集成穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)五 綜合設(shè)計(jì)型仿真實(shí)驗(yàn)集成直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)電子設(shè)備都離不開直流穩(wěn)壓電源。許多電子設(shè)備要由電力網(wǎng)上的交流電變換的直流電來提供電。根據(jù)電子設(shè)備的不同，對電源的要求也不同。比如，有的電子設(shè)備消耗功率大些，就要求直流電源提供較大的功率；有的電子設(shè)備的工作性能對電壓波動(dòng)很敏感，就要求電源的輸出電壓要穩(wěn)定、紋波系數(shù)要??；也有的要求直流電源輸出的電壓可調(diào)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)習(xí)集成直流穩(wěn)壓電源電路的原理； （2）學(xué)習(xí)直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)要求及其調(diào)整方法； （3）學(xué)習(xí)對穩(wěn)壓電路有關(guān)性能指標(biāo)的測試方法； （4）掌握綜合型模擬電路的設(shè)計(jì)方法； （5）掌握模擬電子技術(shù)電路的調(diào)試要求和調(diào)試方法；二、實(shí)驗(yàn)器材虛

2、擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備u 操作系統(tǒng)為Windows XP的計(jì)算機(jī) 1臺(tái)u Electronics Workbench Multisim 8.x10.x電子線路仿真軟件 1套u(yù) 示波器 Oscilloscope1臺(tái)u 交流信號(hào)源1個(gè)u 數(shù)字萬用表1個(gè)u 電流表1個(gè)u 電阻（240，1/4W）1個(gè)u 電位器（5K）1個(gè)u 電位器（20K）1個(gè)u 電解電容（2200F，25V）1個(gè)u 電解電容（10F，25V）1個(gè)u 電解電容（1F，25V）1個(gè)u 磁片電容（0.33F）1個(gè)u 二極管1N54014個(gè)u 二極管1N40072個(gè)u 三端集成穩(wěn)壓器LM317H1個(gè)實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)設(shè)備u 模擬實(shí)驗(yàn)箱1臺(tái)u 雙蹤示波器 D

3、F43201臺(tái)u 數(shù)字萬用表 DT98061個(gè)u 電阻（240，1/4W）1個(gè)u 電位器（5K）1個(gè)u 電位器（20K）1個(gè)u 電解電容（2200F，25V）1個(gè)u 電解電容（10F，25V）1個(gè)u 電解電容（1F，25V）1個(gè)u 磁片電容（0.33F）1個(gè)u 二極管1N54014個(gè)u 二極管1N40072個(gè)u 三端集成穩(wěn)壓器LM317H1個(gè)三、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)任務(wù)就是采用分立元器件設(shè)計(jì)一臺(tái)集成直流穩(wěn)壓電源。其功能和技術(shù)指標(biāo)如下：（1）輸出電壓Uo=+5+12V連續(xù)可調(diào)，輸出電流Iomax=1A；（2）輸出紋波電壓小于5mV，穩(wěn)壓系數(shù)小于5×10-3；輸出內(nèi)阻小于0.1；（

4、3）電壓調(diào)整率Ku3%；（4）電流調(diào)整率Ki1%。四、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)壓電路所組成，基本框圖如圖5-1所示。各部分電路的作用如下：圖5-1 直流穩(wěn)壓電源組成框圖（1）變壓器T：初級(jí)與交流電力網(wǎng)連接，次級(jí)與整流器連接，用于改變交流電壓的大小，使次級(jí)輸出的交流電壓ui符合設(shè)計(jì)要求。變壓器副邊與原邊的功率之比為式中，為變壓器的效率。（2）整流濾波電路：整流電路將交流電壓ui變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除紋波，輸出直流電壓U1。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5-2（a）、（b）、（c）所示。

5、（a）全波整流濾波電路（b）橋式整流濾波電路（c）二倍壓整流濾波電路圖5-2幾種常見整流濾波電路（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)壓器和可調(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系列與78XX系列相比，除了

6、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5-3（a）、（b）、（c）所示。圖5-3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1.25V37V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5-4所示。其中電阻R1與電位器RP組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓Uo的表達(dá)式為：式中，R1一般取值為（120240），輸出端與調(diào)整壓差為穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓（典型值為1.25V），所以流經(jīng)R1的泄放電流為510mA。負(fù)壓系列：W337系列

7、，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。圖5-4可調(diào)式三端穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用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，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5-5所示。這些質(zhì)量指標(biāo)的含義，可簡述如下：圖5-5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Uo上的交流分量。用示波器觀測其峰-峰值，Uopp一般為毫伏量級(jí)。也可以用交流電壓表測量其有效值，但因Uo

8、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引起輸出電壓的相對變化，即Su=電壓調(diào)整率：輸入電壓相對變化為±10%時(shí)的輸出電壓相對變化量，即Ku=穩(wěn)壓系數(shù)Su和電壓調(diào)整率Ku均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。（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)，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值，即ro=電流調(diào)整率：輸出電流從0變化到最大值ILmax時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓相對變化值，即Ki=輸出電阻ro和電流調(diào)整率Ki均說明負(fù)載

9、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。3.直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)要求（1）輸出電壓要符合額定值： 固定U0； 可調(diào)（電壓調(diào)節(jié)范圍UminUmax）。（2）輸出電壓要穩(wěn)定（電壓調(diào)整率Ku）。造成輸出電壓不穩(wěn)的原因：交流電網(wǎng)的供電電壓不穩(wěn)，整流器的輸出電壓也按比例變化； 由于整流器都有一定的內(nèi)阻，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓就要隨之發(fā)生變化； 當(dāng)整流器的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，元器件的特性即發(fā)生變化，也導(dǎo)致輸出電壓的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，常以電網(wǎng)電壓變化±10%時(shí)輸出電壓相對變化的百分?jǐn)?shù)來表示Ku。（3）電源內(nèi)阻（ro）要小。電壓內(nèi)阻表示在輸入電壓Ui不變的情況下，當(dāng)負(fù)載電流變化

