电子技术基础教案.docx

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电子技术基础教案

第四章直流电源

复习旧课：

1、二极管、三极管的特性；

2、放大电路的工作原理及分析；

新课导入：

交流电在产生、输送和使用方面具有很多优点，因此发电厂所提供的电能几乎全是交流电。

但在工矿企业和人们日常生活中还经常要用到直流电。

（例电视机内部电路）

解决供电和用电之间矛盾的最经济简便的措施是将交流电变换为直流电。

教学过程：

整流：

将交流电变换为直流电的过程。

整流器一般由三部分组成。

§4-1单相整流电路

一、单相半波整流电路

1、电路的组成

变压器T：

作用是将电源电压变换成适当数值的电压供整流用；

晶体二极管V：

整流元件；

负载电阻RL：

2、工作原理

设变压器的二次侧电压为u2，在u2的正半周设a端为正，b端为负，二极管在

正向电压的作用下导通。

负载电阻RL两端的电压uL就等于u2；在u2的负半周，变压器二次侧的a端为负，b端为正，则二极管承受反向电压而截止，负载两端的电压uL为零。

可见，u2每变化一周在负载上得到半个周期的单向脉动直流电，所以称为半波整流。

u2=uV+uL≈uL

3、负载RL上的直流电压和电流计算

负载的直流电压：

指在输入电压u2的一个周期内，负载获得的脉动直流电压的平均值。

用UL表示。

UL=0.45U2

U2：

变压器二次侧电压u2的有效值。

流过负载RL的直流电流平均值

IL=UL/RL=0.45U2/RL

4、整流二极管上的电流和最大反向电压

因二极管与负载串联，所以流过二极管的平均电流IF就等于负载的直流电流平均

值IL，即

IF=IL=0.45U2/RL

二极管截止时，实际承受的反向电压的最大值URM等于变压器二次侧电压的最大值，即

URM=2U2

例4-1

解：

UL=RLIL=15V

U2=UL/0.45=33V

IF=IL=10mA

URM=2U2=47V

小结:

