直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、4.4設(shè)計(jì)項(xiàng)目集成直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^集成直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，要求學(xué)會：（1） 選擇變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩(wěn)壓器來設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源；（2） 掌握直流穩(wěn)壓電路的調(diào)試及主要技術(shù)指標(biāo)的測試方法。二、設(shè)計(jì)任務(wù)1.集成穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)（1）同時(shí)輸出電壓、輸出電流為2A。（2）輸出紋波電壓小于，穩(wěn)壓系數(shù)小于；輸出內(nèi)阻小于0.1。（3）加輸出保護(hù)電路，最大輸出電流不超過2A。2設(shè)計(jì)要求（1）電源變壓器只做理論設(shè)計(jì)。（2）合理選擇集成穩(wěn)壓器及擴(kuò)流二極管。（3）保護(hù)電路擬采用限流型。（4）完成全電路理論設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、繪制電路圖，自制印刷板。（5）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告、調(diào)試總

2、結(jié)報(bào)告及使用說明書。三、基本原理1.直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路組成，基本框圖如圖4.5所示。各部分電路的作用如下： 圖4.5 直流穩(wěn)壓電源基本組成框圖（1）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。變壓器副邊與原邊的功率比為 式中，為變壓器的效率。（2）整流濾波電路整流電路將交流電壓變換成脈動的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除紋波，輸出直流電壓。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波、倍壓整流濾波電路如圖4.6（a）、（b）及（c）所示。（a）全波整流電容濾波電路 （b）橋式整流電容濾波電路 （c）二倍壓

3、整流濾波電路圖4.6 幾種常見整流濾波電路各濾波電容C滿足： 式中T為輸入交流信號周期；為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。（3）三端集成穩(wěn)壓器常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器（均屬電壓串聯(lián)型），下面分別介紹其典型應(yīng)用。 固定三端集成穩(wěn)壓器正壓系列：78XX系列，該系列穩(wěn)壓塊有過流、過熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，以防過載而損壞。一般不需要外接元件即可工作，有時(shí)為改善性能也加少量元件。78XX 系列又分三個(gè)子系列，即78XX、78MXX和78LXX。其差別只在輸出電流和外形，78XX輸出電流為1.5A，78MXX輸出電流為0.5A，78LXX輸出電流為0.1A。負(fù)壓系列：79XX系列

4、與78XX系列相比，除了輸出電壓極性、引腳定義不同外，其他特點(diǎn)都相同。78XX系列、79XX系列的典型電路如圖4.7（a）、（b）、（c）所示。（a）正電壓輸出 （b）負(fù)電壓輸出（c）正、負(fù)電壓輸出圖4.7 固定三端穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用 可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器正壓系列：W317系列穩(wěn)壓塊能在輸出電壓為的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),外接元件只需一個(gè)固定電阻和一只電位器.其芯片內(nèi)也有過流、過熱和安全工作區(qū)保護(hù)。最大輸出電流為1.5A。其典型電路如圖4.8所示。其中電阻與電位器RP組成電壓輸出調(diào)節(jié)電器，輸出電壓的表達(dá)式為：式中，一般取值為（），輸出端與調(diào)整壓差為穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電（1）可調(diào)正壓輸出 （2）可調(diào)負(fù)壓輸出圖4

5、.8 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器的曲型應(yīng)用壓（典型值為1.25V），所以流經(jīng)電阻的泄放電流為。負(fù)壓系列：W337系列，與W317系列相比，除了輸出電壓極性、引腳定義不同外，其他特點(diǎn)都相同。 集成穩(wěn)壓器的電流擴(kuò)展若想連續(xù)取出1A以上的電流，可采用圖4.9所示的加接三極管增大電流的方法。圖中稱為擴(kuò)流功率管，應(yīng)選大功率三極管。為過流保護(hù)三極管，正常工作時(shí)該管為截止?fàn)顟B(tài)。三極管的直流電流放大倍數(shù)必須滿足。另外，的最大值由的額定值決定，如需更大的電流，可把三極管接成達(dá)林頓方式。 （1）正壓系列電流擴(kuò)展電路 （2）負(fù)壓系列電流擴(kuò)展電路圖4.9 輸出電流擴(kuò)展電路可以得出輸出電流為：但這時(shí)，三端穩(wěn)壓器內(nèi)部過流保護(hù)電路已

