可以使輸出電壓幅度Vom超過電源電壓。+__+第十一頁,共五十二頁,2022年,8月28日一、功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)輸入:則輸出:輸出功率:2.7.2功率放大電路的分析計算以雙電源互補對稱式(OCL)功率放大電路為例。輸出功率Po第十二頁,共五十二頁,2022年,8月28日電源提供平均功率:輸出效率η輸出效率:

輸出效率是輸出功率與電源提供的平均功率之比。第十三頁,共五十二頁,2022年,8月28日當(dāng)輸入信號幅度達到理想的最大值時,輸出功率達到最大,此時輸出效率也最大??紤]功放管的飽和壓降VCES時,Vom=VCC-VCES,實際效率將小于78.5%(一般為60~70%)。最大輸出功率及最大效率互補對稱功放電路的工作波形

第十四頁,共五十二頁,2022年,8月28日管耗PTT1、T2二管的總管耗為:為求最大管耗PTM,對上式求導(dǎo),并令dPT/dVom=0。所以每個功放管的最大功耗為:

此時:(2)功放管的耐壓V

(BR)CEO>2VCC。(3)功放管允許的最大集電極電流ICM>VCC/RL。第十五頁,共五十二頁,2022年,8月28日在互補對稱功率放大電路中,功放管必須按以下幾點原則選?。?1)管子的功耗PCM>0.2Pomax。(2)功放管的耐壓V

(BR)CEO>2VCC。(3)功放管允許的最大集電極電流ICM>VCC/RL。二、功率管的選取第十六頁,共五十二頁,2022年,8月28日單電源互補對稱式(OTL)功率放大電路設(shè)輸入:則輸出:輸出功率:輸出功率Po第十七頁,共五十二頁,2022年,8月28日電源提供平均功率:輸出效率η輸出效率:

第十八頁,共五十二頁,2022年,8月28日最大輸出功率及最大效率當(dāng)輸入信號幅度達到理想的最大值時,輸出功率達到最大,此時輸出效率也最大。第十九頁,共五十二頁,2022年,8月28日(1)功率管應(yīng)該嚴(yán)格配對,大小工作電流時的β一致。在大電流下飽和壓降小,且一致。(2)管子的散熱問題。在大功率場合,必須給管子裝上一定尺寸的散熱板,或進行風(fēng)冷和水冷。(3)功放管因在大電流、高電壓下工作,應(yīng)對其采取過壓和過流保護措施。(4)消除低頻自激的有效方法是在前置放大電路的供電回路中加去耦濾波電容。三、功放電路實際應(yīng)用時需考慮的問題第二十頁,共五十二頁,2022年,8月28日克服交越失真的功率輸出電路第二十一頁,共五十二頁,2022年,8月28日A_+vi+15V-15VRLR1R3R2T1T2vo功率放大電路基本形式第二十二頁,共五十二頁,2022年,8月28日一、集成運放的擴流集成運放擴流電路2.7.3集成功率放大器在集成運放的輸出端再加一級互補對稱功放。利用T1、T2管子的電流放大作用,達到擴大輸出電流的目的。第二十三頁,共五十二頁,2022年,8月28日二、集成運放的擴壓當(dāng)vi=0時,vO=0。vB1=+15V,vB2=-15V,V+=+14.3V,V-=-14.3V。經(jīng)擴壓后的輸出電壓可達±24V以上。當(dāng)加入信號vi后,第二十四頁,共五十二頁,2022年,8月28日一般通用型集成運放的輸出功率是很小的,如μA741的輸出功率僅為100mW左右。在需要較大功率場合,可選用集成功率放大器。5W音頻放大器三、集成功率放大器第二十五頁,共五十二頁,2022年,8月28日20W音頻放大器第二十六頁,共五十二頁,2022年,8月28日直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖一、整流與濾波電路2.7.4

整流、濾波、穩(wěn)壓電路整流電路的任務(wù)是利用二極管的單向?qū)щ娦?,把正、?fù)交變的50Hz電網(wǎng)電壓變成單方向脈動的電壓。第二十七頁,共五十二頁,2022年,8月28日全波整流第二十八頁,共五十二頁,2022年,8月28日全波橋式整流輸出波形

