串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設計與制作[1]

1、串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設計與制作,信息與電子工程實驗教學中心,直流穩(wěn)壓電源的設計與調(diào)試,實驗目的 理論基礎 實驗電路設計和實驗內(nèi)容實驗操作要點 實驗儀器和實驗電路,實驗目的,1．研究橋式整流、電容濾波電路的特性；2．掌握帶有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓 電源的設計與制作；3．掌握串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電源主要技術指標 的測試方法。,理論基礎,直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理方框

2、圖如圖10.1.1 所示。電網(wǎng)供給的交流電壓u1(220V，50Hz)經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓u2，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓u3，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓uI。 但這樣的直流電壓，還會隨交流電網(wǎng)電壓的波動或負載的變動而變化。在對直流供電要求較高的場合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出的直流電壓更加穩(wěn)定。,理論基礎,1．整流電路

3、 整流是利用二極管的單向?qū)щ娦?，把交流電轉(zhuǎn)換成脈動直流電的過程。常見的整流電路有半波、全波、橋式和倍壓整流等幾種形式。橋式整流電路由四個二極管接成電橋形式，其電路及工作過程如圖10.1.2 所示： 在變壓器副邊電壓的正半周， D1、D3 導通，D2、D4 截止，電流i1 方向如實線箭頭所示。在電壓的負 半周時，電流i2 方向如虛線箭頭所示。 在交流電

4、壓u2 的一個周期內(nèi)， 二極管D1、D3 和D2、D4 輪流導通和 截止，在負載RL上就得到了一個單方 向的全波脈動電壓和電流。 該電路輸出的電壓平均值：U0=0.9U2；輸出的電流平均值： Io= U0/RL=0.9U2/RL；而每個二極管所承受的最大反向電壓為 ，通過的電流為負載電流IL 的一半。,,,理論基礎,2．濾波電路 整流

5、得到的輸出電壓是單向脈動電壓，其中除了直流分量外，還包括了不少交流分量。因此，為了獲得平滑的直流電，必須進行濾波。濾波是利用電容、電感元件對直流、交流電呈現(xiàn)不同阻抗的特點，消除脈動直流中的交流成分。濾波電路有電容濾波、電感濾波和復式濾波等，這里采用電容濾波電路。 在整流電路的負載RL 上并聯(lián)一個容量較大的電容器，就構(gòu)成了電容濾波電路。采用電容濾波時，輸出電壓的脈動程度與電容器的放電時間常數(shù)τ=RLC 有關系，τ 大

6、一些，脈動就小一些。為了得到比較平直的輸出電壓，一般要求： 式中T 是交流電源電壓的周期，這時輸出的直流電壓平均值近似為：Uo=1.2U2 。 濾波電容的數(shù)值一般在幾十微法到幾千微法，其耐壓應大于輸出電壓的最大值，通常采用電解電容器。,,,理論基礎,3．穩(wěn)壓電路 為了得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，在整流濾波電路之后需要增加穩(wěn)壓電路。在小功率電源設備中，常用穩(wěn)壓電路有兩

7、種：穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路，其優(yōu)點是電路簡單、元件少，適用于負載電流較小，穩(wěn)定度要求不高的場合； RL 是負載電阻，DZ 是硅穩(wěn)壓二極管， R 是限流電阻，限流電阻R 與DZ 配合起 穩(wěn)壓作用。 Vi Vo （ IZ ） I IR Vo Vi Vo （ IZ ） I

8、IR Vo 當負載電流IL 在一定范圍內(nèi)變化時，也由于穩(wěn)壓二極管電流IZ 的補償，使Vo 基本保持不變 。三極管組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，這種電路可得到穩(wěn)定度很高的輸出電壓，并且輸出電壓可以調(diào)節(jié)，又可以輸出較大的電流，應用廣泛。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,理論基礎,圖 10.1.4 是一個簡單的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路， 三極管作為調(diào)整元件，叫做調(diào)整管，調(diào)整管 的β 足夠大

9、，工作在放大區(qū)。電阻R 和穩(wěn)壓管 Dz 組成簡單的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，接到調(diào)整管 的基極，使基極電壓Ub=Uz 保持恒定，此電壓 稱為基準電壓。 該電路的輸出電壓Uo=Uz-Ube，Uo 的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz。如果要改變輸出電壓，就要更換穩(wěn)壓管。 用輸出電壓直接去控制調(diào)整管的基極電流，控制作用不明顯，穩(wěn)壓效果較差。 為提高穩(wěn)定度，

