直流穩(wěn)壓電源實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 熟悉三端式集成穩(wěn)壓器的主要性能。2 掌握小功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法。3 學(xué)會(huì)穩(wěn)壓電源的調(diào)試及測(cè)量方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理單相220V/50Hz交流電經(jīng)過電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，其方框圖及各級(jí)電路的輸出電壓波形如圖 1所示。 Ui U1 U2 U3 UO圖1 直流穩(wěn)壓電源方框圖電源變壓器是將電網(wǎng)220V的交流電壓降低到適合大小后送入整流電路，整流電路再將交流脈動(dòng)的直流電壓的紋波加以濾除，得到平滑的直流電壓。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，能維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。1 橋式整流電路利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕瑢⒔涣麟妷鹤儞Q成單向脈動(dòng)直流電的電路，稱為整流電路。如圖所示。 圖2橋式整流電路 圖3橋式整流電路輸出波形圖2中T為電源變壓器，變壓器的作用是將220V交流電壓降低為后級(jí)電路所需的工作電壓U2。D1D4為整流器件。整流電路的作用是將交流電V2變換成脈動(dòng)的直流VD，他主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二極管構(gòu)成整流橋堆來執(zhí)行，常見的整流二極管有1N4007、1N5148等，橋堆有RS210等。RL為整流電路的負(fù)載電阻，其兩端的電壓為整流輸出電壓。該電路在V2的正負(fù)半周都有整流電流流過負(fù)載。因此，該電路又稱為全波橋式整流電路。其輸出電壓的平均值可由下式求出VO 其中，V2為變壓器次邊輸出電壓有效值。相應(yīng)地，二極管的平均電流ID=0.45V2/RL每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓VRM= V2在選用整流二極管時(shí)，其最大整流電流和最高反向電壓應(yīng)分別大于以上兩式計(jì)算出的ID和VRM值。如果是選用橋堆進(jìn)行整流，則應(yīng)注意最大工作電流和最大反壓，反壓值的計(jì)算同上式，但電流是指能夠給負(fù)載的最大平均電流，應(yīng)高于計(jì)算值。2 濾波電路一般采用電容濾波電路。電路如圖4所示。輸出電壓波形反映的是電路穩(wěn)態(tài)的結(jié)果。圖4電容濾波電路從圖4波形圖中可以看出，要保持一定的輸出電壓或輸出紋波小，其放電時(shí)間長數(shù)應(yīng)足夠大，應(yīng)滿足關(guān)系是RLC(35)T/2=(35)/2f式中T和f為電網(wǎng)電壓的周期和頻率，頻率通常為50Hz。輸出電壓與輸入電壓一般可取VO1.2V23 集成三端穩(wěn)壓器集成三端穩(wěn)壓器具有體積小，外圍元減少，調(diào)整簡單，使用方便且性能好，穩(wěn)定性高，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。常見的有固定式和可調(diào)式兩類集成三端穩(wěn)壓器，內(nèi)部多以串聯(lián)型穩(wěn)壓電路為主，還有適當(dāng)?shù)倪^流、過熱等保護(hù)電路。一般固定式較便宜，可調(diào)式較貴，性能也好些，功率也相對(duì)較大。（1） 固定式三端穩(wěn)壓電路主要有7800系列（輸出正電壓）和7900系列（輸出負(fù)電壓）。后兩位數(shù)字通常表示輸出電壓的大小。圖5表示外形圖和電路符號(hào)。圖5 7800、7900系列外形圖及電路符號(hào)a. 基本應(yīng)用電路圖 6所示為7800系列基本應(yīng)用電路，具體型號(hào)應(yīng)根據(jù)輸出電壓大小和極性選擇。Vi和Vo間的壓差，即|Vi-Vo|(35)V。圖中C1用于抑制芯片自激，應(yīng)盡量靠近穩(wěn)壓器的管腳，C2用于限制芯片高頻帶寬，減少高頻噪聲。如果對(duì)輸出要求高，還應(yīng)接10F以上的電解電容做濾波用。 7800 7900 （a） （b） 圖 6 固定式三端穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路b. 擴(kuò)展應(yīng)用電路圖7為正負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓電路。圖8是輸出電壓擴(kuò)展電路的兩種類型。