《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件1課題七

第7章直流穩(wěn)壓電路7.1概述

7.2整流及濾波電路

7.3直流穩(wěn)壓電路

7.4晶閘管及可控整流電路

7.1概

述7.1.1直流電源的組成小功率直流電源一般由交流電源、變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路幾部分組成，如圖7.1所示。在電路中，變壓器將常規(guī)的交流電壓（220V、380V）變換成所需要的交流電壓；整流電路將交流電壓變換成單方向脈動的直流電壓；濾波電路再將單方向脈動的直流電中所含的交流成分濾掉，得到一個較平滑的直流電；穩(wěn)壓電路用來消除由于電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載改變對其產(chǎn)生的影響，從而使輸出電壓穩(wěn)定。圖

7.1直流電源電路的組成框圖

7.1.2直流電源演示演示電路如圖7.2所示,在圖7.2(a)電路中,變壓器的初級接220V交流電源。用示波器觀察ab間的波形如圖7.3(a)所示,觀察1～0間的波形如圖7.3(b)所示。合上開關(guān)S,再用示波器觀察1～0間的波形如圖7.3(c)所示。如果加上穩(wěn)壓部分,如圖7.2(b)所示,用示波器觀察2～0間的波形如圖7.3(d)所示。通過各點波形的測量，我們看到穩(wěn)壓電源是將交流電逐步改變成一個平滑的直流電。那么，直流電源各部分電路是如何工作的呢？下面將分析其工作原理。圖7.2直流電源演示（a）

簡易直流電源；

（b）直流電源

圖

7.3各點電壓波形

7.2整流及濾波電路7.2.1電路組成及工作原理圖7.4是單相半波整流電路，它由整流變壓器T、整流二極管V及負(fù)載RL組成。當(dāng)次級電壓 時,在0～π區(qū)間內(nèi)，u2瞬時上正下負(fù)，二極管V因正偏而導(dǎo)通，忽略二極管正向?qū)▔航担瑒t在0～π區(qū)間內(nèi)uo=u2，此時流過二極管的電流iV等于流過負(fù)載的電流；在π～2π區(qū)間內(nèi)，次級電壓u2瞬時為上負(fù)下正，此時二極管V因承受反壓而截止，iV=0，uo=0，所以輸出電壓uo的波形只有u2的正向半波。圖7.4單相半波整流電路單相半波整流電路及電壓、

電流的波形如圖7.5所示,即

（0≤ωt≤π）

（π≤ωt≤2π）

圖

7.5

單相半波整流電路電壓與電流的波形

(7—2)7.2.2單相半波整流電路的主要技術(shù)指標(biāo)

1.輸出電壓平均值在圖7.5所示波形電路中，負(fù)載上得到的整流電壓是單方向的，但其大小是變化的，是一個單向脈動的電壓，由此可求出其平均電壓值為2.流過二極管的平均電流iV

由于流過負(fù)載的電流就等于流過二極管的電流，所以（7—3）

3.二極管承受的最高反向電壓URM

在二極管不導(dǎo)通期間，承受反壓的最大值就是變壓器次級電壓u2的最大值，即

（7—4）

4.脈動系數(shù)S

脈動系數(shù)S是衡量整流電路輸出電壓平滑程度的指標(biāo)。由于負(fù)載上得到的電壓Uo是一個非正弦周期信號，可用付氏級數(shù)展開為

脈動系數(shù)的定義為最低次諧波的峰值與輸出電壓平均值之比，即（7—5）(7—6)

單相半波整流電路的特點是結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓的平均值低、脈動系數(shù)大。

7.2.3單相橋式整流電路

為了克服半波整流電路電源利用率低，整流電壓脈動程度大的缺點，常采用全波整流電路，最常用形式是橋式整流電路。它由四個二極管接成電橋形式，如圖7.6所示。

1.電路組成及工作原理

在圖7.6（a）所示電路中，當(dāng)變壓器次級電壓u2為上正下負(fù)時，二極管V1和V3導(dǎo)通，V2和V4截止，電流i1的通路為a→V1→RL→V3→b，這時負(fù)載電阻RL上得到一個正弦半波電壓如圖7.7中（0~π）段所示。當(dāng)變壓器次級電壓u2為上負(fù)下正時，二極管V1和V3反向截止，V2和V4導(dǎo)通，電流i2的通路為b→V2→RL→V4→a，同樣，在負(fù)載電阻上得到一個正弦半波電壓，如圖7.7中（π~2π）段所示。圖7.6單相橋式整流電路組成圖7.7單相橋式整流電路電壓與電流波形

