武汉理工大学模电实验直流稳压电源的设计实验

实验九直流稳压电源的设计一．实验目的1．学习小功率直流稳压电源的设计与调试方法。2．掌握小功率直流稳压电源有关参数的测试方法。二．预习要求1．根据直流稳压电源的技术指标要求，按照教材中介绍的方法，设计出满足技术指标要求的稳压电源。根据设计与计算的结果，写出设计报告。2．制定出实验方案，选择实验用的仪器设备，三．实验原理小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图1所示。+电源+整流+滤波+稳压+u1u2u3uIU0_变压器_电路_电路_电路_（a）稳压电源的组成框图u1u2u3uIU00t0t0t0t0t（b）整流与稳压过程图1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程1．电源变压器电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：12PP其中：2P是变压器副边的功率，1P是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1小型变压器的效率副边功率2PVA10VA30~10VA80~30VA200~80效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率2P后，就可以根据上表算出原边功率1P。2．整流和滤波电路在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：2)2.1~1.1(UUI在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：22UURM流过每只二极管的平均电流为：RUIIRD245.02其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：2)5~3(TRC其中：T=20ms是50Hz交流电压的周期。3．稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。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；CW79（LM79）系列三端固定式负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。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI-Uo≥2V。稳压器的静态电流Io=8mA。当Uo=5~18V时，UI的最大值UImax=35V；当Uo=18~24V时，UI的最大值UImax=40V。它们的引脚功能及组成的典型稳压电路见附录图A所示。（2）可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2~37V，最大输出电流Iomax=1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为：UI-Uo=3~40V。三端可调式集成稳压器的引脚及其应用电路见附录图B。三．稳压电源的设计方法：稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：1）根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。2）根据稳压器的输入电压IU，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。3）确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压RMU和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。设计举例：设计一个直流稳压电源，性能指标要求为：,800,9~3maxmAIVVUoo纹波电压的有效值,5mVUo稳压系数3103vS设计步骤：1）选择集成稳压器，确定电路形式集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：VUo37~2.1，最大输出电流maxoI为1.5A。所确定的稳压电源电路如图2所示。D63CW3172保险丝D1D41CR1D5u1D2D3C1CoUo~220Vu2C2RW图2输出电压可调的稳压电源图2中，取C1=0.01μF，C2=10μF，C0=1μF，R1=200Ω，RW=2kΩ，二极管用IN4001在图2电路中，1R和wR组成输出电压调节电路，输出电压)1(25.11RRUwo，1R取240~120，流过1R的电流为mA10~5。取2401R，则由)/1(25.11RRUwo，可求得：210minwR，930maxwR，故取wR为k2的精密线绕电位器。2）选择电源变压器由于CW317的输入电压与输出电压差的最小值VUUoI3min，输入电压与输出电压差的最大值VUUoI40max，故CW317的输入电压范围为：maxminminmax)()(oIoIoIoUUUUUUU即VVUVVI40339VUVI4312VUUin111.1121.1Im2，取VU122变压器副边电流：AIIo8.0max2，取AI12，因此，变压器副边输出功率：WUIP12222由于变压器的效率7.0，所以变压器原边输入功率WPP1.1721，为留有余地，选用功率为W20的变压器。3）选用整流二极管和滤波电容由于：VUURM1712222，AI8.0max0。