模拟电子课程设计--直流稳压电源的设计

课程设计报告 直流稳压电源 专业 电子信息工程 学生姓名 成亮亮 班级 B电子061 学号 0610620103 指导教师 孙宏国 完成日期 2008．9．10-2008．10．28 【课程设计】1.直流稳压电源的设计 一.实验目的 通过直流稳压电源的设计、安装和调试，要学会： ⑴选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电流； ⑵掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。 二.设计任务 1．直流稳压电源的主要技术指标 ⑴同时输出+12V电压、输出电流为500MA。 ⑵稳压系数S《0.05 （3）具有过流保护功能 2．设计要求 ⑴合理选择变压器、稳压器及二极管 ⑵完成全电路理论设计、安装调试、绘制电路图 ⑶撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。 三.基本原理 ⒈交流电源电压经电源变压器变换成整流电路所需的交流电压植后，通过整流电路变换成单向脉冲电压，再由滤波电路滤去其中的交流分量，得到较平滑的直流电压，最后经稳压电路获得稳定的直流电压。 2．结构框图 直流稳压电源结构图和稳压过程 四.单元电路的设计 1.桥式整流电路整流电路：将变压器输出的符合电压要求的交流电变换为所需数值的直流电。常用的整流电路主要有：半波整流、全波整流及桥式整流等。相对于半波整流相，全波整流二极管交替导通，其输出电压纹波明显减小；而桥式整流电路是全波整流电路的一个变形，其输出电压波形与全波整流电路相同，但加在变压器次级线圈上的电流变为了极性正负交替的脉冲电流，其性能更加优越。本设计中采用性能优越的桥式整流电路。 2.滤波电路 ：滤波电路：使交流电在经过二极管整流后获得的有杂波的直流电，变成波形较为平滑的直流电。本次实验我们使用滤波电容实现滤波。 3.稳压电路：采用三端集成稳压器。 W7800型为输出电压固定的三端集成稳压器 其中二极管D5，D6在接有感性负载时用作“续流”保护。Uf为整流滤波后的直流电压。电容C3，C4用以抵消输入端引线过长时的电感效应，防止产生自激振荡，C5，C6用以改善稳压器在负载电流瞬时变动时，输出电压引起的波动，控制纹波电压的范围 五.总体设计 （1）变压器 变压器的作用是把电网提供的交流电压转变成符合整流电路需要的交流电压。选用的时候，应该考虑就是功率和次级的交流电压。要根据电压 和最大输出电流来确定电源变压器的功率。按照设计要求，变压器的输出电压应为9V，最大电流应不小于1A，本实验选用输出电压为15V、220/0.1A的变压器。 （2）整流电路 桥式整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电变换成单向脉动的直流电压，电路由四个完全一样的二极管连接而成。它是全波整流电路的变形，但在一定程度上克服了全波整流电路的缺点。下图即为桥式整流电路原理图。图中UL为电源变压器，它的作用是将交流电网电压UL变成整流电路要求的交流电压U2，Rl是要求供电的负载电阻四只整流二极管D1～ D2接成电桥的形式，故有桥式整流电路之。 桥式整流电路的工作原理是：在 为正半周时， 承受正向电压， 导通， 承受反向电压， 截止。电阻R上形成上正下负电压。在 负半周时， 承受正向电压， 导通； 承受反向电压， 截止。R上形成上正下负的电压。四个二级管两个一组轮流交替导通截止，则R上可以获得完整的全波整流电压。 桥式整流电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压最大值，较之全波整流电路小了二分之一。这对于二极管来说是有保护作用的。 电路中采用的二极管要根据不同的整流方式和负载R的大小来选择 选择时主要考虑的依据为： 整流二极管的最高反向电压 满足的条件 整流电路性能的主要指标为输出直流电压 和电压纹波因子 。特别是输出电压的纹波因子 ，它 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征整流电路输出电压波形的平滑程度。也即反应了输出电压的质量高低。 通过负载Rl的电流iL以及电压vL的波形如下图所示。显然，它们都是单方向的全波脉动波形。 （3）滤波电路 滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电压降低时，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即C具有平波作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加时，它能把能量存储起来，而当电流减小时又能把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感也具有平波作用。 在桥式整流电路和负载电阻之间并入一个电容C即得到电容滤波电路如下图 （4）稳压电路 在这里我们采用串联反馈式稳压电路。