2.技術(shù)指標(biāo)計算及分析

（1）輸出電壓平均值Uo。由以上分析可知，橋式整流電路的整流電壓平均值Uo比半波整流時增加一倍，即（7—7）

（2）直流電流Io。橋式整流電路通過負(fù)載電阻的直流電流也增加一倍，即（7—8）

（3）二極管的平均電流iV。因為每兩個二極管串聯(lián)輪換導(dǎo)通半個周期，因此，每個二極管中流過的平均電流只有負(fù)載電流的一半，即（7—9）

（4）二極管承受的最高反向電壓URM。由圖7.6（a）可以看出，當(dāng)V1和V3導(dǎo)通時，如果忽略二極管正向壓降，此時，V2和V4的陰極接近于a點，陽極接近于b點，二極管由于承受反壓而截止，其最高反壓為u2的峰值，即(5)脈動系數(shù)S。全波橋式整流輸出電壓uo的付氏級數(shù)展開式為（7—10）即

由以上分析可知，單相橋式整流電路，在變壓器次級電壓相同的情況下，輸出電壓平均值高、脈動系數(shù)小，管子承受的反向電壓和半波整流電路一樣。雖然二極管用了四只，但小功率二極管體積小，價格低廉，因此全波橋式整流電路得到了廣泛的應(yīng)用。

7.2.4濾波電路

整流輸出的電壓是一個單方向脈動電壓，雖然是直流，但脈動較大，在有些設(shè)備中不能適應(yīng)（如電鍍和蓄電池充電等設(shè)備）。為了改善電壓的脈動程度，需在整流后再加入濾波電路。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波等。

1.電容濾波電路

圖7.8所示為一單相半波整流電容濾波電路，由于電容兩端電壓不能突變，因而負(fù)載兩端的電壓也不會突變，使輸出電壓得以平滑，達(dá)到濾波目的。;濾波過程及波形如圖7.9所示。圖7.8單相半波整流電容濾波電路

圖7.9電容濾波原理及輸出波形

在u2的正半周時，二極管V導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，則uo=u2，這個電壓一方面給電容充電，一方面產(chǎn)生負(fù)載電流Io，電容C上的電壓與u2同步增長，當(dāng)u2達(dá)到峰值后，開始下降，UC＞u2，二極管截止，如圖7.9中的A點。之后，電容C以指數(shù)規(guī)律經(jīng)RL放電，UC下降。當(dāng)放電到B點時，u2經(jīng)負(fù)半周后又開始上升，當(dāng)u2＞UC時，電容再次被充電到峰值。UC降到C點以后，電容C再次經(jīng)RL放電，通過這種周期性充放電，以達(dá)到濾波效果。

由于電容的不斷充放電，使得輸出電壓的脈動性減小，而且輸出電壓的平均值有所提高。輸出電壓平均值Uo的大小，顯然與RL、C的大小有關(guān)，RL愈大，C愈大，電容放電愈慢，Uo愈高。在極限情況下，當(dāng)RL=∞時，Uo=UC=U2，不再放電。當(dāng)RL很小時，C放電很快，甚至與u2同步下降，則Uo=0.9U2，RL、C對輸出電壓的影響如圖7.9中虛線所示?？梢婋娙轂V波電路適用于負(fù)載較小的場合。當(dāng)滿足RLC≥（3~5）T/2時，則輸出電壓的平均值為（7—12）（7—11）其中T為交流電源電壓的周期。

利用電容濾波時應(yīng)注意下列問題：

(1)濾波電容容量較大，一般用電解電容，應(yīng)注意電容的正極性接高電位，負(fù)極性接低電位。如果接反則容易擊穿、爆裂。（2）開始時，電容C上的電壓為零，通電后電源經(jīng)整流二極管給C充電。通電瞬間二極管流過短路電流，稱浪涌電流。一般是正常工作電流Io的（5~7）倍，所以選二極管參數(shù)時，正向平均電流的參數(shù)應(yīng)選大一些。同時在整流電路的輸出端應(yīng)串一個阻值約為（0.02~0.01）R的電阻，以保護(hù)整流二極管。

