直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)案例

1、設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，其性能指標(biāo)要求為：u0=12v、i0(max)=500ma；紋波電壓的有效值50mv；穩(wěn)壓系數(shù)。所設(shè)計(jì)電源的方案和工作原理分析；選取的元件和器件的參數(shù)確定；直流穩(wěn)壓電源各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試及方法。 第1章 設(shè)計(jì)原理1.1電路原理直流穩(wěn)壓電源的工作流程如下穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?，整流電路變換成單向脈沖電壓，由濾波電路濾去其中的交流分量，得到較平滑的直流電壓，最后穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，如圖2-1所示。圖1-1 直

2、流穩(wěn)壓電源的方框圖1.1.1電源變壓器電源變壓器t的作用是將電網(wǎng)220v的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓ui。變壓器副邊與原邊的功率比為p2/ p1= （1-1） 式中是變壓器的效率。 表11 小型變壓器的效率副邊功率p/va1010-3030-8080-200效率0.60.70.80.851.1.2整流濾波電路 將變壓器輸出的符合電壓要求的交流電變換為所需數(shù)值的直流電。常用的整流電路主要有：半波整流、全波整流及橋式整流等。相對(duì)于半波整流相，全波整流二極管交替導(dǎo)通，其輸出電壓紋波明顯減?。欢鴺蚴秸麟娐肥侨ㄕ麟娐返囊粋€(gè)變形，其輸出電壓波形與全波整流電路相同，但加在變壓器次級(jí)線(xiàn)圈

3、上的電流變?yōu)榱藰O性正負(fù)交替的脈沖電流，其性能更加優(yōu)越。本設(shè)計(jì)中采用性能優(yōu)越的橋式整流電路。直流電路的任務(wù)是將交流點(diǎn)變?yōu)橹绷麟?。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?。因此二極管是整流電路的關(guān)鍵元件。在穩(wěn)壓電源中一般用四個(gè)二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓u2變換成脈動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓u3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓ui。ui與交流電壓u2的有效值u2的關(guān)系為： （1-2）在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為： （1-3）流過(guò)每只二極管的平均電流為： （1-4）其中：r為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容c

4、提供放電通路，放電時(shí)間常數(shù)rc應(yīng)滿(mǎn)足： （1-5）其中：t = 20ms是50hz交流電壓的周期。濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成。由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容c在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來(lái)，而當(dāng)電壓降低時(shí)，就能把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，即c具有平波作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感l(wèi)，當(dāng)電源供給的電流增加時(shí)，它能把能量存儲(chǔ)起來(lái)，而當(dāng)電流減小時(shí)又能把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電流比較平滑，即電感也具有平波作用。圖1-2 整流與濾波電路圖,1.1.3穩(wěn)壓電路固定式三端穩(wěn)壓器與電容c組成穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓器7805輸出為+5v，穩(wěn)壓器7905輸出為-5v，輸入

5、端接電容可以進(jìn)一步濾除紋波，輸出端接電容能改善負(fù)載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。、采用漏電流小的鉭電容。其中穩(wěn)壓器的相關(guān)參數(shù)如表1-2所示：表1-2 集成穩(wěn)壓器的參數(shù)名稱(chēng)cw7812cw7912最大輸入電壓/v+27 -27最小輸入電壓/v +14.5 -14.5輸出電壓范圍/v+11.5 to+12.5-11.5 to-12.5ripple rejection 紋波抑制 +55db+71db集成穩(wěn)壓器的輸出電壓vo與穩(wěn)壓電源的輸出電壓相同穩(wěn)壓器的最大允許電流icmio max,輸入電壓vi的范圍為vomax+(vi-vo)minvivomin+(vi-vo)max （1-6）式中，vomax為

6、最大輸出電壓，vomin為最小輸出電壓，(vi-vo)max為穩(wěn)壓器的最大輸入、輸出壓差，(vi-vo)min為穩(wěn)壓器最小輸入、輸出壓差。第2章 實(shí)驗(yàn)方案分析2.1穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法：穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓uo、輸出電流io、輸出紋波電壓uop-p等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)可以分為以下三個(gè)步驟：1） 根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓uo、最大輸出電流iomax，確定穩(wěn)壓器的型號(hào)及電路形式。2） 根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓，確定電源變壓器副邊電壓u2的有效值u2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流

7、i0max，確定流過(guò)電源變壓器副邊的電流i2和電源變壓器副邊的功率p2；根據(jù)p2，從表1查出變壓器的效率，從而確定電源變壓器原邊的功率p1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。3） 確定整流二極管的正向平均電流id、整流二極管的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流二極管和濾波電容。2.2方案的確定2.2.1 方案一：采用電源變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路。其中穩(wěn)壓電路是使用分離元件，通過(guò)取樣、放大、比較和調(diào)整四個(gè)環(huán)節(jié)，晶體管選用3dd或3dg等型號(hào)。這個(gè)方案一般來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而且驗(yàn)證過(guò)程也比較麻煩且所用到的元件較多且誤差較大，因此盡量不用這個(gè)方案2.2.2 方案