10、時(shí)，引起輸出電壓變化量的大小。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，ro越大，在內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降也越大，因此輸出電壓就變小。（4）輸出紋波電壓要小。輸出紋波電壓是指電源輸出端的交流電壓分量。（5）要有過流保護(hù)、過壓保護(hù)等保護(hù)措施。五、設(shè)計(jì)過程1、電路的選用：集成直流穩(wěn)壓電源選用如圖5-6所示。圖5-6集成直流穩(wěn)壓電源仿真原理圖2、器件選擇電路參數(shù)計(jì)算如下：（1）確定電路的最低輸入直流電壓UIminUImin=代入各指標(biāo)，計(jì)算得：UImin12+3/0.9=16.67V我們?nèi)≈?7V。（2）確定電源變壓器副邊電壓、電流及功率UI，IIIImax所以我們?nèi)I為1.1A。UI=15.5V變壓器副邊功率P217W變壓器

11、的效率=0.7，則原邊功率P124.3W。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波電容值。已知整流二極管1N5401，其極限參數(shù)為URM=50V，ID=5A。濾波電容：C1（35）T×IImax/2UImin=（19413235）F故取2只2200F/25V的電解電容作濾波電容。3、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UImax=1.1×1.1×16=19.36V所以穩(wěn)壓器承受的最大壓差為：19.36

12、-515V最大功耗為：UImax×IImax=15×1.1=16.5W故應(yīng)選用散熱功率16.5W的散熱器。4、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的電容量為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(chǔ)存的電荷會(huì)通過穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管和基準(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R1兩端并聯(lián)一只二極管VD2。W317集成穩(wěn)壓器

13、在沒有容性負(fù)載的情況下可以穩(wěn)定地工作。但當(dāng)輸出端有5005000pF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VD1。六、仿真分析啟動(dòng)Multisim10.0仿真軟件，按前面設(shè)計(jì)好的電路進(jìn)行連接，如圖5-6所示。1.輸出電壓的可調(diào)范圍（U0minU0max）的測量調(diào)節(jié)RP使輸出電壓最小，并調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL，觀察輸出電流表，使輸出電流為500mA。讀出電壓表V0

14、1的值，即測出最小輸出電壓U0min。同樣調(diào)節(jié)RP與RL，使輸出電壓最大，輸出電流為500mA，即可測出最小輸出電壓U0max。觀察并記錄電源的調(diào)節(jié)范圍。2.輸出紋波電壓S的測量同樣調(diào)節(jié)RP與負(fù)載電阻RL，使輸出電壓為9V，輸出電流為500mA，讀取萬用表交流電壓值，即可測出紋波電壓S。使用示波器（測試探針）也可測出紋波電壓，并可以觀察到紋波電壓的波形。記錄示波器的輸出波形。（注意：示波器耦合方式開關(guān)此時(shí)應(yīng)置為AC。）3.電壓調(diào)整率、電流調(diào)整率及輸出電阻的測量調(diào)節(jié)輸入電壓Ui為16V，調(diào)節(jié)RP及RL，使輸出電壓電流為15V，500mA。記錄輸出電壓及輸出電流值。調(diào)整輸入電壓為最大值（17.6V

15、），RP及RL位置不變，測量并記錄輸入輸出電壓值，根據(jù)公式計(jì)算電壓調(diào)整率、電流調(diào)整率及輸出電阻。調(diào)整輸入電壓為最小值（14.4V），RP及RL位置不變，測量并記錄輸入輸出電壓值，根據(jù)公式計(jì)算電壓調(diào)整率、電流調(diào)整率及輸出電阻。七、調(diào)試要點(diǎn) 1.空載測試在不加負(fù)載的條件下，使用萬用表測量穩(wěn)壓電源的最大與最小輸出電壓，即可測出輸出電壓的可調(diào)范圍，其值應(yīng)滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。2.帶載測試（輸出電流為I0500mA）（1）輸出電壓的可調(diào)范圍U0minU0max。（2）在輸出端上接上滑動(dòng)變阻器，使其輸出電流為500mA，在此條件下測量輸出電壓的可調(diào)范圍。（3）電壓調(diào)整率Ku的測試。使用自耦變壓器模擬電網(wǎng)電壓

16、的變化，以標(biāo)準(zhǔn)電源作為基準(zhǔn)電源，來測試穩(wěn)壓電源輸出電壓的穩(wěn)定度。按圖5-3連接好測試電路。調(diào)整自耦變壓器，輸出220V電壓，并使被測電路輸出15V/500mA電壓，標(biāo)準(zhǔn)電源E也輸出15V電壓，這時(shí)V2表應(yīng)為0V，然后調(diào)整自耦變壓器，使其輸出電壓上升10%，讀出V2表的電壓即為輸入電網(wǎng)變化10%時(shí)輸出電壓的變化量U0，這樣就可以算出電壓調(diào)整率Ku。（4）電源內(nèi)阻Rs的測試。同樣按圖5-3所示連接好測試電路，使被測電路輸出15V/500mA直流電，標(biāo)準(zhǔn)電源E也輸出15V電壓，這時(shí)V2表應(yīng)為0V。調(diào)整負(fù)載使輸出電流為0mA，這時(shí)讀出V2表的值，即為負(fù)載電流變化量I0500mA時(shí)所引起的輸出電壓的變化量U0，這樣就可以計(jì)算出Rs。圖5-3 電壓調(diào)整率測試圖（5）紋波電壓的測試。按圖5-4所示連接好測試