实验八直流稳压电源(2学时) 1实验目的 1.了解线性直流稳压电源的组成及各部分的作用。 2.掌握整流电路的工作原理，观察滤波器的效果。 3.掌握集成稳压器的工作原理和使用方法。 4.了解开关电源的工作原理。 2实验原理 直流稳压电源是一种性能接近理想电压源的直流电源，分为线性稳压电源和开关稳压电 源两大类。 1.线性稳压电源 线性稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路几部分组成如图81所示。 交流电源 变压 整流 滤波 稳压 直流负载 器 电路 电路 电路 图81直流稳压电源主要功能模块 变压器的一次侧一般为220V工频交流，其二次侧电压根据所需直流电压的大小通过选 择适当的变压器的变比来得到。整流电路利用二极管的单向导电性将交流电变换成脉动直流 电，利用滤波电路将脉动直流电压滤为较为平滑的直流电压。由于整流、滤波电路输出的直 流电压稳定性较差，当电网电压波动或负载变化时输出电压也随之变化。若采用稳压电路后， 输出电压的稳定程度将大为提高。 本实验的电路原理电路如图8-2和图8-3所示。图8-2为一单极性输出+12V的稳压电 220N/15V 整流。 220V/1-250W 稳压2 mA 木D2 S3 7812 C3 木D3木D4 图8-2直流稳压电源电路 源，整流采用桥式全波整流电路，滤波电路由电容C1构成，稳压电路采用三端集成稳压器 构成。4是经变压器降压，有效值约为20V的正弦交流电压。当开关S2打向1（不接稳压
实验八 直流稳压电源（2 学时） 1 实验目的 1. 了解线性直流稳压电源的组成及各部分的作用。 2. 掌握整流电路的工作原理，观察滤波器的效果。 3. 掌握集成稳压器的工作原理和使用方法。 4. 了解开关电源的工作原理。 2 实验原理 直流稳压电源是一种性能接近理想电压源的直流电源，分为线性稳压电源和开关稳压电 源两大类。 1．线性稳压电源 线性稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路几部分组成如图 8-1 所示。 变压 器 整流 电路 滤波 电路 稳压 电路 交流电源 直流负载 图 8-1 直流稳压电源主要功能模块 变压器的一次侧一般为 220V 工频交流，其二次侧电压根据所需直流电压的大小通过选 择适当的变压器的变比来得到。整流电路利用二极管的单向导电性将交流电变换成脉动直流 电，利用滤波电路将脉动直流电压滤为较为平滑的直流电压。由于整流、滤波电路输出的直 流电压稳定性较差，当电网电压波动或负载变化时输出电压也随之变化。若采用稳压电路后， 输出电压的稳定程度将大为提高。 本实验的电路原理电路如图 8-2 和图 8-3 所示。图 8-2 为一单极性输出+12V 的稳压电 图 8-2 直流稳压电源电路 源，整流采用桥式全波整流电路，滤波电路由电容C1构成，稳压电路采用三端集成稳压器 构成。 1 u 是经变压器降压，有效值约为 20V 的正弦交流电压。当开关 2 S 打向 1（不接稳压 uS u1 u0 7812 mA 1 1 2 2 S2 RL S3 UL IL C2 C3 S1 C1 D3 D4 D1 D2 220V/15V 220V/1-250V 整流 稳压
电路)，开关S打开（不接滤波电路）时，输出电压为全波整流波形。当开关S2打向1， 开关S闭合时，输出为整流滤波电压。当开关S2打向2，开关S闭合时，电路为整流滤波 稳压电路。图8-3是能同时产生正、负两路输出的稳压电源。 220/20 7812 +12V 220V -12V 7912 图8-3正负直流稳压电源电路 2、开关型直流稳压电源 开关型直流稳压电源是另一种直流稳压电源，它与线性稳压电源相比的优点为： (1)电源体积小重量轻 决定电源重量和体积的最重要的因素是电源变压器， 在线性稳压电源中使用变压器直接把50Hz的工频电压 降为所需要的值，因此变压器的体积和重量都很大。在开关型稳压电源中，是把工频交 流先整流为高压直流，再变为高频（几十z-一几百Kz)交流，然后用高频变压器把电压 降为所需要的值。根据U≈4.44加④m可知在电源电压一定的情况下n和中可选较小的值 (较少的线圈匝数和较小的铁心)，即变压器可以做得很小。 (2)较高的效率 线性稳压电源的效率很低约为30%一40%，效率低的原因是电压调整环节消耗大量功率 (其电流约等于或大于输出电流，其电压约等于输出电压)。而开关型稳压电源的电压调整 环节是处于开关工作状态，（当其处于开状态时电流极小、当其处于关状态时电压很小，） 所以消耗的功率很小，开关型稳压电源的效率一般在70%一80%之间。 (3)利用开关型直流稳压电源可以做各种直流一直流变换器，输出直流电压可以比输 入电压高也可以比输入电压低，而且输入和输出之间可以做到电隔离。但如用线性稳压电源 (集成稳压块)做直流一一直流变换，输出只能比输入低，而且不能做到电的隔离。 开关型稳压电源的缺点是：①纹波大。②动态（负载电流快速变化时的）性能差。 图8-4为带变压器耦合的开关电源电路原理图。电路中的晶体管起开关作用，当晶体 管饱和导通时相当于开关接通，电源电压直接加到变压器的一次线圈(”=U,),极性为上 正下负。由变压器线圈的同名端可知二次线圈的感应电动势为上负下正，整流二极管不导通， 二次线圈电流为零。一次线圈的电流：
