本科畢業(yè)設計-集成直流穩(wěn)壓電源的設計

PAGEPAGE15直流穩(wěn)壓電源摘要： 21 直流穩(wěn)壓電源的整體分析 21.1直流穩(wěn)壓電源的基本組成 21.2各部分電路的作用： 21.3直流穩(wěn)壓電源的具體整體電路圖： 32.變壓器 53.整流電路 53.1單相半波整流電路 53.2單相橋式整流電路 64.濾波電路 84.1電容濾波電路 84.2電感濾波 95穩(wěn)壓電路 105.1穩(wěn)壓電源的技術指標 105.2穩(wěn)壓電路的類型 115.2.1硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路 115.2.2串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路 125.2.3集成穩(wěn)壓器及應用 135.2.4固定輸出的三端穩(wěn)壓器 145.2.5三端可調輸出穩(wěn)壓器 146.結論： 157致謝： 15參考文獻： 15集成直流穩(wěn)壓電源的設計【摘要】介紹市電在經(jīng)變壓器變壓后，再經(jīng)橋整整流、電容濾波、然后經(jīng)三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓的直流穩(wěn)壓電源電路。【關鍵詞】整流、濾波、穩(wěn)壓電路。目前，各種直流電源產(chǎn)品充斥著市場，電源技術已經(jīng)比較成熟。然而，基于成本的考慮，對于電源性能要求不是很高的場合，可采用帶有過流保護的集成穩(wěn)壓電路，同樣能滿足產(chǎn)品的要求。過流保護電路作為電源電路中不可缺少的一個組成部分

