第一章功率电子线路

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,welcome,第一章 功率电子线路,1.1,功率电子线路概述,1.2,功率放大器的电路组成和工作特性,1.3,乙类推挽功率放大电路,1.4,功率合成技术,1.5,整流与稳压电路,第,1,章,.,功率电子线路教案,一,.,学时安排,16,学时授课,4,学时实验,1,功率电子线路概述,2,学时,2,率放大器的电路组成和工作特性,2,学时,3,乙类推挽功率放大电路,2,学时,4,功率合成技术,5,学时,5,整流与稳压电路,3,学时,6,习题课,2,学时,7,实验仪器仪表介绍,2,学时,8,低频功率放大器实验,2,学时,二,.,授课方式,:,课堂教学、讨论课、实验课,三,.,重点、难点,1,甲类、乙类放大器的组成及其功率特性性能；,2,乙类互补推挽功率放大电路；,3,功率合成技术，整流与稳压电路。,四教学内容及要求,要求学生掌握功率放大器的电路组成、工作原理、性能特点。重点讨论乙类推挽功率放大电路，基本掌握魔,T,混合网络实现功率合成及功率分配的原理，了解三种基本整流电路的工作原理，了解稳压器的工作原理。,五教学方法,1,功率放大器部分,首先介绍功率放大器的性能要求，功率管的运用特点以及功率器件的特殊问题 ，然后介绍功率放大器的电路组成和工作特性。重点讨论甲类变压器耦合功率放大器，乙类推挽放大器输出功率，集电极功率效率。难点：乙类互补推挽功率放大器的交叉失真问题。以,LM380,为例介绍集成功率放大器的内部简化电路及其外接电路。,2,功率合成技术,首先介绍输入变压器的工作原理及其功能，,然后重点讨论用传输线变压器构成的魔,T,混合网,络实现功率合成及功率分配的原理。,3,整流及稳压电路,在讨论三种基本整流电路：半波、全波、桥式整流电路的基础上，简单介绍半联型、开关型稳压器的工作原理及稳压性能。,4,为了开设实验内容，首先进行相关实验仪器、仪表的介绍，并让学生初步学会使用及进行简单操作，然后安排,2,学时的实验课。,1.1.1,功率放大器（,Power Amplifier,）,一分类,1,直接藕荷功率放大电路,2,变压器耦合功率放大电路,3.,其他类型的功率放大电路,二功率放大器的性能要求,1,最主要的要求是：安全、高效率和不失真（失真可在允许的范围内）地输出信号功率。,2,最重要的性能指标是：集成电极效率,（,1-1-1,）,式中：,3,功率放大器的本质是：在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率，所以用 来评价这种转换能力。,三功率管的运用特性,1, 甲类、功率管在一个周期内导通； 图,1-1-1,2,乙类、功率管在半个周期内导通；,3,甲乙类、介于甲类乙类之间，大于半个周期小于一个周期内导通；,4,丙类、小于半个周期内导通；,5,丁类、半个周期饱和导通，半个周期截止，管子处于开关状态。,目的：减小管耗，提高效率，带来的问题，非线形失真越来越严重，,1.1.2,电源变换电路,一,整流器,将电网提供的,50Hz,的交流电能变换成直流电能。,二,直流、直流变换器（斩波器）,将一种电压数值的直流电能 另一种电压数值或极性的直流电能。,三,逆变器,将直流电能变换成不同幅度和频率的交流电能。,四,交流,交流变换器将一,50Hz,交流电能不同幅值或频率的交流电能。,1.1.3.,功率器件,一功率管散热和相应的,。,1,术语,热平衡,集电结产生的热量恰好等于散发到空气中的热增量，使结温在某一温度平衡的状态。