整流滤波与稳压电路

实验6 整流滤波与稳压电路

一、实验目的

1. 理解单相半波和单相桥式整流电路的工作原理。

2. 理解电容滤波电路的工作原理及外特性。

3. 掌握稳压二极管构成的并联稳压电路工作原理。

4. 学习三端集成稳压电路的使用方法。

5. 熟悉直流稳压电源的性能指标及测试方法。

二、实验任务

基本实验任务

1. 选择二极管组成整流电路，测试半波、桥式整流电路的性能。

2. 测量不同容量的电容滤波电路的输出波形和外特性，分析电容滤波性能。

3. 测量稳压二极管构成的并联稳压电路的性能参数。 扩展实验任务

1.用三端集成稳压器LM317组成稳压电路，并测量电路的性能参数。

2.设计一个能够给300Ω的负载电阻提供5V 稳定的直流电压的电源。 （1）选择与要求符合的电路结构； （2）通过计算，选择合适的器件参数； （3）画出电路，列出器件清单。

三、实验器材

1．双踪示波器 2．台式数字万用表 3. 模拟电路实验箱

四、实验原理

能将交流电变换为稳定的直流电的电路称为直流稳压电源。直流稳压电源的结构框图如图10.1

所示。

1. 电源变压器

电源变压器将输入的220V （50Hz ）交流电压变换为整流电路适用的交流电压。同时还起到了将强、弱电隔离的作用，所以该电源变压器又称隔离变压器。

t

u

图10.1 直流稳压电源的原理框图 交流电

整流

滤波

稳压

负载

t

u

变压

2. 整流电路 整流电路是利用二极管的单向导电性，将交流电变成单向脉动的直流电。常用的单相整流电路有单相半波与单相桥式整流。

单相半波整流电路由一只二极管组成，如图10.2（a ）所示。该电路输入为变压器副边的正弦交流电压，输出为只保留输入电压正半周的单向脉动直流电压，波形如图10.2

（b ）所示。若

将D 看做理想二极管，则输出电压的平均值与变压器付边电压有效值的关系是：U 0=0.45U 2。 单相桥式整流由四只二极管组成整流桥，如图10.3（a ）所示。在输入电压的正半周，D 1和D 3导通， D 2

和D 4截止，输出电压为u 2的正半周；在输入电压的负半周，D 2和D 4导通， D 1和D 3截止，输出电压是将u 2的负半周反相后加到负载上，输出电压波形如图10.3（b ）所示。输出电压的平均值与变压器付边电压有效值的关系是：U 0=0.9U 2。

3. 滤波电路

滤波电路是利用电容和电感对直流分量和交流分量呈现不同电抗的特点，可以滤除整流电路输出电压的交流成分，保留其直流成分，使其变成比较平滑的电压波形。常用的滤波电路有：电容滤波、电感滤波和π型滤波。

电容滤波电路简单，滤波效果好，是一种应用最多的滤波电路。其电路结构就是在整流

电路的输出端与负载电阻并联一个足够大的电容器，当滤波电容的容量越大，电容放电的时间常数越大，输出电压的平均越高。选择合适的电容滤波时（L (3~5)2

T R C 3），其输出电压平均值与变压器付边电压有效值之间的关系近似为： 单相半波整流电容滤波：U 0=U 2，

单相全波整流电容滤波：U 0=1.2U 2

空载时O 2U 2U =。

桥式整流电容滤波电路如图10.4（a ）所示，其输出电压波形如图10.4（b ）所示。

t

u

图10.2 单相半波整流电路

3

u 2

2U 2

ωt

0 π

2π （b ）

u o

3π

2U 2

ωt 0

π 2π

u 1 +T r D

u 2

u o

R L

（a ） -图10.3 单相桥式整流电路 D 1 D 4 D 2（a ） D 3 u o

R L u 2 T r

u 1 +-3π u 2 2U 2

ωt 0 π 2π （b ） u o 3π 2U 2 ωt 0

π 2π

图10.4桥式整流电容滤波电路

电容滤波的外特性较差，因为当容量C 一定时，负载电流增大，即对应负载电阻R L 减小，导致了时间常数减小，输出电压平均值U 0随之下降。外特性如图10.4（c ）所示。