电路），开关 1 S 打开（不接滤波电路）时，输出电压为全波整流波形。当开关 2 S 打向 1， 开关 1 S 闭合时，输出为整流滤波电压。当开关 2 S 打向 2，开关 1 S 闭合时，电路为整流滤波 稳压电路。图 8-3 是能同时产生正、负两路输出的稳压电源。 7812 7912 +12V -12V 220V 220/20 图 8-3 正负直流稳压电源电路 2、开关型直流稳压电源 开关型直流稳压电源是另一种直流稳压电源，它与线性稳压电源相比的优点为： (1) 电源体积小重量轻 决定电源重量和体积的最重要的因素是电源变压器， 在线性稳压电源中使用变压器直接把 50Hz 的工频电压 降为所需要的值，因此变压器的体积和重量都很大。在开关型稳压电源中，是把工频交 流先整流为高压直流，再变为高频（几十 KHz--几百 KHz）交流，然后用高频变压器把电压 降为所需要的值。根据 m U ≈ 4.44 fnΦ 可知在电源电压一定的情况下n 和Φ 可选较小的值 （较少的线圈匝数和较小的铁心），即变压器可以做得很小。 (2) 较高的效率 线性稳压电源的效率很低约为 30%—40% ，效率低的原因是电压调整环节消耗大量功率 （其电流约等于或大于输出电流，其电压约等于输出电压）。而开关型稳压电源的电压调整 环节是处于开关工作状态，（当其处于开状态时电流极小、当其处于关状态时电压很小，） 所以消耗的功率很小，开关型稳压电源的效率一般在 70%—80%之间。 (3) 利用开关型直流稳压电源可以做各种直流——直流变换器，输出直流电压可以比输 入电压高也可以比输入电压低，而且输入和输出之间可以做到电隔离。但如用线性稳压电源 （集成稳压块）做直流——直流变换，输出只能比输入低，而且不能做到电的隔离。 开关型稳压电源的缺点是：① 纹波大。② 动态（负载电流快速变化时的）性能差。 图 8-4 为带变压器耦合的开关电源电路原理图。电路中的晶体管起开关作用，当晶体 管饱和导通时相当于开关接通，电源电压直接加到变压器的一次线圈( Ui u1 = )，极性为上 正下负。由变压器线圈的同名端可知二次线圈的感应电动势为上负下正，整流二极管不导通， 二次线圈电流为零。一次线圈的电流：
U 4=+2=w (1) 式中乙为变压器一次线圈的自感，0是晶体管导通后一次线圈的初始电流。当晶体管截止 时相当于开关断开，一次线圈电流变为零，在一次线圈中产生的感应电动势为上负下正。在 二次线圈中产生的感应电动势为上正下负，整流二极管导通。这时二次线圈的端电压为输出 电压（山，=U)。二次线圈电流 Uco 8 4 Rp 9013 Ui 7 NE555 C45 13005 5 R4 5 不D2 图8-4开关型稳压电源电路 4=- Ld-is (2) 式中乙？为变压器二次线圈的自感。由于主磁通不能突变，在晶体管关断的瞬间磁路的磁势 (安匝数)不能发生突变。设晶体管关断瞬间一次线圈的电流为1，晶体管关断后瞬间二 次线圈的电流为20，则 NH1=Nw或i2o=kii (3) 式中变比k=N,N2,同理在晶体管导通的瞬间有： N1=N40或2=kio (4) 即△1=-。将(1)式和(2)式代入有： 。Ti KULT.- L L (5
∫ = + = + t L U U dt i L i i i i 1 10 1 1 10 1 （1） 式中 L1为变压器一次线圈的自感， 10 i 是晶体管导通后一次线圈的初始电流。当晶体管截止 时相当于开关断开，一次线圈电流变为零，在一次线圈中产生的感应电动势为上负下正。在 二次线圈中产生的感应电动势为上正下负，整流二极管导通。这时二次线圈的端电压为输出 电压( Uo u2 = )。二次线圈电流 图 8-4 开关型稳压电源电路 ∫ = − = − t L U U dt i L i i o o 2 20 2 2 20 1 （2） 式中 L2 为变压器二次线圈的自感。由于主磁通不能突变，在晶体管关断的瞬间磁路的磁势 （安匝数）不能发生突变。设晶体管关断瞬间一次线圈的电流为 11 i ，晶体管关断后瞬间二 次线圈的电流为 20 i ，则 1 11 2 20 N i = N i 或 20 11 i = k i （3） 式中变比 N1 N2 k = ，同理在晶体管导通的瞬间有： 2 21 1 10 N i = N i 或 21 10 i = k i （4） 即 2 1 Δi = −kΔi 。将（1）式和（2）式代入有： off o on i T L U T L U k 1 2 = （5） R1 RP R2 C1 NE555 8 4 2 6 7 3 5 1 R3 C3 D1 R4 R5 D2 C3 C4 C5 RL uC Ui Uo ua ub 13005 9013 u1 u2 D3
