直流稳压电源的设计与实现

学习情境1：直流稳压电源的设计与实现1.1学习目标：(1)掌握线性直流稳压电源的器件选择和设计制作方法；(2)掌握直流稳压电路的调试。1.2任务分析任务名称：设计制作线性直流稳压电源。任务背景：直流稳压电源作为直流能量的提供者，在各种电子设备中，有着极其重要的地位，它的性能良好与否直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。本次工作任务是为一小型温度测控系统提供直流稳压电源。任务要求：(1)完成变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器的选型，实现:输入电压为交流220V±10%，输出电压为±12V和5V，输出电流大于0.5A的直流线性稳压电源；(2)完成电路设计、计算机仿真、绘制电路图，自制电路板、安装调试；(3)撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。工作任务所需要的设备、工具和材料：双踪示波器、万用表（模拟或数字），自制电路板的各种工具一套及元器件若干。这个情境同学们要做什么，将学到什么技能？1.在老师的引导下，以同学们为主体，以小组团队协作的方式，设计、动手制作一个有实用价值的直流稳压电源。（1）学习直流稳压电源的基本知识（2）直流稳压电源的电路原理图和PCB版图设计（3）电路仿真（4）元器件选型（5）电路板焊接与调试（6）故障诊断与排查2.突破以往的知识获取模式，由被动接受向主动获取转变，逐步适应教学做一体的教学方式。3.树立团队协作精神。1.3任务知识点1.3.1直流稳压电源的组成*稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈进一步稳定直流电压。*整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。*滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。1.3.2单相桥式整流电路特点：单向半波整流电路是最简单的将交流电转换成直流的电路，输出电压是交流输入电压的0.45倍，效率低，脉动程度较大，在负载电流较小和允许脉动程度较大的场合可以用半波整流。单相半波整流电路v2：变压器副边交流输出的瞬时值V2：有效值2．参数计算输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。3．单相桥式整流电路的负载特性曲线曲线的斜率代表了整流电路的内阻。问题与思考：（1）画出单向桥式整流电路一个周期的电流回路示意图。（2）说明最大值、有效值和平均值的定义；对于正弦量，这三个值之间的换算关系是什么？。（3）用数字万用表的交流电压档测量交流电的电压，表上的显示值是最大值、有效值还是平均值？（4）我们说市电的电压为220V，指的是最大值、有效值还是平均值？1.3.3滤波电路1.滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容滤波电容滤波适合输出电流较小的场合。3.电容滤波的计算电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即另一种是在RLC=(35)T/2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。)41(2L2OLCRTVVV问题与思考：（1）滤波电容越大滤波效果越好，这种说法对吗？（2）桥式整流输出的最大值为15V，经过电容滤波后，空载时直流电压值大概是多少？1.3.4稳压电路1.稳压管稳压电路2.稳压管扩流稳压电路3.串联型稳压电路一般把上述电路做成78、79集成电路，称为直流线性稳压集成电路。1.3.5器件选型1．变压器选型（1）变压器分类按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。（2）电源变压器的特性参数①工作频率变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。②额定功率在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。③额定电压指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。④电压比指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。（3）变压器选型①工作频率作为电源变压器应根据电网频率选择，通常电网频率有50Hz和60Hz两种。②额定功率通常选择变压器的功率应稍大于负载的额定功率。③额定电压作为电源变压器应根据电网的电压选择。④电压比根据负载电压要求选择变压器的变比。问题与思考：单向桥式整流和电容滤波电路要求得到15V电压，变压器（220V输入）的变比应如何选择？2.整流二极管选型（1）二极管分类①根据所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）②根据结构分类：点接触型二极管、面接触型二极管、平面型二极管等。③根据用途分类：可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管等。（2）二极管的导电特性①正向特性只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。②反向特性当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。（3）二极管的主要参数①额定正向工作电流是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。②最高反向工作电压加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。（4）整流二极管的选择普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。（5）关于发光二极管它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管工作时正向饱和压降1.6～2V，电流一般为5--20mA。通常与限流电阻串联使用。例如：一个发光二极管用作直流24V电源的指示灯，希望发光二极管的电流为10mA（电流决定了它的亮度，电流越大，亮度越高，反之亦反然，但不能过小或过大），则与其串接的限流电阻应这样选择：（24-2）V/10mA=2.2KΩ，功率为2.2K*10mA*10mA=2.2mW,取1/4W。问题与思考：（1）上网查询“常用整流二极管参数表”。（2）如果使用LED作为+12V、-12V、+5V直流电源指示灯，画出电路图，计算限流电阻的阻值和功率，并选择型号。3.滤波电容选型（1）电容的分类（2）电容的标识（3）电容选型参考电容额定电压：6.3V、10V、16V、25V、32V、50V、63V、100V、160V、250V、400V、450V、500V、630V、1000V。在实际应用中，加在电解电容两端的电压不能超过其允许工作电压，在设计实际电路时应根据具体情况留有一定的余量，在设计稳压电源的滤波电容时，如果交流电源电压为220V时，变压器次级的整流电压达到22V，此时选择耐压为25V的电解电容一般可以满足要求．但是，假如交流电源电压波动很大且有可能上升到250V以上时，则电容可能被击穿，此时最好选择耐压30V以上的电解电容。4.三端稳压器件选型三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列.三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端TO-220的标准封装，也有TO-92封装和TO-3封装TO-220TO-92TO-3有时在数字78或79后面还有一个L、M或H。如78M12或79L24，用来区别输出电流和封装形式等。79系列除了输出电压为负，引出脚排列不同以外，命名方法、外形等均与78系列的相同。78、79系列三端线性稳压器（以78为例）按输出电流分4个系列：78L055V100mA78M055V500mA78055V1.0A78H055V3.0A注意：三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4~5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些