4. 稳压电路

整流滤波电路的输出电压会随着电源电压波动或负载变化而变化，在整流滤波后接上一稳压电路就可以使负载上的直流电压稳定不变。常用的稳压电路有稳压管稳压电路，串联稳压电路和集成稳压电路。

（1）并联稳压电路

稳压管组成的并联稳压电路如图10.5所示。负载L R 与稳压管Z D 并联。负载上的输出电压o u 就是稳压管的稳定电压Z U 。

（2）集成稳压电路

三端集成稳压器使用简单，稳压效果好。如果需要固定输出的直流电压，一般采用W78ⅩⅩ（W79ⅩⅩ）系列固定输出的集成稳压芯片组成稳压电路。如需要输出电压为+5V 时，则只需选择W7805组成如图10.6所示的稳压电路即可。该电路输出电压为稳定的+5V 。

若要用到非标准的稳定电压，（比如模拟电池供电的+9V 电压），这时就不能使用W78ⅩⅩ系列固定输出电压芯片了，用输出电压可调的集成稳压芯片LM317构成的可调式稳压电源如图10.7所示。LM317没有接地管脚，但其输出端与调整端的电压是固定的1.25V 。图10.7所示电路为最简单的使用方法，R 1上为1.25V 的基准电压，由于调整端的电流很小（50~100μA ），可视R 1与R 2为串联，所以输出端电压为：2

O 1

R U 1.25(1)V R =+

。调整R 2，可调整输出电压的大小。 （3）稳压电路性能指标测试

通常，衡量稳压电路性能的主要技术指标有稳压系数S r 和输出电阻R o 。

稳压系数定义为负载一定时稳压电路的输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即

I L

图10.5 稳压管稳压电路 u 2

u 1 ++

C u o

R L

D Z R

u I -

L

L

O O O I

r R R I I I O

U /U U U S U /U U U D D =

=

?D D

输出电阻定义为输入电压一定时，稳压电路的输出电压变化量与输出电流变化量之比，即

L

O O I O

U R I D =

D

5. 直流稳压电源的设计步骤：

直流稳压电源的设计是根据要求的负载电压及电流，选择合适的电路结构，并通过分析计算，选择合适的元件，将输入交流市电变换为稳定的直流电压给负载供电。该电路一定包含变压、整流、滤波、稳压各个环节。现以应用最为广泛的桥式整流、电容滤波、集成稳压器稳压电路为例介绍固定输出的直流稳压电源的设计步骤。

设计要求：交流输入电压：1U 220V =；输出电压：U O ；负载电阻：R L 。

设计步骤：

（1）选定电路结构：桥式整流、电容滤波、集成稳压器稳压。 （2）选择元件：

1）根据要求的输出电压U O 确定集成稳压器型号；

2）根据要求的输出电压U O 确定集成稳压器要求的输入电压即整流滤波电路的输出电压U I 。一般U I 至少高于U O 3V ，即I

O 3V U U ?；

3）根据整流滤波电路的输出电压U I 确定变压器付边电压U 2；

4）根据变压器付边电压U 2，负载电阻R L 确定滤波电容的容量及耐压； 5）确定二极管（或整流桥）型号。 6）确定变压器的变比及功率。

需要注意的是，每一个环节都要留有充分的裕量。

五、实验预习

1. 复习整流、滤波、稳压电路的工作原理。

2. 计算图10.2所示电路中，U 2=14V 时，输出电压的平均值U O =？

3. 计算图10.3所示电路中，U 2=14V 时，输出电压的平均值U O =？

4. 计算图10.4（a ）所示电路中，U 2=14V 时，输出电压的平均值U O =？

5．如图10.3所示，在单相桥式整流电路中，如果出现下列现象，说明后果。 （1）D 3断开，

（2）D 3被击穿短路，

（3）D 3极性接反，试分别说明其后果如何？

6．简述滤波电容的大小对输出电压及波形有何影响？ 7．.三端集成稳压器选择W7805时，输出电压应为多少？

8．图10.7所示电路中，若取R 1=120Ω，R 2=3.3k Ω，输出电压的变化范围是多少？

六、实验内容与步骤

（一）基本实验任务 1. 整流、滤波电路

连接测试

模拟电子技术实验箱中的整流、滤波、稳压管稳压电路模块如图10.8所示。其中，选择变压器副边电压有效值U2=14V ，负载电阻选择图10.9中的9R2与9RP2串联，其中9RP2为100Ω的电位器，将其放在最大位置。此时，

