电源仿真实验报告.docx

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电源仿真实验报告

电子技术软件仿真报告

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电源

（一）流稳压电源（Ⅰ）—串联型晶体管稳压电源

1.实验目的

（1）研究单相桥式整流、电容滤波电路的特性。

（2）掌握串联型晶体管稳压电源主要技术指标的测试方法。

2.实验原理

电子设备一般都需要直流电源供电。

除少数直接利用干电池和直流发电机提供直流电外，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。

直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图7.18.1所示。

电网供给的交流电源Ui（220V,5OHz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2；然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压U3；再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压Ui。

但这样的直流输出电压还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。

在对直流供电要求较高的场合，还需要用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

图7.18.2所示为分立元件组成的串联型稳压电源的电路图。

其整流部分为单相桥式整流、电容滤波电路。

稳压部分为串联型稳压电路它由调整元件（晶体管V1）、比较放大器（V2，R7）、取样电路（R1，R2，RP）、基准电压（V2，R3）和过流保护电路（V3及电阻R4，R5，R6）等组成。

整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统。

其稳压过程为：

当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经V2放大后送至调整管V1的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。

由于在稳压电路中，调整管与负载串联，因此流过它的电流与负载电流一样大。

当输出电流过大或发生短路时，调整管会因电流过大或电压过高而损坏坏，所以需要对调整管加以保护。

在图7.18.2所示的电路中，晶体管V3，R4，R5及R6组成减流型保护电路，此电路设计成在Iop=1.2Io时开始起保护作用，此时输出电路减小，输出电压降低。

故障排除后应能自动恢复正常工作。

在调试时，若保护作用提前，应减小R6的值；若保护作用迟后，则应增大R6的值。

稳压电源的主要性能指标：

（1）输出电压Uo和输出电压调节范围

调节RP可以改变输出电压Uo。

（2）最大负载电流Iom

（3）输出电阻Ro

输出电阻Ro定义为：

当输入电压Ui（指稳压电路输入电压）保持不变，由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比，即

（4）稳压系数S（电压调整率）

稳压系数定义为;当负载保持不变，输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即

由于工程上常把电网电压波动±10﹪作为极限条件，因此也有将此时输出电压的极限变化△Uo/Uo作为衡量指标，称为电压调整率。

（5）纹波电压

输出纹波电压是指在额定负载条件下，输出电压中所包含交流分量的有效值（或峰值）

3.实验设备与器件

（1）可调工频电源

（2）双踪示波器

（3）交流毫伏表（4）直流电压表

（5）直流毫安表（6）滑线变阻器200欧/1A

（7）晶体二极管1N4007×4（8）稳压管1N4735×1

（9）电阻器、电容器若干

（10）晶体三极管3DG6×2（9011×2）,3DG12×1（9013×1）

4.实验内容

（1）整流滤波电路测试

按图7.18.3所示连接实验电路，取可调工频电源电压为16V，作为整流电路输入电压U2。

1）取RL=240欧，不加滤波电容，测量直流输出电压UL及纹波电压ul,并用示波器观察U2和UL波形，记入表7.18.1中。

2）取RL=240欧，C=470微法，重复内容1）的要求，记入表7.18.1中。

3）取RL=120欧，C=470微法，重复内容1）的要求，记入表7.18.1中。

（2）串联型稳压电源性能测试

切断工频电源，在图7.18.3基础上按图7.18.2连接实验电路。

注意：

每次改变电路时，必须切断工频电源。

在观察输出电压UL波形的过程中，“Y轴灵敏度”旋钮位置调好后，不要再变动，否则将无法比较各波形的脉动情况。

1）初测

将稳压器输出端负载开路，断开保护电路，接通16V工频电源，测量整流电路输入电压U2，滤波电路输出电压Ui（稳压器输入电压）及输出电压uo。

调节电位器RP，观察uo的大小和变化情况。

如果uo能跟随RP线性变化，说明稳压电路各反馈环路工作基本正常，否则，说明稳压电路有故障。

稳压器是一个深负反馈的闭环系统，只要环路中任一个环节出现故障（某管截止或饱和），稳压器稳压器就会失去自动调节作用。

此时可分别检查基准电压Uz，输入电压ui，输出电压uo,以及比较放大器和调整管各电极的电位（主要是Ube,Uce）,分析它们的工作状态是否都处在线性区，从而找出不能正常工作的原因。

排除故障以后就可以进行下一步的测试。

2）测量输出电压可调范围

接入负载RL（滑动变阻器），并调节RL，使输出电流Io≈100mA.再调节电位器RP测量输出电压可调范围Uomin～Uomax，且使RP动点在中间位置附近时Uo=12V.若不满足要求，可适当调整R1，R2之值。

