簡(jiǎn)單直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作

1、學(xué)生電子設(shè)計(jì)與制作講座學(xué)生電子設(shè)計(jì)與制作講座簡(jiǎn)單直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作簡(jiǎn)單直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作直流電源直流電源利用利用市電市電為小型電子設(shè)備為小型電子設(shè)備供電供電或或充電充電直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源n電子裝置通常需要電子裝置通常需要直流電源直流電源提供能量提供能量n電池？電池？n使用費(fèi)用高使用費(fèi)用高n一般用于低功耗便攜式的儀器設(shè)備中一般用于低功耗便攜式的儀器設(shè)備中n直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源n為電子裝置提供電壓穩(wěn)定的直流供電為電子裝置提供電壓穩(wěn)定的直流供電u交流電壓變換為直流電壓交流電壓變換為直流電壓u保證直流電壓保證直流電壓穩(wěn)定穩(wěn)定電子裝置對(duì)直流電源的要求電子裝置對(duì)直流電源的要求n穩(wěn)定穩(wěn)

2、定的直流輸出電壓的直流輸出電壓n足夠的輸出電流與功率足夠的輸出電流與功率n效率效率影響影響直流輸出穩(wěn)定直流輸出穩(wěn)定因素：因素： 電網(wǎng)電壓的變化電網(wǎng)電壓的變化 負(fù)載的變化負(fù)載的變化 其它其它直流穩(wěn)壓電源的任務(wù)直流穩(wěn)壓電源的任務(wù)n把交流市電轉(zhuǎn)換為把交流市電轉(zhuǎn)換為低壓低壓直流直流n使使輸出直流電壓輸出直流電壓穩(wěn)定穩(wěn)定n受受電網(wǎng)電壓的變化影響小電網(wǎng)電壓的變化影響小n受受負(fù)載的變化影響小負(fù)載的變化影響小n“干凈干凈”的直流的直流n保證功率和效率保證功率和效率 穩(wěn)壓電源的分類穩(wěn)壓電源的分類n依穩(wěn)定方式：依穩(wěn)定方式：n參數(shù)型（如穩(wěn)壓管參數(shù)型（如穩(wěn)壓管+ +電阻）電阻）n反饋型（如調(diào)整管反饋型（如調(diào)整管+ +

3、差放）差放）n依工作狀態(tài)：依工作狀態(tài)：n線性電源線性電源n開關(guān)電源開關(guān)電源n依連接方式：依連接方式：n串聯(lián)型串聯(lián)型n并聯(lián)型并聯(lián)型n例：例：LM317LM317反饋型串聯(lián)線性電源反饋型串聯(lián)線性電源小功率小功率直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源的組成變壓器變壓器注意注意! 功率容量功率容量n 初級(jí)繞組的輸入電壓初級(jí)繞組的輸入電壓n 幾個(gè)次級(jí)繞組幾個(gè)次級(jí)繞組? ? 連接方式連接方式? ?n 各次級(jí)繞組的輸出電壓各次級(jí)繞組的輸出電壓n 各繞組的功率容量各繞組的功率容量 第一，測(cè)第一，測(cè)直流電阻直流電阻的大小，電阻大的是初級(jí)，電阻小的的大小，電阻大的是初級(jí)，電阻小的是次級(jí)，第二，看線徑，線徑粗的是次級(jí)，線徑

4、細(xì)的是初級(jí)。是次級(jí)，第二，看線徑，線徑粗的是次級(jí)，線徑細(xì)的是初級(jí)。以上說(shuō)的是以上說(shuō)的是降壓變壓器降壓變壓器，如果是，如果是升壓變壓器升壓變壓器，判斷方法反之。，判斷方法反之。1. 1. 電路的工作原理電路的工作原理：即二極管工作狀態(tài)、電路波形的分析即二極管工作狀態(tài)、電路波形的分析2. 2. 輸出電壓和輸出電流平均值輸出電壓和輸出電流平均值：即輸出脈動(dòng)直流電壓和：即輸出脈動(dòng)直流電壓和電流平均值的求解方法電流平均值的求解方法3. 3. 整流二極管的選擇整流二極管的選擇：即二極管承受的最大整流平均電流即二極管承受的最大整流平均電流和最高反向工作電壓的分析和最高反向工作電壓的分析整流電路研究的問(wèn)題整流

