《器件培训讲义》课件.ppt

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1、电能表所用器件基础知识培训,陈大全,(1)采样,(3),(4),(5),(6),(7),(8),(2),(9),(10),一般电子式电能表的结构框图,一、采样器件,（1）电流采样：锰铜分流器（Shunt）、电流互感器（Current Transformer)（2）电压采样：电压互感器（Voltage Transformer),电阻分压采样（常用）。,1.锰铜分流器（Shunt）,记住几个主要参数（现TRJ用到的）:阻值(采样电阻，120u,250u,300u,500u,1000u,1600u)孔径（A-4.5mm，B-6.2mm）孔距(20mm、21mm、22mm）,常用（成本低）,不常用（成

2、本高）,不常用（成本高）,工作原理：(欧姆定律）,锰铜的特性参数,锰铜分流器温度特性曲线,2.电流互感器（Current Transformer）,CT一次绕组串联在电路中，且其匝数很少，电流完全取决于电路中的负荷电流，而与二次负荷无关。,（1）工作原理（电磁感应原理）,（2）作用,a.大电流变小电流;b.隔离作用。,a.一次绕组和高压回路串联，I 取决于高压回路电流而与二次负荷无关；b.二次回路不允许开路，否则会产生高压危险；c.二次回路必须有一点直接接地，防止一二次绕组绝缘击穿后产生高电 压，但仅一点接地；d.变换的准确性。,（3）工作特点和要求,（4）极性判断,按减极性原则标准，即当电流

3、通过一次和二次绕组同极性端子时，铁心产生的磁通量同方向。当系统中一次电流从极性端子流入时，二次电流从绕组极性端子流出。,电流互感器使用时注意的一些事项：,1.电流互感器在运行中为什么要严防二次侧开路?当运行中电流互感器二次侧开路后，一次侧电流仍然不变，二次侧电流等于零，则二次电流产生的去磁磁通也消失了。这时，一次电流全部变成励磁电流，使互感器铁芯饱和，磁通也很高，将产生以下后果：(1)由于磁通饱和，其二次侧将产生数千伏高压，且波形改变，对人身和设备造成危害。(2)由于铁芯磁通饱和，使铁芯损耗增加，产生高热，会损坏绝缘。(3)将在铁芯中产生剩磁，使互感器比差和角差增大，失去准确性，所以电流互感器

4、二次侧是不允许开路的。,2.电流互感器的二次负载阻抗为什么不能太大?电流互感器二次负载阻抗的大小对互感器的准确度有很大影响。这是因为，如果电流互感器的二次负载阻抗增加得很多，超出了所容许的二次负载阻抗时，励磁电流的数值就会大大增加，而使铁芯进入饱和状态，在这种情况下，一次电流的很大一部分将用来提供励磁电流，从而使互感器的误差大为增加，其准确度就随之下降了。,（5）铁心材料,a.坡莫合金金属磁芯 有着较高的温度稳 定性和时效稳定性。,b.微晶磁芯 较高的饱和磁感应强度(1.11.2T),高导磁率,低矫顽力,低损耗 及良的 稳定性,耐磨性,耐蚀性,同时具有较低的价格,在所有的金属 软 磁材料芯中具

5、 有最佳的性价比,用于制作微晶铁芯的材料被誉为“绿色材料.,2.电压互感器（Voltage Transformer）,二、电源,电源的组成部分,1.电压敏感器件,当外加电压发生一定变化时，特性参数急剧变化的元件称为电压敏感元件。电压敏感元件常用于抑制瞬变电压，以及对半导体器件和电子设备进行保护。常见的电压敏感器件有：压敏电阻器、瞬态电压抑制二极管（）、气体放电管（防雷管）。,（）压敏电阻器,伏安特性曲线,工作原理：当外加电压较低时，流过电阻的电流很小，压敏电阻器呈高阻状态；当外加电压达到或超过压敏电阻Uc时，压敏电阻的阻值急剧下降并迅速导通，其工作电流会增加几个数量级，从而达到有效地保护电路中

