單相半波可控整流

1、單相半波可控整流電路 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 2.1.1 2.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 1. 電阻負載 變壓器變壓器T 變換電壓變換電壓 隔離隔離 交流輸入為單相，直流輸交流輸入為單相，直流輸 出電壓波形只在交流輸入出電壓波形只在交流輸入 的正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱為的正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱為 單相半波可控整流電路。單相半波可控整流電路。 特點：特點： 電壓與電流波形相同電壓與電流波形相同 一、直流電和交流電 單單單 相相相 橋橋橋 式式式 整整整 流流流 電電電 路路路 1、交流電 大小和方向隨時間作周期性變化的電壓、電流和電動勢。 i t 交流正弦波 2、直

2、流電 方向不隨時間變化的電壓、電流和電動勢。 i t 脈動直流電 I t 穩(wěn)恒直流電 單相橋式整流電路單相橋式整流電路 二、整流和整流電路 1、整流 i t 交流正弦波 i t 脈動直流電 將交流電變換成脈動直流電的過程。 2、整流電路 能夠?qū)崿F(xiàn)將交流電變換成脈動直流電（即可完成整流過程） 的電路。 3、整流元件 整流電路中起整流作用的元件稱為整流元件。 常見的整流元件有具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管或晶閘管。 二極管的單向?qū)щ娦?（a）加正向電壓時導通 +- VD 正向?qū)ǖ亩O管，如若忽略很小的正向壓降，可近似看成一閉合的開關(guān)。 （b）加反向電壓時截止 VD -+ 反向截止的二極管，如若忽略很小

3、的反向電流，可近似看成一斷開的開關(guān)。 單單單 相相相 橋橋橋 式式式 整整整 流流流 電電電 路路路 單單單 相相相 橋橋橋 式式式 整整整 流流流 電電電 路路路 三、橋式整流電路 1、電路形式 VD1 VD3 VD2 VD4 RL Tr 1、電源變壓器Tr的作用是將 220V交流電u1變換成整流所需的 較低的交流電u2。 + - u1 + - u2 二極管VD1VD4起整流 作用，稱為整流元件， 它們組成橋式電路結(jié)構(gòu)。 負載 + - u0 2、變壓器起到隔離市電電源 的作用。 若變壓器初級繞組的匝數(shù)為N1， 次級繞組的匝數(shù)為N2，則 U1/U2=N1/N2=k（變壓比）； 單單單 相相相

4、橋橋橋 式式式 整整整 流流流 電電電 路路路 2、整流過程 （假設(shè)輸入為正弦交流電） u2 t 當為u2正半周時，A點電 位最高，B點的電位最低。 二極管VD1和VD2導通 （相當于閉合的開關(guān)）； 二極管VD2和VD4截止 （相當于斷開的開關(guān)）。 u0 t VD1 VD3 在u2正半周作用下，電 路中有電流流動，其通 路為： AVD1RL VD3B 負載電阻RL上電流的 方向由上至下，產(chǎn)生 上正下負的電壓u0 。 RL Tr + - u1 VD3 VD1 VD2 VD4 + - u2 A B + - u0 A B RL Tr + - u1 + - u2 + - u0 單單單 相相相 橋橋橋

5、式式式 整整整 流流流 電電電 路路路 當為u2負半周時，A端電 位最低，B點的電位最高。 u2 t 二極管VD2和VD4導通 （相當于閉合的開關(guān)）； 二極管VD1和VD3截止 （相當于斷開的開關(guān)）。 u0 t RL Tr - + u1 VD3 VD1 VD2 VD4 - + u2 u0 + - A B VD2 VD4 在u2負半周作用下，電 路中有電流流動，其通 路為： BVD2RL VD4A 負載電阻RL上電流的方 向由上至下，產(chǎn)生上正 下負的電壓u0 。 RL Tr - + u1 A B - + u2 + - u0 單單單 相相相 橋橋橋 式式式 整整整 流流流 電電電 路路路 結(jié)論：無