3）测量各级静态工作点

调节输出电压Uo=12V，输出电流Io=100mA，测量各级静态工作点，记入表7.18.2中。

4）测量稳压系数S

取Io=100mA,按表7.18.3改变整流电流输入电压u2（模拟电位电压波动），分别测出相应的稳压器输入电压ui及输出直流电压Uo,记入表7.18.3中。

5）测量输出电阻Ro

取U2=16V，改变滑动变阻器位置，使Io为空载、50mA和100mA，测量相应的值，记入表7.18.4中。

6）测量输出纹波电压

取U2=16V，Uo=12V，Io=100mA,测量输出纹波电压Uo,记录之。

7）调整过流保护电路

第一步断开工频电源，接上保护回路，再接上工频电源，调节RP及RL，使Uo=12V,Io=100Ma,此时保护电路不起作用。

测出V3各级电位值。

第二步逐渐减小RL，使Io增加到120mA,观察Uo是否下降，并测出保护起作用时V3各级的电位值。

若保护作用过早或滞后，可改变R6之值进行调整。

第三步用导线瞬时短接一下输出端，测量Uo值，然后去掉导线，检查电路是否能自动恢复正常工作。

5.仿真实验

（1）分别在Multisim平台上建立如图7.18.4所示的整理滤波电路。

启动仿真开关进行仿真分析。

（2）根据本节实验内容的要求在Multisim平台上逐项完成余下的仿真实验，并分析仿真结果。

6.预习要求

（1）复习教材中有关分立元件稳压电源部分内容，并根据实验电路参数估算Uo的可调范围及Uo=12V时V1，V2的静态工作点（假设调整管的饱和压降Uces≈1V）。

（2）说明图7.18.2中U2，Ui,Uo的物理意义，并从实验仪器中选择合适的测量仪表。

（3）在桥式整流电路实验中，能否用双踪示波器同时观察U2和UL的波形，为什么？

（4）在桥式整流电路中，如果某个二极管发生开路、短路或反接三种情况，将会出现什么问题？

（5）为了使稳压电源的输出电压Uo=12V,其输入电压的最小值Umin应等于多少？

交流输入U2min该怎样确定？

（6）当稳压电源输出不正常，或输出电压Uo不随取样电位器RP而变化时，应如何进行检查并找出故障所在？

（7）分析保护电路的工作原理。

（8）怎样提高稳压电源的性能指标（减小S和Ro）?

（9）画原理图与印刷电路图。

7.实验总结

（1）对表7.18.1所测结果进行全面分析，总结桥式整流、电容滤波电路的特点。

（2）根据表7.18.3和7.18.4所测数据，计算稳压电路的稳压系数S和输出电阻Ro,并进行分析。

（3）分析讨论实验中出现的故障及排除方法。

电源

（二）直流稳压电源（Ⅱ）—集成稳压器

1.实验目的

（1）研究集成稳压器的特点及性能指标的测试方法。

（2）了解集成稳压器扩展性能的方法。

2.实验原理

随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。

由于集成稳压器具有体积小外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性能强等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。

集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行选择。

对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。

而在这种类型的器件中，又以三端式稳压器应用最为广泛。

W7800和W7900系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。

W7800系列三端式稳压器的输出正极性电压，一般有5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V七个挡级，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。

同类型78M系列稳压器的输出电流为0.5A，78L系列稳压器的输出电流为0.1A。

若要求负极性输出电压，则可选用W79系列稳压器。

图7.19.1所示为W7800系列稳压器的外形和接线图。

它有三个引出端：

·输入端（不稳定电压输入端）：

标以“1”

·输出端（稳定电压输出端）：

标以“3”

·公共端：

标以“2”

除固定输出三端稳压器外，还有可调式三端稳压器，后者用外接元件对输出电压进行调整，以适应不同的需要。

本实验所用集成稳压器为三端固定正稳压器W7812,它的主要参数有：

输出直流电压Uo=+12V,输出电流I：

0.1A，M：

0.5A，电压调整率10mV/V，输出电阻Ro=0.15欧，输入电压Ui的范围为15~17V。

一般Ui要比Uo高3~5V才能保证集成稳压器工作在线性区。

图7.19.2所示为用三端式稳压器W7812构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。

其中整流部分采用了四个二极管组成的桥式整流器成品（又称桥堆），型号为2W06（或KBP306），内部接线和外部引脚引线如图7.19.3所示。

滤波电容C1，C2一般选取为几百微法至几千微法。

当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为0.33微法），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。

