搜索
数控直流电压源实验指导一、直流稳压电源的基本组成电子设备中所用到的直流电源，可以是干电池，也可以是由电网提供的交流电经过整流、滤波和稳压以后得到的。对于直流电源的主要要求是，输出电压的幅值稳定，即当电网电压或负载电流波动时能基本保持不变；直流输出电压平滑，脉动成分小；交流电变换成直流电时的转换效率高。如下图所示，一般直流电源由四部分组成，电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路。1、直流稳压电源的基本组成电路2、电源变压器匝数比：VVn21=效率：PP12=η小型变压器效率表副边功率（W）1010-3030-8080-200效率0.60.70.80.853、整流滤波二极管具有单向导电性，因此可以利用二极管的这一特性组成整流电路，将交流电压变换为单向脉动电压。在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相全波、单相桥式整流电路。在本实验中，建议使用桥式整流电路。无论哪种整流电路，它们的输出电压都含有较大的脉动成分。除了在一些特殊场合可以直接用作放大器的电源外，通常都要采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压，这样的措施就是滤波。电容和电感都是基本的滤波元件，利用它们在二极管导电时储存一部分能量，然后再逐渐释放出来，从而得到比较平滑的波形。或者从另一个角度看，电容和电感对于交流成分和直流成分反映出来的阻抗不同，如果把它们合理地安排在电路中，可以达到降低交流成分，保留直流成分的目的，体现出滤波作用。所以，电容和电感是组成滤波电路的主要元件。常用的滤波电路有电容滤波电路、RC-∏型滤波电路、电感滤波电路、LC滤波电路、LC-∏型36滤波电路等。上图中各元件的取值可按下列公式计算：Vomax+(Vi-Vo)minViVomin+(Vi-Vo)maxVi=(1.1～1.2)V2二极管承受的最大反向电压：VVRM22=每只二极管流过的平均电流：IIoDmax21=为使纹波电压足够小，电容C放电回路的时间常数应满足：RC(3～5)T/2。其中R为整流滤波电路的负载电阻，取R=Vi/Iomax；T为50Hz交流电的周期，即20ms。电容C上的最大电压为：VVC22=4、稳压电路整流滤波电路的输出随电网的波动、负载电流的变化而变化。为了能够提供更加稳定的直流电源，需要在整流滤波电路的后面再加上稳压电路。稳压电路一般由调整元件所组成，可有以下分类：（1）按照调整元件是工作于线性或开关状态可分为线性调整与开关调整；（2）按照调整元件与负载是串联或并联连接可分为串联调整与并联调整；（3）按照输出电压是否可调分为固定式与可调式。常用的稳压电路有硅稳压管稳压电路、串联型直流稳压电路、集成稳压器以及开关型稳压电路等。下面重点介绍一下串联型直流稳压电路。所谓串联型直流稳压电路，就是在输入直流电压和负载之间串入一个三极管，当U1或RL波动引起输出电压UO变化时，UO的变化将反映到三极管的输入电压UBE，然后，UCE也随之变化，从而调整UO，以保持输出电压基本稳定。串联型直流稳压电路的原理图如下图所示，它由四部分组成：-+2134CRR1R3RLVTVDz+-A321R2132+-+U2U-+-FIUOULI（1）采样电阻由电阻R1、R2和R3组成。当输出电压发生变化时，采样电阻取其变化量的一部分送到送到放大电路的反相输入端。37（2）放大电路放大电路A的作用是将稳压电路输出电压的变化量进行放大，然后再送到调整管的基极。如果放大电路的放大倍数比较大，则只要输出电压产生一点微小的变化，即能引起调整管的基极电压发生较大的变化，提高了稳压效果。因此，放大倍数愈大，则输出电压的稳定性愈高。（3）基准电压基准电压由稳压管VDZ提供，接到放大电路的同相输入端。采样电压与基准电压进行比较后，再将二者的差值进行放大。电阻R的作用是保证VDZ有一个合适的工作电流。（4）调整管调整管VT接在输入直流电压U1和输出端的负载电阻RL之间，若输出电压UO由于电网电压或负载电流等的变化而发生波动时，其变化量经采样、比较、放大后送到调整管的基极，使调整管的集-射电压也发生相应的变化，最终调整输出电压使之基本保持稳定。在上图中，假设由于U1增大或IL减小而导致输出电压UO增大，则通过采样以后反馈到放大电路反相输入端的电压UF也按比例地增大，但其同相输入端的电压即基准电压UZ保持不变，故放大电路的差模输入电压U1d=UZ-UF将减小，于是放大电路输出电压减小，使调整管的基极输入电压UBE减小，则调整管的集电极电流IC随之减小，同时集电极电压UCE增大，结果使输出电压UO保持基本不变。以上稳压过程可简明表示如下：U1或ILUOUFU1dUBEICUOUCE二、直流稳压电源的性能指标1、性能指标测试电路ViVo自耦变压器IoRL被测电源～220VVI2、输出电压范围Vomin~Vomax：表示稳压电源正常工作的输出电压范围。3、最大输出电流Iomax：表示稳压电源在某一Vo下所能输出的最大电流。测试方法为：输出电压为Vo，逐渐减小负载电阻RL，直到Vo下降5%，此时流经负载RL的电流即为Iomax。384、纹波电压ΔVopp：表示叠加在输出电压Vo上的交流分量，一般为mV级，通常用有效值或峰峰值表示，本实验用示波器观测峰峰值。5、电压调整率输出电压Vo的稳定性主要受输入电压Vi和负载RL两方面的变化影响。