《直流稳压电源》word版.doc

直流稳压电源实验一、 实验目的1 熟悉三端式集成稳压器的主要性能。2 掌握小功率直流稳压电源的设计方法。3 学会稳压电源的调试及测量方法。二、 实验原理单相220V/50Hz交流电经过电源变压器、整流、滤波和稳压电路转换成稳定的直流电压，其方框图及各级电路的输出电压波形如图 1所示。 Ui U1 U2 U3 UO图1 直流稳压电源方框图电源变压器是将电网220V的交流电压降低到适合大小后送入整流电路，整流电路再将交流脉动的直流电压的纹波加以滤除，得到平滑的直流电压。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，能维持输出直流电压的稳定。1 桥式整流电路利用二极管的单向导电特性，将交流电压变换成单向脉动直流电的电路，称为整流电路。如图所示。 图2桥式整流电路 图3桥式整流电路输出波形图2中T为电源变压器，变压器的作用是将220V交流电压降低为后级电路所需的工作电压U2。D1D4为整流器件。整流电路的作用是将交流电V2变换成脉动的直流VD，他主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二极管构成整流桥堆来执行，常见的整流二极管有1N4007、1N5148等，桥堆有RS210等。RL为整流电路的负载电阻，其两端的电压为整流输出电压。该电路在V2的正负半周都有整流电流流过负载。因此，该电路又称为全波桥式整流电路。其输出电压的平均值可由下式求出VO 其中，V2为变压器次边输出电压有效值。相应地，二极管的平均电流ID=0.45V2/RL每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压VRM= V2在选用整流二极管时，其最大整流电流和最高反向电压应分别大于以上两式计算出的ID和VRM值。如果是选用桥堆进行整流，则应注意最大工作电流和最大反压，反压值的计算同上式，但电流是指能够给负载的最大平均电流，应高于计算值。2 滤波电路一般采用电容滤波电路。电路如图4所示。输出电压波形反映的是电路稳态的结果。图4电容滤波电路从图4波形图中可以看出，要保持一定的输出电压或输出纹波小，其放电时间长数应足够大，应满足关系是RLC(35)T/2=(35)/2f式中T和f为电网电压的周期和频率，频率通常为50Hz。输出电压与输入电压一般可取VO1.2V23 集成三端稳压器集成三端稳压器具有体积小，外围元减少，调整简单，使用方便且性能好，稳定性高，价格便宜等优点，因而获得越来越广泛的应用。常见的有固定式和可调式两类集成三端稳压器，内部多以串联型稳压电路为主，还有适当的过流、过热等保护电路。一般固定式较便宜，可调式较贵，性能也好些，功率也相对较大。（1） 固定式三端稳压电路主要有7800系列（输出正电压）和7900系列（输出负电压）。后两位数字通常表示输出电压的大小。图5表示外形图和电路符号。图5 7800、7900系列外形图及电路符号a. 基本应用电路图 6所示为7800系列基本应用电路，具体型号应根据输出电压大小和极性选择。Vi和Vo间的压差，即|Vi-Vo|(35)V。图中C1用于抑制芯片自激，应尽量靠近稳压器的管脚，C2用于限制芯片高频带宽，减少高频噪声。如果对输出要求高，还应接10F以上的电解电容做滤波用。 7800 7900 （a） （b） 图 6 固定式三端稳压器基本应用电路b. 扩展应用电路图7为正负电压输出稳压电路。图8是输出电压扩展电路的两种类型。图7 正负电压输出稳压电路(a) (b) 图8稳压电路扩展电路对图8（ a），有一般选择R1和R2使IR1ID,则VO可近似表示成通常，ID=5mA,故IR1选50 mA100 mA即可。VO是稳压器自身的输出电压。图8（b）中D为保护二极管，其输出电压为VO=VO+VZ图9输出电压可调试稳压电路图9为输出电压可调试稳压器，其输出电压为改变RW，就可以调节VO的大小。（2） 可调试三端稳压电路可调试三端稳压电路，其中LM117，LM337就是有代表性的产品，国内产品的前缀是W，即W117， W337。后两位数字17表示为正电压输出，37表示负电压输出。可调试三端稳压电路除了带有各种保护电路之外，还把采样放大电路也集成到芯片之中，内部电路的原理框图如图10虚线所示。它有三个引脚，分别接输入端、输出端和调整端。调整端是基准电压电路的公共端。内部用两个三级管构成复合管；基准电压电路为能隙基准电压电路，基准值UREF为1.25V，准确度和稳定度都非常高。R1和R2为外接取样电阻，调整端接在它们的连接点上。由于放大电路的两个输入端电位差近似等于零，所以R1两端电压近似等于UREF。图10可调试三端稳压电路内部电路原理框图当输出电压升高时，放大电路反相输入端的电位随之升高，其输出端（直接接在晶体管的基极）电位必然降低，使两只晶体管的UBE下降，从而抑制UO的上升；当输出电压降低时，各部分的变化与上述相反，因而输出电压UO稳定。