，一般常用的有硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路、

固定輸出的三端穩(wěn)壓電路、三端可調輸出穩(wěn)壓器。1直流穩(wěn)壓電源的整體分析1.1直流穩(wěn)壓電源的基本組成直流穩(wěn)壓電源電路一般由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四大部分組成，如下圖所示。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姟Ｕ髌靼呀涣麟娮優(yōu)橹绷麟?。?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。直流穩(wěn)壓電路組成框圖u1u2u3uIU00t0t0t0t0t直流穩(wěn)壓電路的各個部分的輸出波形圖1.2各功能模塊電路的作用（1）交流電壓變換電路模塊。一般的電子設備所需的直流電壓較之交流電網(wǎng)提供的220V電壓相差較大，為了得到輸出電壓的額定范圍，就需要將電網(wǎng)電壓轉換到合適的數(shù)值。所以，電壓變換部分的主要任務是將電網(wǎng)電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?，同時還可以起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用。（2）整流電路模塊。整流電路的作用，是將變換后的交流電壓轉換為單方向的脈動電壓。由于這種電壓存在著很大的脈動成份（稱為紋波），因此一般還不能直接用來給負載供電，否則，紋波的變化會嚴重影響負載電路的性能指標。（3）濾波電路模塊。濾波部分的作用是對整流部分輸出的脈動直流電進行平滑，使之成為含交變成份很小的直流電壓。也就是說，濾波部分實際上是一個性能較好的低通濾波器，且其截止頻率一定低于整流輸出電壓的基波頻率。（4）穩(wěn)壓電路模塊。盡管經(jīng)過整流濾波后電壓接近于直流電壓，但是其電壓值的穩(wěn)定性很差，它受溫度、負載、電網(wǎng)電壓波動等因素的影響很大，因此，還必須有穩(wěn)壓電路，以維持輸出直流電壓的基本穩(wěn)定。1.3直流穩(wěn)壓電源的具體電路圖及工作原理D6D1D4CW317保險絲CRD5u1D2D3C1CoUo~220VC2Rw圖1直流穩(wěn)壓電源電路具體電路及工作原理圖工作原理：電網(wǎng)電壓U1經(jīng)過變壓器T變壓合適的交流電壓U2，U2經(jīng)過橋整D得到脈動直流電壓U2，此時直流電壓U2的電壓波形還不平直，U2再通過濾波電容C進行濾波得到平滑的直流電壓U3，U3再經(jīng)過可變穩(wěn)壓管LM317再經(jīng)過C1和C0的充分濾波得到了穩(wěn)定的的可調電壓U0輸給負載RL。D1為保護穩(wěn)壓器的元件，R1和R2組成電壓調節(jié)電路，電容C1、用來實現(xiàn)頻率補償，C0用來抑制穩(wěn)壓電路的自激振蕩，C1一般為0.33μf，C2一般為1μF。圖1中，取C1=0.01μF，C2=10μF，C0=1μF，R1=200Ω，RW=2kΩ，二極管用IN4001。在圖1電路中，和組成輸出電壓調節(jié)電路，輸出電壓，取，流過的電流為。取，則由，可求得：，，故取為的精密線繞電位器。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，輸入電壓與輸出電壓差的最大值，故CW317的輸入電壓范圍為：即，取變壓器副邊電流：，取，因此，變壓器副邊輸出功率：由于變壓器的效率，所以變壓器原邊輸入功率，為留有余地，選用功率為的變壓器。選用整流二極管和濾波電容由于：，。IN4001的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用IN4001。根據(jù)，和公式可求得：所以，濾波電容：電容的耐壓要大于，故濾波電容C取容量為，耐壓為的電解電容。2變壓器電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。電源變壓器的效率為：其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1所示：表1小型變壓器的效率副邊功率效率0.85因此，當算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。3整流電路整流電路主要有三種：單相半波整流、單相全波整流、單相橋式整流。這里主要介紹單相半波整流和單相橋式整流。3.1單相半波整流電路半波整流電路。電路如實圖1所示，整流器件是二極管，利用二極管單向導電特性，即可把交流電變成直流電，經(jīng)過半波整流在沒有濾波情況下得到UO=0.45U2。圖1半波整流電路圖單相半波整流電路電壓、電流的波形如圖2所示：圖2單相半波整流電路電壓、電流的波形圖在圖2所示波形電路中，負載上得到的整流電壓是單方向的，但其大小是變化的，是一個單向脈動的電壓，由此可求出其平均電壓值為由于流過負載的電流就等于流過二極管的電流，所以脈動系數(shù)S是衡量整流電路輸出電壓平滑程度的指標。由于負載上得到的電壓Uo是一個非正弦周期信號，可用付氏級數(shù)展開為脈動系數(shù)的定義為最低次諧波的峰值與輸出電壓平均值之比，即單相半波整流電路的特點是結構簡單，但輸出電壓的平均值低、脈動系數(shù)大。3.2單相橋式整流電路為了克服半波整流電路電源利用率低，整流電壓脈動程度大的缺點，常采用全波整流電路，最常用形式是橋式整流電路。