6、論輸入電壓是正半周還是負半周，負載RL的電流方向始 終是從上向下，所以產(chǎn)生的電壓降也是同一方向（電壓都為上正 下負）。 u2 t 02 u0 t 02 正弦交流電脈動直流電 3、橋式整流電路中的物理量 （1）輸出電壓U0 U0=0.9U2 （2）輸出電壓I0 I0= U0/RL 整流 = 0.9U2 / RL 定義：穩(wěn)壓二極管是一種能穩(wěn)定電壓的二極管。定義：穩(wěn)壓二極管是一種能穩(wěn)定電壓的二極管。 電路符號和伏安特性如圖所示。電路符號和伏安特性如圖所示。 2.2.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 1穩(wěn)壓二極管的特性穩(wěn)壓二極管的特性 穩(wěn)壓二極管通常工作在反向擊穿區(qū)穩(wěn)壓二極管通常工作在反向擊穿區(qū)，通過穩(wěn)壓二極管

7、的，通過穩(wěn)壓二極管的 電流在很大范圍內(nèi)變化時，電壓基本不變。電流在很大范圍內(nèi)變化時，電壓基本不變。 穩(wěn)壓的兩個基本條件：穩(wěn)壓的兩個基本條件： （1）管子兩端需加上一個大于其擊穿電壓的反向電壓。）管子兩端需加上一個大于其擊穿電壓的反向電壓。 （2）采取適當措施限制擊穿后工作的反向電流值。）采取適當措施限制擊穿后工作的反向電流值。 2.2其他二極管及其應(yīng)用電路其他二極管及其應(yīng)用電路 2穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) （1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 VZ：穩(wěn)壓二極管在正常工作狀態(tài)下管子：穩(wěn)壓二極管在正常工作狀態(tài)下管子 兩端的電壓值。兩端的電壓值。 （2）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ：穩(wěn)壓二極管在正常工作

8、狀態(tài)下的工：穩(wěn)壓二極管在正常工作狀態(tài)下的工 作電流。作電流。 （3）耗散功率耗散功率 PCM：穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓：穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓 VZ 與最大穩(wěn)定與最大穩(wěn)定 電流電流 IZM的乘積的乘積，若使用中超過這個數(shù)值，穩(wěn)壓管將被燒毀。，若使用中超過這個數(shù)值，穩(wěn)壓管將被燒毀。 2.2其他二極管及其應(yīng)用電路其他二極管及其應(yīng)用電路 1.1.1 功率二極管的工作原理 功率二極管是以PN結(jié)為基礎(chǔ)的，實際上就是由一個面積較 大的PN結(jié)和兩端引線封裝組成的。功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符 號如圖1-1所示。 圖 1-1 功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號 AKAK PN 1.1 1.1 功功 率率 二二 極極 管管 功率二極管主

9、要有螺栓型和平板型兩種外形， 如圖1-2 所示。 圖 1-2 功率二極管的外形 (a) 螺栓型； (b) 平板型 A K A K (a)(b) 功率二極管和電子電路中的二極管工作原理一 樣，即若二極管處于正向電壓作用下，則PN結(jié)導 通， 正向管壓降很??； 反之， 若二極管處于反 向電壓作用下，則PN結(jié)截止， 僅有極小的可忽略 的漏電流流過二極管。經(jīng)實驗測量可得功率二極 管的伏安特性曲線，如圖1-3所示。 圖1-3 功率二極管的伏安特性曲線 (a) 螺栓型； (b) 平板型 I UF0 1.2.1 1.2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是一種大功率半導體變流器件， 它具 有三個PN結(jié)的四層