IN4001的反向击穿电压VURM50，额定工作电流max01IAID，故整流二极管选用IN4001。根据300103,5,12,9vppISmVUVUVU，和公式常数常数oITIIvUUUUS00可求得：VSUUUUvIpopI2.2103912005.030所以，滤波电容：uFFUTIUtICIIc3636003636.02.2215018.02max0电容的耐压要大于VU1712222，故滤波电容C取容量为F4700，耐压为V25的电解电容。四．稳压电源的安装与调试按图3所示安装集成稳压电路，然后从稳压器D6的输入端加入直流电压VUI12，调节RW，若32输出电压也跟着发生变化，说明稳压电路工作正常。CW317用万用表测量整流二极管的正、反向电阻，正1R1D5确判断出二极管的极性后，按图4所示先在变压器UICUo的副边接上额定电流为1A的保险丝，然后安装整C1Co流滤波电路。安装时要注意，二极管和电解电容C2RW的极性不要接反。经检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用示波器或万用表图3稳压电路检查整流后输出电压UI的极性，若UI的极性为负，（其中：D5、D6为IN4001型二极管，则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路，C1=0.1μF，C2=10μF，C0=1μF）就会损坏集成稳压器。因此确定UI的极性为正后，断开电源，按图2所示D1D4将整流滤波电路与稳压电路连接起来。然后接通电源，调节RW的值，若输出u1D2D3CUI电压满足设计指标，说明稳压电源中各~220Vu2级电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标的测试。图4整流滤波电路五．稳压电源各项性能指标的测试1．输出电压与最大输出电流的测试测试电路如图5所示。一般情自耦变压器Io电流表况下，稳压器正常工作时，其输出被测I电流oI要小于最大输出电流maxoI，~220V稳压UoV电压表RL取AI5.00，可算出RL=18Ω，电路工作时LR上消耗的功率为：WIUPooL5.45.09故LR取额定功率为5W，阻值为图5稳压电源性能指标的测试电路18Ω的电位器。测试时，先使18LR，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是Uo。然后慢慢调小LR，直到Uo的值下降5%，此时流经LR的电流就是maxoI，记下maxoI后，要马上调大LR的值，以减小稳压器的功耗。2．稳压系数的测量按图5所示连接电路，在VU2201时，测出稳压电源的输出电压Uo。然后调节自耦变压器使输入电压VU2421，测出稳压电源对应的输出电压Uo1；再调节自耦变压器使输入电压VU1981，测出稳压电源的输出电压Uo2。则稳压系数为：ooooovUUUUUUUS21111982422203．输出电阻的测量按图5所示连接电路，保持稳压电源的输入电压VU2201，在不接负载RL时测出开路电压Uo1，此时Io1=0，然后接上负载RL，测出输出电压Uo2和输出电流Io2，则输出电阻为：2212121ooooooooIUUIIUUR4．纹波电压的测试用示波器观察Uo的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量ΔUop-p的值（约几mV）。5．纹波因数的测量用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值，用万用表（或数字万用表）的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。则纹波因数为：输出电压的直流分量效值输出电压交流分量的有七．实验报告要求1．列出设计题目和技术指标要求。2．列出设计步骤和电路中各参数的计算结果。3．画出标有元件值的电路图。4．列出性能指标的测试过程5．整理实验数据，并与理论值进行比较。附录：1．固定式三端稳压器的引脚图及典型应用电路CW78XX1CW78XX3CW79XX123UIC12CoUo123UIC11CoUo2CW79XX3Ui地Uo地UiUo（a）CW78系列的引脚图及应用电路（b）CW79系列的引脚图及应用电路（其中：C1=0.33μF,Co=0.1μF，C1、（其中：C1=2.2μF，CO=1μF）Co采用漏电流小的钽电容）图A固定式三端稳压器的引脚图与应用电路说明：稳压器输入端的电容C1用来进一步消除纹波,此外，输出端的电容Co与C1起到了频率补偿的作用，能防止自激振荡，从而使电路稳定工作。2．可调式三端稳压器的引脚图及其典型应用电路在图B(a)中，R1与Rw组成输出电压3CW3172调节电路，输出电压Uo≈1.25(1+Rw/R1)，CW3171R1D5R1的值为120~240Ω，流经R1的泄放电123UIC1CoUo流为5~10mA。Rw为精密可调电位器。电RWC2容1C可以进一步消除纹波，电容C1与CoarjUoUi还能起到相位补偿作用，以防止电路产生（a）CW317系列引脚图及应用电路自激振荡。电容C2与Rw并联组成滤波电其中：C1=0.01μF，C2=10μF，CO=1μF，路，电位器Rw两端的纹波电压通过电容C2R1=200Ω，RW=3kΩ，D5用IN4001旁路掉，以减小输出电压中的纹波。二极RW管D5的作用是防止输出端与地短路时，因CW337C2电容C2上的电压太大而损坏稳压器。123UIC1CoUo1R1D5arjUoUI3CW3372（b）CW317系列引脚图及应用电路其中：C1=0.1μF，C2=10μF，CO=1μF，R1=200Ω，RW=3kΩ，D用IN4001图B可调三端式集成稳压器