6、其他元件不会因过压而损坏。,氧化锌压敏电阻器的微观结构,氧化锌晶粒的电阻率很低，而晶界层的电阻率很高，相邻两个晶粒之间形成一个压敏单元。每个单元的击穿电压大概是3.5V。在压敏电阻器内许许多多这样的单元进行串联和并联便构成了压敏电阻器的基体。串联的单元越多，其击穿的电压就越高；基体的横截面积越大，其通流容量也越大。,1.对压敏电阻器应采取保护措施，避免外界不确定因素对压敏电阻器和装 置造成损害。压敏电阻器的工作电压不应超过最大连续工作电压。在浪涌电流重复产生的应用场合，通过压敏电阻器的浪涌电流峰值和浪涌能量不应超过脉冲寿命特性的规定。当浪涌脉冲以很短的间歇重复施加在压敏电阻器上时，应使此时的平

7、均功率低于最大静态功率。压敏电阻器不应靠近发热或可燃器件安装，以保证它工作在规定的工作温度范围。压敏电阻器在使用时，应避免阳光的直接照射。避免在高温高湿条件下工作，也避免在沙尘、盐露及有害气体条件下工作。必要时应采用保护盒进行保护。,使用时注意事项,现TRJ用到的压敏电阻器有：西无二：14D681K、20K420、20K510、20K510ZT、20K625 成都铁达：MYN23-821K 西门子：S20K510、S20K420,14、20-瓷片直径；D、K-电压误差，D（5%），K（10%）,（a）单极型,是一种安全保护器件，对电路中瞬间出现的浪涌电压脉冲可起到分流嵌位作用，可有效降低由于雷

8、电及电路中开关通断时感性元件产生的高压脉冲，避免高压脉冲对电子设备的损坏。,（2）瞬变电压抑制二极管（）,（b）双极型,使用时注意事项,1.关断电压（工作电压）MM应大于被保护的电路的最大工作电压。2.最大嵌位电压（最大抑制电压）Vc应小于被保护电路的损坏极限电压。3.最大峰值脉冲功耗Pm必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。4.在确定了最大嵌位电压后，最大脉冲峰值电流Ippm应大于瞬态浪涌电流。5.对于数字接口电路保护用的TVS，应注意其电容量是否满足使用的要求。6.根据用途和需要选用TVS的极型和封装形式。交流电路宜选用双极型TVS。,TRJ用到的TVS有：插件：SA33CA、SA1

9、2CA、SA16CA、SA5.0CA、P6KE22CA、P6KE33A、贴片：SMBJ5.0CA、SMBJ6.0A、SMBJ12AA 单极性CA 双极性,（3）防雷管-气体放电管,主要的电气特性参数:直流击穿电压、冲击击穿电压、耐冲击电流、耐工频电流能力、使用寿命等。,如何改变以上参数？通过改变气体种类、压力、电极涂敷材料成分及电极间的距离来实现。,TRJ用到的防雷管有：玻璃的：YS-301M、SPG-301W、YS-501M、MM350L 陶瓷的：B5G800L、B8G800L、2R800L-5,2.温度敏感器件-热敏电阻器,温敏元件是一种将温度直接变换成电量的敏感元件，主要用于温度控制、温

10、度测量、温度补偿及过载保护等场合。,（1）热敏电阻器,用于温度测量（10K),（没用的）,NTC热敏电阻工作原理：,NTC（Negative Temperature Coefficient）泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O1000000

11、欧姆，温度系数-2%-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。,在电能表中的使用：用于温度检测电路。,特点：线性好。,PTC的工作原理:,PTCR(Positive Temperature Coefficient of Resistance),主要构成:BaTiO3陶瓷（一种典型的铁电材料），经过半导体掺杂。在多晶BaTiO3半导体材料的晶粒边界存在一个由表面态引起的势垒层,在居里温度下,高阻的晶界具有铁电性,介电常数很大,势垒高度很低,电子很容易穿过势垒,相应的材料电阻率很小。但在居里温度以上时，高阻层发生晶格转变，铁电性消失，介电常数急剧减小（按照居里

