直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)九直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)小功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。2. 掌握小功率直流穩(wěn)壓電源有關(guān)參數(shù)的測(cè)試方法。二. 預(yù)習(xí)要求1 根據(jù)直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)要求，按照教材中介紹的方法，設(shè)計(jì)出滿足技術(shù)指標(biāo) 要求的穩(wěn)壓電源。根據(jù)設(shè)計(jì)和計(jì)算的結(jié)果，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。2.制定出實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)用的儀器設(shè)備，三. 實(shí)驗(yàn)原理小功率穩(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1電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓山變換為整流電路所需要的交流電壓 20電源變壓器的效率為：其中：4是變壓器副邊的功率，片是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1所示：表1小

2、型變壓器的效率副邊功率4&<10VA1030VA30 SOVA80 200VA效率%因此，當(dāng)算出了副邊功率4后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率片。2.整流和濾波電路在穩(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出變換成脈動(dòng)的直流電壓山。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓5中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓Uw Ui和交流電壓出的有效值U2的關(guān)系為:U, =(1.11.2)匕在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為:% =屁2流過每只二極管的平均電流為:Ir _ 0.45/2 R其中：R為整流濾波電路的負(fù)我電阻，它為電容C提供放電

3、通路，放電時(shí)間常數(shù)RC應(yīng) 滿足：2其中：T = 20ms是50Hz交流電壓的周期。3. 穩(wěn)壓電路由于輸入電壓山發(fā)生波動(dòng)、負(fù)載和溫度發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸出的直流電壓會(huì)隨 著變化。因此，為了維持輸出電壓山穩(wěn)定不變，還需加一級(jí)穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是 當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時(shí)，能使輸出直流電壓不受影響，而維 持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì) 的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓黠。按輸出電壓 類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型

4、。（1）固定電壓輸出穩(wěn)壓器常見的有CW78xx （LM78xx ）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79xx （LM79xx）系列三端固定式負(fù)電壓輸岀集成穩(wěn)壓器。三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和 接地三個(gè)接地端子。型號(hào)中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓的穩(wěn)定值，有5V、6V、9Y、15V、18V 和24V。穩(wěn)壓器便用時(shí)，要求輸入電壓山和輸出電壓U。的電壓差U. - U<.穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流I* 8mA。當(dāng)Uo= 5 " 18V時(shí)，山的最大值U1Iilx= 35V；當(dāng)Uf18 24V時(shí)，山的最大 值U= 40V。它們的引腳功能及組成的典型穩(wěn)壓電路見附錄圖A所示。（2）可調(diào)式三端集成穩(wěn)

5、壓器可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317 系列（LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸岀負(fù)電壓的CW337系列（LM337）三端穩(wěn)壓器。在可調(diào)式三 端集成穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的三個(gè)端是指輸入端、輸出端和調(diào)節(jié)端。穩(wěn)壓器輸出電壓的可調(diào)范 圍為Uf 37V,最大輸出電流I喰,。輸入電壓和輸出電壓差的允許范圍為： U, -U = 3 40Vo三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的引腳及其使用電路見附錄圖B。三.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U。、輸出電流1“、輸出紋波電壓AUop-p等 性能指標(biāo)要求，正確地確定岀變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元

6、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)壓電源的輸出電壓山、最大輸出電流L®,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Izc,確定流過電源變壓器副邊的電流L和電源變壓器副邊的功率P2；根 據(jù)厲，從表1查出變壓器的效率n ,從而確定電源變壓器原邊的功率P.O然后根據(jù)所確定的 參數(shù)，選擇電源變壓器。4）確定整流二極管的正向平均電流1°、整流二極管的最大反向電壓”陽(yáng)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。設(shè)計(jì)舉例：設(shè)計(jì)一

7、個(gè)直流穩(wěn)壓電源，性能指標(biāo)要求為：匕=+3F+9U,<,max=800/M,紋波電壓的有效值穩(wěn)壓系數(shù)S. 53x10"設(shè)計(jì)步驟：1）選擇集成穩(wěn)壓器，確定電路形式集成穩(wěn)壓器選用CW317,其輸出電壓范圍為：q,=1.237U,最大輸出電流人max為。所確定的穩(wěn)壓電源電路如圖2所示。圖2輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源圖 2 中，取 C嚴(yán) nF, C2=10uF, Co= 1 pF, R嚴(yán) 200Q, R4 = 2kQ ,二極管用 IN4001 在圖2電路中，&和心組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，輸出電壓 匕心1.25（1 +心/RJ,& 取 120 240Q,流過 & 的電流為

