直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)正文

1、第一章 引言隨著科技的發(fā)展，電氣、電子設(shè)備已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于日常、科研、學(xué)習(xí)等各個(gè)方面。電源作為電氣、電子設(shè)備必不可少的能源供應(yīng)部件，需求日益增加，而且對(duì)電源的功能、穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)也提出了更高的要求。面對(duì)如此高的要求，我們要對(duì)電源理論知識(shí)有深刻的學(xué)習(xí)。然后，提高實(shí)際動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力以本次設(shè)計(jì)是有關(guān)電源的題目-24V 直流集成電壓源設(shè)計(jì)。第二章 概述2.1直流穩(wěn)壓電源發(fā)展史穩(wěn)壓電源的歷史可追溯到十九世紀(jì)，愛迪生發(fā)明電燈時(shí)，就曾考慮過穩(wěn)壓器，到二十世紀(jì)初，就有鐵磁穩(wěn)壓器以及相應(yīng)的技術(shù)文獻(xiàn)，電子管問世不久，就有人設(shè)計(jì)了電子管直流穩(wěn)壓器，在四十年代后期，電子器件與磁飽和元件相結(jié)合，構(gòu)成了電子控制的磁

2、飽和交流凈化電源穩(wěn)壓器。五十年代晶體管的誕生使晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源成了直流穩(wěn)壓電源的中心。六十年代后期，科研人員對(duì)穩(wěn)定電源技術(shù)做了新的總結(jié)，使開關(guān)電源，可控硅電源得到快速發(fā)展，與此同時(shí)，集成穩(wěn)壓器也不斷發(fā)展。直至今日，在直流穩(wěn)壓電源領(lǐng)域，以電子計(jì)算機(jī)為代表的要求供電電壓低，電流大的電源大都由開關(guān)電源擔(dān)任，要求供電電壓高，電流大的設(shè)備的電源由可控硅電源代之，小電流、低電壓電源都采用集成穩(wěn)壓器2.2直流穩(wěn)壓的應(yīng)用直流穩(wěn)壓電源?？蓮V泛應(yīng)用于國防、科研、大專院校、實(shí)驗(yàn)室、工礦企業(yè)、電解、電鍍、直流電機(jī)、充電設(shè)備等第三章 穩(wěn)壓電源的工作原理及性能指標(biāo)3.1 集成穩(wěn)壓電源的工作原理直流穩(wěn)壓電源一般由電源

3、變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟姟＝?jīng)濾波后，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。本設(shè)計(jì)主要采用直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過220V 50HZ交流電壓經(jīng)電源變壓器降壓后，通過橋式整流VD1VD2整流成直流電再經(jīng)過濾波電容C1平滑直流電，減少直流電紋波系數(shù)。最后，通過三端集成穩(wěn)壓器CW7824 穩(wěn)壓，將輸出電壓穩(wěn)定在24V左右。3.2穩(wěn)壓電源的主要指標(biāo)穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)

4、壓系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)及紋波電壓等。這些質(zhì)量指標(biāo)的含義，可簡(jiǎn)述如下：. 穩(wěn)壓器質(zhì)量指標(biāo)（1）電壓調(diào)整率SV 電壓調(diào)整率是表征穩(wěn)壓器穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)，又稱為穩(wěn)壓系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù)，它表征當(dāng)輸入電壓VI變化時(shí)穩(wěn)壓器輸出電壓VO穩(wěn)定的程度，通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對(duì)變化的百分比表示。（2）電流調(diào)整率SI電流調(diào)整率是反映穩(wěn)壓器負(fù)載能力的一項(xiàng)主要自指標(biāo)，又稱為電流穩(wěn)定系數(shù)。它表征當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，穩(wěn)壓器對(duì)由于負(fù)載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動(dòng)的抑制能力，在規(guī)定的負(fù)載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的白分比來表示穩(wěn)壓器的電流調(diào)整率（）. 穩(wěn)壓器的工

