实验目的. 了解直流稳压电源的组成及各个组成部分的作用. 了解稳压二极管的稳压作用及并联稳压电路的工作原理 3. 了解采用集成稳压器构成固定式及电压可调式稳压电路的方法
网交流电路电变压压电路整波电实验原理 各种电子设备都需要由电压稳定的直流电源供电, 直流稳压电源分为线性电源和开关电源两种, 本实验的研究对象为线性稳压电源 线性稳压电源的组成如图 3.0a. 所示, 图中由 0V 工频交流电通过变压器变压为所需的交流电压, 然后通过整流及滤波, 变换成为有电压波动的直流电, 再通过稳压电路的调节, 得到稳定的输出, 这样构成的直流稳压电源在额定输出范围内, 其性能基本上相当于电压源 即电源的输出电压恒定, 电源内阻接近于零 流电器滤路稳图 3.0a. 线性稳压电源的组成. 整流电路整流电路由整流二极管构成, 通常分为半波整流和桥式整流两种, 基本电路如图 3.0a. 所示 根据二极管的单向导电性质, 只有阳极电位高于阴极电位时才能通电 在交流电压的一个周期中, 只有半个周期是通电的, 所以半波整流电路中, 二极管只有正半周导 电, 输出电压 输出直流平均电压 的波形如图 3.0a.3(a) 所示, 负载电阻上有一半时间是没有电压的, 其 为 T 0 半 = snω = cosωt T o tdt T T ω = = 0.45 π (a) 半波整流 (b) 桥式整流 图 3.0a. 基本整流电路在桥式整流电路中, 当 u 为正半周时,D D 4 导通, 负载电阻上得到上正下负的电压, 而在 u 负半周时, 则 D D 3 导通, 同样在负载电阻上得到上正下负的电压, 形成如图 3.0a.3 (b) 所示的脉动直流电压, 其输出直流平均电压为半波整流输出的二倍, 为
= = 0.45 = 0.9 全 半 在图 3.0a.(b) 中 D D 3 为共阴极接法, 形成直流 输出的正端, 而 D D 4 为共阳极接法, 形成直流输出的负端 D 与 D 串联,D 3 与 D 4 串联, 在它们的串联连接点接交流电源端 (a) 半波整流 (b) 桥式整流 图 3.0a.3 整流电路输出电压波形 桥式整流电路除了可以得到全波输出外, 如果变压器二次绕组具有中心抽头, 只要把中心抽头接地, 就可以很方便地获得正负输出电压, 接线如图 3.0a.4 所示, 其输出平均电压 = =, 为总输出电压的一半 u u u 图 3.0a. 具有正负输出电压的桥式整流电路. 滤波电路为了改善输出电压的脉动, 可以用电容器与负载电阻并联, 在二极管导电时电容器充电, 二极管截止时电容器对负载电阻放电, 使负载电阻二端的电压波动减小, 电容滤波电路如图 3.0a.5 所示, 其输出电压波形如图 3.0a.6 所示 u t 图 3.0a.5 电容滤波电路 图 3.0a.6 电容滤波输出波形
从波形图中可见电容滤波除了使输出电压波动减小外, 还因电容器的放电使输出电压平 T 均值升高, 根据电路分析, 在满足 C= L (3 ~ 5) = 0.03 ~ 0.05s 的条件下, 输出直流 平均电压为 =. 另外, 电容滤波还使二极管只有在电源电压高于电容器端电压时导通, 而在电源电压低于电容器端电压时, 二极管截止, 这样大大缩短了二极管的导通时间, 使得导通电流成为幅值很大的脉冲电流, 这对二极管是不利的 为了进一步改善直流输出电压的波动, 可以在滤波电容与负载电阻之间加接 C 滤波电路, 构成 π 形滤波电路, 以滤除其中的谐波成分, 电路如图 3.0a.7 所示 经过滤波后, 负载电阻二端电压已基本上消除了波动, 但由于滤波电阻上具有直流压降, 使输出直流平均电压降低 图 3.0a.7 π 形滤波电路 3. 稳压电路利用稳压二极管的稳压特性, 可以接成简单的并联稳压电路如图 3.0a.8 所示 图中稳 压管 DZ 与负载电阻 L 并联, 稳压管电流 I D 在一定范围内变动时, 稳压管能够维持二端电 压的稳定 ( I Dmn = 5~0mA, I Dmax = P ZN Z P 为稳压管额定电压, 为稳定电压 ) ZN Z 图 3.0a.8 并联稳压电路 当输入电压 升高或降低时, 必然会使电流 I 发生变化, 由于稳压管具有很小的动态 内阻, 使 I D 的变化对其端电压的影响极小, 能够维持负载电流不变, 因 = I + o, 此 时 的变化值基本上由限流电阻的电压降的变化来平衡, 即 = I= I 持 当负载电阻增大或减小时, 因 不变, 通过 I D 作相应的调节, 维持 ID + IL = I 不变, 保 不变 并联稳压电路只能输出几十毫安的电流, 要输出大电流则可采用图 3.0a.9 的方式构成串联型线性稳压电路 3 D D
