变压器的工作特性及应用.ppt

2 变压器的工作特性及应用 重点 第9讲变压器及运算放大器 3 运算放大器的电路符号及工作原理 1 变压器的结构特征 4 运算放大器的应用电路 5 1理想变压器 一 理想变压器的定义 理想变压器是从实际的变压器抽象出来的理想化模型 它是一种全耦合变压器 认为其耦合系数k等于1 在上一节的空心变压器模型中 令原边和副边电阻R1 R2 0 电感L1 L2趋于无穷大 根据耦合系数k的定义 可知其互感M也无穷大 规定 n为一个正实数 称为理想变压器的变比 N1和N2分别为原边和副边的匝数 二 理想变压器的电路符号 名称 初级线圈 或正线圈 或一次侧线圈 名称 次级线圈 或副线圈 或二次侧线圈 三 理想变压器的工作特性 变压特性 变流特性 即输入理想变压器的瞬时功率等于零 所以它既不耗能也不储能 它将能量由原边全部传输到副边输出 在传输过程中 仅仅将电压 电流按变比作数值变换 变阻抗特性 理想变压器原绕组端输入阻抗等于负载阻抗乘以n2倍 或者说负载阻抗折合到原绕组端应乘以n2倍 这就起到了阻抗变换的作用 四 变压器的应用 变压器的阻抗变换特性是很有用的 在晶体管收音机中把输出变压器介入扬声器和功率放大器之间 利用输出变压器变换阻抗 达到阻抗匹配的目的 从而使负载获得最大功率 下图所示是晶体管收音机功率放大电路的等效二端网络 上图中 作为负载的扬声器电阻RL 一般不等于这个二端网络的等效内阻Ro 为了使扬声器获得最大功率 可以利用输出变压器进行阻抗变换 当Ro Rab n2RL时 达到阻抗匹配 扬声器获得最大功率 此时变压器的变比为 例9 1 下图 a 所示理想变压器 匝数比为1 10 已知uS 10sin 10t V R1 1 R2 100 求u2 解 按图 a 可以列出电路方程 根据理想变压器的VCR 有 代入数据可解得 另一种解法是先用初级等效电路求u1 再按电压方程求u2 初级绕组a b端的等效电阻为 等效电路如图 b 所示 求得 例9 2 某电源内阻RS 1 8k 负载电阻RL 8 为使负载能从电源获得最大功率 在电源与负载之间接入一个理想变压器 如下图所示 试求理想变压器的变比 解 此题是利用理想变压器的阻抗变化特性使负载获得最大功率 求得理想变压器的变比为 例9 3 下图 a 所示电路中 正弦电源有效值为100V Z1 4 j4 Z2 1 j1 试计算阻抗ZL为多少时 其消耗的功率最大 并求最大功率 解 可以先计算a b左侧的戴维南等效电路 如上图 b 所示 设电源电压 当ZL开路时 其开路电压为 其等效阻抗为 根据最大功率的匹配条件 则 此时最大功率为 5 2运算放大器 一 理想运放 定义 在分析集成运放的各种应用电路时 常常将其中的集成运放看成是一个理想的运算放大器 所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化 即认为集成运放的各项指标为 开环差模电压增益Aod 差模输入电阻Rid 输出电阻Ro 0 共模抑制比KCMR 上限截止频率fH 输入失调电压 失调电流以及它们的零漂均为零 说明 实际的集成运放当然达不到上述理想化的技术指标 但由于集成运放工艺水平的不断提高 集成运放产品的的各项性能指标愈来愈好 因此 一般情况下 在分析估算集成运放的应用电路时 将实际运放看成理想运放所造成的误差 在工程上是允许的 电路符号 u 代表同相输入端电压 u 代表反相输入端电压 输出电压uO与u 具有同相关系 与u 具有反相关系 运放的差模输入电压uId u u 电压传输特性 虚线代表实际运放的传输特性 实线代表理想运放 可以看出 线性工作区非常窄 当输入端电压的幅度稍有增加 则运放的工作范围将超出线性放大区而到达非线性区 运放工作在不同状态 其表现出的特性也不同 二 理想运放的两种工作状态 线性工作状态 理想运放工作在线性区时有两个重要特点 1 理想运放的差模输入电压等于零 即 或表述为 表明 同相输入端与反相输入端的电位相等 如同将该两点短路一样 但实际上该两点并未真正被短路 因此常将此特点简称为 虚短 2 理想运放的输入电流等于零 即 表明 运放的同相输入端和反相输入端的电流都等于零 如同该两点被断开一样 将此特点简称为 虚断 强调 虚短 和 虚断 是理想运放工作在线性区时的两个重要特点 这两个特点常常作为今后分析运放应用电路的出发点 因此必须牢固掌握 非线性工作状态 理想运放工作在非线性区时 也有两个重要特点 1 理想运放的输出电压uo只有两种取值 或等于运放的正向最大输出电压 UOM 或等于其负向最大输出电压 UOM 2 理想运放的输入电流等于零 三 含运放的电阻电路分析 反相放大器 输入电压ui通过电阻R1接入运放的反相输入端 RF为反馈电阻 引入了电压并联负反馈 同相输入端电阻R2接地 为保证运放输入级差动放大电路的对称性 要求R2 R1 RF 由于 可得 由此可求得反相比例电路输出电压与输入电压的关系为 则反相比例运算电路的电压放大倍数为 反相加法运算电路 输入电压uI1 uI2和uI3分别通过电阻R1 R2和R3同时接到集成运放的反相输入端 为了保证运放两个输入端对地的电阻一致 图中R 的阻值应为R R1 R2 R3 RF 根据虚短和虚断的概念可得 又因iF i1 i2 i3 故有 当R1 R2 R3 R时 上式变为 说明 反相输入加法运算电路的优点是 当改变某一输入回路的电阻时 仅仅改变输出电压与该路输入电压之间的比例关系 对其它各路没有影响 因此调节比较灵活方便 在实际工作中 反相输入方式的加法电路应用比较广泛 课堂练习题 第1题 求下图所示二端网络的等效电阻Rab 第2题 理想变压器电路如下图所示 已知US 30V RS 200 变压器的变比n 5 负载电阻RL 4 1 原 副边绕组的电压U1 U2及电流I1 I2 负载的功率PL 2 要使负载获得最大功率 此变压器的变比应为多少 此时负载的功率等于多少 第3题 电路如下图所示 已知uO 55uI 其余参数如图中所标注 试求出R5的值 第4题 在下图所示放大电路中 已知R1 100k R2 10k R3 9 1k R4 R6 25k R5 R7 200k 100k 1 试分析集成运放A1 A2和A3分别组成何种应用电路 2 列出uO1 uO2和uO3的表达式 3 设uI1 0 5V uI2 0 1V 求输出电压uO3 本讲小结 1 理想变压器是从实际的变压器抽象出来的理想化模型 它是一种全耦合变压器 认为其耦合系数k等于1 变压器的阻抗变换特性是很有用的 在晶体管收音机中把输出变压器介入扬声器和功率放大器之间 利用输出变压器变换阻抗 达到阻抗匹配的目的 从而使负载获得最大功率 2 理想运放有两种工作状态 即线性和非线性工作状态 在其传输特性曲线上对应两个工作区域 当运放工作在线性区时 满足虚短和虚断特点 集成运放可用于模拟信号的运算 产生 放大 滤波等 本讲作业 1 复习本讲内容 2 预习下一讲内容 双口网络 3 书面作业 习题5 1 5 3 5 8 5 9