10、結(jié)構(gòu)，其外形、 結(jié)構(gòu)和圖形符 號如圖1-4所示。由最外的P1層和N2層引出兩個電 極，分別為陽極A和陰極K，由中間P2層引出的電 極是門極G（也稱控制極）。 1.2 1.2 晶晶 閘閘 管管 圖 1-4 晶閘管的外形、 結(jié)構(gòu)和圖形符號 (a) 外形； (b) 結(jié)構(gòu)； (c) 圖形符號 P1 N1 P2 N2 G K A J1 J2 J3 (b)(c) A K G (a) A G KA G K 常用的晶閘管有螺栓式和平板式兩種外形，如 圖1-4(a)所示。晶閘管在工作過程中會因損耗而 發(fā)熱，因此必須安裝散熱器。螺栓式晶閘管是靠 陽極（螺栓）擰緊在鋁制散熱器上， 可自然冷卻； 平板式晶閘管由兩個相

11、互絕緣的散熱器夾緊晶閘 管，靠冷風冷卻。額定電流大于200 A的晶閘管都 采用平板式外形結(jié)構(gòu)。此外，晶閘管的冷卻方式 還有水冷、油冷等。 我們通過圖1-5所示的電路來說明晶閘管的工 作原理。在該電路中，由電源Ea、白熾燈、晶閘管 的陽極和陰極組成晶閘管主電路；由電源Eg、開關(guān) S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路,也稱觸發(fā)電 路。 1.2.2 1.2.2 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 圖 1-5 晶閘管導通試驗電路圖 Ea Eg S Ea Eg S Ea Eg S 當晶閘管的陽極A接電源Ea的正端，陰極K經(jīng)白熾燈接電源 的負端時，晶閘管承受正向電壓。當控制電路中的開關(guān)S斷開 時，白熾燈不亮，

12、說明晶閘管不導通。 當晶閘管的陽極和陰極承受正向電壓，控制電路中開關(guān)S閉 合，使控制極也加正向電壓（控制極相對陰極）時，白熾燈亮， 說明晶閘管導通。 當晶閘管導通時，將控制極上的電壓去掉（即將開關(guān)S斷 開），白熾燈依然亮，說明一旦晶閘管導通，控制極就失去了 控制作用。 當晶閘管陽極和陰極間加反向電壓時，不管控制極加不加 電壓，燈都不亮，晶閘管截止?？刂茦O加反向電壓，無論晶閘 管主電路加正向電壓還是反向電壓，晶閘管都不導通。 通過上述實驗可知，晶閘管導通必須同時具備 兩個條件： （1）晶閘管AK加正向電壓。 （2）晶閘管GK加合適的正向電壓。 為 了進一步說明晶閘管的工作原理，可把晶閘管看 成是

13、由一個PNP型和一個NPN型晶體管連接而成的， 連接形式如圖1-6所示。陽極A相當于PNP型晶體管 V1的發(fā)射極，陰極K相當于NPN型晶體管V2的發(fā)射極。 圖 1-6 晶閘管工作原理等效電路 K IK V 2 IC2 PNP V 1 IC1 NPN IA IG G S EC A EA R (b)(a) N2 N1 P2G P1 P2 N1 K A 當晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時， 晶體管V2處于正向偏置，EC產(chǎn)生的控制極電流IG就是2的基極 電流IB2，V2的集電極電流IC2 =2 IG 。而IC2 又是晶體管1 的基極電流，1的集電極電流IC1=1IC2 =12 IG （ 1

14、和 2分別是1和V2的電流放大系數(shù)）。電流IC1又流入V2的基極， 再一次放大。這樣循環(huán)下去，形成了強烈的正反饋，使兩個晶 體管很快達到飽和導通，這就是晶閘管的導通過程。導通后， 晶閘管上的壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負載上，晶閘管 中流過的電流即負載電流。 在晶閘管導通之后，它的導通狀態(tài)完全依靠管子本身的 正反饋作用來維持， 即使控制極電流消失，晶閘管仍將處于 導通狀態(tài)。因此， 控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管使其導通， 導通之后，控制極就失去了控制作用。 要想關(guān)斷晶閘管， 最根本的方法就是必須將陽極電流減小到使之不能維持正反 饋的程度，也就是將晶閘管的陽極電流減小到小于維持電流。 可采用的方法

