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1、第七章 功率变换电路,1、从功率变换的角度讨论放大电路如何有效地将直流供电电源的能量转换为负载所需要的信号功率。 2、如何将交流电网的能量转换为电子电路所要求的直流电能。,主要讨论：,低频功率放大电路 直流稳压电路,一、 主要特点,2.7.1 功率放大电路的特点和基本类型,由于输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先要考虑的问题。 输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑转换的效率。 半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题，并要有适当的保护措施。,输出功率：功率放大
2、电路提供给负载的信号功率 若输入为正弦波，输出功率是交流功率。 电源提供的功率：电源输出电流平均值及其电压之积，是直流功率。 转换效率：输出功率与电源提供的功率之比,1.甲类单管功放级,VCC/RL,VCC,为了取得最大的动态范围，必须使静态工作点Q位于负载线的中点，静态管压降 ，静态电流 。 在正弦输入信号vi的驱动下，晶体管的电压和电流将在静态值的基础上分别叠加交流成分：,二、 基本类型,因为集电极交流电流也为正弦波，电源输出的平均电流为ICQ，因而电源提供的功率不变 负载上得到的输出信号功率为 由此可得该功率输出级的效率为,当晶体管处于最大不失真输出时，如不考虑其饱和压降VCES，则极限
3、情况下,该类电路的理想效率为,可见这类放大器的功率转换效率很低（若采用变压器耦合单管功放级，则理想效率可达50%），原因是电源VCC所提供的总功率中，大部分消耗在晶体管的管耗和负载电阻的直流功耗上了。这类单管放大器由于不允许在一个周期内出现截止失真，所以必须取 ，这显然是造成较大管耗和负载直流功耗的根源。,为了提高功率输出级的效率，人们设想能否使晶体管的静态电流 ？若这样，波形中将出现半个周期的截止区。但如果再用另一个同样的电路，使之与前一个电路交替工作(即前一电路中晶体管截止时，后一电路晶体管工作），则负载上仍可得到完整的正弦波。我们把在一个周期内，要求完整导通的放大器称为甲类放大器，而对仅
4、导通半个周期的放大器（ ）称为乙类放大器。根据静态工作点的不同设置，功率放大器可以工作在乙类=180 ，甲类=360和甲乙类=180360（为导通角）。,功率放大器的工作点设置,乙类=180 甲类=360 甲乙类=180360,乙类放大,甲类放大,甲乙类放大ICQ略大于0,乙类功率放大器主要有互补对称式和变压器耦合推挽式两种类型 。,1。双电源供电的互补对称功放电路，又称OCL电路(Output Capacitorless),静态(vi0)时，T1、T2管均截止，VOQ0,正半周(vi0)时，T1管导通，T2管截止，+VCCT1RLGND,负半周(vi0)时，T1管截止，T2管导通， GNDR
5、LT2-VCC,2.乙类功率放大器,2。单电源供电的互补对称功放电路，又称OTL电路(Output Transformerless),OCL,OTL,大容量(几百几千微法)的电解电容器,OTL功率放大器由于静态时 , 所以要求输入端(T1、T2基极)上的静态电压也为 ，即 而OCL电路的输入端上不需要静态电压。,单电源互补功放电路(OTL)的工作原理,OTL功放电路与OCL功放电路的工作原理类似，都由NPN和PNP管构成，但增加了一只大容量(几百几千微法)的电解电容器。,静态(vi0)时，T1、T2管均截止， voVCC/2 ，所以电容C 上充有VCC/2的电压，VOQ0,正半周(vi0)时，
6、T1导通，T2截止，+VCCT1 C RLGND。电容充电。,负半周(vi0)时，电容C上的电压VCC/2作为电源，T1截止，T2导通，电容放电， RL C T2GND 。负载上流过负半周信号电流。,2. 变压器耦合推挽式,Tr1、Tr2为输入和输出变压器； T1、T2为同极型对称推挽管； Rb1、Rb2提供静态偏置，克服交越失真。,正半周(vi0)时，v21为正，T导通， v22为负，T截止输出正半周。,负半周(vi0)时， v21为负，T1截止， v22为正，T2导通，输出负半周。,变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比，能找到一个最佳的等效负载(此时输出功率最大，且不失真)。并且，
