实验二：数控直流电压源实验讲义

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弥扎宰
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1 数控直流电压源实验指导一直流稳压电源的基本组成电子设备中所用到的直流电源, 可以是干电池, 也可以是由电网提供的交流电经过整流滤波和稳压以后得到的对于直流电源的主要要求是, 输出电压的幅值稳定, 即当电网电压或负载电流波动时能基本保持不变 ; 直流输出电压平滑, 脉动成分小 ; 交流电变换成直流电时的转换效率高如下图所示, 一般直流电源由四部分组成, 电源变压器整流电路滤波器和稳压电路直流稳压电源的基本组成电路电源变压器匝数比 : n = 效率 : η = P P 小型变压器效率表副边功率 (W) < 效率整流滤波二极管具有单向导电性, 因此可以利用二极管的这一特性组成整流电路, 将交流电压变换为单向脉动电压在小功率直流电源中, 经常采用单相半波单相全波单相桥式整流电路在本实验中, 建议使用桥式整流电路无论哪种整流电路, 它们的输出电压都含有较大的脉动成分除了在一些特殊场合可以直接用作放大器的电源外, 通常都要采取一定的措施, 一方面尽量降低输出电压中的脉动成分, 另一方面又要尽量保留其中的直流成分, 使输出电压接近于理想的直流电压, 这样的措施就是滤波电容和电感都是基本的滤波元件, 利用它们在二极管导电时储存一部分能量, 然后再逐渐释放出来, 从而得到比较平滑的波形或者从另一个角度看, 电容和电感对于交流成分和直流成分反映出来的阻抗不同, 如果把它们合理地安排在电路中, 可以达到降低交流成分, 保留直流成分的目的, 体现出滤波作用所以, 电容和电感是组成滤波电路的主要元件常用的滤波电路有电容滤波电路 RC- 型滤波电路电感滤波电路 LC 滤波电路 LC- 型 36

2 滤波电路等上图中各元件的取值可按下列公式计算 : max+(i-)min < i < min+(i-)max i=(.~.) RM 二极管承受的最大反向电压 : = 每只二极管流过的平均电流 : I = D I 为使纹波电压足够小, 电容 C 放电回路的时间常数应满足 :RC>(3~5)T/ 其中 R 为整流滤波电路的负载电阻, 取 R=i/Imax ;T 为 50Hz 交流电的周期, 即 0ms C 电容 C 上的最大电压为 : = max 4 稳压电路整流滤波电路的输出随电网的波动负载电流的变化而变化为了能够提供更加稳定的直流电源, 需要在整流滤波电路的后面再加上稳压电路稳压电路一般由调整元件所组成, 可有以下分类 : () 按照调整元件是工作于线性或开关状态可分为线性调整与开关调整 ; () 按照调整元件与负载是串联或并联连接可分为串联调整与并联调整 ; (3) 按照输出电压是否可调分为固定式与可调式常用的稳压电路有硅稳压管稳压电路串联型直流稳压电路集成稳压器以及开关型稳压电路等下面重点介绍一下串联型直流稳压电路所谓串联型直流稳压电路, 就是在输入直流电压和负载之间串入一个三极管, 当 U 或 RL 波动引起输出电压 UO 变化时,UO 的变化将反映到三极管的输入电压 UBE, 然后,UCE 也随之变化, 从而调整 UO, 以保持输出电压基本稳定串联型直流稳压电路的原理图如下图所示, 它由四部分组成 : T + U C + UI - Dz R - + U F 3 R A R 3 R3 IL RL + UO - () 采样电阻由电阻 R R 和 R3 组成当输出电压发生变化时, 采样电阻取其变化量的一部分送到送到放大电路的反相输入端 37

