稳压电源.docx
- 文档编号:29435423
- 上传时间:2023-07-23
- 格式:DOCX
- 页数:35
- 大小:811.11KB
稳压电源.docx
《稳压电源.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《稳压电源.docx(35页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
稳压电源
稳压电源实验
一、实验目的:
1.了解桥式全波整流电路,观察和比较整流桥输出端上的电压及波形,以及经过滤波电容后的波形。
2.通过测试LM7809、LM317的输出电压,比较两种线性稳压电源的工作特点。
观察输入电容上的电压波动情况,观察输出电压值变化规律及变化情况,及纹波电压谐波分布规律,同时,改变输入滤波电容数值,观察电容参数的选择与滤波效果的关系。
3.观察LM2576开关电源的输出电压与输入电压特点,并通过在空载、轻载、重载下测输入输出电压值及波纹谐波分布、变化情况,分析线性稳压电源及开关稳压电源的特点,并进行工作效率比较。
二、实验仪器:
综合实验平台、万用表、稳压电源实验模块
三、电路原理及其模块:
稳压电源是非常重要的基础电子线路之一,承担着为各种集成电路和分立元件电子线路提供基本工作条件的任务,因而也是几乎所有电子仪器整机和部件的必备组成部分。
电子设备一般都需要直流电源供电。
这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外,大多数是采用把交流电(市电)转变为直流电的直流稳压电源。
按照工作模式,稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。
这两大类电源,都可以设计成固定输出或可调输出工作方式。
一、线性稳压电源
线性稳压电源是广泛应用的基本稳压电源,具有线路简单,设计容易,调试方便等优点。
设计线性电源的主要要求是:
(1)根据输出电压,电流选择合适的变压器,输入滤波电容器。
(2)根据调整率,波动范围的要求,设计稳压电路,配好输出滤波电容和必要的高频滤波电容等。
(3)本项设计与实验选用TO-220封装的LM7809稳压器设计固定输出稳压电源。
标称输出电压(V):
9V,最大输出电流:
1500mA,最大输入电压值(V):
35V,具有保护过流热关断功能。
55
(4)选用TO-220封装的LM317作为可调稳压器,输出电压可调范:
1.20~37V,输出最大电流:
1500mA,最大输入电压:
40V,具有保护过流热关断功能。
变压器输出电压:
交流12V,以上两种线性电源共用一组输入滤波电容器。
线性稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成,其原理框如下图示。
直流稳压电源框图
1.变压整流模块
整流方式有两种:
半波整流和全波整流。
这里主要介绍一下桥式全波整流:
全波整流
全波整流可以把完整的输入波形转成同一极性来输出。
由于充份利用到原交流波形的正、负两部份,并转成直流,因此更有效率。
桥式整流器:
下图为用1N4007型的二极管做的桥式整流:
U2的波形如下图所示:
U0的波形如下图所示
工作原理
u2正半周时,D1、D2导通,D3、D4截止;u2负半周时,D1、D2截止,D3、D4导通。
流过负载的电流方向一致的。
(2)主要参数计算
设变压器次级绕组电压为
,则主要参数计算公式见下表
三相半波整流主要参数计算公式
电路参数
计算公式
说明
输出电压平均值
输出电流平均值
通过二极管的平均电流
二极管承受的最大反向工作电压
注:
当输出端空载时,VL=1.414Ui;
当只接负载RL时,VL=0.9Ui;
电路参数的选择:
桥式整流二极管:
流经二极管的电流Id=1/2*0.9*VL/RL,二极管的最大反相电压VRM=
Ui;
整流二极管的选取原则和参数
1.IF—最大平均整流电流。
指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。
该电流由PN结的结面积和散热条件决定。
使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值,并要满足散热条件。
例如1N4000系列二极管的IF为1A。
2.VR—最大反向工作电压。
指二极管两端允许施加的最大反向电压。
若大于此值,则反向电流(IR)剧增,二极管的单向导电性被破坏,从而引起反向击穿。
通常取反向击穿电压(VB)的一半作为(VR)。
例如1N4001的VR为50V,1N4007的VR为1OOOV.