它由四個二極管接成電橋形式，如圖3（a）所示。圖3橋式整流電路圖在圖3（a）所示電路中，當變壓器次級電壓u2為上正下負時，二極管V1和V3導通，V2和V4截止，電流i1的通路為a→V1→RL→V3→b，這時負載電阻RL上得到一個正弦半波電壓如圖3(b)中（0~π）段所示。當變壓器次級電壓u2為上負下正時，二極管V1和V3反向截止，V2和V4導通，電流i2的通路為b→V2→RL→V4→a，同樣，在負載電阻上得到一個正弦半波電壓，如圖3（b）中（π~2π）段所示。圖3（b）橋式整流電路波形圖輸出電壓平均值Uo。由以上分析可知，橋式整流電路的整流電壓平均值Uo比半波整流時增加一倍，即直流電流Io。橋式整流電路通過負載電阻的直流電流也增加一倍，即二極管的平均電流iV。因為每兩個二極管串聯(lián)輪換導通半個周期，因此，每個二極管中流過的平均電流只有負載電流的一半，即脈動系數(shù)S。全波橋式整流輸出電壓uo的付氏級數(shù)展開式為由以上分析可知，單相橋式整流電路，在變壓器次級電壓相同的情況下，輸出電壓平均值高、脈動系數(shù)小，管子承受的反向電壓和半波整流電路一樣。雖然二極管用了四只，但小功率二極管體積小，價格低廉，因此全波橋式整流電路得到了廣泛的應用。4濾波電路4.1濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應該并聯(lián)在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應與負載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質量。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復式濾波等。4.2電容濾波電路電容濾波電路如下圖所示，由于市電交流電頻率較低（50HZ），圖中電容C一般取值較大，約1000圖4橋式整流+電容濾波電路圖該電路工作原理：設U2=U2msint=U2sint，由于是全波整流，因此不管是在正半周期還是在負半周期，電源電壓U2一方面向RL供電，另一方面對電容C進行充電，由于充電時間常數(shù)很小（二極管導通電阻和變壓器內阻很?。?，很快充滿電荷，使電容兩端電壓UC基本接近U2m，而電容上的電壓是不會突變的?，F(xiàn)假設某一時刻U2的正半周期由零開始上升，因為此時電容上電壓UC基本接近U2m，因此U2＜UC，D1、D2、D3、D4管均截止，電容C通過RL放電，由于放電時常數(shù)d=RLC很大（RL較大時），因此放電速度很慢，UC下降很少。與此同時，U2仍按U2sint的規(guī)律上升，一旦當U2＞UC時，D1、D3導通，U2→D3→C→D1對C充電。然后，U2又按U2sint的規(guī)律下降，當U2＜UC時，二極管均截止，故C又經(jīng)RL放電。不難理解，在U2的負半周期也會出現(xiàn)與上述基本相同的結果。這樣在U2的不斷作用下，電容上的電壓不斷進行充放電，周而復始，從而得到一近似于鋸齒波的電壓UL=UC，使負載電壓的紋波大為減小。由以上分析可知，電容濾波電路有如下特點：a）RLC越大，電容放電速度越慢，負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取RLC≥(3～5)T/2式中，T為交流電源電壓的周期。b）RL越小輸出電壓越小。若C值一定，當RL∞，即空載時有UL0=U2≈1.4U2當C=0，即無電容時有UL0≈0.9U2當整流電路的內阻不太大（幾）和電阻RL電容C取值相應條件時，有UL0≈(1.1～1.2)U2總之，電容濾波適用于負載電壓較高、負載變化不大的場合。利用電容濾波時應注意下列問題：(1)濾波電容容量較大，一般用電解電容，應注意電容的正極性接高電位，負極性接低電位。如果接反則容易擊穿、爆裂。（2）開始時，電容C上的電壓為零，通電后電源經(jīng)整流二極管給C充電。通電瞬間二極管流過短路電流，稱浪涌電流。一般是正常工作電流Io的（5~7）倍，所以選二極管參數(shù)時，正向平均電流的參數(shù)應選大一些。同時在整流電路的輸出端應串一個阻值約為（0.02~0.01）R的電阻，以保護整流二極管。4.3電感濾波電感濾波電路如下圖所示，由于市電交流電頻率較低（50HZ），圖中電感L一般取值較大，約幾H以上。橋式整流+電感濾波電路圖電感濾波電路是利用電感的儲能來減小輸出電壓紋波的。當電感中電流增大時，自電感電動勢的方向與原理電流方向相反，自感電動勢阻礙了電位的增加同時也將能量儲存起來，使電流的變化減??；反之當電感中電流減少時，自感電動勢的作用阻礙電流的減少，同時釋放能量，使電流變化減小，因此，電流的變化小，電壓的紋波得到抑制。關于電感濾波電路的幾點結論：a）L越大、RL越小，輸出電壓紋波越小。b）忽略電感內阻，UL0=0.9U2（理論值）。c）電感濾波適用于低電壓、大電流的場合。d）工頻電感體積大，重量重，價格高，損耗大，電磁輻射強，因此一般少用。5穩(wěn)壓電路5.1穩(wěn)壓電源的技術指標穩(wěn)壓電源的技術指標可以分為兩大類：一類是特性指標，如輸出電壓、輸出電濾及電壓調節(jié)范圍；另一類是質量指標，反映一個穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內阻（輸出電阻）、紋波電壓及溫度系數(shù)等。·對穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下幾個萬面的要求

