单元十三稳压电路与定电流源.docx

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单元十三稳压电路与定电流源

單元十三穩壓電路與定電流源電路

實習13-1：

串聯電壓調節器

一.相關原理

圖13-1是電晶體串聯電壓調節器，串聯式的調節器比並聯式的調節器穩壓效果佳，電壓調整範圍大，所以串聯式成為電晶體電壓調節器的主流。

電壓調節器的輸入電壓Vi=VZ+VR，輸出電壓VO=VZ-VBE。

若Vi固定，負載變動使VO上升，由於VZ值固定，所以相對的VBE值減少。

VBE減少，使電晶體Q導通率降低，VCE值提高，會使輸出VO下降，而維持在定值。

同理，若負載變動使VO下降，調節器則相反工作，使輸出電壓上升，並維持在定值。

若輸入電壓Vi上升，因zener二極體電壓VZ保持定值，所以電阻R上的電壓降VR上升，電流I上升，並流經zener二極體，對輸出電壓沒有影響。

二.實習步驟

（1）按圖13-2接妥電路。

（2）開關S打開，照表12-1所示的Vi值調電源供應器，測VBE1﹑VBE2及VO值，並記錄於表13-1中。

（3）開關S關閉，照表13-2所示的Vi值調電源供應器，測VBE1﹑VBE2及VO值，並記錄於表13-2中，最後計算其電壓調整率VR%。

注意：

表13-1之VO為無載之輸出電壓VO,（noload），表13-2之VO為滿載之輸出電壓VO,（fullload），VR（%）=[VO,（noload）-VO,（fullload）]/VO,（fullload）×100%，故可知理想之穩壓電路，其VR（%）=0。

（4）將zener二極體改為5.1V，重作步驟

（2）、（3），並將結果記錄於表13-3中。

（5）分別觀察表13-1至表13-3內輸出電壓值，其穩壓值分別為何？

zener二極體之崩潰電壓與穩壓效果間之關係為何？

試說明之。

13-1電晶體串聯電壓調節器

圖13-2電晶體串聯電壓調節器實驗電路

三.結果數據

表13-1未加負載之串聯電壓調節器實驗結果

Vi（V）

VBE1（V）

VBE2（V）

VO（V）

表13-2負載狀況下串聯電壓調節器實驗結果

Vi（V）

VBE1（V）

VBE2（V）

VO（V）

VR%

表13-3串聯電壓調節器使用不同zener二極體之穩壓效果

Vi（V）

VBE1（V）

VBE2（V）

VO（V）

VR（%）

10V

12V

14V

16V

實習13-2：

回授式串聯電壓調節器

一.相關原理

圖13-3是回授式串聯電壓調節器，VO=Vi-VCE2，其中電晶體Q2是射極隨耦器，因為所有的負載電流都流經Q2，所以Q2也稱為傳送電晶體。

當VO上升時，回授電壓VF上升，VBE1也上升，則IB1增大，並使得IC1增加，VCE1下降。

VCE1下降使Q2的基極電壓VB2減少，VBE2下降，最後Q2的IB2、IC2減少，VCE2上升，即輸出電壓VO減少。

同理，若VO減少，回授電壓VF減少，VBE1就會減少，IB1減小，VCE1會增大。

VCE1增大使Q2的基極電壓VB2增大，VCE2降低，結果VO上升。

所以無論負載怎麼改變，電壓調節器的輸出電壓VO都不變。

圖13-3的輸出電壓VO：

且VF=（VBE+VZ）

（13-1）

由（13-1）式看出，適當的調整R3與R4的比值，便可調整所需的輸出電壓VO值。

圖13-3的傳送電晶體Q2是和負載RL串聯的，故稱為串聯調節器。

它的缺點是功率消耗都在傳送電晶體Q2上，即

PD=VCE2×IC2=（Vi-VO）IC（13-2）

若負載電流太大，Q2勢必消耗很多電源，所以必須提供大的散熱槽及較高的電源供給。

二.實習步驟

（1）按圖13-4接妥電路，其中Vi為電源供應器之輸出電壓。

（2）開關S打開，調整電源供應器為15V，即為Vi。

（3）調可變電阻VR1，測得VO（min）和VO（max），記錄於表12-4內。

（4）R3=3.3k﹑R4=1k，重作步驟（3）。

（5）R3=1k﹑R4=3.3k，重作步驟（3）。

（6）開關S關閉，重作步驟（3）至（5）。

圖13-3電晶體回授式串聯電壓調節器

圖13-4電晶體回授式串聯電壓調節器實驗電路

三.結果數據

表13-4回授式串聯電壓調節器穩壓效果

VO（min）

VO（max）

VO（min）

理論值

VO（max）

理論值

R3=1k

R4=1k

R3=3.3k

無RL

R4=1k

R3=1k

R4=3.3k

R3=1k

R4=1k

R3=3.3k

有RL

R4=1k

R3=1k

R4=3.3k

實習13-3：

定電流源電路

一.相關原理

定電流源顧名思義就是輸出電流為一定值，無論負載RL如何改變，其通過之電流IL都保持不變，如圖13-5（a）電路，其特性曲線如圖13-5（b）所示。

定電流源電路在我們現今工業上用途極廣，如用於蓄電池充電器，電鍍工業上。

圖13-6為一簡單定電流電路，其電路是由一個電流源和輸出電阻並聯而成，電流源所供給的電流即為輸出電阻上的電流IS與負載電阻電流IL之和，若電流源之輸出電阻遠大於負載電阻，則大部分之電流便將流過負載，而構成一定電流源。

（a）定電流電路（b）特性

圖13-5理想的定電流電路

圖13-6簡單的定電流電路

若1A之電流源，其輸出電阻為200k，則流過1k與10k不同之負載電阻時，其電流分別為

負載變動量=錯誤!

