问设计一集成直流稳压电源

目 录 一、设计目的. 1 二、设计任务及要求. 1 三、设计步骤. 1 四、总体设计思路. 2 五、实验设备及元器件. 5 六、测试要求. 5 七、设计报告要求. 6 八、注意事项. 6 直流稳压电源的设计一、设计目的 1.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验,掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤,培养综合设计与调试能力。 2.学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。 3.培养实践技能,提高分析和解决实际问题的能力。二、设计任务及要求 1.设计并制作一个连续可调直流稳压电源,主要技术指标要求: ① 输出电压可调:uo=+3v～+9v ② 最大输出电流:iomax=800ma ③ 输出电压变化量:δuo≤15mv ④ 稳压系数:sv≤0.003 2.设计电路结构,选择电路元件,计算确定元件参数,画出实用原理电路图。 3.自拟实验方法、步骤及数据表格,提出测试所需仪器及元器件的规格、数量,交指导教师审核。 4.批准后,进实验室进行组装、调试,并测试其主要性能参数。三、设计步骤 1.电路图设计 (1)确定目标:设计整个系统是由那些模块组成,各个模块之间的信号传输,并画出直流稳压电源方框图。 (2)系统分析:根据系统功能,选择各模块所用电路形式。 (3)参数选择:根据系统指标的要求,确定各模块电路中元件的参数。 (4)总电路图:连接各模块电路。 2.电路安装、调试 (1)为提高学生的动手能力,学生自行设计印刷电路板,并焊接。 (2)在每个模块电路的输入端加一信号,测试输出端信号,以验证每个模块能否达到所规定的指标。 (3)重点测试稳压电路的稳压系数。 (4)将各模块电路连起来,整机调试,并测量该系统的各项指标。四、总体设计思路 1.直流稳压电源设计思路 (1)电网供电电压交流220v(有效值)50hz,要获得低压直流输出,首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。 (2)降压后的交流电压,通过整流电路变成单向直流电,但其幅度变化大(即脉动大)。 (3)脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑,脉动小的直流电,即将交流成份滤掉,保留其直流成份。 (4)滤波后的直流电压,再通过稳压电路稳压,便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出,供给负载rl。 2.直流稳压电源原理 直流稳压电源是一种将220v工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置,它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成,见图1。 图1直流稳压电源方框图 其中: (1)电源变压器:是降压变压器,它将电网220v交流电压变换成符合需要的交流电压,并送给整流电路,变压器的变比由变压器的副边电压确定。 (2)整流电路:利用单向导电元件,把50hz的正弦交流电变换成脉动的直流电 (3)滤波电路:可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除,从而得到比较平滑的直流电压。 (4)稳压电路:稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定,不随交流电网电压和负载的变化而变化。 整流电路常采用二极管单相全波整流电路,电路如图2所示。在u2的正半周内,二极管d1、d2导通,d3、d4截止;u2的负半周内,d3、d4导通,d1、d2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻rl,且方向是一致的。电路的输出波形如图3所示。 图2整流电路 图3输出波形图 在桥式整流电路中,每个二极管都只在半个周期内导电,所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半,即 。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为 (u2是变压器副边电压有效值)。 在设计中,常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点,将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联,以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后,直流输出电压:uo1=(1.1～1.2)u2,直流输出电流: (i2是变压器副边电流的有效值。),稳压电路可选集成三端稳压器电路。 总体原理电路见图4。 图4 稳压电路原理图 3.设计方法简介 (1)根据设计所要求的性能指标,选择集成三端稳压器。 因为要求输出电压可调,所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器,常见主要有cw317、cw337、lm317、lm337。317系列稳压器输出连续可调的正电压,337系列稳压器输出连可调的负电压,可调范围为1.2v~37v,最大输出电流 为1.5a。稳压内部含有过流、过热保护电路,具有安全可靠,性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。lm317系列和lm337系列的引脚功能相同,管脚图和典型电路如图4和图5. 图4管 脚图 图5典型电路 输出电压表达式为: 式中,1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压 ,此电压加于给定电阻 两端,将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器 ,电阻 常取值 , 一般使用精密电位器,与其并联的电容器c可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管d,用于防止输出端短路时10f大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。 lm317其特性参数: 输出电压可调范围:1.2v～37v 输出负载电流:1.5a 输入与输出工作压差δu=ui-uo:3～40v 能满足设计要求,故选用lm317组成稳压电路。 (2)选择电源变压器 1)确定副边电压u2: 根据性能指标要求:uomin=3v uomax=9v 又 ∵ ui-uomax≥(ui-uo)min ui-uoin≤(ui-uo)max 其中:(ui-uoin)min=3v,(ui-uo)max=40v ∴ 12v≤ui≤43v 此范围中可任选 :ui=14v=uo1 根据 uo1=(1.1～1.2)u2 可得变压的副边电压: 2)确定变压器副边电流i2 ∵ io1=io 又副边电流i2=(1.5～2)io1 取io=iomax=800ma 则i2=1.5*0.8a=1.2a 3)选择变压器的功率 变压器的输出功率:po>i2u2=14.4w (3)选择整流电路中的二极管 ∵ 变压器的副边电压u2=12v ∴ 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为: 桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为: 查手册选整流二极管in4001,其参数为:反向击穿电压ubr=50v>17v 最大整流电流if=1a>0.4a (4)滤波电路中滤波电容的选择 滤波电容的大小可用式 求得。 