實(shí)驗(yàn)七 集成運(yùn)算放大器在穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用

1、研究單相橋式整流、電容濾波電路的特性。了解串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理，以及集成運(yùn)算放大器在穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用。掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電源主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量方法。復(fù)習(xí)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理及主要性能指標(biāo)、工程估算等理論知識(shí)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路估算輸出電壓U0的可調(diào)范圍，了解穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓原理。在橋式整流電路中，如果某個(gè)二極管發(fā)生開(kāi)路、短路或反接，將會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解實(shí)驗(yàn)中各測(cè)量量的物理含義及所用測(cè)量?jī)x器。 如圖1所示的實(shí)驗(yàn)電路中，左端是由4個(gè)晶體二極管組成的橋式整流電路和電容濾波電路，現(xiàn)把它重新畫在圖2中。經(jīng)過(guò)全波整流，在交流電壓正負(fù)半周都有電流流過(guò)負(fù)載RL，且方向一致，這種電路稱為橋式全波整流

2、電路。當(dāng)輸入交流正弦電壓的有效值為Ui時(shí)，在未加電容濾波前，經(jīng)理論計(jì)算，其輸出直流電壓值Uo與加在整流電路上的交流正弦電壓有效值Ui之間有如下關(guān)系： Uo=0.9Ui圖圖123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:8-Nov-2007 Sheet of File:D:安裝軟件PROTELEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:R1R3Rc2RRLDzT1T2R2UoUi+-Uce2Ube1R2R2Uz圖123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:13-Nov-2007S

3、heet of File:D:安裝軟件PROTELEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:Rw2.2KR15.1KR61KR320KR21KR451R55102CW52C1100uF12344*2CP22T1T23DG63DG12411+-UoU+U-Ui15V+-U12*2CP123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:13-Nov-2007Sheet of File:D:安裝軟件PROTELEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:1234CRLUi15VUo橋式全波整流后的輸出電壓除直流分量外，還含有

4、交流分量。實(shí)際應(yīng)用中，在整流電路后接有濾波電路，如圖2中電容器C。經(jīng)過(guò)電容的濾波作用，不僅其輸出電壓變得比較平滑，脈動(dòng)大大減小，而且其輸出直流電壓比未加電容時(shí)還高。對(duì)電容濾波來(lái)講，負(fù)載RL和電容C的數(shù)值越大，輸出直流電壓越接近于加在整流電路上的交流電壓的峰值Uim，同時(shí)輸出電壓波形越平滑。輸出直流電壓的范圍為Uo=（0.91.4）Ui穩(wěn)壓電路一般接在整流濾波電路與負(fù)載之間,整流、濾波的輸出電壓就是它的輸入電壓。圖3是比較常見(jiàn)的具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，它是由調(diào)整管、放大管、取樣電路和基準(zhǔn)電壓四部分組成的。在圖3所示電路中，T1是調(diào)整管、T2是放大管，RC2是它的集電極電阻。放大管的作用是將

5、穩(wěn)壓電路輸出電壓的變化量先放大，然后再送到調(diào)整管的基極。這樣，只要輸出電壓有一點(diǎn)微小的變化，就能引起調(diào)整管的管壓降發(fā)生較大的變化，提高了穩(wěn)壓效果。放大倍數(shù)越大，則輸出電壓的穩(wěn)定性越高。R1、R2和R3組成取樣電路。當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，取樣電路將其變化量的一部分送到放大管的基極。穩(wěn)壓管Dz提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓，取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較以后，再送到T2進(jìn)行放大。電阻R的作用是保證Dz有一個(gè)合適的工作電流。穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過(guò)程是這樣的：假如由于Ui的增加或Ii的減少使輸出電壓Uo增大，通過(guò)取樣電阻的分壓使放大管的基極電位UB2也升高了，而放大管的發(fā)射極接基準(zhǔn)電壓，即UE2=Uz，因此，UBE2=UB2-Uz也

6、升高，于是放大管的集電極電流IC2增大，而集電極電壓Uc2降低，調(diào)整管的輸入電壓UBE1=UC2-Uo降低，那么T1管的集電極電流IC1將會(huì)隨之減小，同時(shí)管壓降UCE1升高，最后輸出電壓Uo基本保持不變。 上述過(guò)程可簡(jiǎn)明表示如下：U0UBE2IC2UC2UBE1IC1 UCE1 U0由此可見(jiàn)，穩(wěn)壓的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是通過(guò)負(fù)反饋使輸出電壓保持穩(wěn)定的過(guò)程。這種穩(wěn)壓電路的輸出電壓允許在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，只要改變電位器R2的滑動(dòng)端位置即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)滑動(dòng)端向上移動(dòng)時(shí)，UB2升高，UC2降低，UCE1升高，于是輸出電壓Uo減少；反之，若滑動(dòng)端向下移動(dòng)，則Uo增大。輸出電壓總調(diào)節(jié)范圍與電阻R1、R2和R3之