单相半波整流电路的工作原理、二极管的选择。

作业：

P1374

§4-1单相整流电路

复习旧课：

1、单相半波整流电路的工作原理；

2、负载RL上直流电压和电流的计算。

新课导入：

单相半波整流电路的特点是电路简单，使用器件少，但输出电压脉动大。

由于只利用了电源半波，理论计算表明其整流效率仅40%左右，因此只能用于小功率以及对输出电压波形和整流效率要求不高的设备。

要使电路输出电压较大，我们采用桥式整流电路。

教学过程：

二、单相桥式整流电路

1、电路的组成由整流变压器、四只二极管及负载组成。

2、工作原理

设变压器的二次侧电压为u2，在u2的正半周设a端为正，b端为负，二极管

V1和V3承受正向电压的作用导通，而V2和V4承受反向电压截止，电流流向为：

a→V1→RL→V3→b。

uL=u2

在u2的负半周设a端为负，b端为正，此时V1和V3承受反向电压的而截止，而

V2和V4在正向电压的作用下导通，电流流向为：

b→V2→RL→V4→a。

uL=-u2

总电流IL=IL1+IL2

3、负载RL上的直流电压和电流的计算

UL=0.9U2

IL=UL/RL=0.9U2/RL

4、整流二极管的电流和最大反向电压

因负载的直流电流是由二极管V1，V3和V2，V4轮流导通的，所以流过二极管的平均电流应是负载直流电流的一半，即

IF=IL/2=0.45U2/RL

由于二极管承受反向电压时是并接在变压器二次侧两端的，所以二极管承受反向电压的最大值仍等于变压器二次侧电压的最大值，即

URM=2U2

例4-2

解：

电磁工作台绕组的两端电压为UL=ILRL=123V

变压器二次电压为U2≈1.11UL=137V

流过二极管平均电流为IF=IL/2=0.75A

最大反向电压为URM≈1.57UL≈193V

桥式整流电路的特点是：

输出电压脉动小，每只整流二极管承受的最大反向电压和半波整流的一样，由于每半周内变压器二次绕组都有电流流过，变压器利用率高。

小结：

桥式整流流电路的工作原理和RL上直流电压和电流的计算。

作业：

P1375

§4-3滤波电路

复习旧课：

单相桥式整流电路的组成、工作原理、二极管的选择。

新课导入：

前面所讨论的几种整流电路，虽然都可以把交流电转换为直流电，但所输出的直流仍含有较多脉动成分。

这种不平滑的直流电仅能在电镀、电焊、蓄电池充电等要求不高的设备中使用，而对于有些仪器仪表及电气控制装置等，往往要求直流电压和电流比较平滑。

因此把脉动直流电变成较为平滑的直流电，保留脉动电压的直流成分，尽可能滤除它的交流成分的过程称为滤波，通常的滤波电路由电容、电感等元件组成。

教学过程：

一、电容滤波电路

图是带有电容滤波的单相桥式整流电路，滤波电容与负载并联，常采用容量较大的电解电容。

1、工作原理：

利用电容充放电作用，改善输出直流电压的脉动程度。

在u2从零开始上升过程中，V1、V3导通，V2、V4反向截止。

整流电流分两路，一路流经二极管V1、V3向负载RL提供电流，另一路给电容C充电。

充电速度很快，到达u2的峰值时uC=u2，极性上正下负。

此后u2下降，而uC瞬间不能突变，u2

当u2为负半周时，因uC>u2，使V2、V4反向截止（本来应导通），直到u2>uC时，二极管V2、V4才导通，C再度充电到最大值2U2。

然后u2下降，电容器又经RL放电。

特点：

电源电压在一个周期内，电容器C充放电各两次。

2、电容滤波对整流电路的影响

（1）、接入电容后二极管导通时间变短，开始充电电流很大，必须选用电流裕量大的二极管。

（2）、负载平均电压升高

滤波电容器电容量表

输出电流IL（A）

2

1

0.5-1

0.1-0.5

0.05-0.14

0.05以下

电容C（μF）

4000

2000

1000

500

200-500

200

（3）、负载上直流电压随电流增加而减小

如RL小，C放电快，输出电压UL随之降低。

P113图4-22外特性

例4-6

解：

（1）、电源变压器二次电压U2

因为UL≈1.2U2

所以U2≈UL/1.2=20V

（2）、整流二极管的选择

因为IL=UL/RL

所以IL=24/240=0.1A

通过每个二极管的直流电流：

IF=IL/2=50mA

每个二极管承受的最大反向电压：

URM=2U2≈1.41×20≈28V

（3）、滤波电容选择

根据表4-1及IL=0.1A，可选用500μF电解电容。

