串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作[1]

1、串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作,信息與電子工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?理論基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)電路,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?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(shè)計(jì)與制作；3．掌握串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電源主要技術(shù)指標(biāo) 的測(cè)試方法。,理論基礎(chǔ),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(shí)間變化的脈動(dòng)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(huì)隨交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變動(dòng)而變化。在對(duì)直流供電要求較高的場(chǎng)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(chǔ),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(dòng)直流電的過(guò)程。常見(jiàn)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(gè)二極管接成電橋形式，其電路及工作過(guò)程如圖10.1.2 所示： 在變壓器副邊電壓的正半周， D1、D3 導(dǎo)通，D2、D4 截止，電流i1 方向如實(shí)線箭頭所示。在電壓的負(fù) 半周時(shí)，電流i2 方向如虛線箭頭所示。 在交流電

4、壓u2 的一個(gè)周期內(nèi)， 二極管D1、D3 和D2、D4 輪流導(dǎo)通和 截止，在負(fù)載RL上就得到了一個(gè)單方 向的全波脈動(dòng)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(gè)二極管所承受的最大反向電壓為 ，通過(guò)的電流為負(fù)載電流IL 的一半。,,,理論基礎(chǔ),2．濾波電路 整流

5、得到的輸出電壓是單向脈動(dòng)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(jìn)行濾波。濾波是利用電容、電感元件對(duì)直流、交流電呈現(xiàn)不同阻抗的特點(diǎn)，消除脈動(dòng)直流中的交流成分。濾波電路有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波等，這里采用電容濾波電路。 在整流電路的負(fù)載RL 上并聯(lián)一個(gè)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(shí)，輸出電壓的脈動(dòng)程度與電容器的放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC 有關(guān)系，τ 大

6、一些，脈動(dòng)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(shí)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(yīng)大于輸出電壓的最大值，通常采用電解電容器。,,,理論基礎(chǔ),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(shè)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(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、元件少，適用于負(fù)載電流較小，穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合； RL 是負(fù)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(dāng)負(fù)載電流IL 在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，也由于穩(wěn)壓二極管電流IZ 的補(bǔ)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(yīng)用廣泛。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,理論基礎(chǔ),圖 10.1.4 是一個(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǔn)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(chǔ),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(guò)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(qiáng)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(zhǔn)電壓電路、比較放大器、調(diào)整管。,,,理論基礎(chǔ),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。基準(zhǔn)電壓電路：由穩(wěn)壓管Dz 和限流電阻R3 構(gòu)成，從中取得基準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。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(zhǔn)電壓Uz 之差。將這個(gè)電壓差值放大后去控制調(diào)整管T1。R4 是T2 的集電極負(fù)載電阻，同時(shí)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(hào)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(chǔ),（1）當(dāng)輸入電壓變化， 負(fù)載電流保持不變 當(dāng)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(guò)程可以表示如下： Uo Ube2 Ib2 Ic2 Uce2 Ube1 Ib1 Ic1 Uce1

14、 Uo （2）負(fù)載電流變化，輸入電壓保持不變 負(fù)載電流IL的增加，必然會(huì)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(guò)程可表示為： Uo Ube2 Ib2 Ic2 Uce2 Ube1 Ib1 Ic1 Uce1 Uo,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

15、,,,,,,,,,,,,,,理論基礎(chǔ),5. 穩(wěn)壓電源的主要性能指標(biāo) (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(dāng)輸入電壓UI（指穩(wěn)壓電路輸入電壓）保持不變，由于負(fù)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(chǔ),(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(dāng)負(fù)載保持不變，輸出電壓相對(duì)變化量與輸入電壓相對(duì)變化量之比，即 由于工程上常把電網(wǎng)電壓波動(dòng)±10％做為極限條件，因此也有將此時(shí)輸出電壓的相對(duì)變化 ΔUo/Uo 作為衡量指標(biāo)，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(fù)載條件下，輸出電壓中所含交流分量的有效值（或峰值）。,,實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)和

17、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì) 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(shí)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(zhǔn)電壓DW、R3 和過(guò)流保護(hù)電路T3