在一個周期中,D1、D3和D2、D4各輪流導(dǎo)通一次。全波橋式整流電路第二十九頁,共五十二頁,2022年,8月28日整流電路只是將交流電變換為單方向的脈動電壓和電流,由于后者含有較大的交流成分,通常還需在整流電路的輸出端接入濾波電路,以濾除交流分量,從而得到平滑的直流電壓。濾波電路利用電容的儲能特性,將電容量足夠大的電容與負(fù)載并聯(lián)。當(dāng)開關(guān)S斷開時,第三十頁,共五十二頁,2022年,8月28日當(dāng)開關(guān)S合上時,在v2<vC時,二極管均反偏截止,C對RL放電,vC緩慢下降。在v2>vC時,D1、D3管導(dǎo)通,iD1,3一部分提供負(fù)載電流,另一部分對C充電,

vC上升較快。第三十一頁,共五十二頁,2022年,8月28日在RL=∞(空載)時,,輸出直流電壓VO為最大。(二極管允許的反向電壓)(二極管最大整流電流)為確保二極管安全工作,要求:輸出直流電壓平均值VO(AV)在RLC值很小時,相當(dāng)于無濾波電容的情況,一般情況下,可按下式估算:VO(AV)≈0.9V2VO(AV)≈1.2V2第三十二頁,共五十二頁,2022年,8月28日濾波電路形式不同電子設(shè)備要求其電源電壓的平滑程度不同,為此可采用不同的濾波電路。電容濾波L型濾波器電感濾波負(fù)載特性曲線RC-π型濾波器LC-π型濾波器第三十三頁,共五十二頁,2022年,8月28日1、交流市電波動2、負(fù)載變化都要引起輸出電壓不穩(wěn)定穩(wěn)壓電路VIVO接整流濾波電路穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓系數(shù)內(nèi)阻IL第三十四頁,共五十二頁,2022年,8月28日+VO-+VI-RRL+VO-+VI-RRL+VO-+VI-RRL(a)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路(b)加晶體管擴大負(fù)載電流的變化范圍(b)的常見畫法VI(或RL)VOVBEIBVO第三十五頁,共五十二頁,2022年,8月28日二、線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路VI是輸入電壓,T為調(diào)整管,A為比較放大電路,VREF為基準(zhǔn)電壓,它由穩(wěn)壓管Dz與限流電阻R構(gòu)成。R1與R2組成反饋網(wǎng)絡(luò),是用來反映輸出電壓變化的取樣環(huán)節(jié)。這種穩(wěn)壓電路的主回路由調(diào)整管T與負(fù)載相串聯(lián)構(gòu)成,且T工作在線性狀態(tài),故稱為線性串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。+VO-+VI-RRL第三十六頁,共五十二頁,2022年,8月28日VO=VI-VCE,VO由反饋網(wǎng)絡(luò)取樣,并經(jīng)放大電路(A)放大后去控制調(diào)整管T的基極電壓,從而改變調(diào)整管T的VCE。VI增加

(或Io減小)VF與VREF經(jīng)比較放大后使調(diào)節(jié)管的VB和IC減小,VO增加VF=R2VO/(R1+R2)=FvVO增加(Fv為反饋系數(shù))。VCE增大VO下降,從而維持VO基本恒定。顯然,這是電壓負(fù)反饋電路基本性能。第三十七頁,共五十二頁,2022年,8月28日如把串聯(lián)穩(wěn)壓電路看作反饋放大器(輸入為VREF,輸出為VO),則這種電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋。在深度負(fù)反饋條件下