调整管 C + 基准电压电路 Z 比较放大电路 F 取样 P 电路 + C o L D Z 图 3.0a.9 串联型线性稳压原理 该电路中用调整管与负载电阻 L 串联, 构成射极输出器电路, 输出电压 管基极电压即比较放大电路的输出电压变化 输出电压 跟随调整 通过取样电路的分压得到反馈电 压 F, 接到比较放大电路的反相输入端 ; 由限流电阻 和稳压管 D Z 组成的并联稳压电路得到基准电压 Z, 接到同相输入端 构成了具有电压串联负反馈的同相比例放大电路, 其输出电压为 ' + W + W + = +,, Z =,, + W + W Z 显见, 利用电位器调节 P 的数值, 即能调节 的数值, 且能维持 的稳定 4. 集成稳压器 根据上述串联型线性稳压电路的原理并增加一些保护电路, 可以制成各种类型的集成 稳压器, 其引出端只有输入端 输出端和公共端三个, 又称为三端稳压器 其中最典型的为具有固定正电压输出的 W7800 系列, 负电压输出的 W7900 系列以及具有可调电压输出的 W37 W337, 接线和使用极为方便 W7800 及 W7900 系列的输出电压有 5V 6V 9V V 5V 8V 4V 等七种, 其型号分别用 7805 7905 784 794 表示, 其基本应用电路见图 3.0a.0 图中电容器 C 用于防止电路发生自激振荡, 其容量为 0.~µF, C o 用于滤除输出电压的噪声电压及改善其暂态响应, 其容量为 0.~µF W37 为比较精密的稳压器, 其输出电压为.5 V, 可作为基准电压源使用 若需要可调电压输出时, 可按图 3.0a.0 (d) 的接法, 在 W37 公共端与泄放电阻 的并接端和地之间串联可变电阻 P, 由于 W37 公共端流出的电流 I P 极小 ( 50µA) 与电阻中的电流 I ( 0mA) 相比可以忽略, 此时可看作 与 串联, 输出电压 为 P.5 P o = I ( + P) = ( 0 + P) =.5 + 0 0 输出电压最大调节范围为.5~37V 4
I 图 3.0a.0 典型集成稳压器的基本应用电路上述各类型的三端稳压器的最大输出电流为.5A( 加装散热器 ), 最小输出电流为 5~ 0mA, 最高输入电压为 40 V, 输入端与输出端之间的最小电压差为 3V 其塑料封装的外引线排列见图 3.0a. 图中 W337 为输入 输出为负电压的可调电压稳压器, 其应用电路可参考 W37 及 W7900 自行拟出 图 3.0a. 集成稳压器的外引线排列 5
实验仪器设备. 通用示波器 0MHz 双踪 一台. 直流稳压电源 30V A 一台 3. 数字万用表 一只 4. 直流毫安表 0~00mA 三只 5. 实验板 一块
实验步骤 A 基本内容. 观察单相整流 滤波电路的输出波形 按图 3.0a. 接线, 在以下情况下用示波器观察输出电压的 出电压的数值, 记录在表 3.0a. 中 的波形, 并读出直流输 图 3.0a. 整流滤波实验电路 半波整流无滤波接入 L 表 3.0a. 整流滤波电路的输出波形 = V 桥式整流无滤波接入 L = V 半波整流接入 C 接入 = V 桥式整流接入 C 接入 L = V 半波整流接入 C 接入 L L = V 桥式整流接入 C 接入 L L = V 半波整流接入 C C 接入 L = V 桥式整流接入 C 接入 L C = V 半波整流接入 C 接入 L = V 桥式整流接入 C 接入 L = V
