实验1高精度线性直流稳压电源0904.doc

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1、 实验1 高精度线性直流稳压电源 1.1 概述 任何电子设备都有一个共同的电路电源电路。电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。 根据调整管的工作状态，通常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关型稳压电源。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；但效率较低；发

2、热量大（尤其是大功率电源）。 1.2 电路结构原理 直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。电路结构如图1-1所示，首先整流变压器把市电交流电压变为整流所需要的低压交流电；整流电路将交流电变为单向脉动的直流电；滤波电路再减小整流电压的脉动成分；稳压电路把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。 图1-1 直流稳压电源结构 下面从整流电路开始分析线性直流稳压电源的工作原理。1.2.1 整流电路 将交流电转换成脉动直流电的电路称为整流电路。按整流元件的特性整流电路可分为可控整流和不可控整流，按输入电源相数可分为单相整流和多相整流，按输出波形又可分为半波整流和全波整流。下面

3、着重讨论用整流二极管组成的单相不可控整流电路，这类电路的特点是在一定负载情况下其输出电压平均值与输入交流电压有效值的比值不变。常见的几种单相不可控整流电路见表1-1。由表可见，半波整流电路的输出电压相对较低，且脉动较大。两管全波整流电路则需要变压器的副边绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受的最高反向电压相对较大。此外，在以上两种电路中，变压器的利用率也较低，因此应用较少，而目前广泛使用的是单相桥式整流电路。 表1-1 常见的单相不可控整流电路类型 整流电路整流电压的波形整流电压平均值二极管电流平均值二极管承受的反向电压峰值单相半波整流0.45UIO单相全波整流0.9U单相桥式整流0.9U单相

4、桥式整流电路的工作原理如图1-2所示。设整流变压器副边电压为 当u为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管VD1、VD3处于正向偏置而导通，而VD2、VD4处于反向偏置而截止，此时电流的路径和流向如图1-2a中虚线所示；当u为负半周时， b点电位高于a点电位，二极管VD2、VD4处于正向偏置导通，而VD1、VD3则处于反向偏置截止，此时电流的路径和流向如图1-2b中虚线所示。可见，无论电压u是在正半周还是在负半周，负载电阻RL上都有电流流过，而且方向相同，因此在负载电阻RL得到单向脉动电压和电流。单相桥式整流电路的主要工作波形如图1-3所示。 (a) u正半周时 （b) u负半周时 图1-2

5、单相桥式整流电路的工作原理 (a）输入电压u的波形（b）VD1、VD3承受的反压（c) VD2、VD4承受的反压（d）输出电压和负载电流的波形 图1-3单相桥式整流电路的主要工作波形若忽略二极管正向导通压降，单相桥式整流输出电压的平均值为 （1-1）流过负载电阻RL的电流平均值为 （1-2）流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半 （1-3）每个二极管在截止时承受的反向电压为u的最大值，即 （1-4）在选择桥式整流电路的整流二极管时，为了工作可靠，应使二极管的最大整流电流，二极管的最高反向工作电压。实际应用中经常使用将4个整流二极管封装在一起的整流桥模块，这些模块只有交流输入和直流输出引脚，

6、可以减少接线，提高可靠性，使用起来非常方便。1.2.2 滤波电路整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中可直接使用，但许多电子设备或电气设备需要的是输出平稳的直流电源，在这种情况下，还需要在整流电路后面加入滤波电路将交流成分滤除。 1.2.2.1电容滤波电路 滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。最简单的电容滤波电路是在整流电路的直流输出侧并联一个电容器C，电路如图1-4所示。 现以半波整流电容滤波电路为例说明其工 图1-4 电容滤波电路作原理，如图1-5所示。 (a) 半波整流电容滤波电路 （b) 输出电压uO的波形 图1-5 半波整流电容滤波电路的工作原理图1-

7、5a所示为半波整流电容滤波电路，设电容C上的初始电压为零。在二极管VD导通时，VD中的电流一部分给负载供电，另一部分对电容C充电。如图1-5b中的0a段所示，如果忽略二极管正向压降，电容电压（即输出电压）随电源电压u按正弦规律上升，直至在a点达到u的最大值。此后，u和都开始下降，u按正弦规律下降，当时，二极管VD承受反向电压而截止，电容对负载电阻RL放电，负载中仍有电流，按指数规律由b点下降至c点。 降至d点以后，在u的下一个周期，当u又大于时，二极管再次导通，电容C再次被充电。这样循环下去，电容C周期性地充电和放电，使输出电压脉动减小。电容C放电的快慢取决于时间常数（）的大小，时间常数越大，