10、可以采用帶有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路。,理論基礎,4．帶放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 帶放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路，將輸出電壓的變化量ΔUo 通過直流放大器放大后，再去控制調(diào)整管，使微小的輸出電壓變化量產(chǎn)生很強的調(diào)整作用，從而大大提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。 該穩(wěn)壓電路如圖10.1.5，包括以下四部分：取樣電路、基準電壓電路、比較放大器、調(diào)整管。,,,理論基礎,取樣電路：由R1、R2

11、 和Rp 組成的電阻分壓器。 將輸出電壓Uo 的一部分 取出，送到比較放大器T2 的基極?；鶞孰妷弘娐罚河煞€(wěn)壓管Dz 和限流電阻R3 構(gòu)成，從中取得基準電壓Uz，它是一穩(wěn)定性較高的直流電壓，作為調(diào)整、比較的標準。比較放大器：由晶體管T2 構(gòu)成的直流放大電路，它的基-射極電壓Ube2 是取樣電壓Uf 與基準電壓Uz 之差。將這個電壓差值放大后去控制調(diào)整管T1。R4 是T2 的集電極負載電阻，同時也是T1 的基極偏

12、置電阻。調(diào)整管：由工作在線性區(qū)的功率管T1 組成，它的基極電流受比較放大器T2 集電極輸出信號控制，只要控制基極電流Ib1，就可以改變集-射極之間的電壓Uce1，從而調(diào)整輸出電壓Uo。,理論基礎,（1）當輸入電壓變化， 負載電流保持不變 當輸入電壓Ui升高，必然使輸出 電壓Uo 有所增加，取樣電壓Uf 隨之增大，T2 的基-射極電壓Ube2 增大，其基極電流Ib2 增大，集電

13、極電流 Ic2 增大，集-射極電壓Uce2 減小，使T1 的Ube1 （Ube1=Ub1-Uo=Uz+Uce2-Uo）減小，Uce1 增大，輸出電壓Uo 下降，使之保持穩(wěn)定，其調(diào)整過程可以表示如下： Uo Ube2 Ib2 Ic2 Uce2 Ube1 Ib1 Ic1 Uce1

14、 Uo （2）負載電流變化，輸入電壓保持不變 負載電流IL的增加，必然會使輸入電壓Ui有所減小，輸出電壓Uo必然有所下降，則調(diào)整過程可表示為： Uo Ube2 Ib2 Ic2 Uce2 Ube1 Ib1 Ic1 Uce1 Uo,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

15、,,,,,,,,,,,,,,理論基礎,5. 穩(wěn)壓電源的主要性能指標 (1)輸出電壓Uo 和輸出電壓調(diào)節(jié)范圍 調(diào)節(jié)RP 可以改變輸出電壓Uo。 (2)輸出電流 (3)輸出電阻Ro 輸出電阻Ro 定義為：當輸入電壓UI（指穩(wěn)壓電路輸入電壓）保持不變，由于負載變化而引起的輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比，即,,,,,理論基礎,(4)穩(wěn)壓系數(shù)S（

16、電壓調(diào)整率） 穩(wěn)壓系數(shù)定義為：當負載保持不變，輸出電壓相對變化量與輸入電壓相對變化量之比，即 由于工程上常把電網(wǎng)電壓波動±10％做為極限條件，因此也有將此時輸出電壓的相對變化 ΔUo/Uo 作為衡量指標，稱為電壓調(diào)整率。 (5)紋波電壓 輸出紋波電壓是指在額定負載條件下，輸出電壓中所含交流分量的有效值（或峰值）。,,實驗電路設計和

17、實驗內(nèi)容,實驗電路設計 圖10.1.6 是采用 帶有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓 電路實例，輸出額定電流 Io=100mA，輸出電壓Uo 可調(diào)范圍5~12V。其整流 部分為單相橋式整流、電容濾波電路； 穩(wěn)壓部分為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，它由調(diào)整元件（晶體管T1），比較放大器T2、R7，取樣電路R1、R2、RW，基準電壓DW、R3 和過流保護電路T3

18、管及電阻R4、R5、R6 等組成, 其穩(wěn)壓過程為： 當電網(wǎng)電壓波動或負載變動引起輸出直流電壓發(fā)生變化時，取樣電路取出輸出電壓的一部分送入比較放大器，并與基準電壓進行比較，產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)T2 放大后送至調(diào)整管T1 的基極，使調(diào)整管改變其管壓降，以補償輸出電壓的變化，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。,實驗電路設計和實驗內(nèi)容,由于在穩(wěn)壓電路中， 調(diào)整管與負載串聯(lián)， 因此流過它的電流 與負載電