7、間的比例關(guān)系以及穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Uz有關(guān)。假如流過(guò)取樣電阻的電流比IB2大得多，則可用下面的近似方法來(lái)估算Uo的調(diào)節(jié)范圍。03213 222URRRRRUUUBEZB)(23 23210BEZUURRRRRU即當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)端位于最上端時(shí)，達(dá)到最小值)(2323210BEZimUURRRRRU當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)端位于最下端時(shí)，達(dá)到最大值)(23321max0BEZUURRRRU在實(shí)際計(jì)算時(shí)，以上各式中的UBE2約為(0.60.8V)。圖1所示的實(shí)驗(yàn)電路，是由運(yùn)算放大器組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，運(yùn)算放大器工作在反相放大器狀態(tài)，集成運(yùn)算放大器取代了圖3中的放大管。由于運(yùn)算放大器具有較強(qiáng)的共模抑制能力，而且其增益高，輸入

8、阻抗低，因而用它作為放大環(huán)節(jié)可以使穩(wěn)壓電源的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)得到較大的改善。在圖1的電路中，調(diào)整管是由3DG6（T1）或9011和3DG12（T2）組成復(fù)合管來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)用電路的。在實(shí)際電路中，由T1、T2組成的復(fù)合管往往由中功率或大功率晶體管組成，管子的選擇要根據(jù)輸出電流的要求來(lái)定。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意輸出電流不能過(guò)大。R4、Rw和R5是取樣電路，改變Rw滑動(dòng)端的位置，可使輸出電壓在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。穩(wěn)壓二極管2CW52和R6提供基準(zhǔn)電壓。對(duì)于穩(wěn)壓電路的性能，通常用以下兩個(gè)主要性能指標(biāo)來(lái)衡量。穩(wěn)壓系數(shù)S穩(wěn)壓系數(shù)的定義是：當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，穩(wěn)壓電路輸出電壓的相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比，即它

9、反映了輸入電壓變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定程度，S值越小越好。內(nèi)阻Ro穩(wěn)壓電路的內(nèi)阻定義為：經(jīng)過(guò)整流濾波后輸入到穩(wěn)壓電路的直流電壓（Ui）不變時(shí)，穩(wěn)壓電路的輸出電壓變化量Uo與輸出電流變化量Io之比，即Ro=Uo/Io|Ui=常數(shù)她反映了負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定程度，其值越小越好，Ro的值越小，表明其帶負(fù)載能力越強(qiáng)。1、整流、濾波電路的研究v（1）按圖1在模擬電路實(shí)驗(yàn)箱上連接整流部分電路，整流輸出端接RL=10K負(fù)載。v（2）在橋式整流電路的輸入端加15V左右的交流電壓，用示波器觀察整流輸入、輸出波形，并測(cè)量其電壓值，將數(shù)據(jù)記入表1中v（3）在整流電路的基礎(chǔ)上接濾波電容C，如圖2所示，負(fù)載不變，仍為1

10、0K。（4）觀察濾波前后波形變化，測(cè)量濾波前后輸出電壓和紋波電壓，將數(shù)據(jù)記入表2中。表1 整流電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表表2 濾波電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表輸出電壓紋波電壓輸出波形接電容前接電容后100uF220uF2、穩(wěn)壓電路工作原理的研究（1）去掉濾波電路中的負(fù)載電阻RL，按圖1連接穩(wěn)壓部分的實(shí)驗(yàn)電路，檢查無(wú)誤后接通交流電源Ui。（2）調(diào)節(jié)Rw，觀察輸出電壓Uo是否正常（正常情況下，Uo應(yīng)有較大幅度的變化），如不正常，先排除鼓掌，然后分別測(cè)出Rw 調(diào)至最上端和最下端時(shí)電路的靜態(tài)工作電壓，將數(shù)據(jù)記入表3中表3 穩(wěn)壓電路靜態(tài)數(shù)據(jù)表RwUiUzU+U-UEUBUCU0最上端最下端3、穩(wěn)壓電路技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量v（1）輸出電

11、壓范圍 調(diào)節(jié)Rw滑動(dòng)端，分別調(diào)至最上端和最下端，測(cè)量輸出電壓Uo的變化范圍，并與理論估算值相比較，將結(jié)果記入表4中表4 Uo變化范圍數(shù)據(jù)表（2）微差法測(cè)輸出電阻Ro在R=時(shí)，將穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)至9V，標(biāo)準(zhǔn)電源也調(diào)至9V。二者負(fù)極相連，萬(wàn)用表置小量程直流電壓檔，紅、黑表筆連至二者正極之間，萬(wàn)用表指示為零（若不為零可調(diào)節(jié)Rw）。接入RL=300負(fù)載，萬(wàn)用表電壓指示值即為輸出電壓變化量Uo。將萬(wàn)用表串入負(fù)載RL支路中，測(cè)量電流值，即Io。以上過(guò)程中保持輸入電壓Ui不變，將測(cè)量數(shù)據(jù)記入表5中 4、紋波電壓的測(cè)量在Io=90mA，Uo=9V時(shí)，用毫伏表測(cè)紋波電壓，將數(shù)據(jù)填入表6中 表5 輸出電阻測(cè)量數(shù)據(jù)表6 紋波電壓測(cè)量數(shù)據(jù)U-RLIOUOIOUORO220V300RL紋波電壓輸出端未接電容輸出端接電容v雙蹤示波器1臺(tái)v直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)v模擬電路實(shí)驗(yàn)箱1個(gè)v萬(wàn)用表1塊v運(yùn)算放大器（LM324或UA741）1個(gè)v三極管（3DG6、3DG12）若干v整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論估算，比較其差異，分析測(cè)量結(jié)果。v簡(jiǎn)述運(yùn)