5、作指標(biāo)穩(wěn)壓器的工作指標(biāo)是指穩(wěn)壓器能夠正常工作的工作區(qū)域，以及保證正常工作所必須的工作條件，這些工作參數(shù)取決于構(gòu)成穩(wěn)壓器的元件性能。（1）輸出電壓范圍 符合穩(wěn)壓器工作條件情況下，穩(wěn)壓器能夠正常工作的輸出電壓范圍，該指標(biāo)的上限是由最大輸入電壓和最小輸入-輸出電壓差所規(guī)定，而其下限由穩(wěn)壓器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓值決定。（2）最大輸入-輸出電壓差 該指標(biāo)表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下穩(wěn)壓器所允許的最大輸入輸出之間的電壓差值，其值主要取決于于穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整晶體管的耐壓指標(biāo)。（3）最小輸入-輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下，穩(wěn)壓器所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。（4）輸出負(fù)載電流范圍輸出負(fù)載電流范

6、圍又稱為輸出電流范圍，在這一電流范圍內(nèi)，穩(wěn)壓器應(yīng)能保證符合指標(biāo)規(guī)范征所給出的指標(biāo)。第四章 直流穩(wěn)壓電源的元器件直流穩(wěn)壓電源的元件由電源變壓器，整流二極管，濾波電容及三端穩(wěn)壓器所組成，下面分別介紹各個(gè)元件：4.1電源變壓器電源變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成靜止電氣設(shè)備，它能將某一電壓值的交流電變換成同頻率所需要的電壓值的交流電變壓器的變壓比變壓器結(jié)構(gòu)（1）鐵心 鐵心是變壓器中主要的磁路部分。表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成鐵心分為鐵心柱和橫片倆部分，鐵心柱套有繞組；橫片是閉合磁路之用鐵心結(jié)構(gòu)的基本形式有心式和殼式兩種 （2）繞組 繞組是變壓器的電路部分，它是用雙絲包絕緣扁線或漆包圓線繞成變

7、壓器工作時(shí)與電源聯(lián)接的繞組叫初級(jí)繞組或一次繞組（原繞組），與負(fù)載聯(lián)接的繞組叫次級(jí)繞組或而二次繞組（副繞組）。 變壓器的原理 當(dāng)一個(gè)正弦交流電壓U1加在初級(jí)線圈兩端時(shí)，導(dǎo)線中就有交變電流I1并產(chǎn)生交變磁通1，它沿著鐵芯穿過初級(jí)線圈和次級(jí)線圈形成閉合的磁路。在次級(jí)線圈中感應(yīng)出互感電勢(shì)U2，同時(shí)1也會(huì)在初級(jí)線圈上感應(yīng)出一個(gè)自感電勢(shì)E1，E1的方向與所加電壓U1方向相反而幅度相近，從而限制了I1的大小。變壓器的變壓比如圖4.11在原繞組兩端通入交變電流I2時(shí)，在鐵心內(nèi)建立磁場(chǎng)，產(chǎn)生了磁通。磁通隨著電流按正弦規(guī)律變化，變化的磁通穿過原，副邊繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)分析得變壓比n：=n若n>1,則n1&

8、gt;n2,U1>u2.此類變壓器為降壓變壓器。反之n<1就是升壓變壓器。、識(shí)別電源變壓器（1）從外形識(shí)別 常用電源變壓器的鐵芯有E形和C形兩種。E形鐵芯變壓器呈殼式結(jié)構(gòu)（鐵芯包裹線圈），采用D41、D42優(yōu)質(zhì)硅鋼片作鐵芯，應(yīng)用廣泛。C形鐵芯變壓器用冷軋硅鋼帶作鐵芯，磁漏小，體積小，呈芯式結(jié)構(gòu)（線圈包裹鐵芯）。（2）從繞組引出端子數(shù)識(shí)別 電源變壓器常見的有兩個(gè)繞組，即一個(gè)初級(jí)和一個(gè)次級(jí)繞組，因此有四個(gè)引出端。電源變壓器為防止交流聲及其他干擾，初、次級(jí)繞組間往往加一屏蔽層，其屏蔽層是接地端。因此，電源變壓器接線端子至少是個(gè)。（3）從硅鋼片的疊片方式識(shí)別 E形電源變壓器的硅鋼片是交*插