15、有： 將陽極電源斷開； 改變晶閘管的陽極電 壓的方向， 即在陽極和陰極間加反向電壓。 1 1 晶閘管的型號晶閘管的型號 圖 1-8 晶閘管型號的含義 表示閘流特性 普通反向阻斷型(K-快速型 S-雙向型 N-逆導型 G-可關(guān)斷型) 額定正向平均電流 正、反向重復峰值電壓等級(額定電壓) 通態(tài)平均電壓組別，共九級，用字母AI表示0.41.2 V(小于100 A不標) PK 1.2.5 1.2.5 晶閘管的型號及簡單測試方法晶閘管的型號及簡單測試方法 2 2晶閘管的簡單測試方法晶閘管的簡單測試方法 對于晶閘管的三個電極，可以用萬用表粗測其好壞。依據(jù) PN結(jié)單向?qū)щ娫恚萌f用表歐姆擋測試元件的三個

16、電極之間 的阻值，可初步判斷管子是否完好。如用萬用表R1 k 擋 測量陽極A和陰極K之間的正、反向電阻都很大，在幾百千歐以 上，且正、反向電阻相差很小；用R10或R100擋測量控制 極G和陰極K之間的阻值，其正向電阻應(yīng)小于或接近于反向電阻， 這樣的晶閘管是好的。如果陽極與陰極或陽極與控制極間有短 路，陰極與控制極間為短路或斷路，則晶閘管是壞的。 單結(jié)晶體管也稱為雙基極二極管，它有一個發(fā)射極和兩個 基極, 外形和普通三極管相似。 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)是在一塊 高電阻率的N型半導體基片上引出兩個歐姆接觸的電極：第一 基極B1和第二基極B2；在兩個基極間靠近B2處，用合金法或擴 散法滲入P型雜質(zhì)，引出發(fā)

17、射極E。單結(jié)晶體管共有上述三個電 極， 其結(jié)構(gòu)示意圖和電氣符號如圖1-15所示。B2 、B1間加入 正向電壓后， 發(fā)射極E、 基極B1間呈高阻特性。 但是當E的電 位達到B2 、B1間電壓的某一比值（例如59%）時，E、 B1間立 刻變成低電阻，這是單結(jié)晶體管最基本的特點。 1.4.2 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性 圖 1-15 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和電氣符號 發(fā)射極E 歐姆接觸電阻 B2第二基極 B1第一基極 E B2 B1 圖2 為單結(jié)晶體管BT33管腳排列、結(jié)構(gòu)圖及電路符 號。好的單結(jié)晶體管PN結(jié)正向電阻REB1、 REB2均較小，且REB1稍大于REB2，PN結(jié)的反

18、向電 阻RB1E、RB2E均應(yīng)很大，根據(jù)所測阻值，即可 判斷出各管腳及管子的質(zhì)量優(yōu)劣。 圖1-16所示為單結(jié)晶體管特性實驗電路及其等效電路。將 單結(jié)晶體管等效成一個二極管和兩個電阻RB1、RB2組成的等效電 路，那么當基極上加電壓UBB時，RB1上分得的電壓為 BBBB BB B BB BB B A UU R R U RR R U 1 21 1 式中， 為分壓比，是單結(jié)晶體管的主要參數(shù)，一般 為0.50.9。 圖 1-16 單結(jié)晶體管特性試驗電路及其等效電路 (a) 特性實驗電路； (b) 等效電路 UBB B1 B2 A RB2 RB1 E RE IE RP UBB B1 B2E RE RP

19、 下面分析單結(jié)晶體管的工作情況。 調(diào)節(jié)RP，使UE從零逐漸增加。當UE UBB時，單結(jié)晶體管 PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，只有很小的反向漏電流。當發(fā)射極電 位UE比UBB高出一個二極管的管壓降UVD時，單結(jié)晶體管開始導 通，這個電壓稱為峰點電壓Up，故Up =UBB+ UVD, 此時的發(fā)射 極電流稱為峰點電流Ip, Ip是單結(jié)晶體管導通所需的最小電流。 圖 1-17 單結(jié)晶體管發(fā)射極伏安特性曲線 P V Up Ip Uv IvIE0 UE 當IE增大至一定程度時，載流子的濃度使注入空 穴遇到阻力， 即電壓下降到最低點，這一現(xiàn)象稱為 飽和。欲使IE繼續(xù)增大，必須增大電壓UE。由負阻區(qū) 轉(zhuǎn)化到飽和區(qū)的