,热崩,结温升高,硅管,2.,等效电路,热传导过程用电流传输过程模拟,。（,p15,图,1-1-2,）,(1-1-2),式中,热源温度,周围空气温度,热阻,当 为定值时，集电结与周围空气之间的温差直接取决于 值，且 随成正比地增大。,当 为定值时，集电结与周围空气之间的温差直接取决于 值，且 随成正比地增大。,（,1-1-4,）,周围空气温度,注：实际工作中，必须根据最高室温，确定功率管能够承受的最大允许管耗 。,二二次击穿,11,什么叫二次击穿,可逆击穿：由于 而引起的击穿，只要限制击穿电流，管子不会损坏，当后，管子恢复正常工作。,二次击穿：若 电流不加以限制，则,管子未发烫就已损坏，是不可逆的。,12,产生二次击穿的原因及过程,原因：管内结面不均匀，晶格缺陷等。,过程：结面某些薄弱点电流密度,功率管尚未发烫就已损坏。二次击穿是在高压低电流时发生的，相应的功率用 表示。,3,功率管的安全工作区。 图,1-1-5,三思考题：,1,功率放大器分为那几类？,2,如何计算集电极效率 ？,3,画出功率管的安全工作区。,1-2,功率放大器的功率组成和工作特性,1.2.1,基本放大电路极其分析,图,1-1-2,一 静态工作点选在负载线的中点。,设集电极饱和压降,反向饱和电流,，,.,图,1-2-1,图解分析,二,.,输出集电极电流和电压,式中,三,.,讨论,1,集电极效率仅有,25%,，一部分消耗在管子上，大部分,50%,作为直流功率消耗在管子中。所以要提高效率；,选择管子的运行状态减少管耗；,力求避免管外电路中无谓地消耗直流功率；,2,充分激励时 变化对功率性能的影响。,当 一定， 位于负载线中点时,减小,总之，,充分激励相应的负载称为匹配负载。,注意：匹配的含义与线形部分的区别。,.,图,1-2-2,充分激励时变化对功率性能的影响,结论：,功率放大器在电路组成上，必须采用避免管外电路无谓地消耗直流功率的电路结构。,在工作特性上，输出负载、输入激励和静态工作点是相互牵制的，要高效率地输出所需信号功率，二者必须有一最佳配置。,1.2.2,甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能。,一,.,甲类变压器耦合功率放大器,图,1-2-3,1,原理电路,设变压器变比为 ，等效负载电阻,2,性能分析,静态分析,图,1-2-3,（,b,）,交流动态分析,交流负载线如图,1-2-4,若 则有,式中,功率讨论,（,1-2-4,）,（,1-2-5,）,（,1-2-6,）,（,1-2-7,）,3.,保证管子安全工作的条件,在充分激励，且保持 点处于交流负载中点的,条件下，,但,要在管子安全工,作的范围内：,因为,当 时，,所以， 即,即,又因为,所以,（,1-2-8a,）,(1-2-8b),注：,要同时满足上面两个条件， 取其中的小值。,要保证管子安全工作，还应检查管子的动 态点是否落在二次击穿的安全区内。,二乙类推挽功率放大电路 图,1-2-5,1,变压器耦合电路,工作原理：输入变压器将输入信号 变换成 和 和,分别加到同类型管，是其轮流导通，输出变压器隔断中的平均分量,并利用初级绕组的中间抽头将的基波分量在中叠加,输出完整正弦波。,.,图,1-2-5,乙类推挽功率放大电路原理,(a),变压器耦合 （,a,）,互补推挽,2,互补推挽电路分析,原理： 、 为两个特性配对的互补功率管，两管轮流导通， 合成完整正弦波。,性能分析,a),静态分析：,设,：,：,两管的负载线均为 ，,因为,b),图解分析 图,1-2-6,若不考虑失真：,当 时，,当 时，,（,1-2-9,）,式中,（,1-2-10,）,功率讨论,（,1-2-11,）,为半正弦波的分量。