圖7 正負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓電路(a) (b) 圖8穩(wěn)壓電路擴(kuò)展電路對(duì)圖8（ a），有一般選擇R1和R2使IR1>>ID,則VO可近似表示成通常，ID=5mA,故IR1選50 mA100 mA即可。VO是穩(wěn)壓器自身的輸出電壓。圖8（b）中D為保護(hù)二極管，其輸出電壓為VO=VO+VZ圖9輸出電壓可調(diào)試穩(wěn)壓電路圖9為輸出電壓可調(diào)試穩(wěn)壓器，其輸出電壓為改變RW，就可以調(diào)節(jié)VO的大小。（2） 可調(diào)試三端穩(wěn)壓電路可調(diào)試三端穩(wěn)壓電路，其中LM117，LM337就是有代表性的產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品的前綴是W，即W117， W337。后兩位數(shù)字17表示為正電壓輸出，37表示負(fù)電壓輸出?？烧{(diào)試三端穩(wěn)壓電路除了帶有各種保護(hù)電路之外，還把采樣放大電路也集成到芯片之中，內(nèi)部電路的原理框圖如圖10虛線所示。它有三個(gè)引腳，分別接輸入端、輸出端和調(diào)整端。調(diào)整端是基準(zhǔn)電壓電路的公共端。內(nèi)部用兩個(gè)三級(jí)管構(gòu)成復(fù)合管；基準(zhǔn)電壓電路為能隙基準(zhǔn)電壓電路，基準(zhǔn)值UREF為1.25V，準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都非常高。R1和R2為外接取樣電阻，調(diào)整端接在它們的連接點(diǎn)上。由于放大電路的兩個(gè)輸入端電位差近似等于零，所以R1兩端電壓近似等于UREF。圖10可調(diào)試三端穩(wěn)壓電路內(nèi)部電路原理框圖當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，放大電路反相輸入端的電位隨之升高，其輸出端（直接接在晶體管的基極）電位必然降低，使兩只晶體管的UBE下降，從而抑制UO的上升；當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，各部分的變化與上述相反，因而輸出電壓UO穩(wěn)定。輸出電壓為圖11 LM117/LM217/LM317的典型應(yīng)用電路圖11所示電路為LM117/LM217/LM317的典型實(shí)用電路，根據(jù)所選型號(hào)的不同，其封裝形式和引腳排列也會(huì)有區(qū)別，使用時(shí)要查閱使用手冊(cè)才能確定具體接線方法。圖11中所選型號(hào)為LM317BD2T，其調(diào)整端的引腳號(hào)為1。這類可調(diào)穩(wěn)壓器的內(nèi)部沒有泄放電阻，要在外部加接R1來維持可調(diào)穩(wěn)壓器的正常工作，根據(jù)參數(shù)可知，LM317中，IOmin為10mA。輸出端和調(diào)整端之間的基準(zhǔn)電壓最大為1.3V，由此可得可實(shí)取R1=120或120240之間。R2使用多圈電位器，圖11所示電路的輸出電壓為 （4.8）LM117/217/317的UREF典型值為1.25V。確定最大輸出電壓UO后，即可確定R2。當(dāng)R2=0時(shí)，圖11所示電路就變成了高穩(wěn)定1.25V基準(zhǔn)電壓源，輸出電流可達(dá)1.5A?？烧{(diào)電壓范圍1.2V37V。4 穩(wěn)壓器主要性能指標(biāo)在穩(wěn)壓電源實(shí)驗(yàn)中，除需要掌握電路原理之外，更重要的是要對(duì)電源的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)主要有如下幾項(xiàng)：穩(wěn)壓系數(shù)Sr負(fù)載不變時(shí)，輸出電壓相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比稱為穩(wěn)壓系數(shù)。式中Ui為輸入電壓變化量，Uo為輸出電壓變化量，C為常數(shù)（下同）。電壓調(diào)整率Su 工程上把電網(wǎng)電壓波動(dòng)10%做為極限條件，將輸出電壓的相對(duì)變化做為衡量指標(biāo)，稱為電壓調(diào)整率。輸出電阻Ro輸入電壓不變而負(fù)載變化時(shí)，穩(wěn)壓電路輸出電壓保持穩(wěn)定的能力。電流調(diào)整率Si工程上把輸出電流Io從零變到額定輸出值時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化稱為電流調(diào)整率Si。紋波系數(shù)定義穩(wěn)壓電路輸入電壓Ui中的交流分量udi和輸出電壓Uo中的交流分量udo之比為紋波系數(shù)。=udi/udo5 電源的一般設(shè)計(jì)方法 直流電源通常采用模塊化設(shè)計(jì)方法，盡量采用現(xiàn)成的元件。