2.電感濾波及復(fù)式濾波電路

（1）電感濾波電路。由于通過電感的電流不能突變，用一個大電感與負(fù)載串聯(lián),流過負(fù)載的電流也就不能突變，電流平滑，輸出電壓的波形也就平穩(wěn)了。其實質(zhì)是因為電感對交流呈現(xiàn)很大的阻抗，頻率愈高，感抗越大，則交流成分絕大部分降到了電感上,若忽略導(dǎo)線電阻，電感對直流沒有壓降，即直流均落在負(fù)載上，達(dá)到了濾波目的。電感濾波電路如圖7.10所示。在這種電路中，輸出電壓的交流成分是整流電路輸出電壓的交流成分經(jīng)XL和RL分壓的結(jié)果，只有ωL>>RL時，濾波效果才好。圖7.10帶電感濾波器的橋式整流電路圖

（2）復(fù)式濾波電路。為了進(jìn)一步減小輸出電壓的脈動程度，可以用電容和鐵芯電感組成各種形式的復(fù)式濾波電路。電感型LC濾波電路如圖7.11所示。整流輸出電壓中的交流成分絕大部分降落在電感上，電容C又對交流接近于短路，故輸出電壓中交流成分很少，幾乎是一個平滑的直流電壓。由于整流后先經(jīng)電感L濾波，總特性與電感濾波電路相近，故稱為電感型LC濾波電路，若將電容C平移到電感L之前，則為電容型LC濾波電路。圖7.11橋式整流電感型LC濾波電路

（3）Π型濾波電路。圖7.12所示為LCΠ型濾波電路。整流輸出電壓先經(jīng)電容C1，濾除了交流成分后，再經(jīng)電感L上濾波電容C2上的交流成分極少，因此輸出電路幾乎是平直的直流電壓。但由于鐵芯電感體積大、笨重、成本高、使用不便。因此，在負(fù)載電流不太大而要求輸出脈動很小的場合，可將鐵芯電感換成電阻，即RCΠ型濾波電路。電阻R對交流和直流成分均產(chǎn)生壓降，故會使輸出電壓下降，但只要RL>>1/(ωC2)，電容C1濾波后的輸出電壓絕大多數(shù)降在電阻RL上。RL愈大，C2愈大，濾波效果愈好。

圖7.12Π型濾波電路（a）LCΠ型濾波電路;（b）RCΠ型濾波電路

通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時，輸出電壓會隨之改變。電子設(shè)備一般都需要穩(wěn)定的電源電壓。如果電源電壓不穩(wěn)定，將會引起直流放大器的零點漂移，交流噪聲增大，測量儀表的測量精度降低等。因此必須進(jìn)行穩(wěn)壓，目前中小功率設(shè)備中廣泛采用的穩(wěn)壓電源有并聯(lián)型穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路及開關(guān)型穩(wěn)壓電路。7.3直流穩(wěn)壓電路7.3.1硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

1.電路組成及工作原理硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖7.13所示，經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui，限流電阻R和穩(wěn)壓管V組成穩(wěn)壓電路，輸出電壓Uo=UZ。

圖7.13穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的直流電源電路

在這種電路中，不論是電網(wǎng)電壓波動還是負(fù)載電阻RL的變化，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路都能起到穩(wěn)壓作用，因為UZ基本恒定，而Uo=UZ。下面從兩個方面來分析其穩(wěn)壓原理：（1）設(shè)RL不變，電網(wǎng)電壓升高使Ui升高，導(dǎo)致Uo升高，而Uo=UZ。根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當(dāng)UZ升高一點時，IZ將會顯著增加，這樣必然使電阻R上的壓降增大，吸收了Ui的增加部分，從而保持Uo不變。反之亦然。

（2）設(shè)電網(wǎng)電壓不變，當(dāng)負(fù)載電阻RL阻值增大時，IL減小，限流電阻R上壓降UR將會減小。由于Uo=UZ=Ui-UR，所以導(dǎo)致Uo升高，即UZ升高，這樣必然使IZ顯著增加。由于流過限流電阻R的電流為IR=IZ+IL，這樣可以使流過R上的電流基本不變，導(dǎo)致壓降UR基本不變，則Uo也就保持不變。反之亦然。

2.穩(wěn)壓電路參數(shù)確定

（1）限流電阻的計算。穩(wěn)壓電路要輸出穩(wěn)定電壓，必須保證穩(wěn)壓管正常工作。因此必須根據(jù)電網(wǎng)電壓和負(fù)載電阻RL的變化范圍,正確地選擇限流電阻R的大小。從兩個極限情況考慮，則有①當(dāng)Ui為最小值，Io達(dá)到最大值時，即