12、-外斯定律下降），所以势垒随之升高。随之势垒急剧增高，电子难以越过势垒，相应材料的电阻率急剧上升。,PTC热敏电阻器特性：,当温度低于居里点Tc时，具有半导体特性。当温度高于居里点Tc时，电阻随温度升高而急剧增大，至Tn时出现负阻现象。具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特性。,主要技术参数：,标称阻值Rc（25）实际阻值Rt材料常数B（B值越大，灵敏度越高）电阻温度系数T时间常数：（描述热敏电阻器热惯性的参数）在无功耗的状况下，当环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突然改变时，热敏电阻体的温度变化了两个特定温度之差的63.2%所需的时间。额定功率额定工作电流测量功率最大电压最高工作温度T

13、max开关温度Tb PTC热敏电阻器的电阻值开始发生跃增时的温度。耗散系数 H：温度增加1时，热敏电阻器所耗散的功率，单位为mW/。,现TRJ用到的PTC热敏电阻器有：,SPMZB-3（1-2K）、SPMZB-3（2-3K）SPMZB-4（120-250）、SPMZB-4（240-300）、SPMZB-4（1.6-2K）、SPMZB-4（800-1.2K）SPMZB-6（1-2K）、SPMZB-6（30-60）SPMZB-8（15-25）、SPMZB-8（100-250）SPMZB-10（30-60）安培龙、劲阳：MZ11-08E101-161/14D431RM、MZ11-08E101-161

14、RM/14D391、ME11-06C201-401RM/10D391,三宝：,3.变压器,在电路中的作用：电压变换，用来提升或者降低交流电压阻抗变换隔离,跟电源连接的线圈叫原线圈，也叫初级线圈，跟负载连接的线圈叫副线圈，也叫次级线圈，两线圈由绝缘导线绕制，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成,n1,n2,电路中的符号,空载情况,变压器的变压原理,一般情况下，漏感很小，*所以*-,矢量图,*+*l-,等效图,负载情况,当二次绕组连接负载时，闭合回路会产生一个电流2，2会产生磁通量2，2通过初级线圈后，初级线圈从电源吸取电流I1，I1由产生一个磁通3，其方向与2相反，大小相等。故，2与3相抵消，不管负

15、载电流如何变化，在铁心中1是保持不变。,1,2,电动势关系 由于电磁感应现象，原、副线圈中具有相同的t根据电磁感应定律有：,所以，,=,在空载情况下:,变压器的损耗:1.铜损:线圈本身内阻发热所损耗的能量;2.铁损:铁心所消耗的能量 a.涡流损耗 b.磁滞损耗.,TRJ用到那些变压器呢?,从铁心形状来分,有环形变压器和E形变压器。环形的主要有：CY-HB-006141、CY-HB-006142、CY-HB-006304A。E形的有灌胶和不灌胶两种，而按照铁心大小分有：E28、E35、E41、E48四种。,不灌封,灌封,环形铁芯 Core漆包线 Copper wire聚酯薄膜 Polyester

16、 film玛拉胶带 Mylar Tape牛皮纸 Kraft Paper引线 lead wire环氧胶,按照输入电压的大小有：57.7V，100V，110V，127V，220V，380V六种。,按照绕组数量来分，有：两绕组、三绕组、四绕组和五绕组四种；而最常用的三绕组，其次是四绕组。每个绕组的作用一般是：电源电压输入主供电（单片机、各种芯片的电源）485供电载波（载波表）,在使用变压器时应该注意哪些参数和事项？容量空载损耗：空载电流I0、瓦损W（我们一般没要求）每个绕组的输出功率是否满足要求绝缘性能是否满足要求（485绕组与其他绕组之间的绝缘性能要求最高，必须要达到4KV，而其他绕组间的耐压一般