8、电容放电越慢，输出电压就越平稳，平均值也越高。一般用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值 （半波整流） (1-5)（全波整流） (1-6) 为了获得较平稳的输出电压，一般要求，即 (1-7)式中T为交流电源电压的周期。滤波电容C一般选择体积小，容量大的电解电容器。应该注意，普通电解电容器的引线有正、负极之分，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。 由图1-5b可见，加入滤波电容以后，二极管的导通时间缩短了，且在导通期间承受较大的冲击电流。此外，二极管承受的反向电压，当负载开路时，承受的反向电压最高，为。带电容滤波的单相不可控整流电路的输出特性如图1-6所示。由图可见，

9、无论半波整流还是全波整流，负载开路（IO=0）时的输出电压平均值UO均为。随着负载电流IO的增加，UO降低，最终趋向与无电容滤波时的整流电压（图中虚线所示）。相比之下，半波整流的UO随着负载变化下降的幅度更大。这说明电容滤波电路的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合。 图1-6 带电容滤波的单相不可控整流电路的输出特性1.2.2.2 电感滤波电路 电感滤波电路如图1-7所示，即在整流电路与负载电阻RL之间串联一个电感L，由于在电流变化时电感线圈中将产生感应电动势来阻止电流的变化，使电流脉动趋于平缓而起到滤波作用。 电感滤波适用于负载电流较大的场合。它的缺点是制作复杂，体积大，笨重且

10、存在电磁干扰。 图1-7 电感滤波电路 1.2.2.3复合滤波电路 如果单独使用电容或电感滤波的效果不能满足较高的滤波要求，则可以采用电容和电感组成的LC、CLC（型）等复合滤波电路，其电路如图1-8a、b所示。这两种滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。在负载较轻时，经常也可以采用电阻替代电感，构成如图1-8c所示的CRC（型）滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。 (a) LC滤波电路 (b) CLC滤波电路 (c) CRC滤波电路 图1-8 复合滤波电路 1.2.3 直流稳压电路大多数电子设备都需要稳

11、定的直流电压，但是经变压、整流和滤波后的直流电压往往受交流电源波动和负载变化的影响，稳定性能较差。将不稳定或不可控的直流电压变换成稳定的、固定或可调直流电压的电路称为直流稳压电路，是一种应用最广泛的直流-直流（DC-DC）变换电路。 直流稳压电路按稳压调整器件的工作状态可分为线性直流稳压电路和开关直流稳压电路两大类。前者使用简便，但转换效率低，体积大；后者体积小，转换效率高，但控制电路较复杂。1.2.3.1 线性直流稳压电路 用稳压二极管可以构成最简单的稳压电路，但这种稳压电路受稳压管最大稳定电流的限制，负载电流不能太大，而且输出电压不可调，稳定性也不够理想。线性直流稳压电路能够克服上述缺点，

12、目前广泛应用小功率的直流稳压。 1. 串联型线性稳压电路 串联型线性稳压电路的基本原理图如图1-9所示，整个电路由四部分组成： 图1-9 串联型线性稳压电路的基本原理图(1）取样环节 取样环节由、构成，它将输出电压的分压作为取样电压，送到比较放大环节。 (2）基准电压 由稳压二极管VS和限流电阻提供一个稳定的电压，作为电路稳压调整、比较的基准。 设V2的发射结电压可以忽略，则 因此 （1-8）可见，调节电位器即可调节输出电压的大小，但必须大于。 3）比较放大电路 它是由V2和R4构成的直流放大器组成，其作用是将取样电压与基准电压之差放大后去控制调整管V1(比较放大环节通常由运算放大器构成)。

13、4）调节环节 由工作在线性放大区的功率管V1组成，V1的基极电流受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流和集-射极电压改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。 电路的工作原理如下：当输入电压或输出电流变化引起输出电压增加时，取样电压相应增大，与基准电压比较后，使增大，进而使V2的基极电流和集电极电流随之增加。流经电阻R4 ，又使V2的集电极电压下降，因此V1的基极电流下降，使得下降，增加，下降，使保持基本稳定。这一过程可表示如下： 同理，当或变化使降低时，调整过程相反，将减小使保持基本不变。从上述调整过程可以看出，该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。上述串联型线性稳压电路是由分

14、立元件构成的，实际应用中经常使用的线性稳压电路已经有了集成化产品，即三端集成稳压器，简称三端稳压器。除了取样、基准电压、比较放大和调节环节以外，三端集成稳压器内还集成了过压、过流和过热保护电路。常用的串联型三端集成稳压器按输出电压是否可调分为固定输出和可调输出两类。 2. 三端固定输出集成稳压器 三端固定输出集成稳压器产品采用塑料或金属封装形式，根据输出电压极性的不同分为正电压的CW78系列和负电压输出的CW79系列。其中表示输出电压的大小，一般输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。例如CW7805输出5V电压，W7905则输出5V电压。这类三端稳压器的输出电流分为0.

