串联型直流稳压电源的设计与制作PPT课件.ppt

串联型直流稳压电源的设计与制作 信息与电子工程实验教学中心 1 直流稳压电源的设计与调试 实验目的理论基础实验电路设计和实验内容实验操作要点实验仪器和实验电路 2 实验目的 1 研究桥式整流 电容滤波电路的特性 2 掌握带有放大环节的串联型晶体管稳压电源的设计与制作 3 掌握串联型晶体管稳压电源主要技术指标的测试方法 3 理论基础 直流稳压电源由电源变压器 整流 滤波和稳压电路四部分组成 其原理方框图如图10 1 1所示 电网供给的交流电压u1 220V 50Hz 经电源变压器降压后 得到符合电路需要的交流电压u2 然后由整流电路变换成方向不变 大小随时间变化的脉动电压u3 再用滤波器滤去其交流分量 就可得到比较平直的直流电压uI 但这样的直流电压 还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化 在对直流供电要求较高的场合 还需要使用稳压电路 以保证输出的直流电压更加稳定 4 理论基础 1 整流电路整流是利用二极管的单向导电性 把交流电转换成脉动直流电的过程 常见的整流电路有半波 全波 桥式和倍压整流等几种形式 桥式整流电路由四个二极管接成电桥形式 其电路及工作过程如图10 1 2所示 在变压器副边电压的正半周 D1 D3导通 D2 D4截止 电流i1方向如实线箭头所示 在电压的负半周时 电流i2方向如虚线箭头所示 在交流电压u2的一个周期内 二极管D1 D3和D2 D4轮流导通和截止 在负载RL上就得到了一个单方向的全波脉动电压和电流 该电路输出的电压平均值 U0 0 9U2 输出的电流平均值 Io U0 RL 0 9U2 RL 而每个二极管所承受的最大反向电压为 通过的电流为负载电流IL的一半 5 理论基础 2 滤波电路整流得到的输出电压是单向脉动电压 其中除了直流分量外 还包括了不少交流分量 因此 为了获得平滑的直流电 必须进行滤波 滤波是利用电容 电感元件对直流 交流电呈现不同阻抗的特点 消除脉动直流中的交流成分 滤波电路有电容滤波 电感滤波和复式滤波等 这里采用电容滤波电路 在整流电路的负载RL上并联一个容量较大的电容器 就构成了电容滤波电路 采用电容滤波时 输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数 RLC有关系 大一些 脉动就小一些 为了得到比较平直的输出电压 一般要求 式中T是交流电源电压的周期 这时输出的直流电压平均值近似为 Uo 1 2U2 滤波电容的数值一般在几十微法到几千微法 其耐压应大于输出电压的最大值 通常采用电解电容器 6 理论基础 3 稳压电路为了得到稳定的直流输出电压 在整流滤波电路之后需要增加稳压电路 在小功率电源设备中 常用稳压电路有两种 稳压二极管组成的稳压电路 其优点是电路简单 元件少 适用于负载电流较小 稳定度要求不高的场合 RL是负载电阻 DZ是硅稳压二极管 R是限流电阻 限流电阻R与DZ配合起稳压作用 ViVo IZ IIRVoViVo IZ IIRVo当负载电流IL在一定范围内变化时 也由于稳压二极管电流IZ的补偿 使Vo基本保持不变 三极管组成的串联型稳压电路 这种电路可得到稳定度很高的输出电压 并且输出电压可以调节 又可以输出较大的电流 应用广泛 7 理论基础 图10 1 4是一个简单的串联型稳压电路 三极管作为调整元件 叫做调整管 调整管的 足够大 工作在放大区 电阻R和稳压管Dz组成简单的稳压管稳压电路 接到调整管的基极 使基极电压Ub Uz保持恒定 此电压称为基准电压 该电路的输出电压Uo Uz Ube Uo的值取决于稳压管的稳定电压Uz 如果要改变输出电压 就要更换稳压管 用输出电压直接去控制调整管的基极电流 控制作用不明显 稳压效果较差 为提高稳定度 可以采用带有放大环节的串联稳压电路 8 理论基础 4 带放大环节的串联型稳压电路带放大环节的串联型晶体管稳压电路 将输出电压的变化量 Uo通过直流放大器放大后 再去控制调整管 使微小的输出电压变化量产生很强的调整作用 从而大大提高了输出电压的稳定性 该稳压电路如图10 1 5 包括以下四部分 取样电路 基准电压电路 比较放大器 调整管 9 理论基础 取样电路 由R1 R2和Rp组成的电阻分压器 将输出电压Uo的一部分取出 送到比较放大器T2的基极 基准电压电路 由稳压管Dz和限流电阻R3构成 从中取得基准电压Uz 它是一稳定性较高的直流电压 作为调整 比较的标准 比较放大器 由晶体管T2构成的直流放大电路 它的基 射极电压Ube2是取样电压Uf与基准电压Uz之差 将这个电压差值放大后去控制调整管T1 R4是T2的集电极负载电阻 同时也是T1的基极偏置电阻 调整管 由工作在线性区的功率管T1组成 它的基极电流受比较放大器T2集电极输出信号控制 只要控制基极电流Ib1 就可以改变集 射极之间的电压Uce1 从而调整输出电压Uo 10 理论基础 1 当输入电压变化 负载电流保持不变当输入电压Ui升高 必然使输出电压Uo有所增加 取样电压Uf随之增大 T2的基 