內嵌物件無效。

，但電流變化量僅=，但若負載變化加大，如200k，則：

，可知當負載電阻RL愈大或電流源輸出電阻愈小，便無法構成一理想之定電流源，故負載電阻應甚小於電流源之輸出電阻（RL<

在電子電路中可利用OPA或BJT來組成定流源電路。

其電路與工作原理分述如下：

（一）OPA定電流源電路

圖12-7為基本OP.AMP構成的定電流源電路，其電路是利用一電壓源（VIN）經過電阻器（Ri）以提供一定電流（Ii），因為OP.AMP的反相輸入端為一虛擬接地點，因此輸入電流，由於OP.AMP輸入阻抗非常高，幾乎沒有電流可以流進OPA內部，所以全部Ii流經RL即IL=Ii=VIN/Ri。

由此只要VIN及Ri保持常數，即使RL再怎樣改變，IL仍為定值

圖13-7基本OPAMP的定電流源電路

圖12-8中，輸入電壓改由一稽納二極體來提供，因Zener之穩壓作用，可得一固定之OPA輸入電壓，正常工作下，其Ii之電流仍相當於IL之電流，構成定電流源之條件。

若欲改變定電流源輸出電流大小，則改變R1電阻值即可。

圖12-9是利用加法器和一反相器組成定電流電路，從此電路中

令Va=VL，由OP.AMPA2之反相放大組態增益得知Vb/Va=-Rb/Ra=-1，故Va=-Vb=VL，可得

VC=-VS+VL

而Ra電阻之壓降

VR=VC-VL=-VS+VL-VL=-VS

所以流過Ra之電流IR為

IR=IC=-VC/RC=VR/Ra

在電路中，IR=Ia+IL，圖13-9中OP.AMPＡ2反向輸入端為虛擬接地，故

如使用較大之Rb，則Ia?

0，故

圖13-8Zener二極體與OPA合成定電流源電路

圖13-9加法器與反相器合成之OPA定電流源電路

（二）BJT定電流電路

利用BJT電晶體作成之定電流源電路，如圖12-10。

圖中VBE幾為一固定值，故VE亦為固定值。

若欲改變定電流源之輸出電流大小，只要改變RE亦可。

（RE小則IL大；反之，RE大則IL小）。

圖13-10BJT電晶體定電流源電路

二.實習步驟

工作一：

Zener二極體與OPA合成定電流源電路

（1）按圖13-8接線。

（2）依表13-5之電阻值改變R1與RL，分別測量VA，VB，VO之電壓，並記錄於表13-5中。

（3）依I1=（VA-VB）/R1、IL=（VB-VO）/RL公式，計算出I1及IL之電流值，並作比較，I1是否等於IL？

為甚麼？

（4）由表13-5之數據說明此電路電流一旦由R1決定後，不論負載電阻RL如何變化，負載電流IL均幾乎不受影響。

工作二：

加法器與反相器合成之OPA定電流源電路

（1）按圖13-9接線，其中Ra，RL先接2kΩ固定電阻，VS接電源供應器或函數產生器DC2V。

（2）以示波器DC檔或三用電表量VC與VL電壓，並記錄於表13-6中。

（3）依IR=（VC-VL）/Ra、IL=VL/RL，計算IR與IL之電流值，並比較其差異。

（4）將Ra，RL換成10k可變電阻器，依表13-6所列之電阻值，依序調整10k可變電阻器，改變Ra及RL，重覆

（2）、（3）步驟，並記錄於表13-6中。

（5）依表13-6所列之VS電壓值，調整電源供應器或函數產生器，依序再重覆

（2）～（4）之步驟，並記錄於表13-6中。

工作三：

BJT電晶體定電流源電路

（1）按圖13-10接線，直流電壓源E供給DC12V，RL接4k固定電阻。

（2）以三用電表DCmA檔串聯於RL與RE上，測量IL與IE之大小，或以示波器、三用電表DC電壓檔量測電壓後，再除以RL與RE電阻，亦可得IL與IE之大小。

（3）依表13-7計算IL與IE之差異。

（4）將RL換成10k可變電阻器，依表13-7所列之電阻值，依序調整10k可變電阻器，改變RL，重覆

（2）、（3）步驟，並將結果記錄於表13-7中。

三.結果數據

表13-5Zener二極體與OPA合成定電流源電路實驗結果

0.5k

0.2k

10k

20k

表13-6加法器與反相器合成之OPA定電流源電路實驗結果

+2V

+4V

-2V

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