5、電路研究的問(wèn)題 為分析問(wèn)題簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)二極管為理想二極管，為分析問(wèn)題簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)二極管為理想二極管，變壓器內(nèi)阻為變壓器內(nèi)阻為0 0。整流二極管的伏安特性整流二極管的伏安特性實(shí)際特性理想化特性 理想二極管的理想二極管的正向?qū)妷簽檎驅(qū)妷簽? 0，即正向電阻為即正向電阻為0 0；反向電流為反向電流為0 0，即，即反向電阻為無(wú)窮大。反向電阻為無(wú)窮大。半波整流電路半波整流電路u2tuot半波整流：只利用了半個(gè)周期半波整流：只利用了半個(gè)周期優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件少缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：輸出波形脈動(dòng)大，利用率低輸出波形脈動(dòng)大，利用率低可以并聯(lián)一個(gè)可以并聯(lián)一個(gè)電容濾波電容濾波可以采用可以采

6、用全波整流全波整流 u1 u2uoRL+ou+ O(AV)2 012sin d( )2UUtt O(AV)2L(AV)LL0.45UUIRR 2O(AV)220.45UUU 主要參數(shù)的估算（主要參數(shù)的估算（ UO(A V)和和 IL(A V)）l 輸出電壓平均值輸出電壓平均值Uo(AV)l 負(fù)載電流平均值負(fù)載電流平均值Io(AV)2D(AV)L(AV)L0.45UIIR Rmax22UU 2FLRM20.451.1 1.1 2UIRUU 考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為10，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足：，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足： 二極管的選擇二極管的選擇l 二極管承受的最大反向電壓二極

7、管承受的最大反向電壓l 二極管的正向平均電流二極管的正向平均電流u1u2TD4D2D1D3RLuo+-輸入在正半周期時(shí)輸入在正半周期時(shí)輸入在負(fù)半周期時(shí)輸入在負(fù)半周期時(shí)uOu2OO四只管子如何接？四只管子如何接？若接反了呢？單相橋式整流電路單相橋式整流電路u1u2TD4D2D1D3RLuo+-+-+- 此時(shí)，在此時(shí)，在U2的負(fù)半的負(fù)半周，將會(huì)有很大的短路電周，將會(huì)有很大的短路電流流過(guò)流流過(guò)D1和和D3，可能將，可能將整流管和變壓器燒毀。整流管和變壓器燒毀。 如果如果D1極性接反極性接反?橋式整流電路的簡(jiǎn)化畫法：橋式整流電路的簡(jiǎn)化畫法：整流堆整流堆 O(AV)2 012sin d( )UUtt L

8、LO(AV)2L(AV)0.9UUIRR2O(AV)22 20.9UUU輸出電壓和電流平均值的估算輸出電壓和電流平均值的估算Rmax22UU L(AV)2D(AV)L0.452IUIR 2FLR20.451.1 1.1 2UIRUU 考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為10，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足：，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足： 二極管的選擇二極管的選擇l 二極管承受的最大反向電壓二極管承受的最大反向電壓l 二極管的正向平均電流二極管的正向平均電流（與半波整流電路對(duì)二極管的要求相同）（與半波整流電路對(duì)二極管的要求相同）橋式整流電路橋式整流電路 單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流單相

9、橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過(guò)，而半波整流電路中均有直流分量流過(guò)。所流過(guò)，而半波整流電路中均有直流分量流過(guò)。所以以單相橋式整流電路的變壓器效率較高單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣，在同樣的功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式的功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故路，故廣泛應(yīng)用于直流電源廣泛應(yīng)用于直流電源之中。之中。整流橋整流橋n最大整流電流最大整流電流n最高反向耐壓最高反向耐壓濾波電路濾波電路n電容濾波電容濾波電路電路n電感濾波電感濾波電路電路n 型濾波電路型濾波電路n模擬電路非常

10、小。，對(duì)電容充電，時(shí)，有一對(duì)二極管導(dǎo)通當(dāng)充電 2Cuu。放電，電容通過(guò)時(shí)，所有二極管均截止當(dāng)放電CRRuuCLL2 充電放電速度與正弦波下降速度相似按指數(shù)規(guī)律下降濾波后，輸出電壓平均值增大，脈動(dòng)變小。濾波后，輸出電壓平均值增大，脈動(dòng)變小。電容電容濾波電路濾波電路模擬電路充電放電速度與正弦波下降速度相似按指數(shù)規(guī)律下降電容電容濾波電路濾波電路 C 越大，越大， RL越大，越大，越大，越大，放電越慢，曲線越放電越慢，曲線越平滑，脈動(dòng)越小。平滑，脈動(dòng)越小。考慮整流電路的內(nèi)阻考慮整流電路的內(nèi)阻LO(AV)2(3 5)21.2TR CUU ，電容的選擇及電容的選擇及UO（A V）的估算的估算2 考慮到電網(wǎng)

