直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)(包括原理、設(shè)計(jì)方法及調(diào)試步驟)概要

1、直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì).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)與調(diào)試方法。2 .掌握小功率直流穩(wěn)壓電源有關(guān)參數(shù)的測試方法。.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)與計(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)壓電路四個部分組成，如圖 所示。t81 .電源變壓器220V交流電壓ui變換為整流電路所需要的交流電壓電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的U2。電源變壓器的效率為：其中：P2是變壓器副邊的功率，n是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率

2、如表1所示：表1小型變壓器的效率副邊功率巳<10VA10 30VA30 80VA80 200VA效率”0.60.70.80.85因此，當(dāng)算出了副邊功率 P2后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率P1o2 .整流和濾波電路在穩(wěn)壓電源中一般用四個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變換成脈動的直流電壓 U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流電壓 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：UI =(1.11.2)U2在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為:U RM流過每只二極管的平均電流為： I r 0.45U

3、2 ID2 R其中：R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時(shí)間常數(shù) RC應(yīng)滿足：RC （35）T2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ui發(fā)生波動、負(fù)載和溫度發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸出的直流電壓UI會隨著變化。因此，為了維持輸出電壓UI穩(wěn)定不變，還需加一級穩(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

4、器。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。（1） 固定電壓輸出穩(wěn)壓器常見的有 CW78 x x （ LM78父父）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79父父（LM79父父）系列三端固定式負(fù)電壓輸出集成穩(wěn)壓器。三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個接地端子。 型號中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓的穩(wěn)定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。穩(wěn)壓器使用時(shí)，要求輸入電壓UI與輸出電壓U。的電壓差UI-Uo >2Vo穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流Io = 8mA。當(dāng)Uo = 5 18V時(shí)，UI的最大值 UImax= 35V;當(dāng)Uo=18 24V時(shí)， UI的最

5、大值UImax = 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)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；有輸出負(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Uo=1.2 37V ,最大輸出電流Iomax =1.5A。輸入電壓與輸出電壓差的允許范圍為： UI-Uo= 3 40V。三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的引腳及其應(yīng)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)用I壓電源的輸出電壓

6、U。、輸出電流I。、輸出紋波電壓 AUop-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)可以分為以下三個步驟：1）根據(jù)穩(wěn)壓電源白輸出電壓 U。、最大輸出電流lomax,確定穩(wěn)壓器的型號及電路形式。2）根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓 UI ,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l°max,確定流過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Y,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

7、管的正向平均電流Id、整流二極管的最大反向電壓URM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設(shè)計(jì)舉例：設(shè)計(jì)一個直流穩(wěn)壓電源，性能指標(biāo)要求為：Uo = 3V 9V,Iomax=8001A紋波電壓的有效值A(chǔ)Uo <5mV,穩(wěn)壓系數(shù) Sv <3x103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：U。=1.237V ,最大輸出電流Iomax為1.5A。所確定的穩(wěn)壓電源電路如圖2所示。D6Ui 220VCW317D5=CoU。圖2 輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源圖 2 中，取 Ci = 0.01 y，C2 =10 曠，Co = 1

8、y，Ri = 200 Q , Rw = 2k ，二極管用 IN4001在圖2電路中，R1和Rw組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，輸出電壓U。定1.25（1+ R7R）,R 取 120 240c ,流過 R1 的電流為 5 10mA。取 R1 40Q,則由 U。= 1.25(1 + Rw/R),可求得：Rwmin =210C , Rwmax =930C ,故取Rw為2kQ的精密線繞電位器。2）選擇電源變壓器由于CW317的輸入電壓與輸出電壓差的最小值（UI Uo min =3V ,輸入電壓與輸出電壓差的最大值（Ui Uo max =40V ,故CW317的輸入電壓范圍為:Uomax (Ui -Uo)min&

9、lt;Ui <Uomin (Ui即 9V 3V < U i < 3V 40V12V < UI <43VU2 之Umn =12 =nv取 u2=12V1.1 1.1變壓器副邊電流：12A 10max=0.8A,取I2=1A,o o lax因此，變壓器副邊輸出功率：P2 _ I2U2 =12W由于變壓器的效率 "=0.7 ,所以變壓器原邊輸入功率P13P4 =17.1W ,為留有余地，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：Urm A 亞U2 = J2M12 =17V , lomax =0.8A。IN4001的反向擊穿電壓U RM至50V

10、 ,額定工作電流I D = 1A > I omax ,故整流二極管 選用 IN4001。根據(jù) U0 =9V,UI =12V,AU0p- =5mV,Sv =3父10工，和公式養(yǎng)數(shù)c 皿0 /AU I oSv =U 0,U I T基數(shù)可求得:UiUoPiUiU°Sv0.005_129 3 10飛= 2.2V所以，濾波電容:, T -11I0 8 _ t 0 maxU.。C =- =2 =50- =0.003636F = 3636uFUI UI2.2電容的耐壓要大于 V2U 2 =&父12 =17V ,故濾波電容 C取容量為4700F ,耐壓為25V的電解電容。四.穩(wěn)壓電源的

11、安裝與調(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 UI <12V ,調(diào)節(jié)Rw,若輸出電壓也跟著發(fā)生變化，說明穩(wěn)壓電路工作正常。用萬用表測量整流二極管的正、反向電阻，正確判斷出二極管的極性后，按圖4所示先在變壓器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，二極管和電解電容*CW/317的極性不要接反。經(jīng)檢查無誤后，才將電源變壓器 與整流濾波電路連接，通電后，用示波器或萬用表 檢查整流后車出電壓 U1的極性，若U1的極性為負(fù), 則說明整流電路沒有接對，此時(shí)若接入穩(wěn)壓電路， 就會損壞集成穩(wěn)壓器。因此確定 Ui的 極性為正后，斷開電源，按圖 2

