电子技术应用实验
实验九&直流稳压电源、DC/DC开关电源
一．实验目的
1 、掌握半波整流、全波整流的基本电路及基本原理；
2 、掌握 直流 稳压电源的基本原理；
3 、了解 DC/DC 开关电源的基本原理；
二 、实验仪器与器材
1 、双踪示波器 一台
2 、低频晶体管毫伏表 一台
3 、万用表 一个
4 、实验底板 一块
5 、连接导线若干
三、 预习要求
1. 对整流、滤波电路的基本原理进行了解
2. 了解 DC/DC 直流电源的基本知识
四 ． 实验原理
&&& 在采用市电作动力源的仪器中，首先通过变压器把市电电压变成所需电压，然后经整流变成直流再供给仪器使用。其任务是将有效值一般为 220V ，频率为 50Hz 的交流输入电压转换成几伏至几十伏的直流输出电压，且要求直流输出电压平滑、稳定。实现这种转换大体需要采用变压、整流、滤波及稳压等四部分电路，其总体框图如图所示。
&&&&常用的直流电源中根据其工作原理的不同，可分为直流稳压电源和开关电源。直流稳压电源具有输出精度高，纹波小等优点；而开关电源具有体积小，效率高等优点。
（一） 直流稳压电源：
&&& 直流稳压电源由输入电压变换电路、整流、滤波电路和稳压输出电路组成。输入电压变换电路由电源变压器、整流电路、滤波电路组成，其中整流电路方式有半波整流、全波整流和桥式整流三种。为了获得直流电压最常用的方法是将交流市电经电源变压器产生合适的交流电压后，再利用二极管的单向导电特性将其转变为单方向（即直流）脉动电压，这一过程称为整流。
1. 半波整流电路：
&&& 利用二极管的单向导通作用就可以把交流电变成单方向流通的直流电。图 1 所示出了一个基本整流电路，在电压为正半周时，电流流经 D 和 R L ，而在电压反相的负半周时， D 不导电，所以在 R L 两端所得到的电压是单方向的， 负载上只有半个周期有输出电压。从 而 实现了整流。由于是只在一半的时间内导电，所以称为半波整流。此时输出波形脉动大，直流成分（即平均值）比较低，交流电有一半时间没有利用上，转换率低，波形如图。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&图 1 半波整流波形
2. 全波整流电路：
&&& 如图2所示，全波整流电路只需二只整流二极管，但电源变压器却需要有带中心抽头的两组相同电压的绕组。利用带中心抽头的变压器，使它们在交流电的正半周和负半周分别向 RL 供给同一方向的电流，从而构成全波整流电路。
&&&&设交流电在正半周时，变压器输出电压极性为上正下负，上半绕组电源经 D1、R、中心抽头形成回路，而下半绕组不通，此时D1 导通D2不导通，电流ID1经RL成回路；在负半周时，电压极性与前相反，可知D2导通而D1不导通， ID2以相同方向经RL成回路，由此在负载上得到的是正负两个半周都有整流输出的波形，故称为全波整流。这时经整流的直流（平均值）电压为半波整流的两倍，而且脉动情况也有一定的改善， 这种整流电路的缺点是每组线圈只有一半的时间通过电流，所以变压器的利用率不高。
图 2 全波整流波形
3. 桥式整流电路：
&&&&&&&&& 图 3
&&& 桥式整流电路，也可认为它是全波整流电路的一种，变压器绕组按图3方法接四只二极管。 D 1 ～ D 4 为四只相同的整流二极管，接成电桥形式，故称桥式整流电路。利用二极管的导引作用，使在负半周时也能把次级输出引向负载。具体接法如图所示，从图中可以看到，在正半周时由D1、D2导引电流自上而下通过RL，负半周时由D3、D4导引电流也是自上而下通过 RL ， 从而实现了全波整流。 在这种结构中，若输出同样的直流电压，变压器次级绕组与全波整流相比则只须一半绕组即可，但若要输出同样大小的电流，则绕组的线径要相应加粗。 至于脉动，和前面讲的全波整流电路完全相同。
&&&&由于整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分。为了尽量压低脉动成分，另一方面还要尽量保留直流成分，使输出电压接近理想的直流，这种措施就是滤波。滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。
&&&&在本实验电路中采用的是电容滤波，即在负载电阻RL上并联一个滤波电容C，电路如图4，滤波后的波形如下图。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&全波整流滤波波形