. 观察桥式整流电路二极管端电压波形 在无滤波及接入 C 二种情况下, 同时观察二极管 D D 4 二端波形, 并从波形中读出反 向峰值电压值 记录在表 3.0a. 中 表 3.0a. 整流二极管端电压波形 无滤波 max = V 接入 C max = V 3. 了解并联稳压电路的稳压过程 按图 3.0a.3 接线, 在以下二种情况下, 读取直流电流表及电压表读数, 记录在表 3.0a.3 中, 并分析其稳压原理 I ma 0Ω ma I D ma I L 00Ω V D Z kω P 图 3.0a.3 并联稳压实验电路 () 维持输入电压为 5V, 调节可变电阻, 使 IL 为最小及最大 () 维持负载电阻为最大 (I L 为最小 ), 改变输入电压为 8 V 及 V 表 3.0a.3 并联稳压电路的稳压过程 W 测试条件 /V /V /V I L /ma I /ma D I/mA 输入电压不变负载电阻改变输入电压改变负载电阻不变 I L 最小 I L 最大 最小 最大
4. 集成稳压器 W7805 性能测试 按图 3.0a.4 接线, 在以下二种情况下测量输出电压 电流调整率及电压调整率 () 电流调整率测定维持输入电压为 5 V, 在空载 可变电阻为最大及最小 () 电压调整率测定维持负载电阻为最小 (I L 为最大 ), 改变输入电压为 8 V 及 V 记录表 3.0a.4 中, 并计算 图 3.0a.4 W7805 的测试电路 表 3.0a.4 集成稳压器电流调整率及电压调整率 电流调整率测定 电压调整率测定 空载 /V P 最大 /V P 最小 /V = I 00% N max S =8V /V =V /V mn Δ o on = Δ S N 00% 5. 集成可调稳压器 W37 的使用 按图 3.0a.5(b) 接线, 维持输入电压为 30V, 取电位器 为.kΩ, 调节 电压 的变化情况, 在表 3.0a.5 中记录 的变化范围, 并与计算值比较 P P, 观察输出 C C C C 图 3.0a.5 集成可调稳压器的基本应用电路 表 3.0a.5 集成可调稳压器输出电压调节范围 oomax /V( 计算值 ) oomn /V( 计算值 ) oomax /V( 实测值 ) oomn /V( 实测值 ) 3
B 设计性内容设计一个能输出 ±V 的直流稳压电源 ( 包括变压 整流 滤波环节 ), 直流负载电流为 00mA, 所提供的电源变压器为 0V/5V 0 5V( 二次绕组带中心抽头 ), 稳压器件为集成稳压器 要求画出电路图, 选择整流二极管 电容器 集成稳压器规格, 并通过实验测试 4
实验报告要求. 根据所记录的滤波电路波形及测量数据, 通过对波形的分析和比较说明整流方式 ( 半波 桥式 ) 滤波方式 ( 电容 C π 形 ) 负载大小对输出波形及平均电压. 根据并联稳压电路的测量数据说明其稳压原理 3. 列出实验步骤 4 5 的测量结果 4. 自行设计的 ±V 直流稳压电源电路图及测试结果 大小的影响
实验现象. 交流电经过变压后 (0V~4V), 若在示波器上显示的输出波形是严重失真的正弦波 原因是电网提供的交流电波形本身就是严重失真的正弦波. 用集成稳压器构成固定式 (W7805) 及电压可调式 (W37) 稳压电路, 当用小数点后三位的数字电压表测量时看不出变化, 稳压效果很好
实验结果分析. 半波和全波整流出来的波形相比较, 全波输出电压平均值是半波整流输出的二倍. 半波和全波电容滤波后输出的波形相比较, 全波输出电压平均值高, 纹波较小 3. π 形滤波和单个电容滤波相比较,π 形滤波纹波很小
实验相关知识
预习要求. 单相不可控整流电路 平滑滤波电路 稳压管并联稳压电路的工作原理. 了解集成稳压器的应用 3. 计算用 W37 构成的可调稳压电路输出电压调节范围
相关知识点 整流电路单相半波整流单相全波整流滤波电路电容滤波 π 形滤波稳压电路稳压管稳压串联型稳压集成稳压器 E506050 E5060500 E5060500 E506050 E5060500 E50605003 E5060503 E50605030 E50605030 E506050303
注意事项. 电源输入部分使用 0V 交流电接线及操作时要注意安全. 测量电压要分清交流和直流, 选用不同的仪表 3. 连接集成稳压电路时, 输入端 接地端和输出端要分清, 正负极性不能接反 4. 输出端对地绝对不能短路