6、失去作用，必須在外部增加保護(hù)電路，這就是和。當(dāng)電流在上產(chǎn)生的電壓降達(dá)到的時(shí)，導(dǎo)通，于是向基極注入電流，使關(guān)斷，從而達(dá)到限制電流的目的。保護(hù)電路的動作點(diǎn)是：三極管的具有負(fù)溫度系數(shù)，設(shè)定數(shù)值時(shí)，必須考慮此溫度系數(shù)。以上通過采用外接功率管的方法，達(dá)到擴(kuò)流的目的，但這種方法會降低穩(wěn)壓精度，增加穩(wěn)壓器的輸入與輸出壓差，這對大電流的工作的電源是不利的。若希望穩(wěn)壓精度不變，可采用集成穩(wěn)壓器的并聯(lián)方法來擴(kuò)大輸出電流，具體電路形式請參考有關(guān)電源類資料。2.穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)及測試方法穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電阻調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來衡量輸

7、出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調(diào)整率）、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、溫度系數(shù)及紋波電壓等。測試電路如圖4.10所示。這些質(zhì)量指標(biāo)的含義，可簡述如下： 圖4.10 穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)測試電路（1）紋波電壓 紋波電壓是指疊加在輸出電壓上的交流分量。用示波器觀測其峰-峰值，一般為毫伏量級。也可以用交流電壓表測量其有效值，但因不是正弦波，所以用有效值衡量其紋波電壓，存在一定誤差。（2）穩(wěn)壓系數(shù)及電壓調(diào)整率穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化，即電壓調(diào)整率：輸入電壓相對變化為時(shí)的輸出電壓相對變化量，即穩(wěn)壓系數(shù)和電壓調(diào)整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其

8、中之一即可。（3）輸出電阻及電流調(diào)整率輸出電阻：放大器的輸出電阻相同，其值為當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出變化量與輸出電流變化量之比的絕對值，即電流調(diào)整率：輸出電流從0變到最大值時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓相對變化值，即輸出電阻和電流調(diào)整率均說明負(fù)載電流變化對輸出電壓的影響，因此也只需測試其中之一即可。四、設(shè)計(jì)指導(dǎo)直流穩(wěn)壓電源的一般設(shè)計(jì)思路為：由輸出電壓、電流確定穩(wěn)壓電路形式，通過計(jì)算極限參數(shù)（電壓、電流和功耗）選擇器件；由穩(wěn)壓電路所要求的直流電壓（）、直流電流（）輸入確定整流濾波電路形式，選擇整流二極管及濾波電容并確定變壓器的副邊電壓的有效值、電流（有效值）及變壓器功率。最后由電路的最大功耗工作條件確定穩(wěn)壓器

9、、擴(kuò)流功率管的散熱措施。圖4.11為集成穩(wěn)壓電源的典型電路。其主要器件有變壓器、整流二極管、濾波電容C、集成穩(wěn)壓器及測試用的負(fù)載電阻。圖4.11 集成穩(wěn)壓電源的典型電路下面介紹這些器件選擇的一般原則。1 集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路輸入電壓的確定：為保證穩(wěn)壓器在電網(wǎng)量低時(shí)仍處于穩(wěn)壓狀態(tài)，要求式中是穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差，典型值為3V。按一般電源指標(biāo)的要求，當(dāng)輸入交流電壓220V變化時(shí)，電源應(yīng)穩(wěn)壓。所以穩(wěn)壓電路的最低輸入電壓。另一方面，為保證穩(wěn)壓器安全工作，要求式中是穩(wěn)壓器允許的最大輸入輸出電壓差，典型值為35V。2 電源變壓器確定整流濾波電路形式后，由穩(wěn)壓器要求的最低輸入直流電壓計(jì)算出變壓器的副邊電壓