7、在不提高电源电压的条件下，可以使输出电压幅度Vom超过电源电压。,一、 功率放大电路的主要技术指标,设输入：,则输出：,输出功率：,2.7.2 功率放大电路的分析计算,以双电源互补对称式（OCL）功率放大电路为例。,输出功率Po,电源提供平均功率：,输出效率,输出效率:,输出效率是输出功率与电源提供的平均功率之比。,当输入信号幅度达到理想的最大值 时，输出功率达到最大，此时输出效率也最大。,考虑功放管的饱和压降VCES时，Vom=VCC-VCES，实际效率将小于78.5%(一般为6070%)。,最大输出功率及最大效率,互补对称功放电路的工作波形,管耗PT,T1、T2二管的总管耗为：,为求最大管
8、耗PTM，对上式求导，并令dPT/dVom=0。,(1)所以每个功放管的最大功耗为：,此时:,(2) 功放管的耐压V (BR)CEO2VCC。 (3) 功放管允许的最大集电极电流ICMVCC/RL。,在互补对称功率放大电路中，功放管必须按以下几点原则选取： (1) 管子的功耗PCM0.2Pomax。 (2) 功放管的耐压V (BR)CEO2VCC。 (3) 功放管允许的最大集电极电流ICMVCC/RL。,二、功率管的选取,单电源互补对称式（OTL）功率放大电路,设输入：,则输出：,输出功率：,输出功率Po,电源提供平均功率：,输出效率,输出效率:,最大输出功率及最大效率,当输入信号幅度达到理想
9、的最大值 时，输出功率达到最大，此时输出效率也最大。,(1)功率管应该严格配对，大小工作电流时的一致。在大电流下饱和压降小，且一致。 (2)管子的散热问题。在大功率场合，必须给管子装上一定尺寸的散热板，或进行风冷和水冷。 (3)功放管因在大电流、高电压下工作，应对其采取过压和过流保护措施。 (4) 在前置放大电路的供电回路中加去耦滤波电容可消除低频自激。 ,三、功放电路实际应用时需考虑的问题,克服交越失真的功率输出电路,1、集成运放的扩流,集成运放扩流电路,2.7.3集成功率放大器,在集成运放的输出端再加一级互补对称功放。,利用T1、T2管子的电流放大作用，达到扩大输出电流的目的。,一、集成运
10、放的扩流和扩压,2、 集成运放的扩压,当vi0时，vO0。vB1=+15V，vB2=-15V，V+=+14.3V，V-=-14.3V。,经扩压后的输出电压可达24V以上。,当加入信号vi后，,运放和OCL电路组成的功率放大电路,实际的功率放大电路通常由电压放大级和功率放大级组成，并引入负反馈以改善各方面的性能。,电压串联型交、直流负反馈的引入既可稳定静态时的输出零电位，又可稳定动态时的闭环增益和改善非线性失真，并提高输入电阻，减小输出电阻。,一般通用型集成运放的输出功率是很小的，如A741的输出功率仅为100mW左右。在需要较大功率场合，可选用集成功率放大器。,5W音频放大器,二、集成功率放大
11、器,20W音频放大器,直流稳压电源的结构框图,一、 整流与滤波电路,2.7.4 整流、滤波、稳压电路,整流电路的任务是利用二极管的单向导电性，把正、负交变的50Hz电网电压变成单方向脉动的电压。,全波整流,全波桥式整流输出波形,在一个周期中，D1、D3和D2、D4各轮流导通一次。,全波桥式整流电路,整流电路只是将交流电变换为单方向的脉动电压和电流，由于后者含有较大的交流成分，通常还需在整流电路的输出端接入滤波电路，以滤除交流分量，从而得到平滑的直流电压。,滤波电路,利用电容的储能特性，将电容量足够大的电容与负载并联。,当开关S断开时，,当开关S合上时，,在v2vC时，二极管均反偏截止，C对RL
12、放电， vC缓慢下降。,在v2vC时，D1、D3管导通，iD1,3一部分提供负载电流，另一部分对C充电， vC上升较快。,在RL=(空载)时， ，输出直流电压VO为最大。,(二极管允许的反向电压),(二极管最大整流电流),为确保二极管安全工作，要求:,输出直流电压平均值VO(AV),在RLC值很小时，相当于无滤波电容的情况 ，,一般情况下，可按下式估算：,VO(AV)0.9V2,VO(AV) 1.2V2,滤波电路形式,不同电子设备要求其电源电压的平滑程度不同，为此可采用不同的滤波电路。,电容滤波,L型滤波器,电感滤波,负载特性曲线,RC-型滤波器,LC-型滤波器,小电流,大电流,1、交流市电波