15、1A、0.5A、1.5A、5A、10A几个等级，最高输入电压为35V，最小输入-输出电压差为23V，输出电压变化率为0.1%0.2%。三端稳压器上的耗散功率取决于输出电流和输入-输出电压差的乘积，必要时应加装散热器。塑料封装的三端固定输出集成稳压器（0.5A、1.5A）的外形和引线排列如图1-9所示。 (a) 78系列 (b) 79系列图1-9 塑料封装的三端固定输出集成稳压器的外形和引线排列三端固定输出集成稳压器具有体积小、使用方便、工作可靠等特点，现已成为一种标准器件，典型的应用电路有以下几种： (1）基本应用电路 图1-10为78和79系列集成稳压器的基本接线图。图中C1、C2为防振电容

16、，用来抑制稳压电路的自激振荡，一般在0.11mF之间。 (a) 78的基本接线图 (b) 79的基本接线图 图1-10 78和79系列稳压器的基本接线图 (2）提高输出电压的稳压电路 图1-11所示电路的输出电压UO高于78的固定输出电压 , 提高后的输出电压。 (3）扩大输出电流的稳压电路 当负载所需电流超过了三端集成稳压器所能提供的电流时，可通过外接功率管的方法来扩大稳压电路的输出电流，电路如图1-12所示。 图1-11提高输出电压的稳压电路 图1-12扩大输出电流的稳压电路 4）输出正、负电压的稳压电路 图1-13所示为用7815和7915组成的输出15V的稳压电路。 图1-13 用78

17、15和7915组成的输出15V的稳压电路 3. 三端可调输出集成稳压器 三端可调输出稳压器的主要特点是输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流极小，且当负载电流变换时，公共端的电流变换也极小。因此，利用这种集成稳压器，外加几个元件就可以构成精密可调的稳压或稳流电路。常用的三端可调输出集成稳压器有两个系列，CW117/217/317系列输出正电压，CW137/237/337系列输出负电压。各系列产品根据工作结温允许范围分为三类，由型号的数字字头表示。字头1表示类（ 军品级）：-55+150；字头2表示类（工业级）：-25+150；字头3表示类（民品级）：0+150。例如CW217为类产品。这

18、种集成稳压器的调压范围为1.237V，输出电流有0.1A、0.5A、1.5A三个等级。它们的封装和引线与固定输出集成稳压器类似。用CW117电路构成的可调输出稳压电路如图1-14所示。图中R和RP组成输出电压的调整电路，调节RP即可调节输出电压UO的大小，计算公式为 (1-9) 图1-14 用117构成的可调输出稳压电路 1.3 精密线性直流稳压电源实验装置 1.3.1 技术指标 实验装置实现的技术指标如下： 交流输入电压：220V 输出电压：030V (可步进选择电压1V、0.1V) 输出电流：04A (可步进选择电流0.1A、0.01A) 1.3.2 系统总体结构采用单片机控制实现高精度线

19、性直流稳压电源。实验装置主要包括：主电路、信号采集调理电路、单片机控制电路、显示电路和辅助电源等。系统总体结构如图1-15所示。 图1-15 系统总体结构1.主电路线性稳压电源主电路主要由整流变压器，桥式整流电路，电容滤波电路及串联型稳压电路组成。电路结构如图1-16所示，首先整流变压器把220V交流电压变成整流所需要的低压交流电（可调，最大30V)，然后采用全桥整流电路将交流电变为单向脉动的直流电，再采用电容滤波减小整流电压的脉动成分，最后采用串联型稳压电路输出稳定的直流电压和电流。 图1-16稳压电源主电路 2.电压信号和电流信号采集调理电路 图1-17为电压和电流信号采集调理电路。当输出

20、电压发生变化时，采集C点的电压信号，先放大，然后进行PI调节，最后通过控制调整管Q的栅源电压，从而改变Q的漏源电压实现稳定的输出电压。同理，当输出电流发生变化时，采集B点的电流信号，先放大，然后进行PI调节，最后通过控制调整管Q的栅源电压，从而改变Q的漏源电压实现稳定的输出电流。 采集调理电路还为单片机提供A/D（模数）转换信号，信号经过单片机处理后可控制输出电压和电流的大小及显示等。同时单片机提供的D/A（数模）转换信号，可作为PI调节器的基准电压，保证实现稳定的输出电压和电流。 图1-17电压和电流信号采集调理电路3. 单片机控制电路 4. 数码管动态显示电路图1-17电压和电流信号采集调理电路5. 辅助电源 图1-18 辅助电源 1.3.3 实验要求一、电路仿真实验1.主电路仿真 2. 控制电路仿真（1）电压控制（2）电流控制15