Ω=151L R 。

（1）半波整流、电容滤波电路测试。

在图10.8电路中连线，使其实现半波整流无滤波、半波整流10μF 电容滤波、半波整流470μF 电容滤波。分别用万用表的直流电压档测试输出电压平均值，用示波器观察输出电压的波形，记录于表10.1中。 （2）桥式整流、电容滤波电路测试。

在图10.8电路中连线，使其实现桥式整流无滤波、桥式整流10μF 电容滤波、桥式整流470μF 电容滤波。分别用万用表的直流电压档测试输出电压平均值，用示波器观察输出电压的波形，记录于表10.1中。

注意：（1）变压器副边电压有效值用万用表的交流电压档测试；输出电压平均值用万用表的直流电压档测试！

（2）用示波器测量输出电压的波形时，必须固定垂直调整开关VOLTS /Div 的位置。 （3） 测量电容滤波电路外特性

将电路接成桥式整流，470μF 电容滤波。改变负载电阻RL 的数值，测量电压、电流值，填入表10.2中，并绘出外特性曲线。

表10.2 电容滤波电路外特性

输出电流（mA ） 0 5 10 20 40 50

无滤波

电容滤波

10μF 470μF 半波整流

负载上直流 电压U O

计算值 测量值

误差

波形

t

u 0

t

u 0

t

u 0

空载时的U O

桥式整流

负载上直流 电压U O

计算值 测量值

误差

波形

0 t

u 0

t

u 0

t

u 0

空载时的U O

表10.1 整流滤波电路测试

输出电压（V ）

4. 测量并联稳压电路性能

选择桥式整流，470μF 电容滤波，变压器副边电压有效值U2=14V 。按照图10.5所示接成并联稳压电路。改变负载电阻RL ，测量输出电压、电流，填入表10.3。

表10.3 并联稳压电路外特性

输出电流（mA ） 0 5 10 20 输出电压（V ）

（1）根据表10.3中测得数据，绘出并联稳压电路的外特性曲线。与电容滤波电路的外特性曲线比较。

（2）根据表10.3中测得数据，计算出并联稳压电路的输出电阻RO 。 （3）测量并联稳压电路的稳压系数Sr 。

将变压器副边电压有效值U2自14V 改为16V ，保持负载电阻为最大值，测量表10.4中数值，并根据所测数据计算稳压系数Sr 。

表10.4 稳压系数的测量

U2（有效值） UI （平均值） UO （平均值） IL （平均值） 稳压系数Sr 14 16

（二）扩展实验任务

1.用三端集成稳压器LM317组成稳压电路，并测量电路的性能参数。

（1）根据图10.10所示电路，在模拟实验箱中连接桥式整流、电容滤波、集成稳压器稳压电路。 （2） 调整R2，测量电路的输出电压范围。

（3） 参考（一）中的4.，列出对应表格，测量该电路的性能。

2.设计一个能够给300Ω的负载电阻提供5V 稳定的直流电压的电源。 （1）选择与要求符合的电路结构； （2）通过计算，选择合适的器件参数； （3）画出电路，列出器件清单。 七、注意事项

1.变压器副边电压U2为交流电压有效值，用万用表交流电压档测量；输出直流电压U0为平均值，用万用表直流电压档测量；

2.观察不同滤波电路的输出波形时，应固定垂直灵敏度旋钮V/DIV ；

3.在将二极管接入电路之前，一定要测量其好坏和极性；

图10.10 输出电压可调的直流稳压电源

u 2

u 1

+ +

C

I L -

LM317

R L

C o

R 2

D 2

D 1

U I

+ U O -

C I

R 1

4.避免将滤波电容的极性接反；

5.勿将三端集成稳压器的管脚接错；

6.使用时切勿超载。

八、实验报告要求

1.绘制表格，整理实验数据与理论值相比较，找出产生误差的原因；

2.根据实验结果，分析输出电压波形与滤波电容量的关系；

3.根据实测值，绘出电容滤波及稳压电路的外特性曲线；

4.画出通过实验修改后的扩展部分电路图，标出各器件参数，写出各器件参数的选择和计算依据。

5.整理分析扩展部分仿真结果和实测结果，画出各部分的电压波形；

6．总结本次实验情况，写出心得体会。包括实验中遇到的问题的处理方法和结果。