Ui=Uimin，Io=Iomax,這時IR=(Uimin-UZ)/R。則IZ=IR-Iomax為最小值。為了讓穩(wěn)壓管進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)，此時IZ值應(yīng)大于IZmin，即IZ=(Uimin-UZ)/R-Iomax＞IZmin,則②當(dāng)Ui達(dá)最大值，Io達(dá)最小值時，Ui=Uimax，

Io=Iomin,這時IR=(Uimax-UZ)/R，則IZ=IR-Iomin為最大值。為了保證穩(wěn)壓管安全工作，此時IZ值應(yīng)小于IZmax，即IZ=(Uimax-UZ)/R-Iomin＜IZmax，則所以限流電阻R的取值范圍為(7—13)在此范圍內(nèi)選一個電阻標(biāo)準(zhǔn)系列中的規(guī)格電阻。（2）確立穩(wěn)壓管參數(shù)。一般?。?—14）

7.3.2串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路

并聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定，但穩(wěn)壓值不能隨意調(diào)節(jié)，而且輸出電流很小，由式7.14可知，Iomax=（1/3~2/3）IZmax，而IZmax一般只有20~40mA。為了加大輸出電流，使輸出電壓可調(diào)節(jié)，常用串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路,如圖7.14所示。

圖7.14串聯(lián)型穩(wěn)壓電路（a）分立元件的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路;（b）運算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路（7—15）

式中，R=R1+Rp+R2,R′p是RP的下半部分阻值。Uo↑→Ub2↑→Ub1（Uc2）↓→Uo↓

圖7.14（a）是由分立元件組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化時，可能使輸出電壓Uo上升或下降。為了使輸出電壓Uo不變，可以利用負(fù)反饋原理使其穩(wěn)定。假設(shè)因某種原因使輸出電壓Uo上升，其穩(wěn)壓過程為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓可由Rp進(jìn)行調(diào)節(jié)。

Uo↓→U-↓→Ub1↑→Uo↑串聯(lián)型穩(wěn)壓電路包括四大部分，其組成框圖如圖7.15所示。

如果將圖7.14（a）中的放大元件改成集成運放，不但可以提高放大倍數(shù)，而且能提高靈敏度，這樣就構(gòu)成了由運算放大器組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，電路如圖7.14（b）所示。假設(shè)因某種原因使輸出電壓Uo下降，其穩(wěn)壓過程為圖7.15串聯(lián)型穩(wěn)壓電路組成框圖7.3.3集成穩(wěn)壓器及應(yīng)用

集成穩(wěn)壓器將取樣、基準(zhǔn)、比較放大、調(diào)整及保護(hù)環(huán)節(jié)集成于一個芯片，按引出端不同可分為三端固定式、三端可調(diào)式和多端可調(diào)式等。三端穩(wěn)壓器有輸入端、輸出端和公共端（接地）三個接線端點，由于它所需外接元件較少，便于安裝調(diào)試，工作可靠，因此在實際使用中得到廣泛應(yīng)用。其外形如圖7.16所示。圖7.16三端穩(wěn)壓器外形圖（a）三端固定式；（b）三端可調(diào)式

1.固定輸出的三端穩(wěn)壓器

常用的三端固定穩(wěn)壓器有7800系列、7900系列，其外型如圖7.16（a）所示。型號中78表示輸出為正電壓值，79表示輸出為負(fù)電壓值，00表示輸出電壓的穩(wěn)定值。根據(jù)輸出電流的大小不同，又分為CW78系列，最大輸出電流1~1.5A；CW78M00系列，最大輸出電流0.5A；CW78L00系列，最大輸出電流100mA左右，7800系列輸出電壓等級有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，7900系列有-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V。如CW7815，表明輸出+15V電壓，輸出電流可達(dá)1.5A，CW79M12，表明輸出-12V電壓，輸出電流為-0.5A。