10、、副邊電流。五、設(shè)計(jì)示例設(shè)計(jì)一集成直流穩(wěn)壓電源。性能指標(biāo)要求：連續(xù)可調(diào)，輸出電流。紋波電壓：電壓調(diào)整率：電流調(diào)整率：選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器W317，其典型指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。電路形式如圖4.12所示。圖4.12 設(shè)計(jì)實(shí)例1器件選擇電路參數(shù)計(jì)算如下。（1）確定穩(wěn)壓電路的最低輸入直流電壓。代入各指標(biāo)，計(jì)算得：我們?nèi)≈?7V。（2）確定電源變壓器副邊電壓、電流及功率，所以我們?nèi)?.1A。 變壓器副邊功率變壓器的效率=0.7，則原邊功率。由上分析，可選購副邊電壓為16V，輸出1.1A，功率30W的變壓器。（3）選整流二極管及濾波電容因電路形式為橋式整流電容濾波，通過每個(gè)整流二極管的反峰電壓和工作電流求出濾

11、波電容值。已知整流二極管IN5401，其極限參數(shù)為，。濾波電容： 故取2只2200F/25V的電解電容作濾波電容。2.穩(wěn)壓器功耗估算當(dāng)輸入交流電壓增加10%時(shí)，穩(wěn)壓器輸入直流電壓最大，即所以穩(wěn)壓器承受的最大壓差為：最大功耗為：故應(yīng)選用散熱功率的散熱器。3.其他措施如果集成穩(wěn)壓器離濾波電容C1較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)在W317靠近輸入端處接上一只0.33F的旁路電容C2，接在調(diào)整端和地之間的電容C3，是用來旁路電位器RP兩端的紋波電壓。當(dāng)C3的容量為10F時(shí)，紋波抑制比可提高20dB，減到原來的1/10。另一方面，由于在電路中接了電容C3，此時(shí)一旦輸入端或輸出端發(fā)生短路，C3中儲存的電荷會通過穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整

12、管和基準(zhǔn)放大管而損壞穩(wěn)壓器。為了防止在這種情況下C3的放電電流通過穩(wěn)壓器，在R1兩端并接一只二極管VD2。W317集成穩(wěn)壓器在沒有容性負(fù)載的情況下可以穩(wěn)定工作。但當(dāng)輸出端有的容性負(fù)載時(shí)，就容易發(fā)生自激。為了抑制自激，在輸出端接一只不過1F的鉭電容或25F的鋁電解電容C4。該電容還可以改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)。但是接上該電容以后，集成穩(wěn)壓器的輸入端一旦發(fā)生短路，C4將對穩(wěn)壓器的輸出端放電，其放電電流可能損壞穩(wěn)壓器，故在穩(wěn)壓器的輸入與輸出端之間，接一只保護(hù)二極管VD2。六、電路安裝與指標(biāo)測試1.安裝整流濾波電路首先應(yīng)在變壓器的副邊接入保險(xiǎn)絲FU，以防電源輸出端路路損壞變壓器或其他器件，整流濾波電路主要檢查整流二極管是否接反，否則會損壞變壓器。檢查無誤后，通電測試（可用調(diào)壓器逐漸將輸入交流電壓升到220V），用滑線變阻器做等效負(fù)載，用示波器觀察輸出是否正常。2.安裝穩(wěn)壓電路部分集成穩(wěn)壓器要安裝適當(dāng)散熱器，根據(jù)散熱器安裝的位置決定是否集成穩(wěn)壓器與散熱器之間絕緣，輸入端加直流電壓（可用直流電源作輸入，也可用調(diào)試好的整流濾波電路作輸入），滑線變阻器作等效負(fù)載，調(diào)節(jié)電位器RP，輸出電壓應(yīng)隨之變化，說明穩(wěn)壓電路正常工作。注意檢查在額定負(fù)載電流下穩(wěn)壓器的發(fā)熱情況。3.總裝及指標(biāo)測試將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路相連