8、 5 10mA。取 & =24（n,則由 / = 1.25（1 + RJRJ ,可求得：&5in=21O0,心磯嚴(yán)930°,故取為2胚1的精密線繞電位器。2）選擇電源變壓器由于CW317的輸入電壓和輸出電壓差的最小值（-i/Jm.n=3V ,輸入電壓和輸出電壓差的最大值（/-,）max = 40V ,故CW317的輸入電壓范圍為:%+(S 認(rèn) W su品+(u，-ujmax即 9U + 3VSS <3V + 4OVnV <U, <43VU 17U2 = _ = uv '取 =12V變壓器副邊電流：/2>max = 0.8A,取I2 =A

9、9因此，變壓器副邊輸出功率：p,>hu,=nw為留有余 & 由于變壓器的效率 = 0.7,所以變壓器原邊輸入功率片X地，選用功率為20W的變壓器。3）選用整流二極管和濾波電容由于：UKM ><r2t/2=Vf2xl2 = 17V, /0max=0.8AoIN4001的反向擊穿電壓URM > 50V ,額定工作電流/D =M>/Omax,故整流二極管選用 IN4001。根據(jù) Uo =9V,U =12V,At/0/ =5/nKSv =3xIO"3 ,和公式可求得:MJ】=u。0.005x129x3x107/<>-«»

10、f常數(shù)= 2.2V所以，濾波電容:zT/ f20niax cC c _L0.8x x -502 - 0.003636 F - 3636 uF2.2電容的耐壓要大于屁2 =J5x12 = 17V,故濾波電容C取容量為4700/zF ,耐壓為25U的電解電容。四穩(wěn)壓電源的安裝和調(diào)試按圖3所示安裝集成穩(wěn)壓電路，然后從穩(wěn)壓器的輸入端加入直流電壓U, <12V,調(diào)節(jié)R“若輸出電壓也跟著發(fā)生變化，說明穩(wěn)壓電路工作正常。CW317用萬(wàn)用表測(cè)疑整流二極管的正、反向電阻，正1 R,Ds確判斷出二極管的極性后，按圖4所示先在變壓器U, 的副邊接上額定電流為1A的保險(xiǎn)絲，然后安裝整 流濾波電路。安裝時(shí)要注意，

11、二極管和電解電容C2的極性不要接反。經(jīng)檢查無誤后，才將電源變壓器 和整流濾波電路連接，通電后，用示波器或萬(wàn)用表圖3穩(wěn)壓電路檢查整流后輸出電壓IL的極性，若山的極性為負(fù)，(其中：Ds.必為IN4001型二極管， 則說明整流電路沒有接對(duì)，此時(shí)若接入穩(wěn)壓電路， C嚴(yán)pF, C2=10hF. G=1uF)就會(huì)損壞集成穩(wěn)壓器。因此確定山的 極性為正后，斷開電源，按圖2所示 將整流濾波電路和穩(wěn)壓電路連接起來。 然后接通電源，調(diào)節(jié)乩的值，若輸出電壓滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，說明穩(wěn)壓電源中各 級(jí)電路都能正常工作，此時(shí)就可以進(jìn)行 各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試。五. 穩(wěn)壓電源各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試圖4整流濾波電路1. 輸出電壓和最大輸出電流的

12、測(cè)試測(cè)試電路如圖5所示。一般情 況下，穩(wěn)壓器正常工作時(shí)，其輸出 電流仁要小于最大輸出電流人max， 取/() = 0.5A ,可算出心二18Q,工作時(shí)上消耗的功率為:片=U / =9xO5 = 45W故取額定功率為5W,阻值為圖5穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)的測(cè)試電路180的電位器。測(cè)試時(shí)，先使/?l=18Q.交流輸入電壓為220V,用數(shù)字電壓表測(cè)量的電壓值就是然后慢慢調(diào)小R-直到U。的值下降5%,此時(shí)流經(jīng)的電流就是人盹-記下匚叭、后，要馬上調(diào)大的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。2. 穩(wěn)壓系數(shù)的測(cè)量按圖5所示連接電路，在= 220V時(shí)，測(cè)出穩(wěn)壓電源的輸出電壓山。然后調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓Ux =242V ,測(cè)出