11、電壓波動(dòng)范圍為考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為10，電容的，電容的耐壓值應(yīng)大于耐壓值應(yīng)大于1.1 U2注意注意極性極性與與耐壓耐壓穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)3. 穩(wěn)壓系數(shù)：穩(wěn)壓系數(shù)：LLOOOIrIIIORRUUUUSUUUU 4. 輸出電阻：輸出電阻：IOoOUURI 5. 紋波電壓：紋波電壓：測(cè)試出輸出電壓的交流分量。測(cè)試出輸出電壓的交流分量。1. 輸出電壓輸出電壓2. 輸出電流輸出電流 表明電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)電路的穩(wěn)壓性。在負(fù)載電表明電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)電路的穩(wěn)壓性。在負(fù)載電流不變時(shí)，輸出電壓相對(duì)變化量與輸入電壓變化量之比。流不變時(shí)，輸出電壓相對(duì)變化量與輸入電壓變化量之比。 表明負(fù)載電流變化時(shí)電路的穩(wěn)壓性能。在電

12、網(wǎng)表明負(fù)載電流變化時(shí)電路的穩(wěn)壓性能。在電網(wǎng)電壓不變時(shí)，負(fù)載變化引起的輸出電壓的變化量與輸出電流電壓不變時(shí)，負(fù)載變化引起的輸出電壓的變化量與輸出電流的變化量之比。的變化量之比。并聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路并聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路n調(diào)整元件與負(fù)載調(diào)整元件與負(fù)載并聯(lián)并聯(lián)輸入電壓輸入電壓Ui或者負(fù)載電或者負(fù)載電阻阻RL改變時(shí)，會(huì)引起輸出改變時(shí)，會(huì)引起輸出電壓電壓Uo發(fā)生改變。發(fā)生改變。如果能夠（自動(dòng)）調(diào)節(jié)如果能夠（自動(dòng)）調(diào)節(jié)調(diào)整元件的等效電阻，就調(diào)整元件的等效電阻，就有可能使得輸出電壓有可能使得輸出電壓Uo保保持穩(wěn)定。持穩(wěn)定。并聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路并聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管選擇：穩(wěn)壓管選擇： imaxZiminZZmaxo

13、minZminomaxUUUURIIIIoZmaxomaxio(1.5 3)(2 3)ZUUIIUU限流電阻選擇限流電阻選擇 ：n穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管反向擊穿后，電流在一定范圍（穩(wěn)壓二極管反向擊穿后，電流在一定范圍（IZminIZIZmax）變）變化時(shí)，其兩端電壓化時(shí)，其兩端電壓UZ幾乎可以保持不變。利用穩(wěn)壓二極管的這個(gè)幾乎可以保持不變。利用穩(wěn)壓二極管的這個(gè)特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。固定輸出穩(wěn)壓集成電路固定輸出穩(wěn)壓集成電路n輸出固定正壓的輸出固定正壓的78XX78XX系列系列n7805、7809、7812、7815等反復(fù)檢查反復(fù)檢查!固定輸出穩(wěn)壓集成電路固定輸出穩(wěn)壓

14、集成電路n78XX78XX系列的應(yīng)用電路系列的應(yīng)用電路消除高頻噪聲消除高頻噪聲抵銷長(zhǎng)線電感效應(yīng)消除自激振蕩抵銷長(zhǎng)線電感效應(yīng)消除自激振蕩固定輸出穩(wěn)壓集成電路固定輸出穩(wěn)壓集成電路n79XX79XX固定輸出負(fù)壓固定輸出負(fù)壓n79057905、79097909、79127912、79157915等等與78XX不同!79xx實(shí)用實(shí)用12V12V穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源雙15V-20V(有效值) 變壓器確認(rèn)耐壓值和安裝極性確認(rèn)耐壓值和安裝極性!（壓差大于（壓差大于2.5V）!散熱器，絕緣安裝散熱器，絕緣安裝可調(diào)輸出穩(wěn)壓集成電路可調(diào)輸出穩(wěn)壓集成電路nLM317LM317n可調(diào)的正輸出電壓可調(diào)的正輸出電壓nLM337