根据电容器耐压公式：

UC≥2U2≈28V

二、电感滤波电路

三、复式滤波电路

四、电子滤波电路

小结：

1、电容滤波电路的工作原理；

2、滤波电路中二极管、电容器的选择。

作业：

P13817、18

§4-4整流器件的选用

复习旧课：

电容滤波电路的工作原理及二极管和电容器的选择。

新课导入：

整流器件是整流装置的核心和主体，因此正确选用整流器件能够使整流装置在保证可靠运行的前提下降低成本。

整流器件主要有整流二极管、整流堆以及整流组件等。

教学过程：

一、整流二极管

一般采用硅材料制造，常称硅整流器件。

反向电流很小，PN结制作得较大，可通过较大电流。

1、整流二极管的结构、型号和主要参数

结构：

小电流二极管采用塑料封装

大电流二极管采用金属外壳螺旋式封装

型号：

2CZ、2DZ系列，旧型号2CP、2DP

以及ZP系列

主要参数：

反向工作峰值电压URWM（最大反向电压）

正反平均电流IF（AV）

2、整流二极管的冷却

自冷：

空气中靠辐射和对流自然散热

冷却方式：

风冷：

用出口风速5m/s的风机来强迫冷却

水冷：

用循环水来冷却散热器

3、检查

二、硅整流堆

——将整流器件按某种整流方式通过一定的制造工艺，用绝缘瓷，环氧树脂等和外壳封装成一体制成。

1、结构、型号和主要参数

2、使用

3、检查

小结：

1、整流二极管、硅整流堆的结构、型号和主要参数

2、整流二极管的冷却

§4-5稳压电路

复习旧课：

整流、滤波电路的工作原理、电路得到的波形。

新课导入：

交流电压经过整流、滤波后已经变换成比较平滑的直流电，但还不够稳定。

当电网电压波动或负载发生变化时，输出的直流电压也随着变化，因此只能供一般电气设备使用。

对电子电路，还要接入直流稳压电路，来保证输出电压稳定。

教学过程：

一、硅稳压管的工作特性和主要参数

1、工作特性：

硅稳压管是一种特殊的面结合型半导体二极管，普通二极管不能工作在击穿区。

而硅稳压管正是工作在反向击穿状态。

其正极必须接电源的负极，它的负极接电源的正极。

注意：

PN结的击穿与PN结烧坏并不是一因事，普通二极管在击穿区烧坏，是由于它的最大允许耗散功率不够，PN结温升过高的原因。

硅稳压管正是利用其伏安特性中反向击穿区AC段，反向电流大范围变化而反向电压几乎不变的特性来进行稳压的。

2、硅稳压管的参数和使用

（1）、稳定电压UZ：

指稳压管的反向南昌击穿电压。

（2）、稳定电流IZ：

指保持稳定电压UZ时的工作电流。

（3）、最大稳定电流IZM：

指稳压管最大工作电流。

（4）、最大耗散功率PZM：

指工作电流通过稳压管的PN结时产生的最大耗散功率允许值，近似为UZ与IZM的乘积。

此外还有动态电阻和温度系数等参数。

二、简单的稳压电路（图4-38）

1、元件的作用

R：

用来限制电流，使IZ不超过允许值。

另一方面利用R的电压升降使UL稳定。

2、工作原理：

ui经R加到V和RL上，ui=IR+UL，I=IZ+IL

（1）设负载电阻RL不变。

若电网电压波动使Ui上升，其工作过程为：

Ui↑→UL↑→IZ↑→I↑→IR↑→UL↓

注意：

根据稳压管反向击穿特性，只要UL有少许增大，就使IZ显著增加，使流过R的电流I增大，电阻R上的压降增大。

（2）设Ui不变。

工作过程为：

RL↓→IL↑→I↑→IR↑→UL↓→IZ↓（→I↓→IR↓）→UL↑

以上分析可知，限流电阻R不仅有限流作用，还起调节输出电压的作用，与

稳压管配合共同稳定输出电压。

在这种电路中，稳压管的稳定电压应按负载电压选取，即

UZ=UL

若一个稳压管的稳压值不够，可用多个稳压管串联。

稳压管的最大稳定电流IZM大致应比最大负载电流ILM大两倍以上，即

IZM≥2ILM

三、晶体管串联型稳压电路

1、简单串联型稳压电路（图4-40）

R1：

既是限流电阻，又是V2的基极偏置电阻。

R1和V1组成基本稳压电路，向V2提供一基准电压UZ。

V2：

调整管

图中，UBE=UZ-UL

UL=Ui-UCE

（1）负载电阻RL不变时，

Ui↑→UL↑→UBE↓→IB↓→IC↓→UCE↑→UL↓

（2）输入电压Ui不变时，

RL↓→IL↑→UL↓→UBE↑→IB↑→IC↑→UCE↓→UL↑

简单的串联型稳压电路比硅稳压管稳压电路输出电流大，输出电压变动小。

小结：

1、稳压管的工作特性及主要参数；