最大可能輸出電壓第三十八頁,共五十二頁,2022年,8月28日一、三端固定式集成穩(wěn)壓器塑料封裝(TO-220)最大功耗為10W(加散熱器)VI為不穩(wěn)定電壓輸入端VO為穩(wěn)定電壓輸出端GND為公共接地端金屬殼封裝(TO-3)最大功耗為20W(加散熱器)2.7.5集成線性穩(wěn)壓電路7800系列第三十九頁,共五十二頁,2022年,8月28日最大輸出電流為1.5A7800系列中輸出穩(wěn)定電壓分為5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等多種輸出電壓允許有±5%的偏差最小的輸入-輸出壓差為2V,但為使工作可靠,一般壓差應(yīng)大于3~5V最高輸入電壓VI≤35V。第四十頁,共五十二頁,2022年,8月28日7900系列使用7800與7900時需要注意,采用TO-3封裝的7800系列,其金屬外殼為地端;而同樣封裝的7900系列,金屬外殼是負(fù)壓輸入端。TO-220封裝TO-3封裝7900系列屬于負(fù)壓輸出外形、電壓系列、允許電流與7800系列完全相同但管腳排列順序不同第四十一頁,共五十二頁,2022年,8月28日三端穩(wěn)壓器原理框圖第四十二頁,共五十二頁,2022年,8月28日三端穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用Ci是穩(wěn)壓器的輸入電容,用于進一步減小高頻紋波Co是穩(wěn)壓器的輸出電容,用于改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)第四十三頁,共五十二頁,2022年,8月28日1、要防止浮地故障的發(fā)生,一旦GND端開路,穩(wěn)壓器的輸出電壓就會接近于輸入電壓,即VO≈VI,可能損壞負(fù)載電路中的元器件。常見故障及防止方法2、VI端與VO端不得接反。3、當(dāng)穩(wěn)壓器輸出端接有大

容量負(fù)載電容CO時,應(yīng)在

VI與VO端之間接一只保護

二極管D。正常情況下D截

止,一旦輸入端發(fā)生短路,

CO上積存的電荷便經(jīng)過D對

地放電,起到保護作用,

防止因向調(diào)整管的發(fā)射結(jié)放電而損壞芯片。第四十四頁,共五十二頁,2022年,8月28日許多電子設(shè)備以及運算放大器等均需要正、負(fù)雙電源供電,將7800與7900搭配使用,即可構(gòu)成同時輸出正壓和負(fù)壓的穩(wěn)壓電源。該電路的特點是可公用一套整流濾波電路。由于負(fù)載與電源公共地未連通,需增加二極管D起保護作用。能同時輸出正負(fù)壓的穩(wěn)壓電源第四十五頁,共五十二頁,2022年,8月28日三個接線端稱為輸入端VI、輸出端Vo和調(diào)整端adj。LM317的VREF=1.2V,Iadj=50μA,由于調(diào)整端電流Iadj<<I1,故可以忽略。二、三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器第四十六頁,共五十二頁,2022年,8月28日三端可調(diào)式穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路由LM117和LM137組成的正、負(fù)輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓器。電路中的VREF=V31(或V21)=1.2V,R1=R′1=(120~240)Ω,為保證空載情況下輸出電壓穩(wěn)定,R1和R′1不宜高于240Ω。R2和R′2的大小根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)范圍確定。該電路輸入電壓VI分別為±25V,則輸出電壓可調(diào)范圍為±(1.2~20)V。1第四十七頁,共五十二頁,2022年,8月28日開關(guān)型穩(wěn)壓器的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài),調(diào)整管一般以(10~100)kHz的調(diào)制頻率快速轉(zhuǎn)工作于飽和區(qū)和截止區(qū)。當(dāng)管子截止時,盡管電壓較高,而電流為零;當(dāng)管子飽和時,盡管電流較大,而管壓降很小。此時主要考慮管子的高頻開關(guān)損耗。因功耗很小,其效率可以提高到80%~90%以上。2.7.6開關(guān)型直流穩(wěn)壓電路按調(diào)制方式分為脈寬調(diào)制式、脈頻調(diào)制式和混合調(diào)制式;按功率管與負(fù)載的連接方式分為串聯(lián)式和并聯(lián)式。第四十八頁,共五十二頁,2022年,8月28日串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路原理圖續(xù)流濾波環(huán)節(jié)的作用是將調(diào)整管輸出的開關(guān)脈沖電壓波形加以平滑,變成平穩(wěn)的直流輸出電壓。同時通過輸出取樣,反饋控制調(diào)整

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