输出端电容C4（0.1微法）用以滤除输出端的高频信号，以改善电路的暂态响应。

图7.19.4为正、负双电压输出电路。

例如，当需要Uo1=+15V,Uo2=—15V时，可选用W7915和W7915三端稳压器，这时的Ui应为单电压输出时的两倍。

当集成稳压器本身的输出电压或输出电流不能满足要求时，可通过外接电路来进行性能扩展。

图7.19.5所示为一种简单的输出电压扩展电路。

如W7812稳压器的3、2端之间输出电压为12V，只要适当选择R的值，使稳压管Vz工作在稳压区，则输出电压Uo=12+Uz,可以高于稳压器本身的输出电压。

图7.19.6是通过外接晶体管V及R1来进行电流扩展的电路。

电阻R1的阻值由外接晶体管的发射结导通电压Ube、三端式稳压器的输入电流Ii（近视等于三端稳压器的输出电流Io1）和V的基极电流Ib来决定，即

式中，Ic为晶体管V的集电极电流，它应等于Ic=Io—Io1;b为V的电流放大系数；对于锗管Ube可按0.3V估算，对于硅管Ube按0.7V估算。

附：

（1）图7.19.7所示为W7900系列稳压器（输出负电压）外形及接线图。

（2）图7.19.8所示为可调输出正三端稳压器W317外形及接线图。

输出电压计算公式

最大输入电压

输出电压范围

3.实验设备与器件

（1）可调工频电源

（2）双踪示波器

（3）交流毫伏表（4）直流电压表

（5）直流毫安表（6）三端稳压器W7812，W7815，W7915

（7）桥堆2W06（或KBP306）（8）电阻器、电容器若干

4.实验内容

（1）整流滤波电路测试

按图7.19.9所示连接实验电路，取可调工频电源14V电压作为整流电路输入电压u2.接通电源，测量输出端直流电压UL及纹波电压UL~，用示波器观察u2及UL的波形，把数据及波形记入自拟表格中。