2、稳压电路的工作原理及工作过程。

作业：

P13821、22

§4-5稳压电路

复习旧课：

1、稳压管的工作特性及主要参数；

2、简单稳压电路的组成及工作过程；

3、简单串联型稳压电路的工作过程。

新课导入：

在上述简单串联型稳压电路中，是直接用输出电压的微小变化去控制调整管，由于单个三极管的IB对ICE的控制作用不够大，所以稳压精度较差。

如果先从输出电压中取得微小的变动量，经过放大后再去控制调整管，就可以大大提高稳压精度，带直流负反馈放大电路的稳压电路就是按这种设想构成的。

教学过程：

2、带直流负反馈放大电路的稳压电路（图4-41）

（1）电路组成：

稳压管V1和电阻R2给直流放大管V3的发射极提供稳定的基准电压。

R3、R4组成分压电路，从输出电压UL中取出变化的信号电压，使

UB3=R4UL/（R3+R4），并把它加到放大管V3的基极。

（2）稳压过程如下：

Ui↑→UL↑→UB3↑→UBE3↑→IB3↑→IC3↑——

UL↓←UCE2↑←UBE2↓←UB2↓←—

由于电路中UZ是定值，UBE3也基本不变，因此在保证一定输入电压Ui条件下，稳压电路的输出电压UL应该满足：

UL=（R3+R4）（UBE3+UZ）/R4

另外，由图中可得：

IL=β2（Ui-UBE2-UL）/R1

例：

4-7

解：

根据式UL=（R3+R4）（UBE3+UZ）/R4

=12V

根据式IL=β2（Ui-UBE2-UL）/R1

=1.32A

3、串联型稳压电路的主要环节

（1）整流滤波电路

（2）基准电压：

由稳压管串限流电阻组成。

（3）取样电路：

将输出电压变动量的一部分取出，加到比较放大器和基准电压进行比较放大。

（4）比较放大电路：

将取样电路送来的电压和基准电压进行比较放大，再去控制调整管以稳定输出电压。

（5）调整器件：

采用工作在放大状态的功率三极管。

四、三端集成稳压器

——指将调整管、取样电路、比较放大电路、基准电压电路、启动和保护电路全部集成在一个芯片上。

1、三端固定输出稳压器

所谓三端：

指电压输入、电压输出和公共接地三端。

此类稳压器输出电压有正、负之分。

CW78××系列为输出正电压。

CW79××系列为输出负电压。

2、三端可调输出稳压器

三端：

指输入、输出和电压调整。

3、集成稳压器主要参数

①最大输入电压UOM

——指允许输入的最大电压。

②最小输入电压差（Ui-UL）

——指输入电压与输出电压的最小差值。

③输出电压范围

——指参数符合要求时，输出电压的范围。

④最大输出电流ILM

——指稳压管可能输出的最大电流值。

小结：

1、串联型号稳压电路的组成及工作原理；

2、集成稳压器的特点及主要参数。

作业：

P13925

第五章晶闸管电路

复习旧课：

1、单相半波整流电路、桥式整流电路；桥式整流滤波电路的工作原理、二极管和电容的选择。

2、稳压电路的工作原理和稳压过程。

新课导入：

晶闸管俗称可控硅，它是一种大功率的变流新器件，主要用于大功率的交流电能与直流电能的相互转换——将交流电转换成直流电。

其输出的直流电压具有可控性。

将直流电转换成交流电，称为逆变。

教学过程：

§5-1晶闸管

一、晶闸管的结构、符号

种类：

普通型、双向型、可关断型。

结构：

二、晶闸管的工作原理

1、门极不加正向电压

阳极加UA时，因UG=0，V2集电极上有正电压，但基极没电流，V2不导通，晶闸管处于关断状态，IA=0，称为正向阻断。

如阳极加反向电压，二极管均截止，晶闸管处于关断状态。

总之：

门极不加正向电压时，晶闸管处于关断状态。

2、门极加正向电压（门极高电位，阴极低电位）

当晶闸管加正向电压时，V1、V2的集电结都为反向偏压，此时加上UG，产生IB2，V2导通，IC2=β2IB2为V1提供基极电流，IB1=β2IB2，晶闸管完全导通。

晶闸管导通之后，V2管的基极始终有V1集电极电流流过，即使UG取消，晶闸管仍处于导通状态。

这时门极已失去控制作用。

门极加上的正向电压称为触发电压。

晶闸管关断条件：

1减小阳极电流IA；IA

②UA降为0或使阳极电压反向。

晶闸管导通条件：

1阳极加正向电压；

②门极加触发电压。

三、晶闸管的电压电流特性

曲线表明：

IG=0时，阳极电流很小，称为正向漏电流，晶闸管关断，当正向漏电流突然增大，晶闸管由关断转为导通，此时电压称为正向转折电压UBO，称为硬导通（正常情况下是不允许的）