3 () 放大电路放大电路 A 的作用是将稳压电路输出电压的变化量进行放大, 然后再送到调整管的基极如果放大电路的放大倍数比较大, 则只要输出电压产生一点微小的变化, 即能引起调整管的基极电压发生较大的变化, 提高了稳压效果因此, 放大倍数愈大, 则输出电压的稳定性愈高 (3) 基准电压基准电压由稳压管 DZ 提供, 接到放大电路的同相输入端采样电压与基准电压进行比较后, 再将二者的差值进行放大电阻 R 的作用是保证 DZ 有一个合适的工作电流 (4) 调整管调整管 T 接在输入直流电压 U 和输出端的负载电阻 RL 之间, 若输出电压 UO 由于电网电压或负载电流等的变化而发生波动时, 其变化量经采样比较放大后送到调整管的基极, 使调整管的集 - 射电压也发生相应的变化, 最终调整输出电压使之基本保持稳定在上图中, 假设由于 U 增大或 IL 减小而导致输出电压 UO 增大, 则通过采样以后反馈到放大电路反相输入端的电压 UF 也按比例地增大, 但其同相输入端的电压即基准电压 UZ 保持不变, 故放大电路的差模输入电压 Ud=UZ-UF 将减小, 于是放大电路输出电压减小, 使调整管的基极输入电压 UBE 减小, 则调整管的集电极电流 IC 随之减小, 同时集电极电压 UCE 增大, 结果使输出电压 UO 保持基本不变以上稳压过程可简明表示如下 : U 或 I L U O U F U d U BE I C U O U CE 二直流稳压电源的性能指标性能指标测试电路 i I I ~0 被测电源 RL 自耦变压器输出电压范围 min ~ max : 表示稳压电源正常工作的输出电压范围 3 最大输出电流 I max : 表示稳压电源在某一下所能输出的最大电流测试方法为 : 输出电压为, 逐渐减小负载电阻 R L, 直到下降 5%, 此时流经负载 R L 的电流即为 I max 38

4 4 纹波电压 Δ pp : 表示叠加在输出电压上的交流分量, 一般为 m 级, 通常用有效值或峰峰值表示, 本实验用示波器观测峰峰值 5 电压调整率输出电压的稳定性主要受输入电压 i 和负载 R L 两方面的变化影响输入电压 i 变化而引起输出电压变化的程度, 通常用电压调整率 S v 来表示, 它指在负载和环境温度不变的条件下, 输入电压 i 的变化而引起的输出电压的相对变化 : = 00 % S 输入电压 i 变化而引起输出电压变化的程度, 也可用稳压系数 S 来表示, 它指在负载和环境温度不变的条件下, 输出电压的相对变化比输入电压 i 的相对变化 : S = i i 00 % 6 负载调整率负载 R L 变化而引起输出电压变化的程度, 通常用负载调整率 S r 来表示, 它指在输入电压和环境温度不变的条件下, 负载 R L 的变化而引起的输出电压的相对变化 : = 00 % S r 7 输出电阻负载 R L 变化而引起输出电压变化的程度, 也可用输出电阻 ( 等效内阻 )R n 来表示, 它指在输入电压和环境温度不变的条件下, 输出电压的变化量比负载 R L 的电流变化量 : R n = I 8 电源转换效率 η: 表示稳压电源输出功率和输入功率之比 : η = P P i 若只考虑稳压电路部分的转换效率, 为输出 / 输入直流功率之比 ; 若考虑变压器整流电路在内的转换效率, 为直流输出功率 / 交流输入功率之比 9 输出电压温度系数环境温度变化而引起输出电压变化的程度, 常用温度系数 K T 来表示, 它指在输入电压和负载不变的条件下, 输出电压的相对变化量比环境温度 T 的变化量 : K T = O O T 39