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图 4 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&半波整流滤波波形
4. 直流稳压电源工作原理： &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&电路中，D5、D6和C1共同组成全波整流滤波电路，将输入的交流电转换成直流电；Q1、Q2组成一达林顿射随电路，Q1称为调整管，Q2称为推动管，为负载供电；Q3、D8、R2、R3、RW1共同组成输出电压取样负反馈电路，Q3称为采样放大管，D8称为基准稳压管，此部分用于稳定输出电压；Q4、R5组成输出电流取样电路，为输出提供过流保护；C5为输出滤波电容。由于调整管和负载相对于输入而言呈串连的关系，故这种电源称为串联型直流稳压电源。
图5 直流稳压电源电原理图
&&&&220V 交流电经电源变压器降压为低压交流电后，经由D5、D6、C1组成的全波整流滤波电路整流滤波变成直流电，输送给达林顿射随电路，最后由射随电路向负载提供直流电压VO，该电压VO的大小由基准电压VREF和采样支路的分压比决定。当输出电压VO由于某种原因瞬时升高时，输出电压取样电路的Q3的集电极电流就会增大，导致射随电路的基极电流下降，调整管的内阻增大，管压降增加，输出电压VO降低；当输出电压VO瞬时降低时，输出电压取样电路的Q3的集电极电流就会减小，射随电路的基极电流就会增加，管压降减小，从而使输出电压VO也跟着升高；上述过程使得输出电压稳定在某个电压值上，从而实现稳压。通过调节RW1 ，可以改变输出电压值的大小。
&&&&当负载电流超过额定输出电流时，在R5上的压降将使Q4导通，迫使射随电路的偏置电压减小，内阻增加，管压降增加，则射随电路的输出电流被限制，输出电压也降低，从而起到过流保护作用，这种结构属于限流型保护电路。
&&&&输入的 220V交流电压经过变压器降压后，经整流二极管整流后输出为脉动直流电压，具有较大的电压纹波，经过电容C1、C2、 C3平滑滤波后输出电压较为平稳，再输入到稳压电路，就可在输出端得到一个稳定的、电压纹波很小的直流稳压电源。
（二） DC/DC 开关电源：
&&& 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关元件的占空比来调整输出电压。
&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&& 图 6 DC/DC 开关电源基本原理图
&&&&DC/DC开关电源工作原理：如图6所示为DC/D 的基本原理图。其中Q为开关管，L为储能电感，D为整流管，C为滤波电容，RL为负载。当激励脉冲为高电平时，开关管Q饱和导通，整流管D截止，输入电压加在电感L上，电感L以磁能形式存储能量，当Q截止期间，整流管D导通，电感L储存的能量经D释放，在电容C两端产生直流电压，从而为负载RL提供供电电源。在给定条件下，输出端电压的高低由Q的饱和导通时间长短决定，即由基极所加激励电压的脉冲宽度决定。
&&& 由 555 时基电路组成的开关电源：
&&&&555 时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛。
&&& NE555 芯片的引脚分布如图 7 所示，内部功能框图如图 8 所示。
??????????????????????????????????????????&&&&&&&图 7 引脚分布图 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&图8 内部功能框图 &&&&默认条件下，阀门电平和触发电平的电平分别为电源电压的 2/3 和 1/3 ，但可以由电压控制端（ CONT ）来控制来改变这两个电平值。当触发端（TRIG）的电压下降至比触发电平低时，触发器翻转输出“1”，同时输出端（OUT）输出高电平；当触发端（ TRIG）的电平高于触发电平，而且阀门端（THRES）的电平高于阀门电平时，触发器翻转输出“0”，同时输出端（OUT）输出低电平。复位端（RESET）与其他输入端相比具有最高优先权，当复位端为低电平时，触发器将被复位，而且输出端为低电平。将复位端置低可以用来初始化一个新的定时循环 。只要输出端为低电平，泄放端（DISCH）将提供一个对地的低阻抗通路。 &&& 555 时基芯片的的功能表（默认条件下）如表 1 所示。