2.三端可調(diào)輸出穩(wěn)壓器

前面介紹78、79系列集成穩(wěn)壓器，只能輸出固定電壓值，在實際應(yīng)用中不太方便。CW117、CW217、CW317、CW337和CW337L系列為可調(diào)輸出穩(wěn)壓器，其外型如圖7.16（b）所示。在圖7.16所示電路中CW317是三端可調(diào)式正電壓輸出穩(wěn)壓器，而CW337是三端可調(diào)式負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓器。三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器輸出電壓為1.25~37V，輸出電流可達(dá)1.5A。CW317的基本應(yīng)用電路如圖7.17所示，它只需外接兩個電阻(R1和RP)來確定輸出電壓。為了使電路正常工作，它的輸出電流不應(yīng)小于5mA，調(diào)節(jié)端①的電流約為50μA，輸出電壓的表達(dá)式為（7—16）（7—17）在上式中RP阻值很小,可忽略，由此可得

圖7.17所示電路中C1為預(yù)防自激振蕩產(chǎn)生,C2用來改善輸出電壓波形。

圖7.17可調(diào)輸出穩(wěn)壓電源3.三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用

1）輸出固定電壓應(yīng)用電路輸出固定電壓的應(yīng)用電路如圖7.18所示，其中圖（a）為輸出固定正電壓，圖（b）為輸出固定負(fù)電壓，圖中Ci用以抵消輸入端因接線較長而產(chǎn)生的電感效應(yīng)。為防止自激振蕩，其取值范圍在（0.1~1）μF之間（若接線不長時可不用），Co用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般取1μF左右，其作用是減少高頻噪聲。

圖7.18固定輸出的穩(wěn)壓電路（a）輸出固定正電壓;（b）輸出固定負(fù)電壓2）輸出正、負(fù)電壓穩(wěn)壓電路當(dāng)需要正、負(fù)兩組電源輸出時，可采用W7800系列和W7900系列各一塊，按圖7.19接線，即可得到正負(fù)對稱的兩組電源。圖7.19正負(fù)對稱輸出穩(wěn)壓電路7.3.4開關(guān)穩(wěn)壓電源

1.串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)電源的組成框圖如圖7.20所示，它主要由開關(guān)調(diào)整管、濾波器、比較放大器和脈寬調(diào)制器等環(huán)節(jié)組成。開關(guān)調(diào)整管是一個由脈沖uPO控制的電子開關(guān)，如圖7.21所示。

圖7.20開關(guān)電源的組成框圖

圖7.21開關(guān)調(diào)整管工作過程示意圖

1.串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)電源的組成框圖如圖7.20所示，它主要由開關(guān)調(diào)整管、濾波器、比較放大和脈寬調(diào)制器等環(huán)節(jié)組成。開關(guān)調(diào)整管是一個由脈沖uPO控制的電子開關(guān)，如圖7.21所示。

當(dāng)控制脈沖uPO出現(xiàn)時，電子開關(guān)閉合，uSO=uI；而uPO=0時，電子開關(guān)斷開，uSO=0，開關(guān)的開通時間ton與開關(guān)周期T之比稱為脈沖電壓uSO的占空比δ。由此可見，開關(guān)調(diào)整管的輸出電壓uSO是一個脈高為uI、脈寬由uPO控制、脈率與uPO相同的矩形脈沖電壓。濾波器由電感電容組成，對脈沖電壓uSO進(jìn)行濾波，得到波紋很小的直流輸出電壓uO。將輸出電壓uO取樣與基準(zhǔn)電壓在比較放大環(huán)節(jié)中比較放大，其結(jié)果uE（誤差）作為脈寬調(diào)制器的輸入信號。脈寬調(diào)制器是一個基準(zhǔn)電壓為鋸齒波的電壓比較器，輸出脈沖電壓uPO的脈寬由uE控制，而頻率與鋸齒波相同。

其工作原理：當(dāng)輸入電壓uI和負(fù)載都處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出電壓uO也穩(wěn)定不變，設(shè)對應(yīng)的誤差信號uE和控制脈沖uPO的波形如圖7.22（a）所示。如果輸出電壓uO發(fā)生波動，例如uI上升會導(dǎo)致uO上升，則比較放大電路使uE下降，脈寬調(diào)制器的輸出信號uPO的脈寬變窄，如圖7﹒22（b）所示，開關(guān)調(diào)整管的開通時間減小，使uO下降。通過上述調(diào)整過程，使輸出電壓uO保持不變。