1)求δui: 根据稳压电路的的稳压系数的定义: 设计要求δuo≤15mv ,sv≤0.003 uo=+3v～+9v ui=14v 代入上式,则可求得δui 2)滤波电容c 设定io=iomax=0.8a,t=0.01s 则可求得c。 电路中滤波电容承受的最高电压为 ,所以所选电容器的耐压应大于17v。 注意: 因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感,易引起自激振荡,形成高频干扰,所以稳压器的输入、输出端常 并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应,抑制高频干扰。五、实验设备及元器件 1.万用表 2.示波器 3.交流毫伏表 4.三端可调的稳压器 lm317一片六、测试要求 1.测试并记录电路中各环节的输出波形。 2.测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。 3.测量输出电阻ro。 4.测量稳压系数。 用改变输入交流电压的方法,模拟ui的变化,测出对应的输出直流电压的变化,则可算出稳压系数sv.(注意: 用调压器使220v交流改变±10%。即δui=44v) 5.用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小,并用示波器观察、记录其波形。 6.分析测量结果,并讨论提出改进意见。七、设计报告要求 1.设计目的。 2.设计指标。 3.总体设计框图,并说明每个模块所实现的功能。 4.功能模块,可有多个方案,并进行方案论证与比较,要有详细的原理说明。 5.总电路图设计,有原理说明。 6.实现仪器,工具。 7.分析测量结果,并讨论提出改进意见。 8.总结:遇到的问题和解决办法、体会、意见、建议等。八、注意事项 1.焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试,需要时可设计一些临时电路用于调试。 2.测试电路时,必须要保证焊接正确,才能打开电源,以防元器件烧坏。 3.注意lm317芯片的输入输出管脚和桥式整流电路中二极管的极性,不应反接。 4. 按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。

集成直流稳压电源的设计 一、设计要求电源变压器只做理论设计，合理选择集成稳压器，合理设置保护电路，完成全电路理论设计、安装调试、绘制电路图，自制印刷板。主要技术指标1、同时输出±15V电压、输出电流为2A。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0.1Ω。3、加输出保护电路，最大输出电流不超过2A。二、基本原理1． 直流稳压电源的基本原理 直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图1所示。各部分电路的作用如下：图1 直流稳压电源基本组成框图（1） 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。（2）整流滤波电路 整流电路将交流电压ui 变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压Ui。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图（b）桥式整流电容滤波电路各滤波电容C满足：RL1C=（3~5）T/2式中T为输入交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。（3） 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（均属电压串联型），下面分别介绍其典型应用。① 固定三端稳集成压器正压系列：78XX系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。78XX系列又分三个子系列，即78XX、78MXX和78LXX。其差别只在输出电流和外形，78XX输出电流为1.5A，78MXX输出电流为0.5A，78LXX输出电流为0.1A。负压系列：79XX系列与78XX系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。② 可调式三端集成稳压器正压系列：W317系列稳压块能在输出电压为1.25V~37V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过流、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7-2-4所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电器，输出电压U0的表达式为： U0≈1.25(1+RP/R1) 式中，R1一般取值为（120~240Ω），输出端与调整压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。所以流经电阻R1的泄放电流为5~10mA/。负压系列：W337系列，与W317系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。 图7-2-4 可调式三端稳压器的典型应用2． 稳压电源的性能指标及测试方法稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标。包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标。用来衡量输出直流电压的稳定程度。包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、温度系数及纹波电压等。测试电路如图7-2-6所示，可简述如下： 图7-2-6 稳压电源性能指标测试电路⑴ 波电压纹波电压是指叠加在输出电压U0上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值。△Uopp一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值。但因△U0不是正弦波，所以用有效值衡量其纹波电压，存在一定误差。⑵稳压系数及电压调整率稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。电压调整率:输入电压相对变化±10%时的输出电压相对变化量,即 Ku=△U0/U0稳压系数Su和电压调整率Ku均说明输入电压相对变化对输出电压的影响,因此只需测试其中之一即可.