表 1 555 时基的功能表（默认条件下）
555开关电源工作原理：
&& 下面是以 555 时基芯片为控制核心的 DC/DC 开关电源电路。如图 9 所示。 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图 9 555 时基 DC/DC 开关电源电原理图
&&&&电路中，NE555、RW2、R7、R8、C6组成多谐振荡电路，由NE555的引脚3输出振荡波形；R9、C8组成加速电路，Q5为推动管；Q6 组成电流开关电路，L1是储能元件，R14、C9是阻尼元件；D9、C10、C11组成输出整流滤波电路；D11、R15为输出电压指示电路。
&&& 上电时，VCC通过RW2、R7、R8给C6充电，NE555输出高电平，当C6的电压&2/3VCC 时，NE555输出翻转，开始输出低电平，引脚 7对地短路，此时C6通过R8对地放电，当C6上电压&1/3VCC 时，NE555输出翻转，再次输出高电平，引脚7对地呈现断路，VCC再次向 C6充电，如此周而复始，在NE555的输出端输出周期矩形波。
&&&&当NE555输出低电平时，Q5截至，Q6导通，电源VCC经L1、Q6形成回路，电能转换为磁能；当NE555输出高电平时，Q5导通，Q6截至，由于电感，里面电流不能突变，此时L1上储存的磁能转换为电能，在L1两端产生一自感应电压，此自感电压与电源电压串联起来一起经D9向C10充电，同时向负载提供电流。此电路输出的电压大于电源电压，为一升压式开关电源。
&&& 通过调节RW2，可以改变NE555的振荡周期，同时也改变了输出波形的占空比，从而改变L1的储能大小，最终改变了输出电压值。
五、实验任务及要求
实验电路板结构如图所示 ：
警告：不允许将变压器次级输出端以及整流电路输出端短路！！！
基础性实验：
1 、直流稳压电源 :
& (1) 、将变压器输出1、3端（和变压器输出 1 、2 端）分别与半波、桥式整流电路对接，或将1、2、3端与全波整流电路对接，并且在整流电路输出端接上负载电阻RL1 ，观测不同状态下的电压脉动波形并测量其输出电压，列表记录，画出波形。
&(2) 、连接不同的滤波电容，观测整流滤波后的输出电压纹波并测量其输出电压，波形记录下表。
C1,C2,C3,RL1
&(3) 、将整流、滤波后的电路连接至稳压电路，将采样支路下分压电阻 R3 接入电路，调整输出电压为 12V ，分别观测空载和带载时的直流输出电压和输出电压纹波，记录下来。
&(4) 、改换不同的滤波电容，不同的负载电阻，重复 3 的操作。
2 、开关稳压电源：
&(1) 、在直流稳压电源工作正常的情况下，将输出送到开关电源的供电端，测试 555 时基三脚输出的控制脉冲波形，以及 Q 5 集电极的波形及有关参数。
&(2) 、将 Q5 集电极与电阻R5 相连，观测开关电源输出端输出负载为180Ω和90Ω时开关管的工作波形以及输出的电压。
&(3) 、调节RW2 ，观察 555 时基三脚输出的控制脉冲波形，测试输出电压变化情况。
将实验结果记录并作图。
设计性实验：
&&&&利用双绕组变压器和集成稳压器件（ 7805 ， 7905 ），设计一个带正、负电压的直流稳压电源，要求直流输出± 5V ，怎样得到？画出电原理图。
六、实验报告要求
1 、记录实验观测数据，画出波形；
2 、比较直流稳压电源各个观测点电压波形的不同，分析其原因；
3 、通过观测 555 时基 DC/DC 开关电源各点电压波形，分析其工作原理；
4 、比较直流稳压电源与开关电源的输入电压、输出电压的关系，试分析两种电源的各自特点。&
七、思考题
1 、半波和全波整流有什么不同？（效率问题）
2 、根据现有实验条件，若要想得到输出电压为 20V 左右的电源，电路应怎样连接？
3 、 555 时基开关稳压电源中，电感 L 的作用？
4 、如何进行过压或过流保护？以下试题来自：
单项选择题三相桥式可控整流电路电阻性负载的输出电压波形，在控制角α=（）时，有电压输出部分等于无电压输出部分。A、30°