輸出電壓uO的穩(wěn)定過程可描述為：

這種定頻調(diào)寬控制方法稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）法。

圖7.22開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理示意圖串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理如圖7.23所示。三極管V1為開關(guān)調(diào)整管，穩(wěn)壓管V2的穩(wěn)定電壓U2作為基準(zhǔn)電壓，電位器RP對輸出電壓uO取樣送入比較放大環(huán)節(jié)與基準(zhǔn)電壓u2相比較。濾波器由L、C和續(xù)流二極管V組成，當(dāng)三極管V1導(dǎo)通時，uI向負(fù)載RL供電的同時也為電感L和電容C充電，當(dāng)控制信號使開關(guān)調(diào)整管V1截止時，電感L儲存的能量通過續(xù)流二極管V2向負(fù)載釋放，電容也同時向負(fù)載放電。使負(fù)載電流連續(xù)的臨界電感值為

其中f為輸入電壓的頻率大小。實際使用中，選用電感L應(yīng)大于Lc。

(7-18)圖7.23串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理圖

濾波電容的容量是根據(jù)輸出電壓的波紋峰值Upp來確定的，表示為

由于有濾波器的影響，該電路輸出電壓平均值Uo必然大于δUi，而小于Ui，因此稱為降壓型開關(guān)電源。

2.并聯(lián)升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源

圖7.24并聯(lián)升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理示意圖

當(dāng)控制信號到來使開關(guān)調(diào)整管V1導(dǎo)通期間，二極管V2截止，其等效電路如圖7.24（b）所示，在此Ton期間，uI通過開關(guān)調(diào)整管V1給電感L充磁儲能，負(fù)載電壓由電容C放電供給。當(dāng)控制信號使開關(guān)調(diào)整管V1關(guān)斷期間，二極管V2導(dǎo)通，其等效電路如圖7.24（c）所示，在此Toff期間，因電感儲有能量產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢能保持iL的方向不變，即電動勢的方向與iL的方向一致，故uL與uI同向串聯(lián)，兩個電壓疊加后通過二極管向負(fù)載供電，同時對電容C充電，使電感電流iL連續(xù)的最小電感值Lmin為：

(7-20)濾波電容C

與波紋峰值ＵPP的關(guān)系為：

(7-21)由于在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)時，電感電壓在一個周期內(nèi)的平均值為零，即

Ui*Ton+(Ui-Uo)Toff=0

Ui*T=Uo*Toff

所以，

(7-22)3.變壓器輸出型開關(guān)穩(wěn)壓電源從實用角度出發(fā)，希望開關(guān)電源的輸入直流電壓，直接從220V交流電源經(jīng)整流、濾波而獲得，再將斬波后得到的高頻電壓用脈沖變壓器轉(zhuǎn)換成所需要的直流輸出電壓。這樣做的目的是去掉笨重的工頻變壓器，并將輸出電路與供電電源，開關(guān)器件和控制電路隔離開來，顯著的降低了能耗，使直流穩(wěn)壓電源的體積更小，效率更高。

圖7.25所示為單端正激式變壓器輸出型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖，這種開關(guān)電源的工作情況與降壓型開關(guān)電源有相似之處，當(dāng)開關(guān)調(diào)整管V4開通時，變壓器原邊近似等于輸入電壓uI，變壓器副邊電壓使二極管V2導(dǎo)通，為負(fù)載供電，并為電容C2充電。當(dāng)開關(guān)調(diào)整管V4截止時，濾波電感L產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢使二極管V3導(dǎo)通，

C2放電，使負(fù)載電流連續(xù)，在此Toff期間，二極管V2截止，變壓器副邊相當(dāng)于開路，但變壓器儲存的磁能量必須在Toff期間放掉，否則在下一個導(dǎo)通期間，磁能將壘加，并逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)使開關(guān)調(diào)整管過流而燒毀。因而，在變壓器原邊必須并聯(lián)電阻、電容、并通過二極管V1形成退磁回路。

圖7.25變壓器輸出型開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖

4.集成開關(guān)電源電路介紹

1)MC3520MC3520是美國Motorola公司生產(chǎn)的集成脈寬調(diào)制器，內(nèi)部包括兩套獨立且相位相反的輸出電路（集電極開路輸出），適合于構(gòu)成大、中功率的開關(guān)電源。其頻率范圍是（2~100）kHz,占空比調(diào)整范圍是0%~100%，電源電壓UCC為（10~30）V，輸出電流為50mA×2，峰值電流可達(dá)100mA。MC3520采用DIP-16封裝，其引腳功能和內(nèi)部框圖如圖7.26所示。圖7.26MC3520的引腳功能和內(nèi)部框圖MC3520采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，該基準(zhǔn)電壓除內(nèi)部使用之外，還從第9腳輸出，可供外部電路使用。

