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直流穩(wěn)壓電源實驗 一、 實驗目的 1． 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)壓電源的設計方法。 3． 學會穩(wěn)壓電源的調(diào)試及測量方法。 二、 實驗原理 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)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，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電路所需的工作電壓U2。 D1~D4為整流器件。整流電路的作用是將交流電V2變換成脈動的直流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為整流電路的負載電阻，其兩端的電壓為整流輸出電壓。 該電路在V2的正負半周都有整流電流流過負載。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，其最大整流電流和最高反向電壓應分別大于以上兩式計算出的ID和VRM值。 如果是選用橋堆進行整流，則應注意最大工作電流和最大反壓，反壓值的計算同上式，但電流是指能夠給負載的最大平均電流，應高于計算值。 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，其放電時間長數(shù)應足夠大，應滿足關系是 RLC(3～5)T/2=(3～5)/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 VO≈1.2V2 3． 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，價格便宜等優(yōu)點，因而獲得越來越廣泛的應用。 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?shù)倪^流、過熱等保護電路。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。 圖5 7800、7900系列外形圖及電路符號 a. 基本應用電路 圖 6所示為7800系列基本應用電路，具體型號應根據(jù)輸出電壓大小和極性選擇。Vi和Vo間的壓差，即|Vi-Vo|≈(3～5)V。圖中C1用于抑制芯片自激，應盡量靠近穩(wěn)壓器的管腳，C2用于限制芯片高頻帶寬，減少高頻噪聲。如果對輸出要求高，還應接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)壓器基本應用電路 b. 擴展應用電路 圖7為正負電壓輸出穩(wěn)壓電路。 圖8是輸出電壓擴展電路的兩種類型。 圖7 正負電壓輸出穩(wěn)壓電路 (a) (b) 圖8穩(wěn)壓電路擴展電路 對圖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 mA～100 mA即可。VO是穩(wěn)壓器自身的輸出電壓。 圖8（b）中D為保護二極管，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表示負電壓輸出?？烧{(diào)試三端穩(wěn)壓電路除了帶有各種保護電路之外，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。它有三個引腳，分別接輸入端、輸出端和調(diào)整端。調(diào)整端是基準電壓電路的公共端。內(nèi)部用兩個三級管構(gòu)成復合管；基準電壓電路為能隙基準電壓電路，基準值UREF為1.25V，準確度和穩(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上。由于放大電路的兩個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 當輸出電壓升高時，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；當輸出電壓降低時，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的典型應用電路 圖11所示電路為LM117/LM217/LM317的典型實用電路，根據(jù)所選型號的不同，其封裝形式和引腳排列也會有區(qū)別，使用時要查閱使用手冊才能確定具體接線方法。圖11中所選型號為LM317BD2T，其調(diào)整端的引腳號為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)整端之間的基準電壓最大為1.3V，由此可得 可實取R1=120Ω或120～240Ω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R2=0時，圖11所示電路就變成了高穩(wěn)定1.25V基準電壓源，輸出電流可達1.5A?？烧{(diào)電壓范圍1.2V～37V。 4． 穩(wěn)壓器主要性能指標 在穩(wěn)壓電源實驗中，除需要掌握電路原理之外，更重要的是要對電源的技術(shù)指標進行測量。穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標主要有如下幾項： 穩(wěn)壓系數(shù)Sr——負載不變時，輸出電壓相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比稱為穩(wěn)壓系數(shù)。 式中ΔUi為輸入電壓變化量，ΔUo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10%做為極限條件，將輸出電壓的相對變化做為衡量指標，稱為電壓調(diào)整率。 輸出電阻Ro——輸入電壓不變而負載變化時，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，輸出電壓的相對變化稱為電流調(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)γ。 γ=udi/udo 5． 電源的一般設計方法 直流電源通常采用模塊化設計方法，盡量采用現(xiàn)成的元件。例如，一個穩(wěn)壓電源要求輸出15V的正電壓，IO≤1A,其設計過程如下： （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=（3V～5V）+15V,取V1=20V。 （2） 確定輸入變壓器 由V1=1.2V2=20V,由此可知 V2＝20/1.2≈16V 式中，V2為交流有效值。再根據(jù)輸出電流IO≤1A，算出變壓器的功率P=16W。實際可選擇220V的電源變壓器，輸出電壓在20～25W即可。電源變壓器可查閱相關手冊，一般只給出相應的標稱系列。 （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為進階單位。故選擇IO≤1A，VRM>50V要求即可。整流管選用1N4001或1N4002。 （4） 濾波電容器 由公式RLC(3～5)T/2=(3～5)/2f和IO≤1A，可得 C≥＝(3～5)/1500 可按C=3/1500=2000F計算，并取標稱值C=2200F，耐壓為50V的電解電容器。 如果負載變動頻繁，在7815輸出端也可接一直10～100F的電解電容器。電路可參照圖7。 三 實驗內(nèi)容 （1） 設計穩(wěn)壓電源，技術(shù)要求：輸出電壓VO=12V，輸出電流IO≥0.5A。（選用78系列和79系列等器件） （2） 設計穩(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IO≥0.5A。（選用LM117/217/317等器件） 設計包括整流、濾波及穩(wěn)壓電路在內(nèi)的直流穩(wěn)壓電源。 測量及仿真要求如下：（只測量＋12V電源指標） 進行理論設計、選擇元器件。 連接、調(diào)試電路，測量技術(shù)指標，如不滿足設計要求，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，直接連接負載電阻）輸出波形、測量其平均值；再測量濾波后的波形和平均值（斷開穩(wěn)壓電路，直接連接負載電阻）；最后測量穩(wěn)壓后的波形和電壓值，檢驗是否符合理論設計的要求。結(jié)果記錄在表1中。 表1 整流濾波測試數(shù)據(jù) u2（有效值） （V） Uo（平均值，V） 測量值 理論值 誤差（%） 波形 全波整流實驗 整流濾波實驗 穩(wěn)壓電路實驗 ④測量穩(wěn)壓系數(shù)Sr及電壓調(diào)整率Su：保持RL不變（RL=20Ω），變壓器原邊保持220Ｖ不變，用萬用表測量次邊u2實際值，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，用萬用表測量u2實際值。同時測量穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui和輸出電壓Uo的變化。再計算穩(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)整率測試數(shù)據(jù)（計算Sr和Su時Ui和Uo均取中間值） u1（有效值） 0.9 u2 u2 u2 1.1 u2 Ui（V） Uo（V） 兩次測定的Ui之差ΔUi（V） 兩次測定的Uo之差ΔUo（V） Sr Su ⑤測量輸出電阻Ro及電流調(diào)整率Si：保持負載RL不變（20Ω），保持變壓器原邊電壓為220Ｖ，測量輸出電壓Uo，然后斷開RL，測量輸出電壓Uo的變化。再計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)整率測試數(shù)據(jù)（計算Si時Uo取連接RL時的值） RL（Ω） 20 ∞（開路） Uo（V） ΔUo（V） Ro（Ω） Si ⑥測量穩(wěn)壓電源的紋波系數(shù)：接入負載電阻RL，用示波器測量穩(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，計算紋波系數(shù)。 四．實驗報告要求 給出穩(wěn)壓電源設計過程及電路圖。 寫出調(diào)試報告，并給出各點波形及電壓值。 測量參數(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