17、要求在2KV左右）载波绕组输出电流一般要求比较高，在100mA以上。,4.整流部分,在整流部分，我们主要有全波桥式整流和半波整流，主要用的器件是整流二极管。在此节，我们另外还探讨一下电子式电能表中会用到的各种二极管、三极管、MOS管、可控硅等半导体器件的一些工作原理及电气特性。,（1）半导体二极管,半导体中载流子的运动方向,半导体二极管分类,按用途及功能分,按组成PN结的材料分,按结构和制造工艺分,按封装形式分,整流二极管,特点：工作频率低、允许的工作温度高，允许通过的正向电流大，反向击穿的电压高。主要作用：将交流电变为直流电。,（A）,硅整流二极管的伏安特性曲线,特性参数：额定整流电流IF：

18、在规定的条件下，在电阻性负载的正弦半波整流电路中，允许连续通过半导体二极管的最大工作电流。正向电压降VF：通过额定正向整流电流时，在极间产生的电压降。最大反向工作电压VR：在使用时所允许加的最大反向电压。最大反向漏电流IR：在正弦波最高反向工作电压下的漏电流。击穿电压VB：反向为硬特征时，击穿电压为反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值；为软特征时，击穿电压为给定的反向漏电流下的电压值。结温TJM：在规定的使用条件下，所允许的最高温度。,TRJ用到的整流二极管有：1N4007、1N5817、1N5819、M7（贴片）,开关二极管,特性：开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高。,主要参数：最高反向工作

19、电压VRM；反向击穿电压VR；正向电流IF；反向恢复时间Trr：从导通状态变为截止状态所需的时间；,TRJ用到的开关二极管有：1N4148、LL4148-GS08、MMBD7000LT1G、LMBD7000LT1G（贴片双重开关二极管）,稳压二极管（齐纳二极管）,什么叫齐纳效应？当反向电压大到一定程度时，反向电流会突然增大，这是二极管进入击穿区，其内阻很小，反向电流在很大的范围变化，但两端的反向电压保持不变，相当于一个恒压源这种现象称为齐纳效应,稳压二极管工作在Izmin和Izmax之间。,稳压二极管的主要参数：稳定电压Vz反向测试电流Iz：测试反向参数时，给定的反向电流。最大工作电流Izm动

20、态电阻Rz：在测试电流下，稳压二极管两端电压的变化量与通过的电流变化量之比。电压稳定系数CTV：在测试条件下，稳定电压相对变化与环境温度的绝对变化的比值。最大耗散功率PCM：在给定的条件下，稳压二极管允许承受的最大功率。稳压二极管在反向击穿区工作时，只要不超过最大耗散功率和最大工作电流，它是不会被烧坏的。最高结温TJM：稳压二极管在工作条件下，PN结的最高温度。,TRJ用到的稳压二极管有：,半导体三极管,NPN三极管、PNP三极管,结型场效应管,工作原理：当栅极开路时，沟道相当于一个电阻（数百到数千欧姆）。如果在漏极及源极加上电压Uds，就有电流Id通过，Id随着Uds增大而增大。如果给栅极加

21、上一个负偏差Ugs时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区。其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，使Id越小，甚至完成截止。,N沟道结型场效应管,绝缘栅场效应管,场效应管的主要参数：夹断电压UP：开启电压UT：饱和电流IDSS：直流输入电阻RGS：漏源击穿电压BVDS：栅源击穿电压BVGS跨导gm漏源动态电阻rDS,TRJ用到的场效应管有：,2SK2158,TPC8104-H,Silicon P Channel MOS type(High speed U-MOS),集成稳压器,1.78XX系列（线性、串联反馈调整型稳压器）,与分立元件组成的稳压器相比,集成

22、稳压器的优点:体积小性能高工作可靠使用方便,特点:不需外接扩展元件;内置过热保护电路;内置过流保护电路;调整管安全区工作区保护电路;,78XX、78LXX、78MXX之间的区别？,2.LM2575、2576系列（开关）,SIMPLE SWITHCHER 1A（3A）Step-Down Voltage Regulator,特点：,降压式开关电源基本工作原理,三、电源检测芯片(Voltage Detector),S-808XX、NCP1729SN35T1G、ASM706ESA、LTC4065、,1、S-808XX（电源掉电检测）,2、NCP1729充电泵倒相器,理想开关电容模式,2、ASM706ESA,