IG>0时，此时晶闸管从正向阻断转为正向导通所对应的阳极电压比UBO要低，且IG越大，相应的阳极电压低得越多。

晶闸管导通后电流很大，电压为1V左右。

加反向电压时，UBR为反向转折电压。

四、晶闸管的主要参数

1、正向断态重复峰值电压UDRM

——指允许加在晶闸管上的最大正向峰值电压。

UDRM=UBO-100

2、反向重复峰值电压URRM

——指允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压。

URRM=UBR-100

UDRM=URRM（额定电压）

3、通态平均电流IT（AV）

——指允许通过的工频正弦半波电流在一个周期内的最大平均工资值，简称正向电流。

4、通态平均电压UT（AV）

——指晶闸管正向通过正弦半波额定的平均电流、结温稳定时的阳极和阴极间的电压平均值。

5、维持电流IH

——指维持晶闸管继续导通时需要的最小阳极电流。

五、晶闸管的型号

例：

KP100-12G的晶闸管表示额定电流为100A，额定电压1200V、正向导通压降组别为G（1V）的普通反向阻断型晶闸管。

小结：

1、晶闸管的结构、型号和工作原理；

2、晶闸管的电压电流特性。

3、晶闸管的主要参数。

作业：

P1681、2

§5-2晶闸管单相可控整流电路

复习旧课：

1、晶闸管导通和关断的条件；

2、单相半波整流电路的工作原理。

新课导入：

如果用全部或部分晶闸管取代第四章讨论的各类整流电路中的整流二极管，就能够组成输出电压连续可调的各类可控整流设备。

一般容量在4KW以下的可控整流装置多采用单相可控整流，对大功率的负载多采用三相可控整流。

教学过程：

一、单相半波可控整流电路

RL：

负载电阻

u1、u2：

电源变压器的一次和二次正弦交流电压。

工作原理：

1、门极不加触发电压，V不导通。

2、在t1时刻，门极加UG，V被触发导通，

uL=u2

3、u2降低到接近零值时，IA小于维持电流

自行关断，uL=0。

在u2的负半周时，晶闸管承受反向电压，

因而不能导通，晶闸管承受的反向电压最

大值为2U2。

α：

控制角

θ：

导通角

θ=180o-α

当α=0o时，UL最大，这时晶闸管全导通。

α=180o时，UL=0

α在0~180o之间变化时，UL可调。

∴UL=0.45U2（1+cosα）/2

IL=UL/RL

例5-1

解：

α=0o时，UL=0.45×120×（1+cos0o）/2=54V

α=90o时，UL=0.45×120×（1+cos90o）/2=27V

α=120o时，UL=0.45×120×（1+cos120o）/2=13.5V

α=180o时，UL=0.45×120×（1+cos180o）/2=0V

例5-2

解：

UL=50V时，cosα=2×50/0.45×220-1≈0α=90o时

UL=92V时，cosα=2×92/0.45×220-1≈0.85α=30o时

二、单相半控桥式整流电路（图5-5）

工作原理：

u2正半周时，V1、V4承受正向电压，

在t1时刻加入UG，V1触发导通。

电流回路为

a→V1→RL→V4→b。

V2、V3均承受反向电压而关断。

u2为负半周时，V2、V3承受正向电压，

在t2时刻加入UG，V2触发导通。

电流回路

b→V2→RL→V3→a。

V1、V4均承受反向电压而关断。

RL上得到的平均直流电压是半波可控整流时的2倍，即

UL=0.9U2（1+cosα）/2

每只晶闸管承受的反向电压为2U2

IF=1/2IL=UL/2RL

例5-3

解：

输出最大平均电流为：

ILM=ULM/RL=30A