⑶输出电阻及电流调整率输出电阻：放大器的输出电阻相同,其值为当输入电压不变时,输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值,即 ro＝|△U0|/|I0|电流调整率:输出电流从0变到最大值ILmax时所产生的输出电压相对变化值,即 Ki=△U0/U0输出电阻r0和电流调整率Ki均说明负载电流变化对输出电压的影响,因此也只需测试其中之一即可.四.设计指导 直流稳压电源的一般设计思路为:由输出电压U0、电流I0确定稳压电路形式,通过计算极限参数(电压、电流和功率)选择器件;有稳压电路所要求的直流电压(Ui)、直流电流(Ii)输入确定整流滤波电路形式,选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压Ui的有效值、电流Ii(有效值)即变压器功率.最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施. 下图为集成稳压电源的典型电路.其主要器件有变压器Tr、整流二极管VD1～VD4、滤波电容C、集成稳压器及测试用的负载电阻RL.图7-2-7 集成稳压电源的典型电路下面介绍这些器件的一般原则.1.集成稳压器稳压电路输入电压Ui的确定：为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态,要求 UI≥Uomax +(UI-U0)min式中(UI-U0)min 是稳压器的最小输入输出压差,典型值为3V.按一般电源指标的要求,当输入交流电压220V变化±10%时,电源应稳压.所以稳压电路的最低输入电压 U1min≈[Uomax+(UI-U0)min]/0.9.另一方面，为保证稳压器安全工作，要求 UI≤Uomin +(UI-U0)max 式中(UI-U0)max是稳压器允许的最大输入输出压差,典型值为35V.2.电源变压器确定整流滤波电路形式后,由稳压器要求的最低输入直流电压Uimin计算出变压器的副边电压Ui 、副边电流Ii. 五.按指标设计电路图1. 器件选择电路参数计算如下:⑴确定稳压电路的最低输入直流电压Uimin Uimin≈[Uomax+(Ui-U0)min]/0.9代入各指标,计算得: Uimin≥(15+3)/0.9=20V取值为20V.⑵确定电源变压器副边电压、电流及功率 Ui≥Uomax/1.1. I1≥Iimax所以我们取I1为1.1A.UI≥20/1.1=18.2V ，变压器副边功率P2≥20W变压器的效率 =0.7，则原边功率P1≥28.6W.由上分析,可选购副边电压为19V,输出1.1A,功率30W的变压器.⑶选整流二极管及滤波电容因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流哦极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。已知整流二极管1N5401 ,其极限参数为URM=50V,ID=5A.滤波电容：C1≈(3～5)T×Iimax/2U1min=(1650～2750)μF故取2只2200μF/25V的电解电容作滤波电容。2.压电源功耗估算当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，即 Uimax=1.1×1.1×19=22.99V所以稳压器承受的最大压差为：22.99-5≈18V最大功耗为：Uimax×Iimax=18×1.1=19.8W故选用散热功率≥19.8W的散热器.3.其他措施如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁电路C2。接在调整端和地之间的电容C3，是用来旁电路电位器RP两端的纹波电压。当C3的电容电量为10μF时，纹波抑制比可提高20dB,减到原来的1/10.另一方面,由于在电路中接了电容C3,此时一旦输入端或输出端发生短路,C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器.为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器,在R1两端并接一只二极管VD2.W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定的工作.但当输出端有500～5000pF的容性负载时,就容易发生自激.为了抑制自激,在输出端接一只1μF钽电容或25μF的铝电解电容C4.该电容还可以改善电源的瞬态响应.但是接上该电容后,集成稳压器的输入端一旦发生短路.C4将对稳压器的输出端放电,其放电电流可能损坏稳压器,故在稳压器的输入与输出端之间,接一只保护二极管VD1。六.电路安装与指标测试1.安装整流滤波电路 首先应在变压器的副边接入保险丝FU,以防电源输出端短路损坏变压器或其他器件,整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反,否则会损坏变压器.检查无误后,通电测试(可用调压器逐渐将入交流电压升到220V),用滑线变阻器作等效负载,用示波器观察输出是否正常.2.安装稳压电路部分 集成稳压器要安装适当散热器,根据散热器安装的位置决定是否需要集成稳压器与散热器之间绝缘,输入端加直流电压UI(可用直流电源作输入,也可用调试好的整流滤波电路作输入),滑线变阻器作等效负载,调节电位器RP,输出电压应随之变化,说明稳压电路正常工作.注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况.3.总装及指标测试 将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载,测量下列各值是否满足要求:① UI为最高值(电网电压为242V), U0为最小值(此例为+5V),测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值,并检查散热器的温升是否满足要求(此时应使输出电流为最大负载电流).② UI为最低值(电网电压为198V), U0为最大值(此例为+15V)测稳压器输输出端压差是否大于3V,并检查输出稳压情况.如果上述结果符合设计要求,便可按照前面介绍的测试方法,进行质量指标测试.七、综合总结 通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题;而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获.我们这次设计的这个直流稳压电源电路;采用了电压调整管(uA723)外加调整管(2SC3280)来实现电压的调整部分;还通过单片机(89C51)来实现电路的控制,也实现了扩充多功能;而稳流部分可调式三端稳压电源管来实现。 八、参考文献资料 ◆<>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社.。 ◆<>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。 ◆<>,(第二版)华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社。 图可能出不来，自己另外在百度上搜图。（我也是网上找的，修改了一下）