12、所示 將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路連接起來。然后接通電源，調(diào)節(jié) Rw的值，若輸出ui電壓滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，說明穩(wěn)壓電源中各220V級電路都能正常工作，此時(shí)就可以進(jìn)行 各項(xiàng)指標(biāo)的測試。D6+1十UoC一C2Rw圖3穩(wěn)壓電路（其中：D5、D6為IN4001型二極管,Ci = 0.1 F, C2=10 4,Co =1 曠）圖4整流濾波希各五.穩(wěn)壓電源各項(xiàng)性能指標(biāo)的測試1 .輸出電壓與最大輸出電流的測試 測試電路如圖5所示。一般情況下，穩(wěn)壓器正常工作時(shí)，其輸出電流I o要小于最大出電流lomax ,取 I0=0.5A,可算出 Rl=18 Q ,工作時(shí)RL上消耗的功率為:Pl =U0Io =9"5=4

13、.5W故Rl取額定功率為5W,阻值為圖5穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)的測試電路18a的電位器。測試時(shí)，先使RL =18C ,交流輸入電壓為220V,用數(shù)字電壓表測量的電壓值就是U。然后慢慢調(diào)小Rl,直到Uo的值下降5%,此時(shí)流經(jīng)Rl的電流就是lomax,記下I°max后, 要馬上調(diào)大rl的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。2 .穩(wěn)壓系數(shù)的測量按圖5所示連接電路，在Ui =220V時(shí)，測出穩(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 U1 =242V ,測出穩(wěn)壓電源對應(yīng)的輸出電壓Uoi ；再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓Ui =198V ,測出穩(wěn)壓電源的輸出電壓 Uo2。則穩(wěn)壓系數(shù)為：3 .輸出電阻的測量

14、按圖5所示連接電路，保持穩(wěn)壓電源的輸入電壓 Ui = 220V ,在不接負(fù)載Rl時(shí)測出開路電壓U°i,此時(shí)3=0,然后接上負(fù)載 Rl,測出輸出電壓 Uo2和輸出電流1。2,則輸出電阻Uoi -Uo2 Uoi-Uo2R)1 oi I o2I o24 .紋波電壓的測試用示波器觀察Uo的峰峰值，(此時(shí)Y通道輸入信號采用交流耦合AC),測量AUop-p的值(約幾mV )。5 .紋波因數(shù)的測量用交流毫伏表測出穩(wěn)壓電源輸出電壓交流分量的有效值，用萬用表(或數(shù)字萬用表) 的直流電壓檔測量穩(wěn)壓電源輸出電壓的直流分量。則紋波因數(shù)為：不輸出電壓交流分量的有效值輸出電壓的直流分量六.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1 .設(shè)計(jì)一

15、個輸出電壓連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓電源，性能指標(biāo)為：(i)輸出電壓Uo= (+3+I2V )；最大輸出電流Iomax=IOOmA(2)負(fù)載電流Io =80mA(3)紋波電壓 AU°pfW5mVp p(4)穩(wěn)壓系數(shù) Sv W5Mio”2 .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，測出穩(wěn)壓電源的性能參數(shù)U 0 min、 U 0 max、 I 0max、 Sv、R、AUop_D¥。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 .列出設(shè)計(jì)步驟和電路中各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。3 .畫出標(biāo)有元件值的電路圖。

16、4 .列出性能指標(biāo)的測試過程5 .整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與理論值進(jìn)行比較。附錄：1.固定式三端穩(wěn)壓器的引腳圖及典型應(yīng)用電路o(b)CW79 MM系列的引腳圖及應(yīng)用電路(其中：Ci = 2.2 曠，Co = 1 曠)(a)CW78 MX系列的引腳圖及應(yīng)用電路(其中：Ci = 0.33 y,Co = 0.1 四Co采用漏電流小的鋰電容)圖A固定式三端穩(wěn)壓器的引腳圖與應(yīng)用電路說明：穩(wěn)壓器輸入端的電容C1用來進(jìn)一步消除紋波，此外，輸出端的電容 Co與C1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。2.可調(diào)式三端穩(wěn)壓器的引腳圖及其典型應(yīng)用電路在圖B (a)中，R1與Rw組成輸出電壓CW317調(diào)節(jié)

17、電路，輸出電壓 U°= 1.25(1 + Rw/ R1),CW317D#R1的值為120 240 Q,流經(jīng)Raq泄放電 流為5 10mA o Rw為精密可調(diào)電位器。電C1RWC23。容G可以進(jìn)一步消除紋波，電容 C1與Coarj Uo Ui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與Rw并聯(lián)組成濾波電 路，電位器Rw兩端的紋波電壓通過電容 旁路掉，以減小輸出電壓中的紋波。二極 管D5的作用是防止輸出端與地短路時(shí)，因(a)其中:CW317系列引腳圖及應(yīng)用電路C1= 0.01 pF, C2 =10 曠，Co =1 pF,C2R1 =200 Q , Rw =3kQ , D5用 IN4001oV V33 7電容C2上的電壓太大而損壞穩(wěn)壓器。U1R1RW-r,C2_ + CorUoD5CW337arj Uo UI(b)CW317系列引腳圖及應(yīng)用電路其中：Ci= 0.1 曠，C2 =10 F, Co =1 四，Ri=200 Q , Rw =3k Q , 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cw317cw7812 :正穩(wěn)壓器，最大輸入電壓為35v,最小輸入電壓為14.5v;當(dāng)