3.IR—反向电流。
指二极管未击穿时反向电流值。
温度对IR的影响很大。
例如1N4000系列二极管在100°C条件IR应小于500uA;在25°C时IR应小于5uA。
4.VR—击穿电压。
指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。
反向为软特性时,则指给定反向漏电流条件下的电压值。
5.tre—反向恢复时间。
指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。
6.fm—最高工作频率。
主要由PN结的结电容及扩散电容决定,若工作频率超过fm,则二极管的单向导电性能将不能很好地体现。
例如1N4000系列二极管的fm为3kHz。
7.CO—零偏压电容。
指二极管两端电压为零时,扩散电容及结电容的容量之和。
值得注意的是,由于制造工艺的限制,即使同一型号的二极管其参数的离散性也很大。
手册中给出的参数往往是一个范围,若测试条件改变,则相应的参数也会发生变化,例如在25°C时测得1N5200系列硅塑封整流二极管的IR小于1OuA,而在100°C时IR则变为小于500uA。
本次实验中实验板所用的整流电容为1N4007型号的,参数如下:
较强的正向浪涌承受能力:
30A
最大正向平均整流电流:
1A
最高反向耐压:
1000V
低的反向漏电流:
5uA(最大值)
正向压降:
1.0V
最大反向峰值电流:
30uA
典型热阻:
65℃/W
典型结电容:
15pF
选择二极管的基本原则
1.要求导通电压低时选锗管;要求反向电流小时选硅管。
2.要求导通电流大时选面结合型;要求工作频率高时选点接触型。
3.要求反向击穿电压高时选硅管。
4.要求耐高温时选硅管。
2.滤波模块
整流电路的输出电压不是纯粹的直流,从示波器观察整流电路的输出,与直流相差很大,波形中含有较大的脉动成分,称为纹波。
为获得比较理想的直流电压,需要利用具有储能作用的电抗性元件(如电容、电感)组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。
常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。
无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。
有源滤波的主要形式是有源RC滤波,也被称作电子滤波器。
直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示,此值越大,则滤波器的滤波效果越差。
脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值/输出电压的直流分量
半波整流输出电压的脉动系数为S=1.57,全波整流和桥式整流的输出电压的你动系数S≈O.67。
对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后,其脉动系数S=1/(4(RLC/T-1)。
(T为整流输出的直流脉动电压的周期)
无源滤波器由LC等被动元件组成,将其设计为某频率下极低阻抗,对相应频率谐波电流进行分流,其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道;而有源滤波器由电力电子元件和DSP等构成的电能变换设备,检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流,补偿后的源电流几乎为纯正弦波,其行为模式为主动式电流源输出。
(1)电阻滤波电路
RC-π型滤波电路,实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。
如下图RC滤波电路。
若用S表示C1两端电压的脉动系数,则输出电压两端的脉动系数S=(1/ωC2R)S。
由分析可知,作用是将残余的纹波电压降落在电阻两端,最后由C2再旁路掉。
在ω值一定的情况下,R愈大,C2愈大,则脉动系数愈小,也就是滤波效果就越好。
而R值增大时,电阻上的直流压降会增大,这样就增大了直流电源的内部损耗;若增大C2的电容量,又会增大电容器的体积和重量,实现起来也不现实。
这种电路一般用于负载电流比较小的场合.
C-R-C或RC-π型电阻滤波脉动系数S=(1/ωC2R')S'
(2)电感滤波电路
根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同,由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图1所示。
因为电容器C对直流开路,对交流阻抗小,所以C并联在负载两端。
电感器L对直流阻抗小,对交流阻抗大,因此L应与负载串联。
无源滤波电路的基本形式