19、流一樣大。 當輸出電流過大或 發(fā)生短路時，調(diào)整 管會因電流過大或電壓過高而損壞，所以需要對調(diào)整管加以保護。 在圖10.1.6電路中，晶體管T3、R4、R5、R6 組成限流型保護電路。當開始起保護時，輸出電流會減小，輸出電壓降低。故障排除后保護電路應能自動恢復正常工作。 在調(diào)試時，若保護提前作用，應減少R6 值；若保護作用滯后，則應增大R6 之值。,,,,實驗電

20、路設計和實驗內(nèi)容,實驗任務要求 本實驗的設計任務就是采用分立元器件設計一臺串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。其功能和技術指標如下： （1）輸出電壓Uo 可調(diào)：5~10V； （2）輸出額定電流Io=80mA； （3）過載電流保護：輸出電流為90mA 時，限流保護電路工作。 1．根據(jù)任務要求設計電路、選擇合適的元器件、畫出電路原理圖； 2．合理布置元器件和電路線、設計并制作電路板；

21、 3．焊接安裝元器件、然后進行調(diào)試； 4．測試主要性能指標，與設計任務要求作對照，進行分析； 5．分析討論實驗中出現(xiàn)的故障及其排除方法。,實驗操作要點,1．串聯(lián)型穩(wěn)壓電源調(diào)試要點 電路焊接完成后，應作仔細檢查，防止錯焊、虛焊、短路等情況存在，然后再通電。 先將穩(wěn)壓器輸出端負載開路，斷開保護電路（調(diào)節(jié)電位器使R6為0），測量整流電路輸入電壓U2，濾波電路輸出電壓UI

22、及輸出電壓Uo。調(diào)節(jié)電位器RW，觀察Uo 的大小和變化情況，如果Uo 能跟隨RW線性變化，這說明穩(wěn)壓電路各反饋環(huán)路工作基本正常。 否則，說明穩(wěn)壓電路有故障。此時可分別檢查基準電壓UZ，輸入電壓UI，輸出電壓Uo，以及比較放大器和調(diào)整管各電極的電壓（主要是Ube 和Uce），分析它們的工作狀態(tài)是否都處在線性區(qū)，從而找出不能正常工作的原因。 排除故障以后就可以進行下一步測試。,實驗操作要點,2

23、．穩(wěn)壓電源性能測試要點 (1)測量輸出電壓可調(diào)范圍 接入負載RL(先將電位器調(diào)到最大220Ω再接入）， 調(diào)節(jié)電位器RW ,U0=10V,并調(diào)節(jié)RL，使輸出電流 Io≈80mA。再調(diào)節(jié)電位器RW，測量輸出電壓可調(diào)范圍Uomin～Uomax。 (2)測量各級靜態(tài)工作點 調(diào)節(jié)輸出電壓Uo＝10V，輸出電流Io＝80mA，測量三極管T1、T2、T3 的靜態(tài)工作點。 (3)測

24、量輸出電阻Ro 改變負載，在空載、 Io 為50mA 和80mA情況下，測 量相應的Uo 值，據(jù)所測值，計算輸出電阻。 (4)測量輸出紋波電壓 Uo＝10V，Io＝80mA時，測量輸出紋波電壓。,,(5)測量穩(wěn)壓系數(shù)S 在輸出電壓Uo=10V, 電流Io=80mA，記錄變壓器的輸出值U1。斷電后，重新連接電路，接入調(diào)壓器，調(diào)節(jié)調(diào)壓器（模擬電網(wǎng)電壓波動），分別測量UI上下

25、變化10%時，輸出直流電壓Uo，計算穩(wěn)壓系數(shù)S。,實驗操作要點,3．調(diào)整過流保護電路 (1)接上保護回路（調(diào)節(jié)電位器，使R6 為某一值），調(diào)節(jié)RW 及RL，使 Uo＝10V，Io＝80mA，此時保護電路應不起作用。測出T3 管各極電壓值。 (2)逐漸減小RL，使Io 增加到90mA，觀察Uo 是否下降，并測出保護起作用時T3 管各極的電壓值。 若保護作用過早或遲后，可反復對R6 之值進行調(diào)整。