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1、1,第 8 章功率电子电路,8.1 低频功率放大电路 8.2 直流稳压电源 8.3 功率半导体器件和变流电路,主要内容,2,8.1 低频功率放大电路,主要内容,8.1.1 概述,8.1.2 基本功率放大电路,8.1.3 集成功率放大器举例,3,1. 功率电子电路：,根据功能分为两类： （1）功率放大：即将输入信号放大，使负载获得所需要的信号功率。 （2）能量变换：进行交、直流电能的变换，向负载提供直流功率或交流功率。有整流电路、逆变电路。,8.1.1 概述,2. 功率电子电路的类型:,3. 功率放大电路:,放大电路的输出不仅要有足够大的电压，还要输出足够大的电流，能推动负载正常运行，这样的电路
2、称为功率放大电路。,向负载提供功率为主要目的的电子电路。它不仅要输出足够大的电压，也要输出足够大的电流。 该电路中一定含有大功率电子器件。,4,5. 功率放大电路的效率：,8.1.1 概述,提高功率放大电路效率的方法是，减小功率管的集电极功耗。,效率指输出的信号功率PO与电源输出（消耗）功率PS的百分比，即,4. 功率放大电路的要求:,（1）输出功率尽可能大，使负载能获得所需的功率。 输出电流和电压较大，功率管工作在接近于极限状态。 （2）非线性失真尽可能小。 （3）效率要高。 功率放大电路是个能量转换电路，转换效率是一个重要的问题。,功率管的集电极功耗为：,5,8.1.1 概述,6. 功率放
3、大电路的静态工作点：,（1）甲类工作状态 特点是：静态集电极电流大，波形好，无失真，但管耗大，效率低。,（2）乙类工作状态 特点是：静态集电极电流为零，管耗小，效率高，但波形严重失真，晶体管只在半个周期内导通；所以采用对称互补电路实现功率放大。 由于晶体管有死区电压，所以在输出波形过零点附近会出现失真，称为交越失真。,（3）甲乙类工作状态 特点是：静态集电极电流很小，波形好，无失真，管耗小，效率高。,IC,UCE,iC,t,Q,iC,iC,t,t,Q,Q,IC,IC,UCE,UCE,甲乙类工作状态,乙类工作状态,甲类工作状态,0,0,0,0,0,0,功率放大电路工作在大信号状态，所以常用估算法
4、或图解法。,6,8.1.2 基本功率放大电路,功率放大电路的形式有：,（1）变压器耦合方式,无变压器输出电路(OTL)：用单电源,通过容量较大的电容与负载耦合,实现功率放大,称为无输出变压器（Output Transformerless）电路。 无输出电容电路(OCL)：使用双电源,使互补对称电路直接与负载相连,省去输出电容,构成无输出电容（Output Capacitorless）电路。,+UCC,RL,T1,ui,T2,+,-,Tr1,Tr2,RL,ui,+UCC,RB,C,T,Tr,特点是：优点是利用变压器的变阻作用，实现阻抗匹配，负载能获得最大功率；但变压器体积大，重量重，易引入电磁干
5、扰，频带窄，电路不能集成化。,（2）互补对称电路,7,8.1.2 基本功率放大电路,1. OCL电路：,R2,ui,+,+UCC,RL,T1,-,b,a,uo,-UCC,R1,T2,uo,ui,（1）OCL电路原理图,（2）工作原理:,在ui的正半周，+UCC使T1导通，T2截止,负载得到正半周输出。,iC1,iC2,t,t,T1、T2特性完全相同,常采用对管； T1为NPN管，T2为PNP管； 使用正负两个电源+UCC、-UCC。,（3）特点:（理想情况）,最大输出功率：,最高效率：,交越失真,OCL电路线路简单，效率高；但有交越失真，T1、T2必须对称。,在ui的负半周，-UCC使T2导通