射极电压Ube2增大 其基极电流Ib2增大 集电极电流Ic2增大 集 射极电压Uce2减小 使T1的Ube1 Ube1 Ub1 Uo Uz Uce2 Uo 减小 Uce1增大 输出电压Uo下降 使之保持稳定 其调整过程可以表示如下 UoUbe2Ib2Ic2Uce2Ube1Ib1Ic1Uce1Uo 2 负载电流变化 输入电压保持不变负载电流IL的增加 必然会使输入电压Ui有所减小 输出电压Uo必然有所下降 则调整过程可表示为 UoUbe2Ib2Ic2Uce2Ube1Ib1Ic1Uce1Uo 11 理论基础 5 稳压电源的主要性能指标 1 输出电压Uo和输出电压调节范围调节RP可以改变输出电压Uo 2 输出电流 3 输出电阻Ro输出电阻Ro定义为 当输入电压UI 指稳压电路输入电压 保持不变 由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比 即 12 理论基础 4 稳压系数S 电压调整率 稳压系数定义为 当负载保持不变 输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比 即由于工程上常把电网电压波动 10 做为极限条件 因此也有将此时输出电压的相对变化 Uo Uo作为衡量指标 称为电压调整率 5 纹波电压输出纹波电压是指在额定负载条件下 输出电压中所含交流分量的有效值 或峰值 13 实验电路设计和实验内容 实验电路设计图10 1 6是采用带有放大环节的串联稳压电路实例 输出额定电流Io 100mA 输出电压Uo可调范围5 12V 其整流部分为单相桥式整流 电容滤波电路 稳压部分为串联型稳压电路 它由调整元件 晶体管T1 比较放大器T2 R7 取样电路R1 R2 RW 基准电压DW R3和过流保护电路T3管及电阻R4 R5 R6等组成 其稳压过程为 当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时 取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器 并与基准电压进行比较 产生的误差信号经T2放大后送至调整管T1的基极 使调整管改变其管压降 以补偿输出电压的变化 从而达到稳定输出电压的目的 14 实验电路设计和实验内容 由于在稳压电路中 调整管与负载串联 因此流过它的电流与负载电流一样大 当输出电流过大或发生短路时 调整管会因电流过大或电压过高而损坏 所以需要对调整管加以保护 在图10 1 6电路中 晶体管T3 R4 R5 R6组成限流型保护电路 当开始起保护时 输出电流会减小 输出电压降低 故障排除后保护电路应能自动恢复正常工作 在调试时 若保护提前作用 应减少R6值 若保护作用滞后 则应增大R6之值 15 16 实验电路设计和实验内容 实验任务要求本实验的设计任务就是采用分立元器件设计一台串联型稳压电源 其功能和技术指标如下 1 输出电压Uo可调 5 10V 2 输出额定电流Io 80mA 3 过载电流保护 输出电流为90mA时 限流保护电路工作 1 根据任务要求设计电路 选择合适的元器件 画出电路原理图 2 合理布置元器件和电路线 设计并制作电路板 3 焊接安装元器件 然后进行调试 4 测试主要性能指标 与设计任务要求作对照 进行分析 5 分析讨论实验中出现的故障及其排除方法 17 实验操作要点 1 串联型稳压电源调试要点电路焊接完成后 应作仔细检查 防止错焊 虚焊 短路等情况存在 然后再通电 先将稳压器输出端负载开路 断开保护电路 调节电位器使R6为0 测量整流电路输入电压U2 滤波电路输出电压UI及输出电压Uo 调节电位器RW 观察Uo的大小和变化情况 如果Uo能跟随RW线性变化 这说明稳压电路各反馈环路工作基本正常 否则 说明稳压电路有故障 此时可分别检查基准电压UZ 输入电压UI 输出电压Uo 以及比较放大器和调整管各电极的电压 主要是Ube和Uce 分析它们的工作状态是否都处在线性区 从而找出不能正常工作的原因 排除故障以后就可以进行下一步测试 18 实验操作要点 2 稳压电源性能测试要点 1 测量输出电压可调范围接入负载RL 先将电位器调到最大220 再接入 调节电位器RW U0 10V 并调节RL 使输出电流Io 80mA 再调节电位器RW 测量输出电压可调范围Uomin Uomax 2 测量各级静态工作点调节输出电压Uo 10V 输出电流Io 80mA 测量三极管T1 T2 T3的静态工作点 3 测量输出电阻Ro改变负载 在空载 Io为50mA和80mA情况下 测量相应的Uo值 据所测值 计算输出电阻 4 测量输出纹波电压Uo 10V Io 80mA时 测量输出纹波电压 19 5 测量稳压系数S在输出电压Uo 10V 电流Io 80mA 记录变压器的输出值U1 断电后 重新连接电路 接入调压器 调节调压器 模拟电网电压波动 分别测量UI上下变化10 时 输出直流电压Uo 计算稳压系数S 20 实验操作要点 3 调整过流保护电路 1 接上保护回路 调节电位器 使R6为某一值 调节RW及RL 使Uo 10V Io