a.电容滤波
b.L-C电感滤波
c.π型滤波或叫C-L-C滤波
并联的电容器C在输入电压升高时,给电容器充电,可把部分能量存储在电容器中。
而当输入电压降低时,电容两端电压以指数规律放电,就可以把存储的能量释放出来。
经过滤波电路向负载放电,负载上得到的输出电压就比较平滑,起到了平波作用。
若采用电感滤波,当输入电压增高时,与负载串联的电感L中的电流增加,因此电感L将存储部分磁场能量,当电流减小时,又将能量释放出来,使负载电流变得平滑,因此,电感L也有平波作用。
利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点,在整流电路的负载回路中串联一个电感,使输出电流波形较为平滑。
因为电感对直流的阻抗小,交流的阻抗大,因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。
电感滤波缺点是体积大,成本高。
桥式整流电感滤波电路如图2所示。
电感滤波的波形图如图2所示。
根据电感的特点,当输出电流发生变化时,L中将感应出一个反电势,使整流管的导电角增大,其方向将阻止电流发生变化。
电感滤波电路
在桥式整流电路中,当u2正半周时,D1、D3导电,电感中的电流将滞后u2不到90°。
当u2超过90°后开始下降,电感上的反电势有助于D1、D3继续导电。
当u2处于负半周时,D2、D4导电,变压器副边电压全部加到D1、D3两端,致使D1、D3反偏而截止,此时,电感中的电流将经由D2、D4提供。
由于桥式电路的对称性和电感中电流的连续性,四个二极管D1、D3;D2、D4的导电角θ都是180°,这一点与电容滤波电路不同。
电感滤波电路波形图
已知桥式整流电路二极管的导通角是180°,整流输出电压是半个半个正弦波,其平均值约为0.9U2。
电感滤波电路,二极管的导通角也是180°,当忽略电感器L的电阻时,负载上输出的电压平均值也是0.9U2。
如果考虑滤波电感的直流电阻R,则电感滤波电路输出的电压平均值为
要注意电感滤波电路的电流必须要足够大,即RL不能太大,应满足wL>>RL,此时IO(AV)可用下式计算
由于电感的直流电阻小,交流阻抗很大,因此直流分量经过电感后的损失很小,但是对于交流分量,在wL和上分压后,很大一部分交流分量降落在电感上,因而降低了输出电压中的脉动成分。
电感L愈大,RL愈小,则滤波效果愈好,所以电感滤波适用于负载电流比较大且变化比较大的场合。
采用电感滤波以后,延长了整流管的导电角,从而避免了过大的冲击电流。
电容滤波原理详解
(3)空载时的情况
当电路采用电容滤波,输出端空载,如图(a)所示,设初始时电容电压uC为零。
接入电源后,当u2在正半周时,通过D1、D3向电容器C充电;当在u2的负半周时,通过D2、D4向电容器C充电,充电时间常数为
(a)电路图 (b)波形图
空载时桥式整流电容滤波电路
式中包括变压器副边绕组的直流电阻和二极管的正向导通电阻。
由于一般很小,电容器很快就充到交流电压u2的最大值,如波形图(b)的时刻。
此后,u2开始下降,由于电路输出端没接负载,电容器没有放电回路,所以电容电压值uC不变,此时,uC>u2,二极管两端承受反向电压,处于截止状态,电路的输出电压
,电路输出维持一个恒定值。
实际上电路总要带一定的负载,有负载的情况如下。
(4)带载时的情况
图5给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。
接通交流电源后,二极管导通,整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。
在时刻,即达到u290°峰值时,u2开始以正弦规律下降,此时二极管是否关断,取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。
先设达到90°后,二极管关断,那么只有滤波电容以指数规律向负载放电,从而维持一定的负载电流。
但是90°后指数规律下降的速率快,而正弦波下降的速率小,所以超过90°以后有一段时间二极管仍然承受正向电压,二极管导通。
随着u2的下降,正弦波的下降速率越来越快,uC的下降速率越来越慢。
所以在超过90°后的某一点,例如图5(b)中的t2时刻,二极管开始承受反向电压,二极管关断。
此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流,直至下一个半周的正弦波来到,u2再次超过uC,如图5(b)中的t3时刻,二极管重又导电。
以上过程电容器的放电时间常数为
为了得到平缓的负载电压,一般取
,式中T为电源交流电压的周期。
大电容滤低频波,小电容滤高频波,所以经常采用大电容并联小电容的方式来滤波。