当UL=150V时，

cosα=2×150/0.9×220-1=0.51

α=60O

∴θ=180O-α=120O

三、应用实例

简易直流电动机调速电路（图5-7）

工作原理：

220V电源接通后，经过V1~V4管的整流，通过晶闸管V5加到直流电动机的电枢上，同时它还向励磁线圈ML提供励磁电流。

调节RP可改变V5的导通角，从而改变UL的大小，实现直流电动机调速。

小结：

1、单相半波可控整流电路的工作原理、参数的计算；

2、单相桥式半控整流电路的工作原理、参数计算；

3、简易直流电动机调速电路的工作原理。

作业：

P1684、5、6

§5-4负载类型对晶闸管整流的影响

复习旧课：

1、单相半波可控整流电路的工作原理、参数的计算；

2、单相桥式半控整流电路的工作原理、参数计算；

3、简易直流电动机调速电路的工作原理。

新课导入：

在前面分析的各种晶闸管可控整流电路中，均假设负载是电阻性的。

但在实际中，经常遇到的负载是电感性的，例如各种电动机的励磁绕组，各种电感线圈等。

有时负载是蓄电池或直流电动机的电枢等。

这时电路的工作情况和电阻性负载有很大的不同。

教学过程：

一、电感性负载的影响

在电感线圈中当电流发生变化时会产生自感电动势，而且自感电动势总是阻碍电流变化的。

电流增大时，自感电动势阻碍它增大；电流减小时，自感电动势又阻碍它减小。

在晶闸管可控整流电路中，当晶闸管（导通）阳极上的交流电压减小过零时，晶闸管本应关断，但由于负载中自感电动势的作用，电流并没有同时为零，而且有可能仍大于晶闸管的维持电流IH，因而晶闸管不能及时关断。

图5-13所示：

在电源电压u2的正半周t1时刻，给V1管门极加触发脉冲而被触发导通，随着u2的增大，电流要克服自感电动势的阻碍而增大，这时负载电感线圈L中储存磁场能量。

当u2达到最大值时，电流并未达到最大值，电流的最大值滞后于u2的最大值。

当u2过了最大值开始减小时，自感电动势又要维持电流的大小和方向不变。

§5-5晶闸管的触发电路

新课导入：

由前面的讨论知道，要使晶闸管导通除在它的阳极和阴极间加上正向电压外，还必须在它的门极加上适当的触发信号。

这种对晶闸管提供触发信号的电路称为触发电路。

对触发信号的要求是：

上升沿陡，有足够的功率和一定的宽度、幅度，必须和晶闸管阳极电源电压同步，以及有一定的移相范围。

教学过程：

一、单结晶体管触发电路

1、单结晶体管的结构、符号和特性

单结晶体管又称为双基极二极管

1）结构：

在一块高阻率的N型硅基片上用镀金陶瓷片制作成两个接触电阻很小的极，称为第一基极（B1）和第二基极（B2），而在硅基片的另一侧靠近B2处掺入P型杂质，并引出一个铝质电极，称为发射极（E）。

发射极E对基极B1、B2就是一个PN结，故称为单结晶体管。

2）单结晶体管的电压电流特性是：

在基极电源电压UBB一定时，用发射极电流IE和发射极与第一基极B1之间的电压UEB1的关系曲线来表示。

实验电路如图5-16

当IE=0时，UAB1=RB1UBB/（RB1+RB2）=ηUBB

η：

为分压系数（0.3~0.9）

当UE从0开始增加时，在UE<ηUBB+UVD时，E和B1不导通，只有很小的漏电流，UE↑，IE↑，称为截止区。

当UE=ηUBB+UVD时，IE突增，

VD导通，这个点称为峰点P。

PN结充分导通，UE随IE↑而↓。

当IE增大到某一数值时，电压

UE下降到最低点，为谷点V。

小结：

1、负载类型对晶闸管整流电路的影响；

2、单结晶体管的结构、符号、特性。

§5-5晶闸管的触发电路

复习旧课：

1、负载类型对晶闸管整流电路的影响；

2、单结晶体管的结构、符号、特性。

新课导入：

由前面的讨论