MC3520的實際應(yīng)用電路如圖7.27所示，可作為大型開關(guān)穩(wěn)壓電源的驅(qū)動電路。圖7.27MC3520的實際應(yīng)用電路2）UC3842UC3842是美國Unitrode公司生產(chǎn)的單端輸出式脈寬調(diào)制器，其工作溫度范圍為0~+70℃,目前在國產(chǎn)設(shè)備中的使用量很大。

UC3842采用DIP-8封裝，引腳排列圖和內(nèi)部電路框圖分別如圖7.28和圖7.29所示。電路中主要包括：5.0V基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、過電流檢測電壓比較器、PWM鎖存器、輸入欠壓鎖定電路、門電路、輸出級、34V穩(wěn)壓管。圖7.28UC3842的引腳排列圖7.29UC3842的內(nèi)部電路框圖圖7.30UC3842的典型應(yīng)用電路

該電路采用固定頻率、改變脈沖寬度的調(diào)壓原理。其工作過程是首先對輸出電壓進(jìn)行采樣，然后依次經(jīng)過誤差放大器、過電流檢測比較器、PWM鎖存器、門電路和輸出級，去控制開關(guān)功率管的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間，高頻電壓經(jīng)開關(guān)變壓器變壓后，經(jīng)過二次整流輸出穩(wěn)定直流電壓。

剛啟動開關(guān)電源時，UC3842所需要的+16V工作電壓暫由R2、C2電路提供。+300V直流高壓經(jīng)過R2降壓后加至UC3842的輸入端VI，利用C2的充電過程使VI端的電壓逐漸升至+16V以上，實現(xiàn)電路的啟動，這種啟動方式稱為軟啟動。一旦開關(guān)功率管正常工作后，繞組W2上所建立的高頻電壓經(jīng)VD1、C2整流濾波后，就作為UC3842芯片的工作電壓。UC3842屬于電流控制型脈寬調(diào)制器。所謂電流控制型，是指：一方面把繞組W2的輸出電壓反饋給誤差放大器，在與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較之后，得到誤差電壓Ur；另一方面一次繞組中的電流取樣電阻R10上建立的電壓，直接加到過電流檢測比較器的同相輸入端，與Ur作比較，進(jìn)而控制輸出脈沖的占空比，使流過開關(guān)功率管的最大峰值電流IPM始終受誤差電壓Ur的控制，這就是電流控制原理。電流控制型脈寬調(diào)制器的優(yōu)點是調(diào)整速度快，一旦+300V輸入電壓發(fā)生變化，就能迅速調(diào)整輸出脈沖的寬度。因此，采用電流控制型脈寬調(diào)制器可以大大改善開關(guān)電源的電壓調(diào)整率及電流調(diào)整率。

R5、C4用于調(diào)整誤差放大器的增益和頻率響應(yīng)。繞組W2的輸出電壓經(jīng)過R3、R4分壓后作為比較電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓升高導(dǎo)致輸出電壓也升高時，繞組W2的輸出電壓也隨之升高，迫使Ur降低，進(jìn)而使得輸出脈沖寬度變窄，縮短MOS功率管的導(dǎo)通時間，使得輸出電壓UO降低。

PWM鎖存器的作用是保證在每個時鐘周期內(nèi)只輸出一個脈寬調(diào)制信號，能消除在過電流檢測比較器翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的噪聲干擾。7.4晶閘管及可控整流電路7.4.1晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、性能及參數(shù)

1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)晶閘管的基本結(jié)構(gòu)是由P1—N1—P2—N2三個PN結(jié)四層半導(dǎo)體構(gòu)成的，如圖7.26所示。其中P1層引出電極A為陽極；N2層引出電極K為陰極；P2層引出電極G為控制極，其外型及符號如圖7.24所示。圖7.31晶閘管結(jié)構(gòu)

圖7.32晶閘管的外型及符號

2.晶閘管的工作原理

我們可以把晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看成由PNP和NPN型兩個晶體管連接而成，如圖7.33所示。當(dāng)在A、K兩極間加上正向電壓UAK時，由于J2反偏，故晶閘管不導(dǎo)通，在控制極上加一正向控制電壓UGK后，產(chǎn)生控制電流IG，它流入V2管的基極，并經(jīng)過V2管電流放大得IC2=β2IG；又因為IC2=IB1；所以IC1=β1β2IG，IC1又流入V2管的基極再經(jīng)放大形成正反饋，使V1和V2管迅速飽和導(dǎo)通。飽和壓降約為1V左右，使陽極有一個很大的電流IA，電源電壓UAK幾乎全部加在負(fù)載電阻RL上。這就是晶閘管導(dǎo)通的原理。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，若去掉UGK，晶閘管仍維持導(dǎo)通。圖7.33晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