13、穩(wěn)壓電源對(duì)應(yīng)的輸出電壓Um ；再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓q=198V,測(cè)出穩(wěn)壓電源的輸出電壓。則穩(wěn)壓系數(shù)為:220一 242-198U。按圖5所示連接電路，保持穩(wěn)壓電源的輸入電壓Ux =220V.在不接負(fù)載&時(shí)測(cè)出開路電壓Um此時(shí)Ioi=0,然后接上負(fù)載R-測(cè)出輸出電壓和輸出電流",則輸出電阻為:4. 紋波電壓的測(cè)試用示波器觀察U。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 的值（約幾H1V）。5. 紋波因數(shù)的測(cè)量用交流毫伏表測(cè)出穩(wěn)壓電源輸出電壓交流分量的有效值，用萬(wàn)用表（或數(shù)字萬(wàn)用表） 的直流電壓檔測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓的直流分量。則紋波因數(shù)為：” _輸出電壓交流

14、分量的有效值z(mì)輸出電壓的直流分量六. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. 設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電壓連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓電源，性能指標(biāo)為：（1）輸出電壓U尸（+3+12U）；最大輸出電流zomax = 100（2）負(fù)載電流人）=80詛（3）U）紋波電壓（5）穩(wěn)壓系數(shù) 5,. <5xlO-32. 按照教材中所介紹的方法，設(shè)計(jì)滿足以上性能指標(biāo)的穩(wěn)壓電源，計(jì)算出穩(wěn)壓電源中 各元件的參數(shù)，安裝和調(diào)試電路。3. 在保證電路正常工作后，測(cè)出穩(wěn)壓電源的性能參數(shù)t/Omin . (/Omax. /()max. S八七. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.列出設(shè)計(jì)題目和技術(shù)指標(biāo)要求。2.3. 列出設(shè)計(jì)步驟和電路中各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。4. 畫出標(biāo)有元件值的電路圖

15、。5. 列出性能指標(biāo)的測(cè)試過程6. 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并和理論值進(jìn)行比較。附錄：1.固定式三端穩(wěn)壓器的引腳圖及典型使用電路1123U：地氏(a) CW78xx系列的引腳圖及使用電路(其中：C,= uF.Cd mF , G、G采用漏電流小的鋰電容)地 Ui Uo(b) CW79xx系列的引腳圖及使用電路(其中：C1= pF, C.>= 1 pF)圖A固定式三端穩(wěn)壓器的引腳圖和使用電路說明：穩(wěn)壓器輸入端的電容G用來進(jìn)一步消除紋波此外，輸出端的電容C.和G起到了 頻率補(bǔ)償?shù)淖饔?，能防止自激振蕩，從而使電路穩(wěn)定工作。3.可調(diào)式三端穩(wěn)壓器的引腳圖及其典型使用電路 在圖B (小中，E和R,組成輸出電壓調(diào)

16、節(jié)電路，輸出電壓山(1 + R./ RJ, CW 乩的值為120 ' 240 0,流經(jīng)乩的泄敖電1卜3流為5 10mA。R.為精密可調(diào)電位器。電容G可以進(jìn)一步消除紋波，電容G和C。 arj U.U還能起到相位補(bǔ)償作用，以防止電路產(chǎn)生 自激振蕩。電容C2和R,并聯(lián)組成濾波電 路，電位器R,兩端的紋波電壓通過電容G 旁路掉，以減小輸出電壓中的紋波。二極 管壓的作用是防止輸出端和地短路時(shí)，因電容G上的電壓太大而損壞穩(wěn)壓器。(a) CW317系列引腳圖及使用電路 其中：Cf nF, C2=10mF, G=1 nF,arj U工3閃372(b)CW317系列引腳圖及使用電路其中：C產(chǎn) nF, C2=10pF, G=1 nF,R產(chǎn)200Q, Rv=3kQ, D 用 IN4001 圖B可調(diào)三端式集成穩(wěn)壓器附：1 集成穩(wěn)壓器的選取：采用cw7812. cw7912和c“317cw7812：正穩(wěn)壓器，最大輸入電壓為35v,最小輸入電壓為