在实验中,当负载电阻不变时,随着电容C容量的增大,曲线变得越来越平滑,但这种方法有一定的片面性,单纯靠增大滤波电容对改善波形和提升直流电压值的作用已十分有限,而且随着电容C容量的增大,电路接通后进入稳态的时间也随之增长;同时,随着滤波电容容量的增大,流经电路的冲击电流也不断增大,如果不注意冲击电流的变化,而一味地增大滤波电容的容量,以此来获得更好的电压输出波形,则必然会导致因冲击电流过大,而损坏电流流经的元器件,否则,为保障整个电路的安全,我们不得不提高其他元器件的指标,这样就使电路的成本大幅增加。
因此,为使整流滤波电路能达到最高性价比,必须选取一个能和负载电阻R匹配的电容值,这样,既能使电路的输出电压达到要求,又不提高其他元器件的性能指标,使电路达到最佳的性价比。
2(a)电路图 (b)波形图
图5带载时桥式整流滤波电路
(5)有源滤波-电子电路滤波
电阻滤波本身有很多矛盾,电感滤波成本又高,故一般线路常采用有源滤波电路,电路如下图它是由C1、R、C2组成的π型RC滤波电路与有源器件晶体管T组成的射极输出器连接而成的电路。
由下图可知,流过R的电流IR=IE/(1+β)=IRL/(1+β)。
流过电阻R的电流仅为负载电流的1/(1+β).所以可以采用较大的R,与C2配合以获得较好的滤波效果,以使C2两端的电压的脉动成分减小,输出电压和C2两端的电压基本相等,因此输出电压的脉动成分也得到了削减。
从RL负载电阻两端看,基极回路的滤波元件R、C2折合到射极回路,相当于R减小了(1+β)倍,而C2增大了(1+β)倍。
这样所需的电容C2只是一般RCπ型滤波器所需电容的1/β,比如晶体管的直流放大系数β=50,如果用一般RCπ型滤波器所需电容容量为1000μF,如采用电子滤波器,那么电容只需要20μF就满足要求了。
采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果,因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中。
3、线性电源稳压模块:
(1)7809固定稳压器稳压
三端固定集成稳压器在使用时,首先要根据输入电压的正、负选择7800系列或7900系列。
7800系列是正稳压器,7900系列是负稳压器,它们的输出电压分别是+5V~+24V和-5V~-24V。
输出电流有0.1A、0.5A、1.5A。
7809稳压模块是将输入直流电压转化为9V并输出,芯片连接方式如左上图。
内部原理及详细介绍见附录.
(1)LM317稳压块
LM317是一种输出可调式集成稳压器芯片。
LM317的输出电压范围是1.2V至37V,负载电流最大为1.5A。
它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。
LM317标准应用电路图如下;
其内部简化原理图见附录:
它的内部电路有比较放大器、偏置电路(图中未画出)、恒流源电路和带隙基准电压VREF等,它的公共端改接到输出端,器件本身无接地端。
所以消耗的电流都从输出端流出,内部的基准电压(约1.2V)接至比较放大器的同相端和调整端之间。
若接上外部的调整电阻R1、R2后,输出电压为
LM317的VREF=1.2V,Iadj=50uA,由于调整端电流Iadj< 由上可知,通过改变外部输出电阻的大小,进一步调节输出电压,进而得到实验所用的直流电源。 线性稳压电源电路总原理图 二、开关稳压电源: 与线性稳压电源相比,开关稳压电源具有效率高,体积小,重量轻等优点。 因为它的调整管工作在饱和和截至状态,因而发热量小,效率高(通常可以达到75%以上,最大可以超过95%)省掉了体积庞大而笨重的变压器。 但开关电源输出的直流上面会带有较大的高频纹波,另外由于开关管工作是会产生很大的尖峰脉冲干扰,也需要在电路中串连电感加以改善。 相对而言线性电源就没有以上缺陷,它的纹波可以做的很小(5mV以下)。 原理框图如下,变压整流部分同上: 稳压模块如下: 输出电压可变设计: LM2576输出电压可调电路原理如图2所示。 图2 LM2576内部原理图如下: 稳压器控制端4脚接于电位器W1和电阻R1及电阻R2组成的分压电路上,作为内部反馈电压,Vf=(R1+W11)/(R1+W1R2),改变W1即可改变分压比,就能调节其反馈电压大小。 Vf与Vre经比较放大器比较,当其相等时,输出为0,当。 Vf 输出电压: Vo=Vi*Q; 因为该电路采用输出端电压反馈调节脉冲宽度,因此输出电压具备一定的自动调节功能! 其总电路原理图如下: 四、实验步骤: 1.在P1、P3接入两个功率大于4W的负载电阻R,测量T2测试点的峰值电压。 为了使实验现象明显,选择电阻值稍小的的电阻。 2.先将开关S6、S7打向LM7809稳压器(S7向外,S6向里),空载时,观察T1、T2、T3测试点及OUT1的波形,依次闭合S2、S3、S4、S5,观察OUT1波形变化情况,并记录输出电压UP1。 