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1、第6章 功率电子电路,上海大学自动化系 林小玲,例： 扩音系统,功率放大器的作用： 用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。,6.1.1 概述,6.1 功率放大电路,1. 功率放大电路的特殊问题,(1) 要有足够的输出功率,功放电路中电流、电压要求都比较大，但必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。,(3) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少 晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。,Pomax : 负载上得到的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流
2、功率。,2. 放大电路的工作状态,甲类工作状态 晶体管在输入信号 的整个周期都导通 静态IC较大，波形好, 管耗大效率低。,乙类工作状态 晶体管只在输入信号 的半个周期内导通， 静态IC=0，波形严重失真, 管耗小效率高。,甲乙类工作状态 晶体管导通的时间大于半个周期，静态IC 0，一般功放常采用。,3. 提高放大电路效率的途径,采用既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用推挽输出电路，或互补对称射极输出器,互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(Output Transformerless)电路，简称OTL电路
3、。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(Output Capacitorless)电路，简称OCL电路。 OTL电路采用单电源供电， OCL电路采用双电源供电。,6.1.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL) (OCL Output Capacitorless),一、电路组成及工作原理,ui 0 V1 导通 V2 截止,iC1,io = iE1 = iC1, uO = iC1RL,ui 0 V2 导通 V1 截止,iC1,io = iE2 = iC2, uO = iC2RL,ui = 0 V1 、 V2 截止,注意：V1、V2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式
4、。,二、电路的分析计算,1、输出功率的计算,2、效率的计算,理想的效率,3、管耗的计算,计算最大损耗,两个的最大损耗,4. 输入输入波形图,死区电压,问题： 当输入电压小于死区电压时,在正、负半周交替过零处会出现非线性失真，这个失真称为交越失真。,输入信号幅度越小失真越明显。,三、存在的主要问题,1.克服交越失真的措施：,静态时: V1、V2两管发射结电位分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态；,动态时：设 ui 加入正弦信号。正半周 V2 截止，V1 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周V1截止，V2 基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。,电路中增加
5、 R1、D1、D2、R2支路,波形关系：,特点：存在较小的静态电流 ICQ 、IBQ 。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。,为更换好地和V1、V2两发射结电位配合，克服交越失真电路中的D1、D2两二极管可以用UBE电压倍增电路替代。,2. UBE电压倍增电路,合理选择R1、R2大小，B1、 B2间便可得到 UBE 任意倍数的 电压。,图中B1、B2分别接V1、 V2的基极。假设I IB，则,3. 电路中增加复合管,增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。, 1 2,晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。,复合NPN型,复合PNP型,改进后的OCL准互补输出功放电路：,V1：电压推动级,V2
6、、R1、R2： UBE倍增电路,V3、V4、V5、V6： 复合管构成的输出级,准互补,输出级中的V4、V6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。,*6.1.4 集成功率放大器,特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。,集成功放LM384：,生产厂家：美国半导体器件公司,电路形式：OTL,输出功率：8负载上可得到5W功率,电源电压：最大为28V,集成功放 LM384管脚说明:,集成功放 LM384 外部电路典型接法：,调节音量,电源滤波电容,外接旁路电容,低通滤波,去除高频噪声,输入信号,输出耦合大电容,6.2 直流稳压电源,小功率直流稳压电源的组成,功能：把
7、交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压,6.2.1 概述,6.2.2 整流电路,整流电路的作用: 将交流电压转变为脉动的直流电压。,常见的整流电路： 半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。,分析时可把二极管当作理想元件处理： 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,整流原理： 利用二极管的单向导电性,1. 单相半波整流电路,(2) 工作原理,u 正半周，VaVb， 二极管D导通；,(3) 工作波形,u 负半周，Va Vb， 二极管D 截止 。,(1) 电路结构,动画,(4) 参数计算,(1) 整流电压平均值 Uo,(2) 整流电流平均值 Io,(3) 流过每管电流平均值 ID,(
8、4) 每管承受的最高反向电压 UDRM,(5) 变压器副边电流有效值 I,5. 整流二极管的选择,平均电流 ID 与最高反向电压 UDRM 是选择整流二极管的主要依据。,选管时应满足： IOM ID ， URWM UDRM,2. 单相桥式整流电路,（2） 工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。u 负半周，其极性与图示相反，二极管 D1、 D3截止， D2、 D4导通。,（3） 正半周工作波形,uD2uD4,（1） 电路结构,动画,（3）工作波形（续）,t,O,t,O,t,O,t,O,2,3,2,3,Im,2,2,3,3,uO,u2,uD,iD= i