式中Tm和T听分别为晶体管的导通时间和截止时间，再考虑到L=L2则有： U。= 1 TonU k To (6)】 可见，输出电压除了与输入电压U:以及变压器的变比k有关以外，还与晶体管导通时间与 截止时间之比有关。 当晶体管截止时，变压器一次线圈的电压4，=一kU。,晶体管的集电极与发射极之间 的电压“。=一4，+U,。再考虑到漏磁通所产生的感应电动势，应选用耐压较高的晶体管。 为了减小漏感所产生的尖峰电压，常在晶体管的集电极与发射极之间接一个由电阻、电容和 开关二极管所组成的吸收网络。 开关型稳压电源控制器的作用是控制晶体管的导通和关断，为了能在输入电源变化时或 负载变化时保证输出电压稳定不变，一般控制器将输出电压的采样值与给定值相比较，用比 较的结果来调节晶体管导通与截止时间之比。本实验为了简化电路、突出重点，采用了一个 由555构成的多谐振荡器作为控制器，省略了采样比较环节。多谐振荡器输出方波的占空比 可由电位器调节。 占空比%= 脉冲宽度工，（正脉冲2100% 脉冲周期T 3仪器设备 双踪示波器 一台 电子技术实验箱一台 4实验内容与步骤 1、线性稳压电源 (1)按图8-2连接实验电路，将自耦变压器调至220V，用示波器观察变压器二次侧 的电压波形。 (2)在电网电压·、=220P不变的条件下，改变负载，测量整流电源和稳压电源的外 特性。 (3)在负载电流不变的情况下(I=20m4),测量电网电压变化时整流电源和稳压电源输 出电压的变化情况。 4)按图8-3连接可输出正负对称电压的稳压电源，并测量输出电压。 2、开关型稳压电源
式中Ton 和Toff 分别为晶体管的导通时间和截止时间，再考虑到 2 2 L1 = k L 则有： i off on o U T T k U 1 = （6） 可见，输出电压除了与输入电压Ui 以及变压器的变比 k 有关以外，还与晶体管导通时间与 截止时间之比有关。 当晶体管截止时，变压器一次线圈的电压 o u1 = −kU ，晶体管的集电极与发射极之间 的电压 ce U i u = −u1 + 。再考虑到漏磁通所产生的感应电动势，应选用耐压较高的晶体管。 为了减小漏感所产生的尖峰电压，常在晶体管的集电极与发射极之间接一个由电阻、电容和 开关二极管所组成的吸收网络。 开关型稳压电源控制器的作用是控制晶体管的导通和关断，为了能在输入电源变化时或 负载变化时保证输出电压稳定不变，一般控制器将输出电压的采样值与给定值相比较，用比 较的结果来调节晶体管导通与截止时间之比。本实验为了简化电路、突出重点，采用了一个 由 555 构成的多谐振荡器作为控制器，省略了采样比较环节。多谐振荡器输出方波的占空比 可由电位器调节。 100% ( T TP 脉冲周期 脉冲宽度 正脉冲） 占空比％＝ 3 仪器设备 双踪示波器 一台 电子技术实验箱 一台 4 实验内容与步骤 1、线性稳压电源 （1）按图 8-2 连接实验电路，将自耦变压器调至 220V ，用示波器观察变压器二次侧 的电压波形。 （2）在电网电压US = 220V 不变的条件下，改变负载，测量整流电源和稳压电源的外 特性。 （3）在负载电流不变的情况下(I=20mA)，测量电网电压变化时整流电源和稳压电源输 出电压的变化情况。 4）按图 8-3 连接可输出正负对称电压的稳压电源，并测量输出电压。 2、开关型稳压电源
(1)按图8-4连接开关型稳压电源，观察各电压波形的变化及输出电压的变化。 5实验报告要求 1.画出所观测到的各电压波形。 2.整理实验测试数据，与理论值进行比较，并分析讨论。 0= △Uo 3.根据公式 △，l山，=常数分别计算整流滤波电源和集成稳压电源的等效内阻。 S=AUolUo △U,/U 4.根据公式 ,=常数分别计算整流滤波电源和集成稳压电源的稳压系数。 5.分析实验中所遇到的问题及解决的方法
（1）按图 8-4 连接开关型稳压电源，观察各电压波形的变化及输出电压的变化。 5 实验报告要求 1. 画出所观测到的各电压波形。 2. 整理实验测试数据，与理论值进行比较，并分析讨论。 3. 根据公式 =常数 Δ Δ = Ui L O O I U r 分别计算整流滤波电源和集成稳压电源的等效内阻。 4．根据公式 =常数 Δ Δ = LI i i O O U U U U S 分别计算整流滤波电源和集成稳压电源的稳压系数。 5. 分析实验中所遇到的问题及解决的方法