9、入的，E片和I片間不留空氣隙，整個(gè)鐵芯嚴(yán)絲合縫。音頻輸入、輸出變壓器的E片和I片之間留有一定的空氣隙，這是區(qū)別電源和音頻變壓器的最直觀方法。至于C形變壓器，一般都是電源變壓器。4.2 整流二極管4.2.1整流二極管及符號(hào) 二極管，其結(jié)構(gòu)是由一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和外殼構(gòu)成，它有兩個(gè)電極，由P型半導(dǎo)體引出電極叫正極（又叫陽極），由N型半導(dǎo)體引出電極叫負(fù)極（又叫陰極）二極管的電路符號(hào)如圖（4.2.1）4.2.2 二極管的導(dǎo)電特性利用整流二極管的單方向?qū)щ娦詠碚?。整流二極管的單方向?qū)щ娦允请娏髦荒軓亩O管的正極流入，負(fù)極流出。整流二極管有兩個(gè)特性：（1）正向特性。在電子電路中，將二極管的正極

10、接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會(huì)導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。圖4.21（2）反向特性。在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時(shí)二極管中幾乎沒有電流流過，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。4.2.3 整流二極管的主要參數(shù)用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術(shù)指標(biāo)，稱為二極管的參數(shù)。我們必須了解以下幾個(gè)主要參數(shù)：（1）最大整流電流是指二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)允許通過的最大正向電流值，其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)（2）最高反向工作電壓加在二極管兩

11、端的反向電壓高到一定值時(shí)，會(huì)將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰?。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。（3）最大反向電流反向電流是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶?。?）最高工作頻率二極管工作的上限頻率。超過此值是，由于結(jié)電容的作用，二極管將不能很好地體現(xiàn)單向?qū)щ娦浴?.3 電容電容，由兩個(gè)金屬極，中間夾有絕緣材料（介質(zhì)）構(gòu)成，電容的符號(hào)。4.3.1、電容的種類 電容的種類有很多，可以從原理上分為：無極性可變電容、無極性固定電容、有極性電容等，從材料上可以分為：CBB電容（聚乙烯），滌綸電容、瓷片電容、云母電容、獨(dú)石電容、電

12、解電容、鉭電容等。4.3.2電容器的檢測(cè).電解電容的容量較一般固定電容大得多，所以，測(cè)量時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同容量選用合適的量程。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，147F間的電容，可用R×1k擋測(cè)量，大于47F的電容可用R×100擋測(cè)量。將萬用表紅表筆接負(fù)極，黑表筆接正極，在剛接觸的瞬間，萬用表指針即向右偏轉(zhuǎn)較大偏度(對(duì)于同一電阻擋，容量越大，擺幅越大)，接著逐漸向左回轉(zhuǎn)，直到停在某一位置。此時(shí)的阻值便是電解電容的正向漏電阻，此值略大于反向漏電阻。實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)表明，電解電容的漏電阻一般應(yīng)在幾百k以上，否則，將不能正常工作。在測(cè)試中，若正向、反向均無充電的現(xiàn)象，即表針不動(dòng)，則說明容量消失或內(nèi)部

13、斷路；如果所測(cè)阻值很小或?yàn)榱悖f明電容漏電大或已擊穿損壞，不能再使用。4.4三端穩(wěn)壓器三端穩(wěn)壓器，主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器，另一種輸出電壓是可調(diào)的，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)太器，其基本原理相同，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。4.4.1、固定三端穩(wěn)壓器的外形圖及主要參數(shù)固定三端穩(wěn)壓器的封裝形式:有金屬外殼封裝F-2)和塑料封裝(S-7),常見的塑料封裝(S-7)。第五章 穩(wěn)壓電源的組成  直流穩(wěn)壓電源都使用220伏市電作為電源，經(jīng)過變壓、整流、濾波后輸送給穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，最終成為穩(wěn)定的直流電源。這個(gè)過程中的變壓、整流、濾波等電路可以看作直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)電