15、LM337n可調(diào)的負(fù)輸出電壓可調(diào)的負(fù)輸出電壓任務(wù)任務(wù)制作一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，要求制作一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，要求n輸入：輸入：n220V/50Hz，10%n輸出：輸出：n三路輸出，輸出電壓分別為：三路輸出，輸出電壓分別為：5V，12Vn最大輸出電流最大輸出電流 300mAn負(fù)載調(diào)整率負(fù)載調(diào)整率5%5%n電流調(diào)整率電流調(diào)整率5%5%n紋波系數(shù)紋波系數(shù)5%5%參考電路圖參考電路圖 (P122，圖7-19)濾波電容的選取濾波電容的選取n5V電源濾波電容的選取電源濾波電容的選取7805的最小輸入電壓為的最小輸入電壓為7.5V，要求的最大電流為，要求的最大電流為0.3A所以，整流濾波電路的負(fù)載電阻最小約為所以，

16、整流濾波電路的負(fù)載電阻最小約為25設(shè)濾波電路的時(shí)間常數(shù)設(shè)濾波電路的時(shí)間常數(shù)= 50 mS濾波電容可選擇為濾波電容可選擇為2000F/16Vn12V電源濾波電容的選取電源濾波電容的選取7812的最小輸入電壓為的最小輸入電壓為14.5V，要求的最大電流為，要求的最大電流為0.3A所以，整流濾波電路的負(fù)載電阻最小約為所以，整流濾波電路的負(fù)載電阻最小約為50設(shè)濾波電路的時(shí)間常數(shù)設(shè)濾波電路的時(shí)間常數(shù)= 50 mS濾波電容可選擇為濾波電容可選擇為1000F/25V變壓器次級(jí)繞組的選取變壓器次級(jí)繞組的選取 5V電源的繞組選取電源的繞組選取濾波電路的時(shí)間常數(shù)濾波電路的時(shí)間常數(shù)為為 (30 50) ms，在全波

17、整流的情，在全波整流的情況下，濾波電容放電的時(shí)間約為況下，濾波電容放電的時(shí)間約為7ms3C60.3 7 101(V)2000 10QI tuCC 由于由于7805 的最小輸入電壓為的最小輸入電壓為7.5 V，所以要求電容放電前，所以要求電容放電前的電壓最小應(yīng)大于的電壓最小應(yīng)大于8.5V。假設(shè)整流二極管的壓降為假設(shè)整流二極管的壓降為0.8V，橋式整流時(shí)要求變壓器，橋式整流時(shí)要求變壓器繞組的電壓振幅至少為繞組的電壓振幅至少為8.5 + 20.810.1V再考慮到電網(wǎng)電壓有再考慮到電網(wǎng)電壓有10%的波動(dòng)，要求變壓器繞組電壓為的波動(dòng)，要求變壓器繞組電壓為7.10.98V有效值。有效值。繞組匝比為繞組匝

18、比為220828。 ，即變壓器繞組電，即變壓器繞組電壓的有效值至少為壓的有效值至少為10.11.4147.1V。，電容，電容C上的電壓變化量上的電壓變化量變壓器次級(jí)繞組的選取變壓器次級(jí)繞組的選取 5V電源的繞組選取電源的繞組選取當(dāng)電網(wǎng)電壓最低時(shí)，輸入到穩(wěn)壓器的平均電壓最低：當(dāng)電網(wǎng)電壓最低時(shí)，輸入到穩(wěn)壓器的平均電壓最低：輸入到穩(wěn)壓器的電流為輸入到穩(wěn)壓器的電流為0.3A，平均功率最低要求為，平均功率最低要求為設(shè)整流二極管導(dǎo)通時(shí)的壓降為設(shè)整流二極管導(dǎo)通時(shí)的壓降為0.8V，平均電流為，平均電流為0.3A，則整流橋的損耗約為則整流橋的損耗約為2.4 + 0.53W，實(shí)際可選，實(shí)際可選5W。如果不考慮變壓器的損耗，要求繞組的功率至少為如果不考慮變壓器的損耗，要求繞組的功率至少為80.3 = 2.4W20.80.30.5W。Ui(AV)(7.5 + 8.5)2 = 8V電網(wǎng)電壓升高時(shí)，變壓器的損耗會(huì)增加。電網(wǎng)電壓升高時(shí)，變壓器的損耗會(huì)增加。變壓器次級(jí)繞組的選取變壓器次級(jí)繞組的選取 12V電源的繞組選取電源的繞組選取濾波電路的時(shí)間常數(shù)濾波電路的時(shí)間常數(shù)為為 (30 50) mS，在全波整流的情，在全波整流的情況下，濾波電容放電的時(shí)間約為況下，濾波電容放電的時(shí)間約為7mS，電容，電容C