（2）集成稳压器性能测试

断开工频电源，按图7.19.2改接实验电路，取负载电阻RL=120欧。

1）初测

接通工频14V电源，测量u2的值；测量滤波电路输出电压Ui（稳压器输入电压），集成稳压器输出电压Uo,它们的数值应与理论值大致符合，否则说明电路出了故障。

设法查找故障并加以排除。

电路经初测进入正常工作状态后，才能进行各项指标的测试。

2）各项性能指标测试

第一步输出电压Uo和最大输出电流Iomax的测量。

在输出端接负载电阻RL=120欧，由于W7812的输出电压Uo=12V，因此流过RL的电流Iomax=12/120=100mA。

这时Uo应保持不变，若变化较大则说明集成块性能不良。

第二步稳压系数S的测量

第三步输出电阻Ro的测量

第四步输出纹波电压的测量

第二步~第四步的测试方法同7.18节，把测量结果记入自拟表格中。

3）集成稳压器性能扩展

根据实验器材来选取图7.19.4图、图7.19.8中各元器件，自拟测试方法与表格，记录实验结果。

5.仿真实验

（1）分别在Multisim平台上建立如图7.19.10所示集成稳压器。

启动仿真开关进行仿真分析。

（2）根据本节实验内容的要求在Multisim平台上逐项完成余下的仿真实验，并分析仿真结果。

（3）画原理图与印刷电路图。

6.预习要求

（1）复习教材中有关集成稳压器部分内容。

（2）列出实验内容中所要求的各种表格。

（3）在测量稳压系数S和输出电阻Ro时，应怎样选择测试仪器？

7.实验总结

（1）整理实验数据，计算S和Ro,与手册上的典型值进行比较。

（2）分析并讨论实验中发生的现象和问题。

电源（三）晶闸管可控整流电路

1.实验目的

（1）学习单结晶体管和晶闸管的简易测试方法。

（2）熟悉单结晶体管触发电路（阻容移相桥触发电路）的工作原理及调试方法。

（3）熟悉用单结晶体管触发电路控制晶闸管调压电路的方法。

2.实验原理

可控整流电路的作用时把交流电变换为电压值可以调节的直流电。

图7.20.1所示为单相半桥式整流实验电路，主要由负载RL（灯泡）和晶闸管V1组成，单结晶体管V2及一些阻容元件构成阻容移相桥触发电路。

改变晶闸管V1的导通角，便可调节主电路的可控输出整流电压（或电流）的数值，这点可由灯泡负载的亮度变化看出。

晶闸管导通角的大小取决于触发脉冲的频率

，由公式

可知，当单结晶体管的分压比

（一般在0.5~0.8之间）及C值固定时，频率

的大小由R决定，因此，通过调节电位器RP，便可以改变触发脉冲的频率，主电路的输出电压也随之改变，从而达到可控调压的目的。

用万用表的电阻挡（或用数字万用表二极管挡）可以对单结晶体管和晶闸管进行简易测试。

图7.20.2所示为单结晶体管BT33引脚排列、结构图及电路符号。

好的单结晶体管的PN结正向电阻Reb1和Reb2均较小，且Reb1稍大于Reb2；PN结的反向电阻Rbe1和Rbe2均应很大。

根据所测阻值即可判断出各引脚及管子的质量优劣。

图7.20.3所示为晶闸管3CT3A引脚排列、结构图及电路符号。

晶闸管阳极（A）—阴极（K）及阳极（A）—门极（G）之间的正、反向电阻

及

均应很大，而G—K之间为一个PN结，PN结正向电阻应较小，反向电阻应很大。

3.实验设备及器件

（1）±5V、±12V直流电源

（2）可调工频电源

（3）万用电表

（4）双踪示波器

（5）交流毫伏表

（6）直流电压表

（7）晶闸管3CT3A

（8）单结晶体管BT33

（9）二极管1N4007×4

（10）稳压管1N4735

（11）灯泡12V／0.1A

4.实验内容

（1）单晶晶体管的简易测试

用万用表R×10欧挡分别测量EB1和EB2之间正、反向电阻，记入7.20.1中。

表7.20.1实验数据记录

REB1（欧）

REB2（欧）

RBE1（千欧）

RBE2（千欧）

结论

（2）晶闸管的简易测试

用万用表R×1K挡分别测量A-K及A-G间的正、反向电阻；用R×10欧挡测量G-K间正、反向电阻，记入表7.20.2中。

表7.20.2实验数据记录

RAK（千欧）

RKA（千欧）

RAG（千欧）

RGA（千欧）

RGK（千欧）

RKG（千欧）

结论

（3）晶闸管导通及关断条件测试

断开±12V和±5V直流电源，按图7.20.4所示连接实验电路。

1）晶闸管阳极加12V正向电压，门极开路或加5V正向电压，观察管子是否导通（导通时灯泡亮，关断时灯泡灭）。

管子导通后去掉＋5V门极电压或反接门极电压（接－5V），观察管子是否继续导通。

2）晶闸管导通后，去掉＋12V阳极电压，或反接阳极电压（接－12V），观察管子是否关断，记录之。

（4）晶闸管可控整流电路

按图7.20.1所示连接实验电路。

取可调工频电源14V电压作为整流电路输入电压U2，电位器RP置中间位置。

1）单结晶体管触发电路

第一步断开主电路（把灯泡取下），接通工频电源，测量U2的值。

用示波器依次观察并记录交流电压U2、整流输出电压U0（i-O）、削波电压UW（w-0）、锯齿波电压Ue（E-O）及触发输出电压UB1（B1-0）。

记录波形时，注意各波形间的对应关系，并标出电压幅度及时间，记入表7.20.3中

第二步改变移相电位器RP的值，观察UE和UB1波形的变化，以及UB1的移相范围，记入表7.20.3中。

表7.20.3实验数据记录

U2

ui

uRP

UE

UB1

移相范围

2）可控整流电路

断开工频电源，接入负载灯泡RL；再接通工频电源，调节电位器RP，使电灯由暗到亮，再到最亮，用示波器观察晶闸管两端电压UV1和负载两端电压UL，并测量负载直流电压UL及工频电源电压U2的有效值，记入表7.20.4中。

表7.20.4实验数据记录

暗

亮

最亮

UL波形

UV1波形

导通角

UL（V）

U2（V）

5.仿真实验

（1）分别在Multisim平台上建立如图7.20.5所示可控整流电路。

启动仿真开关进行仿真分析。

（2）根据本节实验内容的要求在Multisim平台上逐项完成余下的仿真实验，并分析仿真结果。

（3）画原理图与印刷电路图。

6.预习要求

（1）复习教材中晶闸管可控整流部分内容。

（2）可否用万用表R×10k挡测试管子，为什么？

（3）为什么可控整流电陆中必须保证触发电路与主电路同步？

本实验是如何实现同步的？

（4）可以采取哪些措施来改变触发信号的幅度和移相范围。

（5）能否用双踪示波器同时观察U2和UL的波形？

为什么？

7.实验总结

（1）总结晶闸管导通、关断的基本条件。

（2）画出实验中记录的波形（注意各波形间的对应关系），并进行讨论。

（3）将实验数据UL与理论计算数据UL=0.9U21+cosa/2进行比较，分析产生误差的原因。

（4）分析实验中出现的异常现象。