输出电压为图11 LM117/LM217/LM317的典型应用电路图11所示电路为LM117/LM217/LM317的典型实用电路，根据所选型号的不同，其封装形式和引脚排列也会有区别，使用时要查阅使用手册才能确定具体接线方法。图11中所选型号为LM317BD2T，其调整端的引脚号为1。这类可调稳压器的内部没有泄放电阻，要在外部加接R1来维持可调稳压器的正常工作，根据参数可知，LM317中，IOmin为10mA。输出端和调整端之间的基准电压最大为1.3V，由此可得可实取R1=120或120240之间。R2使用多圈电位器，图11所示电路的输出电压为 （4.8）LM117/217/317的UREF典型值为1.25V。确定最大输出电压UO后，即可确定R2。当R2=0时，图11所示电路就变成了高稳定1.25V基准电压源，输出电流可达1.5A。可调电压范围1.2V37V。4 稳压器主要性能指标在稳压电源实验中，除需要掌握电路原理之外，更重要的是要对电源的技术指标进行测量。稳压电路的技术指标主要有如下几项：稳压系数Sr负载不变时，输出电压相对变化量与输入电压的相对变化量之比称为稳压系数。式中Ui为输入电压变化量，Uo为输出电压变化量，C为常数（下同）。电压调整率Su 工程上把电网电压波动10%做为极限条件，将输出电压的相对变化做为衡量指标，称为电压调整率。输出电阻Ro输入电压不变而负载变化时，稳压电路输出电压保持稳定的能力。电流调整率Si工程上把输出电流Io从零变到额定输出值时，输出电压的相对变化称为电流调整率Si。纹波系数定义稳压电路输入电压Ui中的交流分量udi和输出电压Uo中的交流分量udo之比为纹波系数。=udi/udo5 电源的一般设计方法 直流电源通常采用模块化设计方法，尽量采用现成的元件。例如，一个稳压电源要求输出15V的正电压，IO1A,其设计过程如下：（1） 选择稳压器确定固定输出式三端集成稳压器7815，其输入直流电压V1=（3V5V）+15V,取V1=20V。（2） 确定输入变压器由V1=1.2V2=20V,由此可知V220/1.216V式中，V2为交流有效值。再根据输出电流IO1A，算出变压器的功率P=16W。实际可选择220V的电源变压器，输出电压在2025W即可。电源变压器可查阅相关手册，一般只给出相应的标称系列。（3） 确定整流二极管或桥堆二极管或桥堆耐压VRM=2V2=45V,一般耐压以50V为进阶单位。故选择IO1A，VRM50V要求即可。整流管选用1N4001或1N4002。（4） 滤波电容器由公式RLC(35)T/2=(35)/2f和IO1A，可得C(35)/1500可按C=3/1500=2000F计算，并取标称值C=2200F，耐压为50V的电解电容器。如果负载变动频繁，在7815输出端也可接一直10100F的电解电容器。电路可参照图7。三 实验内容（1） 设计稳压电源，技术要求：输出电压VO=12V，输出电流IO0.5A。（选用78系列和79系列等器件）（2） 设计稳压电源，技术要求：输出电压VO=12V左右连续可调，输出电流IO0.5A。（选用LM117/217/317等器件）设计包括整流、滤波及稳压电路在内的直流稳压电源。测量及仿真要求如下：（只测量12V电源指标）进行理论设计、选择元器件。连接、调试电路，测量技术指标，如不满足设计要求，调整参数，直至满足要求为止。分别用示波器观察整流部分（断开滤波和稳压电路，直接连接负载电阻）输出波形、测量其平均值；再测量滤波后的波形和平均值（断开稳压电路，直接连接负载电阻）；最后测量稳压后的波形和电压值，检验是否符合理论设计的要求。结果记录在表1中。表1 整流滤波测试数据u2（有效值）（V）Uo（平均值，V）测量值理论值误差（%）波形全波整流实验整流滤波实验稳压电路实验测量稳压系数Sr及电压调整率Su：保持RL不变（RL=20），变压器原边保持220不变，用万用表测量次边u2实际值，再调节变压器原边电压，使次边电压分别0.9u2、和1.1u2端，用万用表测量u2实际值。同时测量稳压电路的输入电压Ui和输出电压Uo的变化。再计算稳压系数及电压调整率，结果记录在表2中。表2 稳压系数及电压调整率测试数据（计算Sr和Su时Ui和Uo均取中间值）u1（有效值）0.9 u2u2u21.1 u2Ui（V）Uo（V）两次测定的Ui之差Ui（V）两次测定的Uo之差Uo（V）SrSu测量输出电阻Ro及电流调整率Si：保持负载RL不变（20），保持变压器原边电压为220，测量输出电压Uo，然后断开RL，测量输出电压Uo的变化。再计算输出电阻及电流调整率。结果记录在表3中。表3输出电阻及电流调整率测试数据（计算Si时Uo取连接RL时的值）RL（）20（开路）Uo（V）Uo（V）Ro（）Si测量稳压电源的纹波系数：接入负载电阻RL，用示波器测量稳压电路输入电压Ui中的交流分量udi和输出电压Uo中的交流分量udo，记录波形，计算纹波系数。四实验报告要求给出稳压电源设计过程及电路图。写出调试报告，并给出各点波形及电压值。测量参数问题讨论及分析。五思考题桥堆输入端和输出端接反有什么现象？请分析。六元器件电源变压器三端稳压器桥堆电解电容电阻、电容若干