下图是其结构图，图中V1是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路，Vref为基准电压，它由稳压管D2与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路而得，R1和R2组成反馈网络。这种稳压电路的主回路是起调整作用的BJTT与负载串联，故为串联式稳压电路。 输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A）放大后去控制调整管T的c-e级间的电压降，从而达到稳定输出电压V0的目的。当输入电压V1增加时，导致输出电压V0增加，随之反馈电压Vf=R2V0/（R1+R2）=FvV0也增加。Vf与基准电压Vref相比较，其差值电压经比较放大电路放大后使Vb和Ic减小，调整管T的c-e极间电压Vce增大，使V0下降，从而维持V0基本恒定。 串联反馈式稳压电路 电网电压的变化和负载电流的变化都能引起电源电压的变化，要获得输出电压稳定的直流电源，必须增加稳压电路。 （5）三端集成稳压器 集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。 1​ 固定电压输出稳压器 常见的有CW78 （LM78 ）系列三端固定式正电压输出集成稳压器三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。它由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。 规格 输出电压：小于15V 输出电流：大于1V 保护电路：内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。 特点78xx系列集成稳压器为三端器件：1脚为输入端，2脚为接地端，3脚为输出端，使用十分方便 78xx系列集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正15V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，7805应配上散热板。 （5） 原理图 六．参数计算 ★需要计算的参数： ⑴确定稳压电路的最低输入直流电压Ui（min） Uimin≈[Uomax+（U1-Uo）min]/0.9 代入各指标，计算得；Uimin≥[15+3]/0.9=20V 取20V。 ⑵确定电源变压器副边电压，电流及功率。 Ui≥Uimax/2，Ii≥Iimax， 取Ii为2A。 Ui≥30/2=15V 变压器副边功率P2≥30W 变压器的效率η=0.7,则原边功率P1≥42.8W.由上分析,可 选副边电压为16V,输出2A,功率45W的变压器. ⑶选整流二极管及滤波电容 因为电路形式为桥式整流电容滤波,通过每个整流二极管 峰电压和工作电流求出滤波电容值.已知整流二极管1N540,起极限参数为URM=50V,ID=5A. 滤波电容C1≈(3∽5)T*Iimax/2Uimin=（3000∽5000）μf 故取3300μf/30V的电解电容作滤波电容。 ★稳压器功耗估算 当输入交流电压增加10％时，稳压器输入直流电压最大， Uimax=1.1*2*16=35.2V 所以稳压器承受的最大压差为：35.2-（-15）=50.2V 最大功耗为：Uimax * Iimax =35.2*2=70.4W 故应选用散热功率≥70.4W的散热器。 七.参数性能指标及测试方法 1.电源变压器的作用是将220V的交流电压变换成整流需要的交流电压Ui。 变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η。式中，η为变压器的效率。 选变压器时，应选比电压额定值高一点，比所要电流高出25%压器。 2.整流电路将交流电压Ui边换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压U1。 基本参数 负载性质 电路形式 输 出 直 流 电 压 每管承受最高反压 流 过 每 管 的 整 流 电 流 纯阻负载 电容滤波 纯阻负载 电容滤波 纯阻负载 电容滤波 半 波 0.45U2 U2 1.414U2 2*1.414U2 I0 I0 全 波 0.90U2 1.2U2 2*1.414U2 2*1.414U2 0.5I0 0.5I0 桥 式 0.90U2 1.2U2 1.414U2 1.414U2 0.5I0 0.5I0 常用的整流滤波电路有全波整流滤波，桥式整流滤波。 附：①U2是变压器（次级）交流电压的有效值；I0是输出直流电流； ②表中所有参数未计变压器直流电阻和整流二极管正向压降影响。 3.稳压器（集成稳压器） W7800，W7900系列集成稳压器是一种三端固定正负集成稳压器由于是三端（输入，输出，公共端）不需要外接元件，故使用十方便W7800为正稳压器，W7900为负稳压器，它们分别有+15（-15）∽+24（-24）若干种固定输出电压，输出电流分别为0.1A，0.5A，1.5A。该集成稳压器内部设置了过流保护，过热保护及调整管安全工作区保护电 路，所以使用安全可靠。 