,a),当为充分激励，且,令,（,1-2-12,）,（,1-2-13,）,（,1-2-14,）,b),若输入激励不足，则,（,1-2-15,）,称为电源电压利用系数。,（,1-2-16,）,c),、 、 、,随变化的特性,当 在,0,和,1,之间变化时， 出现非单调的变化。,（,1-2-20,）,安全工作条件：,或,（,1-2-21a,）,(1-2-21b),注意：上式中取其中的小值，并检验动态点是否处在二次击穿限定的安全区。,1-3,乙类推挽功率放大电路,要点：讨论基本电路存在的问题，研究解决的,办法，给出实用电路。,一,.,交叉失真及偏置电路,P29 1-1-3 p30 1-3-2,产生的原因,由射极输出器电路的传输特性。,曲线其始段出现弯曲，将其接成乙类推挽电路,时，两管合成的传输特性，在衔接处出现严重,失真,交叉失真。,克服的办法 图,1-3-3,为了克服交叉失真，必须在输入端为两管加合适的正偏电压，使他们工作在甲乙类状态。,2.,二极管偏置电路 图,1-3-4,（,1-3-1,）,式中,:,为二极管的反向饱和电流。,.,图,1-3-4,二极管偏置电路,3,倍增偏置电路（图,1-3-5,）,一种具有热补偿作用的高热稳定偏置电路。,若,足够大，,（,1-3-3,）,是 的倍增值，且受 、 控制。,温度稳定性分析：,二单电源供电的互补推挽电路。 图,1-3-6,单电源供电电路等效为 和 的双电源供电电路。,三准互补推挽电路 图,1-3-7,四保护电路 图,1-3-8,过流保护电路,保护管 、,过流取样电阻,原理分析；正常工作时， 上的电压不足以使 导通，异常情况下， 导致 导通 ，从而分,流 管电流，限制 管的输出电流，即起保护作,用， 的作用与此类似。,五输入激励电路,p34,图,1-3-9,图,(a),为基本电路，缺点：交流负载电阻小于直流负载电阻 ， 使电压振幅受到截止失真的限制。,图,(a),为自举电路，其 ，,图中，, ,容量较大对交流近似短路。,，,、 为 ， 射极跟随器的电阻，其值较大，一般大于直流电阻（,）,1,3,2,集成功率放大器,一,LM380,集成功率放大器,LM380,集成功率放大器的内部简化电路及其外接电路。,主要参数：电源电压范围,1222V,，,当,=22V,，,时，,非线性失真参数 当 时,，,时，,V, W,二功率运算电路 图,1-3-11,功率运算放大器,图,1-3-10,集成功率放大器的内部简化电路,(a),内部简化电路（,b,）,外接电路,.,图,1-3-11,功率运算放大器,三、桥式功率放大器,p38,图,1-3-12,桥式功率放大器,（同相）,（反相）,令,，,14,功率合成技术,1.1.4,功率合成电路的作用,p40,图,1-4-1,功率合成是实现多个功率放大器联合工作的技术。,1,C,端为同相功率合成端,当,AB,两端输入等值同相功率时，,C,端负载上获得两输入功率的合成，而,D,端负,载上无功率输出。,2,D,为反向功率合成端,当,AB,两端输入等值反向功率时，,D,端负载 上获得两输入功率的合成，而,C,端负载 上无功率输出。,3,隔离特性,当 和 之间满足特定关系时，,AB,两输入端彼此隔离，即任一端功率放大器的工作状态变化或损坏时，不会影响另一端功率放大器的工作状态，并维持原输出功率。,4,功率分功能,当 时，加在,D,端的功率放大器将其输入功率均等地分给 和 ，且为反相的，而,C,端无功率输出；加到,C,端的功率放大器将其输出功率均等地分配给 和 ，且为同相的，而,D,端无功率输出。