例如，一個(gè)穩(wěn)壓電源要求輸出15V的正電壓，IO1A,其設(shè)計(jì)過程如下：（1） 選擇穩(wěn)壓器確定固定輸出式三端集成穩(wěn)壓器7815，其輸入直流電壓V1=（3V5V）+15V,取V1=20V。（2） 確定輸入變壓器由V1=1.2V2=20V,由此可知V220/1.216V式中，V2為交流有效值。再根據(jù)輸出電流IO1A，算出變壓器的功率P=16W。實(shí)際可選擇220V的電源變壓器，輸出電壓在2025W即可。電源變壓器可查閱相關(guān)手冊(cè)，一般只給出相應(yīng)的標(biāo)稱系列。（3） 確定整流二極管或橋堆二極管或橋堆耐壓VRM=2V2=45V,一般耐壓以50V為進(jìn)階單位。故選擇IO1A，VRM>50V要求即可。整流管選用1N4001或1N4002。（4） 濾波電容器由公式RLC(35)T/2=(35)/2f和IO1A，可得C(35)/1500可按C=3/1500=2000F計(jì)算，并取標(biāo)稱值C=2200F，耐壓為50V的電解電容器。如果負(fù)載變動(dòng)頻繁，在7815輸出端也可接一直10100F的電解電容器。電路可參照?qǐng)D7。三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源，技術(shù)要求：輸出電壓VO=12V，輸出電流IO0.5A。（選用78系列和79系列等器件）（2） 設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源，技術(shù)要求：輸出電壓VO=12V左右連續(xù)可調(diào)，輸出電流IO0.5A。（選用LM117/217/317等器件）設(shè)計(jì)包括整流、濾波及穩(wěn)壓電路在內(nèi)的直流穩(wěn)壓電源。測(cè)量及仿真要求如下：（只測(cè)量12V電源指標(biāo)）進(jìn)行理論設(shè)計(jì)、選擇元器件。連接、調(diào)試電路，測(cè)量技術(shù)指標(biāo)，如不滿足設(shè)計(jì)要求，調(diào)整參數(shù)，直至滿足要求為止。分別用示波器觀察整流部分（斷開濾波和穩(wěn)壓電路，直接連接負(fù)載電阻）輸出波形、測(cè)量其平均值；再測(cè)量濾波后的波形和平均值（斷開穩(wěn)壓電路，直接連接負(fù)載電阻）；最后測(cè)量穩(wěn)壓后的波形和電壓值，檢驗(yàn)是否符合理論設(shè)計(jì)的要求。結(jié)果記錄在表1中。表1 整流濾波測(cè)試數(shù)據(jù)u2（有效值）（V）Uo（平均值，V）測(cè)量值理論值誤差（%）波形全波整流實(shí)驗(yàn)整流濾波實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓電路實(shí)驗(yàn)測(cè)量穩(wěn)壓系數(shù)Sr及電壓調(diào)整率Su：保持RL不變（RL=20），變壓器原邊保持220不變，用萬用表測(cè)量次邊u2實(shí)際值，再調(diào)節(jié)變壓器原邊電壓，使次邊電壓分別0.9u2、和1.1u2端，用萬用表測(cè)量u2實(shí)際值。同時(shí)測(cè)量穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui和輸出電壓Uo的變化。再計(jì)算穩(wěn)壓系數(shù)及電壓調(diào)整率，結(jié)果記錄在表2中。表2 穩(wěn)壓系數(shù)及電壓調(diào)整率測(cè)試數(shù)據(jù)（計(jì)算Sr和Su時(shí)Ui和Uo均取中間值）u1（有效值）0.9 u2u2u21.1 u2Ui（V）Uo（V）兩次測(cè)定的Ui之差Ui（V）兩次測(cè)定的Uo之差Uo（V）SrSu測(cè)量輸出電阻Ro及電流調(diào)整率Si：保持負(fù)載RL不變（20），保持變壓器原邊電壓為220，測(cè)量輸出電壓Uo，然后斷開RL，測(cè)量輸出電壓Uo的變化。再計(jì)算輸出電阻及電流調(diào)整率。結(jié)果記錄在表3中。表3輸出電阻及電流調(diào)整率測(cè)試數(shù)據(jù)（計(jì)算Si時(shí)Uo取連接RL時(shí)的值）RL（）20（開路）Uo（V）Uo（V）Ro（）Si測(cè)量穩(wěn)壓電源的紋波系數(shù)：接入負(fù)載電阻RL，用示波器測(cè)量穩(wěn)壓電路輸入電壓Ui中的交流分量udi和輸出電壓Uo中的交流分量udo，記錄波形，計(jì)算紋波系數(shù)。四實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求給出穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)過程及電路圖。寫出調(diào)試報(bào)告，并給出各點(diǎn)波形及電壓值。測(cè)量參數(shù)問題討論及分析。五思考題橋堆輸入端和輸出端接反有什么現(xiàn)象？請(qǐng)分析。六元器件電源變壓器三端穩(wěn)壓器橋堆電解電容電阻、電容若干