14、路，沒有這些電路對(duì)市電的前期處理，穩(wěn)壓電路將無法正常工作。5.1 變壓電路  通常直流穩(wěn)壓電源使用電源變壓器來改變輸入到后級(jí)電路的電壓。電源變壓器由初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和鐵芯組成。初級(jí)繞組用來輸入電源交流電壓，次級(jí)繞組輸出所需要的交流電壓。通俗的說，電源變壓器是一種電磁電轉(zhuǎn)換器件。即初級(jí)的交流電轉(zhuǎn)化成鐵芯的閉合交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁力線切割次級(jí)線圈產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)。次級(jí)接上負(fù)載時(shí)，電路閉合，次級(jí)電路有交變電流通過。5.2 整流電路  經(jīng)過變壓器變壓后的仍然是交流電，需要轉(zhuǎn)換為直流電才能提供給后級(jí)電路，這個(gè)轉(zhuǎn)換電路就是整流電路。在直流穩(wěn)壓電源中利用二極管的單項(xiàng)導(dǎo)電特性，將方

15、向變化的交流電整流為直流電。5.21半波整流電路  半波整流電路見圖5.21。其中B1是電源變壓器，D1是整流二極管，R1是負(fù)載。B1次級(jí)是一個(gè)方向和大小隨時(shí)間變化的正弦波電壓，波形如圖5.22（a）所示。0期間是這個(gè)電壓的正半周，這時(shí)B1次級(jí)上端為正下端為負(fù)，二極管D1正向?qū)ǎ娫措妷杭拥截?fù)載R1上，負(fù)載R1中有電流通過；2期間是這個(gè)電壓的負(fù)半周，這時(shí)B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正，二極管D1反向截止，沒有電壓加到負(fù)載R1上，負(fù)載R1中沒有電流通過。在23、34等后續(xù)周期中重復(fù)上述過程，這樣電源負(fù)半周的波形被“削”掉，得到一個(gè)單一方向的電壓，波形。5.3濾波電路交流電經(jīng)過整流

16、后得到的是脈動(dòng)直流，這樣的直流電源由于所含交流紋波很大，不能直接用作電子電路的電源。濾波電路可以大大降低這種交流紋波成份，讓整流后的電壓波形變得比較平滑。5.31電容濾波電路電容濾波電路圖5.31，電容濾波電路是利用電容的充放電原理達(dá)到濾波的作用。在脈動(dòng)直流波形的上升段，電容C1充電，由于充電時(shí)間常數(shù)很小，所以充電速度很快；在脈動(dòng)直流波形的下降段，電容C1放電，由于放電時(shí)間常數(shù)很大，所以放電速度很慢。在C1還沒有完全放電時(shí)再次開始進(jìn)行充電。5.4 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器應(yīng)用電路 基本應(yīng)用電路如下圖所示。由于輸出電壓決定于集成穩(wěn)壓器，所以輸出電壓為12V，最大輸出電流為1.5A。為使電路正常工作

17、，要求輸入電壓U1比輸出電壓UO至少大2.53V。輸入端電容C1用以抵消輸入端較長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)，以防止自激振蕩，還可抑制電源的高頻脈沖干擾。一般取0.11F。輸出端電容C2、C3用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時(shí)也具有消振作用。V是保護(hù)二極管，用來防止在輸入端短路時(shí)輸出電容C3所存儲(chǔ)電荷通過穩(wěn)壓器放電而損壞器件。CW7900系列的接線與CW7800系列基本相同。提高電阻R2與R1的比值，可提高輸出電壓UO。缺點(diǎn)是當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，IQ也變 化，這使穩(wěn)壓器的精度降低。第六章 直流電源設(shè)計(jì)方案6.1設(shè)計(jì)目的與要求任務(wù)目的：1、全面理解24V直流電壓源的構(gòu)成；2、綜合應(yīng)用所學(xué)的各門知

18、識(shí)點(diǎn)；3、學(xué)會(huì)自己制作小型的直流電壓源并能帶負(fù)載調(diào)試要求： 1、選擇合適的變壓器、整流二極管、濾波電容、集成穩(wěn)壓器等。2、做成實(shí)物，要有輸入、輸出接線端3、畫出電路圖5、帶負(fù)載調(diào)試，6、給出元器件明細(xì)表（即元件型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量及特殊備注要求），7、按學(xué)院論文的統(tǒng)一格式撰寫論文（電子式一份，交封好的紙制式一份）主要參數(shù)滿足以下的性能指標(biāo)：輸出電壓U0=24V±10%輸出電流I0=500mA±10%6.2.穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖本次設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源由變壓器.橋式整流.電容濾波和三端集成穩(wěn)壓器組成的電路穩(wěn)壓電源圖（6.2）6.3方案設(shè)計(jì)6.3.1集成穩(wěn)壓器根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定穩(wěn)壓器的型號(hào)，采用三