,魔,T,混合网络,由无源元件组成的功率合成电路。,1.4.2,传输线变压器,一变压器和传输线的工作频带,1,变压器,上限频率达,几十,MHz,受绕组电感和匝间分布电容的限制；下限频率受到有限激磁电感量的限制，上、下频率的比值可达几百，所以由变压器构成的魔,T,混合网络不适宜宽频带工作。,2,传输线,连接信号源和负载的两根导线。图,1-4-3,低频工作时， 导线长，特性为两普通导线，。,高频工作时， 时，在传输线是无损耗的，且它的端阻抗是匹配的，而,（ 为特性阻抗，理想无损耗的传输线，理想无损耗的传输线， 为纯电阻）,(1-4-1),在上限频率范围内，线上电压、电流处处相等，即：,（,1-4-2,）,二传输线变压器的结构及性能分析。,1,组成结构,传输线变压器是一种绕在磁环上的传输线。,传输线可采用：同轴电缆，双股线或带状线，磁环：镍锌高磁导率,( ),的铁氧体。,2,为什么要采用磁环构成变压器结构？,采用这种结构可使,1,、,2,间，,3,、,4,间的短路短线成为感抗较大的电感线圈，且 ，保证了传输线传输信号功率并实现了倒相作用。,3,变压器工作对信号传输的影响,传输线的下限频率为零，而传输线变压器的下限频率受有限激磁电感量的限制。,输入信号除通过传输线从始端传送到终端的,i,外，还有输入端电压,v,直接在,12,端间初级绕组电感上产生的电流 ，即输入的信号源提供的电流为,分析,:,在上限频率附近 ， 可以忽略。,所以，变压器的初级电感限制了传输线变压器的下限频率。,结论：传输线变压器是依靠传输线传送信号的一种宽带匹配元件，它的上限频率取决于传输线的长度，下限频率取决于初级绕组电感量。,三传输线变压器功能,1,1:1,倒相功能 图,1-4-4,（,c,）,对称 不对称变换,2,对地对称的双端输入信号转换为对地不对称的单端输出信号。图,1-4-6,（,a,）,不对称 对称变换,.,图,1-4-4 1:1,倒相变压器,(a),结构,(b),传输线变压器,(c),等效为,1:1,倒相变压器,3,对地不对称的单端输入信号转换为对地对称的双端输出信号。 图,1-4-6 (b),4,4:1,和,1:4,阻抗变换器 （指） 图,1-4-7,4:1,阻抗变换器：图,(a),(1-4-3),传输线的特性阻抗 （,1-4-4,）,1:4,阻抗变换器 图,（,b,）,所以，,（,1-4-5,）,传输线的特性阻抗为：,（,1-4-6,）,习题,1-20,阻抗变换器,9:1 1:9 16:1 1:6,1,4,3,用传输线变压器构成的魔,T,混合网络,一功率合成,图,1-4-8,1,电路结构， 为魔,T,混合网络， 为对称,不对称变换器。,2,工作原理,由图 即,node A,node B,解得,: (1-4-7),(1-4-8),node C,(1-4-9),分三种情况讨论：,端合成端无输出， （为反向端，反相功率合成）,当 时,由于,A,、,B,提供的功率反相，所以称为反相功率,合成。,此时，每个功率放大器的等效负载,（,1-4-10,）,C,端合成，,D,端无输出（,C,端为同相功率合成端）,当,， 时,两功率放大器提供等值同相功率。,每个功率放大器的等效负载,（,1-4-11,）,异常条件下的隔离条件,发生在异常时 ， 两功率放大器提供,不等值功率。,（,1-4-12a,）,（,1-4-12b,）,若 ，则 仅与 有关，而 与无关；,仅与 有关，而与 无关；且每个功率放大器的,等效负载均为 或 。 称为,A,、,B,端间的隔离条件。,二功率分配,1,同相功率分配,功率放大器接到,C,端,A,、,B,端接负载电阻,。