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) <0 0-30 30-80 80-00 效率 0.6 0.7 0.8 0.85 3 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
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 - 4 - + 3 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
() 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 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
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
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
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
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