9、O,(4) 参数估算,1) 整流输出电压平均值,2) 二极管平均电流,3) 二极管最大反向压,（4） 简化画法,（5） 整流桥,把四只二极管封装 在一起称为整流桥,例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220 V，负载电阻 RL = 50，负载电压Uo=100V， 试求变压器的变比和容量，并选择二极管。,I = 1.11 Io= 2 1.11 = 2. 2 A,变压器副边电流有效值,变压器容量 S = U I = 122 2.2 = 207. 8 V A,变压器副边电压 U 122 V,可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。,例2：,试分析图示桥式整
10、流电路中的二极管D2 或D4 断开时负载电压的波形。如果D2 或D4 接反，后果如何？如果D2 或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？,解：当D2或D4断开后 电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压， uo =0。,如果D2或D4接反 则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。,如果D2或D4因击穿烧坏而短路 则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。,6.
11、2.3 滤波电路,1.概述 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。 滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。 方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。,2. 电容滤波电路的原理分析 （1） 电路结构,（2） 工作原理,u uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电， uC 增加，uo= uC 。,u uC时，二极管截止，电容通过负载RL 放电，uC按指数规律下降， uo= uC 。,= uC,（3） 工作波形,
12、二极管承受的最高反向电为 。,动画,(4) 电容滤波电路的特点,(T 电源电压的周期),(A) 输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间 常数RLC有关。,RLC 越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值Uo 越大，波形越平滑。,近似估算取： Uo = 1. 2 U ( 桥式、全波） Uo = 1. 0 U （半波）,当负载RL 开路时，UO ,为了得到比较平直的输出电压,(B) 外特性曲线,有电容滤波,1.4U,结论,采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。 因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。,(C) 流过二极管的瞬时电流很大,选管时一
13、般取： IOM =2 ID,RLC 越大O 越高，IO 越大整流二极管导通时间越短 iD 的峰值电流越大。,例：,有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻 RL = 200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。,流过二极管的电流,二极管承受的最高反向电压,变压器副边电压的有效值,解：1. 选择整流二极管,可选用二极管2CP11,IOM =100mA UDRM =50V,例2： 有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻 RL = 200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。,取 RLC = 5 T/2
14、,已知RL = 50,解：2. 选择滤波电容器,可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器,2. 电感电容滤波器,(1) 电路结构,(2) 滤波原理,对直流分量: XL=0 ，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量: f 越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。,当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。,LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。,3. 形滤波器, 形 LC 滤波器,滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。,比 形 LC 滤波器的体积小、成本低。
15、, 形 RC 滤波器,R 愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R 大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。,6.2.4 稳压电路,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。 稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。 稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。,1. 稳压管稳压电路,（2） 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,RL(IO) IR ,设UI一定，负载RL变化, UO (UZ ) , IZ,（1） 电路,限流调压,稳压电路,1.稳压管稳压电路（续）,（2） 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,UI UZ ,设负载RL一定， UI 变化, IZ , IR,（1） 电路,（3） 参数的选择,(1) UZ = UO (2) IZM= (1.5 3) ICM (3) UI = (2 3) UO,(4),为保证稳压 管安全工作,为保证稳压 管正常工作,适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。,2.串联型稳压电路,（1） 电路结构,串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件