,当 时， ，,D,端无功,率输出，而,A,、,B,端获得等值同相功率,。,又 ， ，,A,、,B,、,C,三端电位相同，接,在,C,端的等效负载即为 和 的,并联后，,2,反相功率分配 图,1-4-9,（,b,）,功率放大器接到,D,端, ,A,、,B,端接负载,电阻 和 。,.,图,1-4-9,功率分配电路,(a),同相 （,b,）,反相,当 时， ，,C,端无功,率输出，,A,、,B,端获得等值同相功率,D,端等效,负载 ， 。,注意：不论哪种功率分配电路，当 时，,功率放大器的输出功率就不能均等地分配到,和 上，且另一端（,C,端或,D,端）也有功率,输出。,三另一种混合网络,p48,图,1-4-10,四功率合成电路实例 图,1-4-11,图,1-4-12,图,1-4-11,四个功率放大器组成的功率合成电路,.,图,1-4-12,宽频带功率合成电路,1-5,整流与稳压电路,1,1,5,整流电路,分类：半波、全波和桥式三种类型,一、半波整流电路,图,1-5-1,半波整流电路及其波形,(a),半波整流电路 （,b,）,电压波形 （,c,）,电流波形,1,原理,电源变换器，,整流二极管，,输出负载，,输出滤波电容,，当 时， 通， 经间充电（设,起始电荷为零）,，当 时，,截至 经 放电。,随充、放电进行逐渐增大,导通时间,截止时间,直到一个周期内。 动态平衡，,在 上、下接,50Hz,频率作锯齿波等振幅振动。,整流输出电压。,平衡 后是一串窄脉冲序列，,整流输出电流 ，,注：叠加在 上的各次谐波电流在 上产生的各次谐波电压的叠加即为 上、下的锯齿波电压。,2.,、 对纹波的影响,一定， 纹波,一定， 。,图,1-5-3,附加电源滤波器的半波整流电路。,3.,极限参数,整流电路为功率电路，必须保证电路中各元件,的安全。,整流管反向电压,电源变压器的极限参数是伏安容量,的有效,值。,二全波整流电路,原理：,，,交替导通， 正峰附近,导通,截止。,经 间 充电，经 放电,。,即在一个周期内， 经历两次充放电， 出现两,个同极性电流脉冲，叠加在,上的锯齿,波电压频率加倍,(100Hz),。,在同样 乘积值时，提,高了它的滤波能力，从而减小了滤波电压；同,时，在相同 时， 和 也比半波整流电流,大。,三桥式整流电路。 图,1-5-5,原理分析：桥式整流电路实际上是全波整流电,路的变形电路。达到动态平衡后， 正峰附近，,通 止， 经 向 充电。 负,峰附近， 通 止， 经 向 充,电，所以桥式电路中的 与全波整流电,.,1-5-4,全波整流电路及其电压和电流波形,路相同，不过，由于两个串接二极管同时截止，反,峰电压由两只二极管同时承担，降低了对二极管的,耐压要求，且通过 次级的电流 是正负交替的脉,冲电流，伏安量小。,小结：全波和桥式电路的性能比半波电路好，而桥式,电路与全波电路比较，前者的电源变压器无中心抽头，,结构简单，且伏安容量小，因而在中小功率整流器,中，桥式电路应用最广。,四,.,倍压整流电路,用于要求 大而 小的场合。,图,1-5-9,是二倍频整流电路。,1,5,2,串联型稳压器,一,.,串联型稳压器的工作原理,1. :,调整管，接于输入和输出之间，,受基极电压控制，即受 比较放大器输出,电压的控制、工作于放大区。,比较放大器： 组成的有源负载差分放大,器。 为基准电压， 为取样电压， ，,比较放大器的输出电压反映了 和 的差值。组成框图及原理电路 。,2,稳压分析,若 ，即 ， ，,为取样比。