19、端穩(wěn)壓器CW7824，CW7824的主要參數(shù)為U0=24,Iomax=1.5A,Uimax=35v,(Ui-Uo)min=(2-3)v,Ro=30-150,Sv=0.1%-0.5%當(dāng)電網(wǎng)量低時(shí)仍處于穩(wěn)壓狀態(tài)的要求：U2min>U0max+(Ui-U0)min式中（Ui-u0）min是穩(wěn)壓器的最小輸入輸出電壓差，典型值是3v按一般電源指標(biāo)的要求，當(dāng)輸入交流電壓220v變化+10%時(shí)，電源應(yīng)穩(wěn)壓，所以需要計(jì)算穩(wěn)壓電路的最低輸入電壓U2min =U0max+(Ui-U0)min/1.2另一方面，為了保證穩(wěn)壓器安全工作，要求Ui<Uomin+(Ui-Uo)max.式中(Ui-Uo)max是

20、穩(wěn)壓器允許的最大輸入輸出電壓差，典型值為40v(根據(jù)穩(wěn)壓器得到)。根據(jù)設(shè)計(jì)題目來得穩(wěn)壓器的最低輸入電壓為U2min =U0max+(Ui-U0)min/1.2=24(1+10%)+3/1.2=24.5v穩(wěn)壓器安全的最高輸入電壓為：U2max=Uomin+(Ui-Uo)max=24（1+10%）+40/1.2=55v6.3.2電源變壓器電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓 。確定整流濾波電路形成后，由穩(wěn)壓器得到需要的最低輸入直流電壓Uimin .計(jì)算變12壓器的副邊電壓U2，副邊電流Ii及變壓器的功率P2.從而確定變壓器的型號(hào)。變壓器的副邊電壓Ui:Uim

21、in<Ui<Uimax,一般取Ui=25v副邊電流IiIi=Io=0.5A變壓器的功率P2P2=Ui*Ii=25*0.5=12.5w變壓器的功率P1:由于變壓器存有損耗，所以計(jì)算P1時(shí)要涉及變壓器的效率根據(jù)下列公式可以求出P1P2=P 1 （1.12）式中，為變壓器的效率。一般小型變壓器的效率如表1.12所示:表1.12 小型變壓器的效率副邊功率p2/VA<1010-3030-8080-200效 率0.60.70.80.85由上面公式及如表1.123，p1的P1=P 2/=12.5/0.7=18W由以上數(shù)據(jù)得到變壓器為Ui=25V.P=18W6.3.3整流二極管整流二極管D1

22、D4組成單相橋式整流電路，將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)濾波電容C濾除紋波，輸出直流電壓。與交流電壓的有效值的關(guān)系為：=(1.11.2) =25 V每只整流二極管承受的最大反向電壓:= =35V通過每只二極管的平均電流：Id=Ilmax =(Il+10%)=0.275A根據(jù)半導(dǎo)體手冊(cè)得，選取4個(gè)二極管IN40016.3.4濾波電容選取濾波電容C的大小與負(fù)載RL和脈動(dòng)電壓的頻率有關(guān)。C>(35)T/RL對(duì)于全波整流電路來說電容C 為：C(35)=(35)=(6301050)F電容耐壓值：Udm=(1.52)U2=(37.550)v根據(jù)上述數(shù)據(jù)得 C1為1000F/50v第七章 調(diào)試7.1 在焊接前的檢測(cè)（1）將萬用表R*100，R*1k擋分別檢測(cè)電源變壓器的好壞，整流二極管的極性及好壞，濾波電容的好壞。（2）按照第四章第四節(jié)檢測(cè)三端集成穩(wěn)壓器。7.2 通電檢測(cè)（1）用萬用表電壓擋50V擋檢測(cè)