18、管及電阻R4、R5、R6 等組成, 其穩(wěn)壓過(guò)程為： 當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)引起輸出直流電壓發(fā)生變化時(shí)，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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)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(bǔ)償輸出電壓的變化，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。,實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,由于在穩(wěn)壓電路中， 調(diào)整管與負(fù)載串聯(lián)， 因此流過(guò)它的電流 與負(fù)載電

19、流一樣大。 當(dāng)輸出電流過(guò)大或 發(fā)生短路時(shí)，調(diào)整 管會(huì)因電流過(guò)大或電壓過(guò)高而損壞，所以需要對(duì)調(diào)整管加以保護(hù)。 在圖10.1.6電路中，晶體管T3、R4、R5、R6 組成限流型保護(hù)電路。當(dāng)開(kāi)始起保護(hù)時(shí)，輸出電流會(huì)減小，輸出電壓降低。故障排除后保護(hù)電路應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)正常工作。 在調(diào)試時(shí)，若保護(hù)提前作用，應(yīng)減少R6 值；若保護(hù)作用滯后，則應(yīng)增大R6 之值。,,,,實(shí)驗(yàn)電

20、路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求 本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)任務(wù)就是采用分立元器件設(shè)計(jì)一臺(tái)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。其功能和技術(shù)指標(biāo)如下： （1）輸出電壓Uo 可調(diào)：5~10V； （2）輸出額定電流Io=80mA； （3）過(guò)載電流保護(hù)：輸出電流為90mA 時(shí)，限流保護(hù)電路工作。 1．根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)電路、選擇合適的元器件、畫(huà)出電路原理圖； 2．合理布置元器件和電路線、設(shè)計(jì)并制作電路板；

21、 3．焊接安裝元器件、然后進(jìn)行調(diào)試； 4．測(cè)試主要性能指標(biāo)，與設(shè)計(jì)任務(wù)要求作對(duì)照，進(jìn)行分析； 5．分析討論實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的故障及其排除方法。,實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn),1．串聯(lián)型穩(wěn)壓電源調(diào)試要點(diǎn) 電路焊接完成后，應(yīng)作仔細(xì)檢查，防止錯(cuò)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(fù)載開(kāi)路，斷開(kāi)保護(hù)電路（調(diào)節(jié)電位器使R6為0），測(cè)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(shuō)明穩(wěn)壓電路各反饋環(huán)路工作基本正常。 否則，說(shuō)明穩(wěn)壓電路有故障。此時(shí)可分別檢查基準(zhǔn)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(jìn)行下一步測(cè)試。,實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn),2

23、．穩(wěn)壓電源性能測(cè)試要點(diǎn) (1)測(cè)量輸出電壓可調(diào)范圍 接入負(fù)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(cè)量輸出電壓可調(diào)范圍Uomin～Uomax。 (2)測(cè)量各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn) 調(diào)節(jié)輸出電壓Uo＝10V，輸出電流Io＝80mA，測(cè)量三極管T1、T2、T3 的靜態(tài)工作點(diǎn)。 (3)測(cè)

24、量輸出電阻Ro 改變負(fù)載，在空載、 Io 為50mA 和80mA情況下，測(cè) 量相應(yīng)的Uo 值，據(jù)所測(cè)值，計(jì)算輸出電阻。 (4)測(cè)量輸出紋波電壓 Uo＝10V，Io＝80mA時(shí)，測(cè)量輸出紋波電壓。,,(5)測(cè)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(dòng)），分別測(cè)量UI上下

25、變化10%時(shí)，輸出直流電壓Uo，計(jì)算穩(wěn)壓系數(shù)S。,實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn),3．調(diào)整過(guò)流保護(hù)電路 (1)接上保護(hù)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(shí)保護(hù)電路應(yīng)不起作用。測(cè)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(cè)出保護(hù)起作用時(shí)T3 管各極的電壓值。 若保護(hù)作用過(guò)早或遲后，可反復(fù)對(duì)R6 之值進(jìn)行調(diào)整。