6、，T1截止,负载得到负半周输出。,iB2,iB1,R1=R2,8,8.1.2 基本功率放大电路,（4）实用的OCL电路,D1、D2为T1、T2的发射结提供偏置电压，用来消除交越失真。,引入负反馈使放大电路工作比较稳定，具有较好的放大性能。,RB2,ui,+,+UCC,D1,D2,RL,T1,-,uo,-UCC,RB1,T2,A0,+,-,+,RE1,RE2,R1,R2,R3,E,RE1、RE2起电流串联负反馈作用；R1、R2起电压串联负反馈作用。,RB1、RB2使T1、T2的偏置电阻。,集成运放构成同相输入前置放大电路，放大倍数为：,T1、T2构成互补对称功放。,RB1=RB2,RE1=RE2
7、,uo1,9,8.1.2 基本功率放大电路,2. OTL电路：,R,ui,+,+UCC,RL,T1,-,uo,R,T2,（1）OTL电路原理图,（2）工作原理:,在ui的正半周，T1导通，负载得到正半周输出，同时,电容C充电，电压UC充电到UCC/2。该电压UC是信号负半周时T2的电源。,iC1,iC2,电路使用单电源+UCC，两个电阻R分压，使静态时T1、T2的基极电位,（3）特点:（理想情况）,最大输出功率：,最高效率：,OTL使用单电源，效率高；但有交越失真，电容C要足够大。,C,+,C1,+,-,T1、T2的发射极通过大容量电容C和负载RL相连，发射极电位,在ui的负半周，电容上电压U
8、CUCC/2使T2导通，负载得到负半周输出。,UB,UE,10,8.1.2 基本功率放大电路,（4）实用的OTL电路,D1、D2为T1、T2的发射结提供偏置电压，用来消除交越失真。,引入负反馈使放大电路工作比较稳定，具有较好的放大性能。,RB2,ui,+,+UCC,D1,D2,RL,T1,+,uo,RB1,T2,A0,+,-,+,RE1,RE2,R,R3,C2,E,RE1、RE2起电流串联负反馈作用；R1、R2起电压串联负反馈作用。,RB1、RB2使T1、T2的偏置电阻。,两个R分压使集成运放输入端静态电位为UCC/2。,C1、C2为隔直电容。,R1,R2,R,C1,C,大容量电容C为耦合电容
9、。,R3为用于增加输入电阻。,11,8.1.3 集成功率放大器举例,TDA2030集成音频功率放大器（OCL电路）,1,2,3,4,5,启动偏置电路,同相输入,反相输入,负电源,输出,正电源,输入级,中间级,输出级,短路过热保护,短路过热保护,5脚塑封结构,特点：,+,-,1,2,3,4,5,转换效率高、失真小、输出功率大外围电路简单，被广泛使用。,电源为618，静态电流45mA。当UCC=14V时，负载RL=4时，输出功率PO达18W，电压增益为30dB（31.6倍），频带宽10HZ14KHZ,12,8.1.3 集成功率放大器举例,典型应用一：TDA2030集成音频功率放大器接成OCL,R2
10、、C2、R3构成电压串联负反馈，改变R2或R3可改变电压增益。,1,2,3,4,5,TDA2030,ui,R1,R2,R3,R4,C1,C2,C3,C4,C5,D1,D2,D3,D4,+UCC,-UCC,RL,D1、D2用作输出保护；,R4、C5用以补偿高频时喇叭的电感，使其在高频时有较好的特性。,C3、C4作电源滤波；,D3、D4防止电源反接。,1F,0.1F,22F,0.1F,0.22F,680,22k,22k,1,+,-,13,8.1.3 集成功率放大器举例,典型应用二：TDA2030集成音频功率放大器接成OTL,R1、R2分压使1脚电压为UCC/2，R3用于提高输入电阻。,1,2,3,