13、动 2、负载变化 都要引起输出电压不稳定,稳压电路,稳压系数,内阻,IL,(a)稳压管稳压电路,(b)加晶体管扩大负载电流的变化范围,(b)的常见画法,VI（或RL ） VO VBE IB VO,二、 线性串联型稳压电路,VI是输入电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管Dz与限流电阻R构成。R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。,这种稳压电路的主回路由调整管T与负载相串联构成，且T工作在线性状态，故称为线性串联式稳压电路。,VO=VI-VCE， VO由反馈网络取样，并经放大电路(A)放大后去控制调整管T的基极电压，从而改变调整管T的VCE。,VI
14、增加 (或RL增加),VF与VREF经比较放大后使调整管的VB和IC减小，,VO增加,VF=R2VO/(R1+R2)=FvVO增加(Fv为反馈系数)。,VCE增大,VO下降，从而维持VO基本恒定。显然，这是电压负反馈电路基本性能。,如把串联稳压电路看作反馈放大器(输入为VREF，输出为VO)，则这种电路属于电压串联负反馈 。,在深度负反馈条件下,最大可能输出电压,调整管的选取,1、ICM,2、PCM,3、V（BR）CEO,为取样电路等环节消耗的电流，可忽略,一. 三端固定式集成稳压器,塑料封装(TO-220) 最大功耗为10W(加散热器) VI为不稳定电压输入端 VO为稳定电压输出端 GND为
15、公共接地端,金属壳封装(TO-3) 最大功耗为20W(加散热器),2.7.5 线性集成稳压电源,7800系列,最大输出电流为1.5A,7800系列中输出稳定电压分为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等多种,输出电压允许有5%的偏差,最小的输入-输出压差为2V，但为使工作可靠，一般压差应大于35V,最高输入电压VI35V。,7900系列,使用7800与7900时需要注意，采用TO-3封装的7800系列，其金属外壳为地端；而同样封装的7900系列，金属外壳是负压输入端。,TO-220封装,TO-3封装,7900系列属于负压输出 外形、电压系列、允许电流与7800系列完全相同 但管脚排
16、列顺序不同,三端稳压器原理框图,三端稳压器的典型应用,Ci是稳压器的输入电容，用于进一步减小高频纹波，抵消输入线的电感效应，防止自激。,Co是稳压器的输出电容，用于改善负载的瞬态响应，消除输出的高频噪声。,1、要防止浮地故障的发生，一旦GND端开路，稳压器的输出电压就会接近于输入电压，即VOVI，可能损坏负载电路中的元器件。,常见故障及防止方法,2、VI端与VO端不得接反。,3、当稳压器输出端接有大 容量负载电容CO时，应在 VI与VO端之间接一只保护 二极管D。正常情况下D截 止，一旦输入端发生短路， CO上积存的电荷便经过D对 地放电，起到保护作用， 防止因向调整管的发射结放电而损坏芯片。
17、,许多电子设备以及运算放大器等均需要正、负双电源供电，将7800与7900搭配使用，即可构成同时输出正压和负压的稳压电源。该电路的特点是可公用一套整流滤波电路。由于负载与电源公共地未连通，需增加二极管D起保护作用。,能同时输出正负压的稳压电源,三个接线端称为输入端VI、输出端Vo和调整端adj。,LM317的VREF=1.2V，Iadj =50A，由于调整端电流IadjI1，故可以忽略。,二、三端可调式集成稳压器,三端可调式稳压器的典型应用电路,由LM117和LM137组成的正、负输出电压可调的稳压器。电路中的VREF=V31 (或V21)=1.2V，R1=R1=(120240) ，为保证空载情况下输出电压稳定，R1和R1不宜高于240。R2和R2的大小根据输出电压调节范围确定。该电路输入电压VI分别为25V，则输出电压可调范围为(1.220)V。,1,