8、二：采用電源變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路。其中穩(wěn)壓電路是使用集成電路cw7812和cw7912穩(wěn)壓器。該電路能輸出固定的正負(fù)12v的直流電壓，而且電路較方案一相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元件數(shù)目少，且容易調(diào)試。因此，本次設(shè)計(jì)我們采用此方案。第3章 參數(shù)確定及元件選擇3.1 集成穩(wěn)壓的選擇及電路的確定3.1.1集成穩(wěn)壓器的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)，選做電壓為正負(fù)12v的直流穩(wěn)壓電源，選擇固定式三端穩(wěn)壓器mc7812和mc7912。芯片mc7812引腳排列為：1端接輸入，2端接地 ,3端接輸出。芯片mc7912cv引腳排列為：1 端接地，2端接輸入，3端接輸出。3.1.2 電路的確定 由實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)

9、要求確定電路如圖3-1所示，圖3-1設(shè)計(jì)原理圖3.2 參數(shù)的確定3.2.1 電源變壓器的選擇 由式（1-6），可得輸入電壓vi的范圍為：vomax+(vi-vo)minviiomax，故整流二極管選in40012）濾波電容的選擇根據(jù) 和公式可求得：vi=vop-pvi(vosv)=0.0515.5(120.003)21.53v所以，濾波電容：c=ic t/vi=iomaxvi = 233.3 uf 電容的耐壓要大于215=21.3v故濾波電容c取容量為1000uf，耐壓為35v的電解電容 3.2.3 穩(wěn)壓電路的選擇根據(jù) cw7812和cw7912cv允許的最大輸出電流iomax =1.5a。輸

10、入電壓與輸出電壓差的允許范圍為：ui -uo = 3 5v第4章 元件清單 表4-1 元件清單變壓器220v-15v整流橋堆kbp307二極管 發(fā)光二極管兩個(gè)電容極性電容：c1=1000uf兩個(gè)， c2=1 00 uf兩個(gè)電容：c3=0.33uf兩個(gè) c4=0.1 uf兩個(gè)電阻r1=r2=1000集成芯片cw7812和cw7912單排針 兩個(gè)第章 原理圖的確定圖5-1原理圖第6章 穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)測(cè)試6.1輸出電壓與最大輸出電流的測(cè)試測(cè)試電路如圖6-1所示。一般情況下，穩(wěn)壓器正常工作時(shí)，其輸出電流要小于最大輸出電流，取，可算出rl=24，工作時(shí)上消耗的功率為：故取額定功率為5w，阻值為10的

11、電位器。測(cè)試時(shí)，先使，交流輸入電壓為220v，用數(shù)字電壓表測(cè)量的電壓值就是uo（測(cè)得它們分別為12.032v和-12.035v）；然后慢慢調(diào)小，直到uo的值下降5%，此時(shí)流經(jīng)的電流就是（測(cè)得它們分別為0.14a和-0.15a），記下后，要馬上調(diào)大的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗圖6-1 穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)測(cè)試電路6.2穩(wěn)壓系數(shù)的測(cè)量 按圖6-1所示連接電路， 在時(shí)，測(cè)出穩(wěn)壓電源的輸出電壓uo。然后調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓，測(cè)出穩(wěn)壓電源對(duì)應(yīng)的輸出電壓uo1 ；再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓，測(cè)出穩(wěn)壓電源的輸出電壓uo2。則穩(wěn)壓系數(shù)為： （6-1）所以當(dāng)uo=12v時(shí)，測(cè)得vo=12.032v，vo1=12.0

12、35v，vo2=12.029v，由（6-1）式得sr=0.0025；同理，當(dāng)uo=-12v時(shí)，測(cè)得vo=-12.035，vo1=-12.036，vo2=-12.035v，則sr=0.0004。對(duì)比技術(shù)指標(biāo)sr0.3%知，穩(wěn)壓系數(shù)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。6.3穩(wěn)壓電源內(nèi)阻的測(cè)量按圖6-1所示連接電路，保持穩(wěn)壓電源的輸入電壓，在負(fù)載電流為0及最大值時(shí)的vo，則ro=vo/ vil當(dāng)io等于0時(shí)，測(cè)得vo等于12.032v，當(dāng)io為iomax，測(cè)得vo為11.079v。ro=1.9.6.4紋波電壓的測(cè)試 用示波器觀(guān)察uo的峰峰值，（此時(shí)y通道輸入信號(hào)采用交流耦合ac），測(cè)量uop-p的值（約幾mv）。測(cè)得放大

13、5倍時(shí)對(duì)應(yīng)的vop-p=20div5mv/div=100mv 則vop-p=100/5mv=20mv，對(duì)比技術(shù)指標(biāo)vop-p50mv知符合技術(shù)指標(biāo)。第七章 誤差分析7.1、誤差分析1）、誤差計(jì)算+vcc%=|5.00-5.03|/5.00=0.60%-vcc%=|5.00-5.05|/5.00=1.00%2）、誤差原因綜合分析可以知道在測(cè)試電路的過(guò)程中可能帶來(lái)的誤差因素有:a元件本身存在誤差；b焊接時(shí)，焊接點(diǎn)存在微小電阻；c萬(wàn)用表本身的準(zhǔn)確度而造成的系統(tǒng)誤差；7.2調(diào)試中注意事項(xiàng)調(diào)試結(jié)果是否正確，很大程度受測(cè)量正確與否和測(cè)量精度的影響。為了保證高度準(zhǔn)確的效果，必須減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。為此，需注意以下幾點(diǎn)：1.正確使用測(cè)量?jī)x器的接地端凡是使用低端接機(jī)殼的電子儀器進(jìn)行測(cè)量，儀器的接地端應(yīng)和儀器的接地端接在一起，否則儀器機(jī)殼引入的干擾不但會(huì)