11、4,5,TDA2030,ui,R2,R5,R6,R4,C1,C2,C3,C5,D1,D2,D3,+UCC,RL,大容量电容C为耦合电容。,C,2000F,R1,R3,C4,100k,100k,100k,150k,1,4.7k,0.1F,0.22F,2F,5F,22F,D1、D2用作输出保护；,C3作电源滤波；,D3防止电源反接。,+,-,14,8.2 直流稳压电源,主要内容,8.2.1 单相桥式整流电路,8.2.2 滤波电路,8.2.3 串联型稳压电路,8.2.4 开关型稳压电路,15,基本概念,整流滤波电路的需要,很多场合需要直流电源，而一般供电是50HZ的交流，所以要将交流变成直流，即直流
12、稳压电源。,整流电路将交流变成脉动的直流,直流稳压电源的组成,整流 电路,滤波 电路,稳压 电路,220V 50HZ,变压器,滤波电路将脉动直流变成比较平稳的直流,稳压电路将比较平稳的直流变成稳定的直流,RL,u1,u2,16,1.电路结构,RL,D,Tr,a,b,u2,uD,uL,220V,2.工作原理及各点波形,由变压器Tr、二极管D、负载RL组成。,设变压器副边电压为：,在u2的正半周，D承受正向电压而导通，电流从a点流出。经D、RL流入b点，负载RL上电压等于uL 。,在u2的负半周，D承受反向电压而截止，负载RL上电压等于零。,uL,u2,uD,iL,iD,t,t,t,t,iL,iD
13、,-,+,-,+,+,-,单相半波整流电路,17,3.单向半波整流电路的特性,输出电压平均值,uL,u2,uD,iL,iD,t,t,t,t,二极管平均电流、负载平均电流,二极管承受的最大反向电压,单相半波整流电路,RL,D,Tr,a,b,u2,uD,uL,220V,iL,iD,-,+,-,+,+,-,18,uL,u2,uD,iL,iD,t,t,t,t,4.二极管的选用,二极管的最大整流电流IOM，要大于负载电流平均值IL。 二极管的反向工作电压URM，要大于变压器副边电压的幅值UM。实际选用时要有10%的余量。,5.电路特点,电路简单，整流元件少； 输出电压低，脉动大，效率低。,单相半波整流电
14、路,RL,D,Tr,a,b,u2,uD,uL,220V,iL,iD,-,+,-,+,+,-,19,单相半波整流电路应用举例,例 图示整流电路中。RL=200，U2=20V，试求： (1)负载上电压和电流平均值； (2)二极管承受的最大反向电压和通过的平均电流。,(1)负载电压平均值,(2)二极管承受的最大反向电压,解：,负载电流平均值,二极管流过的平均电流,RL,D,Tr,a,b,u2,uD,uL,220V,iL,iD,-,+,-,+,+,-,20,RL,D1,Tr,a,b,u2,uL,简化画法,1.电路结构,D2,D3,D4,RL,Tr,a,b,u2,uL,2.工作原理,在u2的正半周：D1
15、、 D3 、导通， D2、 D4截止；负载RL上电压等于u2的正半周； D2、 D4承受反向电压为u2 。,在u2的负半周：D2、 D4导通， D1、 D3 截止；负载RL上电压等于u2的负半周； D1、 D3承受反向电压为u2 。,在正、负半周，负载中电流方向相同,8.2.1 单相桥式整流电路,u1,u1,+,+,+,+,-,-,-,-,+,+,-,-,iL,iL,21,RL,D1,Tr,a,b,u2,uL,D2,D3,D4,3.各点波形,iD,u2,uD,iL,uL,t,t,t,t,iD1,iD3,iD2,iD4,uD4,uD1,uD3,uD2,iD1,iD3,iD2,iD4,iL,t,二极管反向电压uD波形如图,+,+,+,-,-,-,u1,变压器次级电压u2；,二极管电流iD；,负载电流iL；,负载电压uL；,2,3,变压器次级电流i2波形如图,i2,i2,8.2.1 单相桥式整流电路,22,4.特性,输出电压平均值（直流分量）,负载电流平均电流,每只二极管平均电流,二极管承受的最大反向电压,iD,u2,uD,iL,uL,t,t,t,t,iD1,iD3,iD2,iD4,uD4,uD1,uD3,uD