W7900系列输出固定电压与下表一致，但均变成负。W78L00（W79L00）输出电流0.1A W7800（W7900）输出电流 1.5A W78M00（W79M00）输出电流0.5A 。 固定输出正，负压三端集成稳压器 正 稳 压 器 负 稳 压 器 输 出电 压 （V0） 偏 差 ΔV0 输 出电 流 I0（MA） 电压调整 率SV（MA） 输 入电 压 VI 封 装形 式 最 高结 温（T℃） CW78L15B CW79L15B 15 ±0.75 100 120 17∽ 35 B-3D 150 CW78L15C CW79L15C 45 S-1 CW78M15B CW79M15B ±0.75 500 150 F-1 150 CW78M15C CW79M15C 75 S-7 CW7815B CW7915B ±0.75 1500 150 F-2 150 CW7815C CW7915C 75 S-7 ◆纹波电压 纹波电压是指叠加在输出电压Uo上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值△UOPP一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值，但因 △Uo不是正炫波，所以用有效值衡量其纹波电压，存在一定的误差。 ◆​ 稳压系数：在负载电流，环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即 SU=[△Uo/Uo]/[ △Ui/Ui] ◆​ 电压调整率：输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量，即KU=△Uo/Uo稳压系数SU和电压调整率KU均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。 4.二极管的选择应注意：根据需要正确选择型号，同一型号的整流二极管方可串，并联。同时应根据实际需要，决定是否加入均衡装置。 ◆ 整流二极管，反向电压降低20%使用，以保证可靠性。整流器应避免瞬间或长时间过电压。额定整流电流，额定电压是指电阻性，电感性负载下的半波平均值，若工作在容性负载是，，其中的整流电流应降低20％使用。 ◆稳压管可以串联使用，但不能并联使用。当环境温度超过50℃时，每升高1℃，应将最大耗散功率降低1％。所使用的电 流及功率不允许超过极限值。 ◆为了使二极管能在较宽的范围内温度系数达到最小的温度特性值，可采用将二极管与稳压管串联起来，使它们的温度系数相互抵消。不过，此时它们的反向漏电流也会增加一些。 5.任何电容器都存在损耗，希望愈小愈好。特别是在高频电路， 这一点尤其重要。 ◆工作频率是选择电容器极其重要的依据： ①在高频小信号电路中，应选陶瓷、云母介质的电容器 ②在高频大功率（指≥100MHz）,应选择空气可变电容器所组成的匹配电路； ③在高频旁路电路中，应选用具有引线的电容器与穿心电容器并联使用，这样就避免了仅使用穿心电容器造成体积尺寸过大的缺点； ④在≥500MHz以上的电路中，宜采用全部无引线的金属电容 ⑤不论使用以上哪一种电容器，引出线应越短越好。同时，焊接质量也有很大的关系，要求焊点偏大而圆滑，绝对不允许出现虚焊现象。 ⑥有极性的电容器不允许在负压的情况下工作。即加在电容器上的直流电压成分与交流电压峰值之差应≥0,若超出此规定，应选用无极性电容器。或将两个同规格的极性电容器的负极连接起来，两个正极分别接在电路中（如图2），此时每只电容器的容量为实际所需电容量的双倍数值；而直流工作电压为实际所需直流工作电压一半以上的临界电压系列值。 图二 图（2） 八. 实验总结 本次实验基本完成了实验的目的。通过亲自动手我们进一步熟悉了实验器材和它们的性能。虽然我们完成的仅是很基本的稳压器设计，但明晰了稳压器的电路结构，激发了我们的实验兴趣，为进一步学习电子技术这门课程奠定了基础。 本次实验是我们从原理设计，器件选择，电路搭设，电路调试完全自己动手完成的实验，虽然实验本身并不复杂，设计难度也不大，但确使我们充分了解了完成一项设计任务所需完成的整个过程。特别是在实验的过程中遇到了一些问题，虽然都不复杂，但是经过我们自己查找分析，最终获得解决的。在设计过程中我们学到了很多关于电路调试和问题查找的知识。检查电路，虽说需要较长的时间，却也体味到了解决问题的快感，最重要的是，让我们知道应该如何根据问题去检查电路，减少盲目性，提高电路调试效率。 同学们都比较喜欢这门设计课程，因为大家觉得在这门课上确确实实能学到很多东西，还有老师的悉心教导，特别是相对宽松的设计环境，不仅使我们学到许多新的知识，还对我们以前所学知识给予了系统化的整理，尤其是培养了我们独立解决问题的能力。 最后，对孙老师在实验过程中给予我们的耐心指导表示真诚的感谢！ 九．参考资料 1.清华大学电子教学教研组，，童诗白主编，模拟电子技术基础，修订2版，北京：高等教育出版社，1988 2.华中工学院电子学教研室编，康华光主编。电子技术基础：模拟部分。修订3版。北京高等教育出版社，1988。 3.周仲编。国产集成电路应用500列。北京：电子工业出版社，1992.