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历史上的今天
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{list wl as x}{/list}单相桥式整流电路教案
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2单相桥式全波整流电路工作过程的分析方法；
3．学以致用，应用所学知识搭建、检测实际电路。
单相桥式全波整流电路工作过程的分析方法
ProteusLED
“做中教”将一交流电源（10V）、四个整流二极管、一个负载电阻连接电路，闭合电路后用示波器观察交流输入端u1、负载两端电压u2的波形。
单相半波整流电路&&&&
单相全波整流电路
1）示波器显示u1为单相正弦波，负载RL上得到全波脉动的直流电压，故称全波整流电路。
2）四个整流二极管接成桥形，故称桥式整流。
3）桥的搭建特点：“不同接交流、同正出负极”。
4）简化电路
5）整流桥椎
二、工作过程
1.理论分析
在u1的正半周，a端正、b端负，二极管VD1和VD3在正向电压作用下导通，VD2和VD4在反向电压作用下截止，电流由a端，经VD1、RL、VD3流向b端，负载RL上得到一个半波电压和半波电流；
在u2的负半周，a端负，b端正，二极管VD2和VD4在正向电压作用下导通，VD1和VD3在反向电压作用下截止，电流由b端经VD2、RL、VD4流向a端，负截RL上又得到一个与正半周同向的半波电流和电压。即在输入交流电u2的一个周期内，VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通，在负载上得到全波脉动直流电压和电流。
2.应用与提高
“做中学”
若电路出现以下形式,会有什么现象?试以小组的形式按相应要求做仿真实验并设定相应参数与正常电路做比较,总结电路形式与实验的关系,从而总结出若出现由现象寻找电路故障的方法。
（1）四只二极管全部接反
要求:测输出、输入电压波形
参考电路与波形：
提示：外接电路需注意极性
（2）有一只二极管接反（例如VD2）
要求：测输入电流并与正常时的输入电流做比较
参考电路与现象：
VD1VD2VD1VD2
（3）有一只二极管短路（例如VD2）
要求：测输入电流并与正常时的输入电流做比较
参考电路与现象：
结论：短路电流很大
原因：VD1VD1
提示：不可让二极管短路，另外电路装熔断丝
（4）有一只二极管断路
要求：测输出电压并与正常时的输出电压做比较
参考电路与现象：
（1）负载两端电压与电流关系：
（2）整流二极管的选用：
&四、学以致用
“学中做”
布置任务：组装节电LED小灯
试用所提供器件（四只整流二极管1N4007，一只0.33uF大电容，两只470K\680Ω电阻，15只小LED）组装节电LED小灯。
2四个整流二极管可以组成单相桥式整流电路，桥的搭建特点：“不同接交流、同正出负极”。
3．桥式全波整流电路比半波整流输出的直流电压和电流脉动程度要小，而且电能利用率高。
3．某充电式LED手电筒内部电路如图所示，你能找到桥式整流电路吗？会分析吗？
概念&&&&&&&&&
&&&&&工作过程
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&1．理论分析
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&2．应用与提高
三、参数计算&&&&&&&&&&
四、学以致用
拓展与提高
问题：1）将波形特点与单相半波整流电路输出波形作比较，总结两者不同。
2）为什么叫桥式全波整流电路？
3）桥的搭建有何特点？
教师给学生分组，以小组方式分四种情况实验，：
1）连接电路；
2）观察现象；
3）测电路参量；
4）小组讨论进行理论分析；
5）总结电路发生相应故障与现象的关系，为应用于指导日常整流电路的使用与检修打下基础。
教师在整个过程中进行适当的指导，提示，在学生实验过后组织学生归纳结果与原因的关系，最后利用动画展现各种情况之所以出现相应现象的原因，并提示学生注意。
桥式全波整流时，二极管中的电流是负载电流的一半；
二极管最高反向工作电压应不低于交流电的峰值电压
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