20、轉(zhuǎn)折點V稱為谷點。與谷點對應(yīng)的電 壓和電流分別稱為谷點電壓Uv和谷點電流Iv。谷點電 壓是維持單結(jié)晶體管導通的最小電壓，一旦UE小于Uv ， 則單結(jié)晶體管將由導通轉(zhuǎn)化為截止。 綜上所述， 單結(jié)晶體管具有以下特點： （1） 當發(fā)射極電壓等于峰點電壓Up時，單結(jié)晶體管 導通。 導通之后，當發(fā)射極電壓小于谷點電壓Uv時，單結(jié) 晶體管就恢復截止。 （2） 單結(jié)晶體管的峰點電壓Up與外加固定電壓及其 分壓比有關(guān)。 （3） 不同單結(jié)晶體管的谷點電壓Uv和谷點電流Iv都不 一樣。 谷點電壓大約在25 V之間。在觸發(fā)電路中，常選 用稍大一些，Uv低一些和Iv大一些的單結(jié)晶體管，以增大 輸出脈沖幅度和移相范圍。

21、 圖 1-18 單結(jié)晶體管自激振蕩電路及其波形 (a) 電路； (b) 波形 R2 R1 RE C E uR1 0 0 uC Up Uv t t uR1 (a)(b) uC 1.4.3 1.4.3 單結(jié)晶體管的自激振蕩電路單結(jié)晶體管的自激振蕩電路 設(shè)電源未接通時，電容C上的電壓為零。電源接通后，C經(jīng) 電阻RE充電，電容兩端的電壓uC逐漸升高，當uC達到單結(jié)晶體管 的峰點電壓Up時，單結(jié)晶體管導通，電容經(jīng)單結(jié)晶體管的發(fā)射 極、電阻RB1向電阻R1放電, 在R1上輸出一個脈沖電壓。 當電容 放電至uC=Uv并趨向更低時，單結(jié)晶體管截止， R1上的脈沖電壓 結(jié)束。之后電容從Uv值又開始充電，充電到U

22、p時，單結(jié)晶體管又 導通，此過程一直重復下去，在R1上就得到一系列的脈沖電壓。 由于C的放電時間常數(shù)1=（ R1 +RB1）C, 遠小于充電時間常 數(shù)2=REC，故脈沖電壓為鋸齒波。uC和u R1的波形如圖1-18所示。 改變RE的大小，可改變C的充電速度，從而改變電路的自振蕩頻 率。 應(yīng)該注意，當RE的值太大或太小時，不能使電路振蕩。當 RE太大時，較小的發(fā)射極電流IE能在RE上產(chǎn)生大的壓降，使電 容兩端的電壓uC升不到峰點電壓Up，單結(jié)晶體管就不能工作到 負阻區(qū)。當 RE太小時， 單結(jié)晶體管導通后的IE將一直大于Iv， 單結(jié)晶體管不能關(guān)斷。 欲使電路振蕩，RE的值應(yīng)滿足下列條件 V V E P P I UE R I UE 如忽略電容的放電時間， 上述電路的自振蕩頻率近似為 1 1 1 11 nCR T f E 電阻R2的作用是溫度補償。無電阻R2時，若溫度升高，則 二極管的正向電壓降UD降低，單結(jié)晶體管的峰點電壓Up也就隨 之下降，導致振蕩頻率f不穩(wěn)定。有電阻R2時，若溫度升高， 則電阻RBB增加，導致基極電流IBB下降，R2 R2下降， 進而使UBB 增加。