5 0 脉动系数 S 整流电路输出电压的脉动系数 S 定义为输出电压基波的最大值 m 与其平均值 A 之比 S = m A 三集成稳压器 LM37 简介可调式集成稳压器 LM37 工作原理可调式集成稳压器 LM37 是新一代的稳压器, 比起固定式集成稳压器 LM78XX, 前者在电压调整率负载调整率纹波抑制及温度系数诸方面都有了很大改进, 不仅具有可调输出, 在过载保护过热保护方面的功能也很完善, 极大地方便和简化了使用者在电源设计制作方面的工作参见右图, 经过整流滤波后的直流电压加在 LM37 的输入端 (IN) 和地之间, 稳压后的电压由 LM37 的输出端和地之间引出 UOUT - UADJ = UREF 称为参考电压, 它被设计为.5, 并且不随输入电压和输出电流而变化 in i LM37K adj ut R R 从调整端 (ADJ) 流出的电流非常小 (<50uA), 通常可以忽略不计这样, 流过 R 的电流 U I = REF R R, 取 R =40Ω, 则 IR=.5/40Ω 5mA, 正好满足 LM37 最小输出电流的要求 R 输出电压 U O = I R ( R + R ) = U REF ( + ), 可见输出电压完全由 R R 两个电阻的比值 R 决定, 而与输入电压和输出电流无关只要改变 R 大小, 就可以调整输出电压在数控稳压电路中, 不是通过改变电阻 R, 而是通过改变调整端对地电压 UADJ 来控制输出端的电压 UO UO=UREF+UADJ () 需要指出的是, 负载电流并不经过 R, 流过 R 的电流仅仅是流过 R 的电流 (~5mA), 所以可以采用小电流控制电路 ( 如运放电路 ) 来控制 UADJ 从 () 式可知, 当 UADJ=0 时,UO=UREF=.5 这就是正常接法下,LM37 的最小输出电压要想获得 0 的电压输出, 必须使 UADJ=-.5 相应的接法见下图 LM37K in adj ut R i.5 40

6 可调式集成稳压器 LM37 的性能参数输入最大电压 40 输出电压.5~37 输出最大电流.5A 最大功耗 0W 最小输入 - 输出电压差 3 电压调整率 0.0%/ 负载调整率 0.% 最小负载电流 3.5mA 调整端电流 50uA 基准电压.5 工作温度 0~5ºC 4

7 四霍尔传感器本实验发挥部分要求实时显示稳压电源的输出电流输出电流的检测可采用在输出端串接低阻值精密电阻, 然后将其两端电压差放大进行检测, 再换算成电流这种方法或多或少会影响稳压电源的性能霍尔传感器利用磁场作为媒介进行非接触测量, 可以检测包括电流在内的很多物理量, 已获得广泛的应用霍尔元件霍尔元件是霍尔传感器的主体, 它是在单晶片的两端焊上两根控制电流引线, 另两端焊上两根输出引线, 如右图所示单晶片通以控制电流 I, 并在其垂直方向施加磁场 B, 则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势 U h ( 霍尔电势或霍尔电压 ), 这种现象称为霍尔效应 U h =K h IB B I Uh 霍尔电势的大小正比于控制电流 I 和磁感应强度 B K h 称为霍尔元件的灵敏度, 它与半导体材料的性质有关霍尔传感器把霍尔元件温度补偿电路稳压电路及放大器等做在一个芯片上封装起来就构成了霍尔传感器霍尔传感器分为线性型和开关型两种 : () 线性型霍尔传感器右图所示为线性型霍尔传感器的电原理图其输出与外加磁感 cc 稳压霍尔元件应强度之间是线型关系, 该类传感器可用于检测电流位置及磁场强度等 GND () 开关型霍尔传感器右图所示为开关型霍尔传感器的电原理图其输出与外加磁感应强度之间是 cc 稳压霍尔元件非线型开关关系, 该类传感器可用于检测转速或转数流量 GND 液位及发动机点火控制等 4

8 参考书 : 王楚余道衡, 电子线路原理, 北京大学出版社直流电源王福瑞, 单片微机测控系统设计大全, 北京航空航天大学出版社,999 A/D D/A 传感器 3 第二届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 (994~995), 北京理工大学出版社,997 4 第三届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 (997), 北京理工大学出版社,999 5 杨素行, 模拟电子技术基础简明教程, 高等教育出版社直流电源 43

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路

实验二： 数控直流电压源 实验讲义

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