输入电压Vi变化而引起输出电压Vo变化的程度，通常用电压调整率Sv来表示，它指在负载和环境温度不变的条件下，输入电压Vi的变化而引起的输出电压Vo的相对变化：%100×=∆VVSooV输入电压Vi变化而引起输出电压Vo变化的程度，也可用稳压系数S来表示，它指在负载和环境温度不变的条件下，输出电压Vo的相对变化比输入电压Vi的相对变化：%100×=∆∆VVVVSiioo6、负载调整率负载RL变化而引起输出电压Vo变化的程度，通常用负载调整率Sr来表示，它指在输入电压和环境温度不变的条件下，负载RL的变化而引起的输出电压Vo的相对变化：%100×=∆VVSoor7、输出电阻负载RL变化而引起输出电压Vo变化的程度，也可用输出电阻（等效内阻）Rn来表示，它指在输入电压和环境温度不变的条件下，输出电压Vo的变化量比负载RL的电流变化量：IVRoon∆∆−=8、电源转换效率η：表示稳压电源输出功率和输入功率之比：PPio=η若只考虑稳压电路部分的转换效率，为输出/输入直流功率之比；若考虑变压器、整流电路在内的转换效率，为直流输出功率/交流输入功率之比。9、输出电压温度系数环境温度变化而引起输出电压Vo变化的程度，常用温度系数KT来表示，它指在输入电压和负载不变的条件下，输出电压Vo的相对变化量比环境温度T的变化量：TVVOOTK∆∆=3910、脉动系数S整流电路输出电压的脉动系数S定义为输出电压基波的最大值Vom与其平均值VoAV之比。oAVomVVS=三、集成稳压器LM317简介1、可调式集成稳压器LM317工作原理可调式集成稳压器LM317是新一代的稳压器，比起固定式集成稳压器LM78XX，前者在电压调整率、负载调整率、纹波抑制及温度系数诸方面都有了很大改进，不仅具有可调输出，在过载保护、过热保护方面的功能也很完善，极大地方便和简化了使用者在电源设计制作方面的工作。参见右图，经过整流滤波R1LM317KinoutadjVoViR2后的直流电压加在LM317的输入端（IN）和地之间，稳压后的电压由LM317的输出端和地之间引出。UOUT-UADJ=UREF称为参考电压，它被设计为1.25V，并且不随输入电压和输出电流而变化。从调整端（ADJ）流出的电流非常小（50uA），通常可以忽略不计。这样，流过R1的电流11RUIREFR=，取R1=240Ω，则IR1=1.25V/240Ω≈5mA，正好满足LM317最小输出电流的要求。输出电压)1()(U12211ORRURRIREFR+=+=，可见输出电压完全由R1、R2两个电阻的比值决定，而与输入电压和输出电流无关。只要改变R2大小，就可以调整输出电压。在数控稳压电路中，不是通过改变电阻R2，而是通过改变调整端对地电压UADJ来控制输出端的电压UO。UO=UREF+UADJ。（1）需要指出的是，负载电流并不经过R2，流过R2的电流仅仅是流过R1的电流（～5mA），所以可以采用小电流控制电路（如运放电路）来控制UADJ。从（1）式可知，当UADJ=0时，UO=UREF=1.25V。这就是正常接法下，LM317的最小输出电压。要想获得0V的电压输出，必须使UADJ=-1.25V。相应的接法见下图。LM317KinoutadjVoR11.25VVi402、可调式集成稳压器LM317的性能参数输入最大电压40V输出电压1.25V~37V输出最大电流1.5A最大功耗20W最小输入-输出电压差3V电压调整率0.01%/V负载调整率0.1%最小负载电流3.5mA调整端电流50uA基准电压1.25V工作温度0~125ºC41四、霍尔传感器本实验发挥部分要求实时显示稳压电源的输出电流。输出电流的检测可采用在输出端串接低阻值精密电阻，然后将其两端电压差放大进行检测，再换算成电流。这种方法或多或少会影响稳压电源的性能。霍尔传感器利用磁场作为媒介进行非接触测量，可以检测包括电流在内的很多物理量，已获得广泛的应用。1、霍尔元件霍尔元件是霍尔传感器的主体，它是IBUh在单晶片的两端焊上两根控制电流引线，另两端焊上两根输出引线，如右图所示。单晶片通以控制电流I，并在其垂直方向施加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh（霍尔电势或霍尔电压），这种现象称为霍尔效应。Uh=KhIB霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。Kh称为霍尔元件的灵敏度，它与半导体材料的性质有关。2、霍尔传感器把霍尔元件、温度补偿电路、稳压电路及放大器等做在一个芯片上封装起来就构成了霍尔传感器。霍尔传感器分为线性型和开关型两种：Vcc霍尔元件GND稳压Vo（1）线性型霍尔传感器右图所示为线性型霍尔传感器的电原理图。其输出Vo与外加磁感应强度之间是线型关系，该类传感器可用于检测电流、位置及磁场强度等。（2）开关型霍尔传感器Vcc稳压GND霍尔元件Vo右图所示为开关型霍尔传感器的电原理图。其输出Vo与外加磁感应强度之间是非线型开关关系，该类传感器可用于检测转速或转数、流量、液位及发动机点火控制等。42参考书：1、王楚、余道衡，《电子线路原理》，北京大学出版社直流电源。2、王福瑞，《单片微机测控系统设计大全》，北京航空航天大学出版社，1999A/D、D/A、传感器。3、《第二届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994~1995）》，北京理工大学出版社，1997。4、《第三届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1997）》，北京理工大学出版社，1999。5、杨素行，《模拟电子技术基础简明教程》，高等教育出版社直流电源。43