负载时,再观察T1、T2、T3测试点及OUT1的波形,依次闭合S2、S3、S4、S5,观察OUT1的波形变化情况,并测出UP1。 3.再将开关S6、S7打向LM317线性可调稳压器,调节W2电位器,当输出电压为最大,空载时,观察T1、T2、T3测试点及OUT1的波形,依次闭合S2、S3、S4、S5,观察OUT1波形变化情况,并记录UP1。 负载时,用示波器观察T1、T2、T3测试点及OUT1的波形,依次闭合S2、S3、S4、S5,观察OUT1波形变化情况,并记录UT3。 负载时,再调节W2电位器,当输出电压为6V时,依次闭合S2、S3、S4、S5,并观察OUT1的波形,比较两次过程的电源稳压效果。 4.测T3测试点的稳压输出电压,并观察T3及OUT2的波形,并调节W1电位器,当输出电压为最大,空载时,再观察T3测试点及OUT2波形。 负载时,继续观察T3测试点及OUT2的波形。 负载时,再调节W1电位器,当输出电压为6V,观察OUT2波形变化情况,比较线性与开关电源效率。 (T1检测整流桥输出电压,T2检测经过滤波电容滤波后的电压,T3检测开关集成稳压器输出有效电压,OUT1、OUT2分别检测线性稳压器输出及开关集成稳压器输出电压。 ) 五、分析实验结果: 分别使开关S2,S3,S4,S5导通,分别测量输出端T1,T2,T3有效值,并画出其波形图: 一.LM7809稳压电路; 1、输出端空载时 测量端 S2 S3 S4 S5 T1 T2 T3 2、输出端轻载时 测量端 S2 S3 S4 S5 T1 T2 T3 3、输出端重载时 测量端 S2 S3 S4 S5 T1 T2 T3 二,LM317稳压电路: 1、输出端空载时 测量端 S2 S3 S4 S5 T1 T2 T3 2、输出端轻载时 测量端 S2 S3 S4 S5 T1 T2 T3 3、输出端重载时 测量端 S2 S3 S4 S5 T1 T2 T3 六、注意事项: 注意: 通电后,查看各器件有无发烫或短路现象,若有则停止实验,待查明原因处理后再实验。 LM7809在电路中应注意以下事项: 1、输入输出压差不能太大,一般控制在7-12V,输入电压越高输出就越稳定,但实际变化不大,太高了损耗太大要加大散热片,而且容易击穿损坏; 2、输入输出压差也不能太小,否则无法保证输出电压达到9V,输出电压波纹也会急剧增加。 一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V,否则不能输出稳定的电压,一般应使电压差保持在4-5V。 3、输出电流不能太大,1.5A是其极限值。 大电流的输出,散热片的尺寸要足够大,否则会导致高温保护或热击穿; 4、注意三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错,不然容易烧坏。 5、使用中应避免输出端短路,尤其是当输出电压较高,输出电流较大时,有可能造成开关稳压器损坏。 LM317在电路中应注意以下事项: 1,要外接旁路电容。 在输入端接一只0.1 F瓷介电容对所有应用都适合。 在调节端加滤波电容可阻止当输出电压增大时纹波被放大。 采用10 F滤波电容可将纹波抑制80dB。 LM317输出端可以不用滤波电容就能稳定工作,但像任何反馈电路一样,输出端外接负载中电容的某些值可能引起过度的减幅振荡。 这种振荡发生在电容量为500-5000pF的电容之间,因此在LM317输出端采用滤波电容,就可阻塞这种效应,一般在输出端接25 F铝电容,以保证电路的稳定。 2,提高负载调整率。 负载调整率指当芯片温度不变而负载电流变化时输出的电压的变化。 LM317可以提供极好的负载调整率,但如果将调整端至输出端的设定电阻接在靠近负载端,则负载调整率将成倍变坏。 设计者在布置印刷电路板时一定要考虑到这一点,应将电阻接在芯片的输出端。 3,要采用保护二极管,保护二极管应选用能经受瞬间大电流冲击的管子。 大多数10F电容器都具有低的内部串联电阻,在短路时足以提供20A的尖峰电流,虽然这种冲击电流是短暂的,但有足够的能量造成元件的损坏。 应选用1N4000系列的二极管。 七、附录: (一)三端固定集成稳压器 三端固定集成稳压器在使用时,首先要根据输入电压的正、负选择7800系列或7900系列。 7800系列是正稳压器,7900系列是负稳压器,它们的输出电压分别是+5V~+24V和-5V~-24V。 输出电流有0.1A、0.5A、1.5A。 以W7800三端稳压器为例: W7800为固定式稳压电路,其输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等档级。 最后两位数表示输出电压值。 输出电流分1.5A(W7800)、0.5A(W
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 稳压电源