直流稳压电源设计

直流稳压电源设计直流稳压电源的设计________________________________________目录一、目的和要求．．．．．２二、实验原理．．．．．３三、稳压电源的技术指标．．．．．１１四、元件清单．．．．．１２五、小结．．．．．１3一、目的与要求1．实验目的通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：(1)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源；(2)掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。2．设计任务设计一波形直流稳压电源，满足：(1)当输入电压在220V±10%时，输出电压为±5v,±12v,±15v和从0到15v可调，输出电流大于1A；(2)输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5×10-3，输出内阻小于0.1欧。3．设计要求(1)电源变压器只做理论设计；(2)合理选择集成稳压器；(3)完成全电路理论设计、绘制电路图(4)撰写设计报告、总结报告二、实验原理稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，即变压器，整流滤波电路和稳压电路。如下图所示。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。稳压电源电路的基本方框图1、各部分电路的作用（1）交流电压变换部分。一般的电子设备所需的直流电压较之交流电网提供的220V电压相差较大，为了得到输出电压的额定范围，就需要将电网电压转换到合适的数值。所以，电压变换部分的主要任务是将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。（2）整流部分。整流电路的作用，是将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压。由于这种电压存在着很大的脉动成份（称为纹波），因此一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波的变化会严重影响负载电路的性能指标。（3）滤波部分。滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流电进行平滑，使之成为含交变成份很小的直流电压。也就是说，滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。（4）稳压部分。尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。2、各电路的选择（1）电源变压器电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。实际上，理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I。变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。这一结论是我们已经熟悉的。2．整流整流是稳压电源的一个重要组成部分，它的主要作用是进行波形变换即将交流信号变成直流信号。（1）半波整流半波整流电路如下图所示。为分析方便起见，可设二极管为理想的。半波整流电路t=该电路工作原理：设变压器次级电压U2=U2msint，其中U2m为其幅值，U2为有效值。当U2变化的正半周期时，二极管D受正向电压偏置而导通，UL=U2；当U2变化的负半周期时，二极管D处于反向偏置状态而截止，UL=0。U2和UL的波形如下图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是半波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。U2sin由理论分析可得，输出单向脉冲电压的平均值即直流分量为=UL0=U2m/U2≈0.45U2（1）来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即显然，输出电压中除了直流成分外，还含有丰富的交流成分基波和谐波（这里可通称为谐波），这些谐波的总和称为纹波，它叠加与直流分量之上。常用纹波系数（2）为谐波电压总有效值，其值应为式中，UL（3）≈1.21。由结果可见，半波整流电路的输出电压纹波较大。由式（1）、(2）和（3）通过计算可得，半波整流电路的波形半波整流电路中的二极管安全工作条件为：a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即IF＞ID0=UL0/RL=0.45U2/RLb）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=U22．全波桥式整流电路全波桥式整流电路如图(a)所示，图中4个二极管接成电桥的形式，故有桥式整流之称。图(b)所示为该电路的简化画法。图（a）全波桥式整流电路图(b)全波桥式整流电路简化画法t=该电路工作原理：参见图(a)，设变压器次级电压U2=U2msint，其中U2m为其幅值，U2为有效值。在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。U2和UL的波形如下图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。U2sin由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为全波整流电路的波形=UL0=2U2m/U2≈0.9U2（4）为其纹波系数（5）为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为式中，UL（6）≈0.48。由结果可见，全波整流电路的输出电压纹波比半波整流电路小得多，但仍然较大，故需用滤波电路来滤除纹波电压。由式（4）、（5）和（6）通过计算可得全波整流电路中的二极管安全工作条件为：a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有IF＞ID0=0.5UL0/RL=0.45U2/RLb）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=U23．滤波电路尽管全波整流的纹波系数较之半波整流有很大改善，但还不能直接给负载供电，需采用滤波电路进一步减小纹波。滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。滤波电路种类很多，下面介绍几种常用的滤波电路。（1）电容滤波F以上。电容滤波电路如下图所示，由于市电交流电频率较低（50HZ），图中电容C一般取值较大，约1000电容滤波电路t=该电路工作原理：设U2=U2msind=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，UC下降很少。与此同时，U2仍按t，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向RL供电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很快充满电荷，使电容两端电压UC基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升，因为此时电容上电压UC基本接近U2m，因此U2＜UC，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过RL放电，由于放电时常数U2sint的规律下降，当U2＜UCt的规律上升，一旦当U2＞UC时，D1、D3导通，U2→D3→C→D1对C充电。然后，U2又按U2sinU2sin时，二极管均截止，故C又经RL放电。不难理解，在U2的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。这样在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压UL=UC，使负载电压的纹波大为减小。由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：a）RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取RLC≥(3～5)T/2（7）式中，T为交流电源电压的周期。b）RL越小输出电压越小。∞，即空载时有若C值一定，当RLUL0=U2≈1.4U2当C=0，即无电容时有UL0≈0.9U2）和电阻RL电容C取值满足式（7.1.7）时，有当整流电路的内阻不太大（几UL0≈(1.1～1.2)U2（8）总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合（2）电感滤波电感滤波电路如下图所示，由于市电交流电频率较低（50HZ），图中电感L一般取值较大，约几H以上。电感滤波电路电感滤波电路是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原理电流方向相反，自感电动势阻碍了电位的增加同时也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。关于电感滤波电路的几点结论：a）L越大、RL越小，输出电压纹波越小。b）忽略电感内阻，UL0=0.9U2（理论值）。c）电感滤波适用于低电压、大电流的场合。d）工频电感体积大，重量重，价格高，损耗大，电磁辐射强，因此一般少用。此外，为了进一步减小负载电压中的纹波，电感后面可再接一电容而构成倒L型滤波电路或采用π型滤波电路，分别如图（a）和图(b)所示。图（a）倒L图(b)π型滤波电路型滤波电路4．稳压滤波后的输出电压即使纹波很小，也仍然存在稳定性的问题。这是因为当负载RL变化或电网电压波动时，输出电压的整体也要随之改变，因此，绝大多数直流电源都必须采用稳压电路进行稳压。（1）简单稳压管稳压电路如下图所示。电路中，R为限流电阻，v为稳压二极管。稳压管稳压的原理实际上是利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基本不变的特点而实现的。当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压管中的电流也将随之同步变化，结果输出电压基本不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压管中的电流却随之作反向变化，结果仍是输出电压基本不变。左右。显然，稳压管反向击穿特性曲线越陡峭，稳压特性越好。通常用rz表示其反向击穿后的微变等效电阻，rz约几下面讨论R的取值范围。参见上图，设为保证稳压作用的所需的流过稳压二极管的最小电流为Izmin，为防止电流过大从而造成损坏所容许的流过稳压二极管的最大电流为Izmax，即要求Izmin＜Iz＜Izmax。当UI最大和RL开路时，流过稳压二极管的电流最大，此时应有；当UI最小（不小于Uz）和RL最小（不允许短路）时，流过稳压二极管的电流最小，此时应有。即（9）一般来说，在稳压二极管安全工作的条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。（2）三端集成稳压器常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。其典型电路如图2，其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：Uo＝1.25（1＋R2/R1）式中R1一般取120－240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。此外三端集成稳器还有78系列和79系列。如下图是78系列的外形和接线图。78系列又分三个子系列，即78xx,78Mxx,78Lxx.其主要差别在于输出电流和外形，78xx输出电流为1.5A,78Mxx输出电流为0.5A,而78Lxx的输出电流为0.1A.79系列和78系列的外形相似但是接续不一样，79的1端接地，2端接负的输入，3端为输出。1——输入端2——地端3——输出端3、设计的电路本电路主要由集成片组成。如上图T为变压器，为得到U2为20V的交流电压所以选择n1：n2=11：1。D1、D2、D3、D4组成桥式整流电路，而二极管承受的最大反向电压，由电路图可知，考虑电源电压波动±10％，在选用二极管时，至少有10%的余量，选择最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR分别为0.6A和32V。C1为500u的电解电容，用于滤波经过集成芯片LM340-12输出U1为12V的稳定直流电压。C2、C3为4.7u的电解电容，有保护和滤波的作用，再经一个芯片LM309K得到U2为5V的直流稳定电压。再看中间的右半部分是由78系列和79系列共同控制而输出的U3为15V和U4为-15V的直流稳压。其中C6和C7为0.33u的电容，C8和C9为0.1U的电容，都起到保护电路的作用。再看下面的U5和U6与U1、U2的分析相似只是