綜上所述,晶閘管是一個可控制的單向開關(guān)元件，它的導(dǎo)通條件為：①陽極到陰極之間加上陽極比陰極高的正偏電壓；②晶閘管控制極要加門極比陰極電位高的觸發(fā)電壓。而關(guān)斷條件為晶閘管陽極接電源負(fù)極，陰極接電源正極，或使晶閘管中電流減小到維持電流以下。晶閘管整個工作情況如圖7.34所示。

圖7.34晶閘管工作情況

3.晶閘管特性

晶閘管的基本特性常用伏安特性表示，如圖7.35所示。

圖7.30（a）為IG=0時的伏安特性曲線。在伏安特性曲線上，除BA轉(zhuǎn)折段外，很像二極管的伏安特性，因此晶閘管相當(dāng)于導(dǎo)通時可控的一種二極管。在很大的正向和反向電壓作用下，晶閘管都會損壞。通常是在晶閘管接通合適的正向電壓下將正向觸發(fā)電壓加在控制極上，使晶閘管導(dǎo)通，其特性曲線如圖7.30（b）所示，由圖可知，控制極電流I愈大，正向轉(zhuǎn)折電壓愈低，晶閘管愈容易導(dǎo)通。

圖7.35晶閘管伏安特性(a)IG=0時的伏安特性；

(b)不同IG時的伏安特性

4.主要參數(shù)

(1)正向重復(fù)峰值電壓UFRM是在控制極斷路時，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，通常規(guī)定該電壓比正向轉(zhuǎn)折電壓小100V左右。

(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM是在控制極開路時，可以重復(fù)加在晶閘管元件上的反向重復(fù)峰值電壓，一般情況下URRM=UFRM。(3)額定正向平均電流IF是在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。

(4)維持電流IH是在規(guī)定環(huán)境溫度和控制極開路時，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流。

(5)觸發(fā)電壓UG與觸發(fā)電流IG是在規(guī)定環(huán)境溫度下加一正向電壓，使晶閘管從阻斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通時所需的最小控制極電壓和電流。7.4.2可控整流電路

1.單向半波可控整流電路

圖7.36是由晶閘管組成的半波可控整流電路，其中負(fù)載電阻為RL，工作情況如圖7.37所示（對不同性質(zhì)的負(fù)載工作情況不同，在此僅介紹電阻性負(fù)載，對于電感性負(fù)載的工作情況可參考有關(guān)書籍）。由圖7.37可見，在輸入交流電壓u的正半周時，晶閘管VT承受正向電壓。圖7.36晶閘管組成的半波可控整流電路

圖7.37電壓電流波形圖

顯然，在晶閘管承受正向電壓的時間內(nèi)，改變控制極觸發(fā)脈沖的加入時間（稱為移相），負(fù)載上得到的電壓波形隨之改變。可見，移相可以控制負(fù)載電壓的大小。晶閘管在加正向電壓下不導(dǎo)通的區(qū)域稱控制角α（又稱移相角），如圖7.32（c）所示。而導(dǎo)通區(qū)域稱為導(dǎo)通角θ，可以看出導(dǎo)通角愈大，輸出電壓愈高，可控整流電路輸出電壓和輸出電流的平均值分別為(7—23)(7—24)

由式(7—23)可知，輸出電壓Uo的大小隨α的大小而變化。當(dāng)α=0時，Uo=0.45U，輸出最大，晶閘管處于全導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)α=π時,Uo=0,晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。以上分析說明，只要適當(dāng)改變控制角α，也就是控制觸發(fā)信號的加入時間，就可靈活地改變電路的輸出電壓Uo。

2.單相半控橋式整流電路

單相半波可控整流電路，雖然具有電路簡單，使用元件少等優(yōu)點，但輸出電壓脈動性大，電流小。單相半控橋式整流電路如圖7.38所示，橋中有兩個橋臂用晶閘管，另兩個橋臂用二極管。設(shè)u2=U2sinωt，當(dāng)u2為正半波時，瞬時極性為上“正”下“負(fù)”