则比较放大器的差模电压为零，此时，输出仅是 管的集电极静态电压,管产生静态电压 ，且,.,（,1-5-4,）,稳压过程：若因 增大或负载增大使 增加 增大使 加,小结：串联型稳压电路是根据 和 的比较,结果控制调整管的管压降来稳定输出电压的。,二稳压性能,一）参数,1,电压调整率（稳压系数）,稳压电路对输入电压变化的抑制能力。,(1-5-5),2.,负载调整率（电流调整率）,对输出负载电流变化的抑制能力。,（,1-5-6,）,3,输出电阻,（,1-5-7,）,注： 与负载调整率 有相同的含义，都是用,来评价 对 的影响，不过 为小信号参数，,是微小变量，而 是大信号参数， 一般,是指空载（ ）到满负载 时的变化量。,工程计算式为：,（,1-5-8,）,4,纹波抑制比,5,输出电压温度系数,二,),各部分电路对性能参数的影响,1,基准电压,它的不稳定直接造成稳压器各性能参数恶,化，反馈环路是无法对它进行抑制的。要求其,值稳定且不受温度及电源电压变化的影响。,2,环路增益：,增大环路增益，特别是比较放大器的增益，可,提高环路的自动调整作用，改善稳定性能。,3,调整管 值,增大 值，可以用较小 产生较大,同时,可减小输出电阻（带负载能力强），采用复合,管可改善稳压性能。,三,集成串联稳压电路,分类：多端式,输出电压可调。,三端式,输入、输出（固定）、接地,端。,图,1-5-13,基准电源电压电路。,1-5-14 7800,系列三端式集成稳压,器的外接电路及其内部组成电路。,1,5,3,开关型稳压器,与串联稳压电路不同，在开关稳压电路中，调整管工作在开关状态而非大区。通过控制开关的开启时间来自动调整输出电压。,一直流,直流变换器（斩波器）,开关稳压,部分的核心部分。,分类：降压型、升压型、降压,升压型三种,。,1,降压型变压器,p65,图,1-5-15,：开关， ：续流二极管， 低通滤波器。,原理分析：设开关闭合电阻为零。,1,） 当,S,闭合时,D,截止,向,充电， 。,当,S,断开时 产生反极性感应电压导通,D,导通,是幅值为 的周期脉冲，其平均值即为通过,。,.,即为通过 低通滤波器在 上产生的输,出直流电压。,2,） （忽略 的纹波电压）,当,S,闭合时，,线性上升。,所以,当,S,断开时 线性下降，并经过,D,构成闭合回路，（故称,D,为续流二极管）,取,则,当 一定时，控制 值，即可改变 值，,因为 ，所以 。,2.,升压型变压器 图,1-5-16,当,S,闭合时, ,D,截止, ,当,S,断开时, D,导通, ,要求 解得,.,( 1-5-14),3.,降压,升压型变压器 图,1-5-17,当,S,闭合时， ，,D,截止，,当,S,断开时，,D,导通，,，要求 得,.,(1-5-15),当 时,当 时,升压型,当 时,降压型,二开关稳压电路的工作原理,p68,图,1-5-18,1,构成：,将电压变换电路与相应的控制电路组合成一个,闭合环路，其中控制电路的作用是使开关管启,闭时间受到输出电压变化的控制，而输出电压,又由开关管的启闭时间调整，这样就构成了具,有稳压功能的开关稳压电路。控制电路又称为,脉冲宽度调制器。,2,原理；,、 为取样电阻，取样电压 及 加到误差放大器，其输出 反映二者差值电压，将其接到比较器的反相端。振荡器产生的固定,f,三角波 加到比较器的同相端，当 时，比较器输出高电压，开关管 饱和导通；当 时，比较器输出低电平， 截止。,稳压过程：,当 时，误差放大器输出静态电压，经比较器使 导通时间为 ，或占空系数为则若因某种原因，导通时间或，反之亦然。,若因某种原因， 导通时间 或 ，反之亦然。,四,.,开关型稳压控制电路举例,图,1-5-20,用集成脉冲调制器构成的稳压电路。,