1．穩(wěn)定性好

當輸入電壓Ui（整流、濾波的輸出電壓）在規(guī)定范圍內變動時，輸出電壓U0的變化應該很小一般要求△U0/△U?！?%由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標，常用穩(wěn)壓系數(shù)S來表示：S的大小，反映一個穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，S越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高。通常S約為，S=(△U0/UO)/(△Ui/Ui)=(△U0/△Ui)×(Ui/U0)2.輸出電阻小

負載變化時（從空載到滿載），輸出電壓U0應基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。

輸出電阻（又叫等效內阻）r0表示，它等于輸出電壓變化量和輸出電流變化量之比的絕對值，即。r0=|△U0/△I0|

r0反映負載變動時，輸出電壓維持恒定的能力，r0越小，則I0變化時輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到1歐，甚至0．01歐。3.電壓溫度系數(shù)小

當環(huán)境溫度變化時，會引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源，應在環(huán)境溫度變化時，有效地抑制輸出電壓的漂移，保持輸出電壓穩(wěn)定，輸出電壓的漂移用溫度系數(shù)KT來表示.5.2穩(wěn)壓電路的類型通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，當網(wǎng)電壓波動或負載電流變化時，輸出電壓會隨之改變。電子設備一般都需要穩(wěn)定的電源電壓。如果電源電壓不穩(wěn)定，將會引起直流放大器的零點漂移，交流噪聲增大，測量儀表的測量精度降低等。因此必須進行穩(wěn)壓，目前中小功率設備中廣泛采用的穩(wěn)壓電源有并聯(lián)型穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路及開關型穩(wěn)壓電路。以下主要介紹這些類型的穩(wěn)壓電路。5.2.1硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路電路組成及工作原理：硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖5.1所示，經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui，限流電阻R和穩(wěn)壓管V組成穩(wěn)壓電路，輸出電壓Uo=UZ。圖5.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的直流電源電路在這種電路中，不論是電網(wǎng)電壓波動還是負載電阻RL的變化，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路都能起到穩(wěn)壓作用，因為UZ基本恒定，而Uo=UZ。下面從兩個方面來分析其穩(wěn)壓原理：（1）設RL不變，電網(wǎng)電壓升高使Ui升高，導致Uo升高，而Uo=UZ。根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當UZ升高一點時，IZ將會顯著增加，這樣必然使電阻R上的壓降增大，吸收了Ui的增加部分，從而保持Uo不變。反之亦然。（2）設電網(wǎng)電壓不變，當負載電阻RL阻值增大時，IL減小，限流電阻R上壓降UR將會減小。由于Uo=UZ=Ui-UR，所以導致Uo升高，即UZ升高，這樣必然使IZ顯著增加。由于流過限流電阻R的電流為IR=IZ+IL，這樣可以使流過R上的電流基本不變，導致壓降UR基本不變，則Uo也就保持不變。反之亦然。在實際使用中,這兩個過程是同時存在的，而兩種調整也同樣存在。因而無論電網(wǎng)電壓波動或負載變化，都能起到穩(wěn)壓作用。硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓，不作為電源使用。穩(wěn)壓電路參數(shù)確定（1）限流電阻的計算。穩(wěn)壓電路要輸出穩(wěn)定電壓，必須保證穩(wěn)壓管正常工作。因此必須根據(jù)電網(wǎng)電壓和負載電阻RL的變化范圍,正確地選擇限流電阻R的大小。從兩個極限情況考慮，則有①當Ui為最小值，Io達到最大值時，即Ui=Uimin，Io=Iomax,這時IR=(Uimin-UZ)/R。則IZ=IR-Iomax為最小值。為了讓穩(wěn)壓管進入穩(wěn)壓區(qū)，此時IZ值應大于IZmin，即IZ=(Uimin-UZ)/R-Iomax＞IZmin,②當Ui達最大值，Io達最小值時，Ui=Uimax，Io=Iomin,這時IR=(Uimax-UZ)/R，則IZ=IR-Iomin為最大值。為了保證穩(wěn)壓管安全工作，此時IZ值應小于IZmax，即IZ=(Uimax-UZ)/R-Iomin＜IZmax，則所以限流電阻R的取值范圍為在此范圍內選一個電阻標準系列中的規(guī)格電阻。2）確立穩(wěn)壓管參數(shù)。一般取5.2.2串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路并聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定，但穩(wěn)壓值不能隨意調節(jié)，而且輸出電流很小，Iomax=（1/3~2/3）IZmax，而IZmax一般只有20~40mA。為了加大輸出電流，使輸出電壓可調節(jié)，常用串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路,如圖5.2所示。圖5.2串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路圖圖5.2（a）是由分立元件組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，當電網(wǎng)電壓波動或負載變化時，可能使輸出電壓Uo上升或下降。為了使輸出電壓Uo不變，可以利用負反饋原理使其穩(wěn)定。假設因某種原因使輸出電壓Uo上升，其穩(wěn)壓過程為Uo↑→Ub2↑→Ub1（Uc2）↓→Uo↓。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓可由Rp進行調節(jié)。式中，R=R1+Rp+R2,R′p是RP的下半部分阻值。5.2.3集成穩(wěn)壓器及應用集成穩(wěn)壓器將取樣、基準、比較放大、調整及保護環(huán)節(jié)集成于一個芯片，按引出端不同可分為三端固定式、三端可調式和多端可調式等。三端穩(wěn)壓器有輸入端、輸出端和公共端（接地）三個接線端點，由于它所需外接元件較少，便于安裝調試，工作可靠，因此在實際使用中得到廣泛應用。其外形如圖5.3所示。圖5.3三端固定試和可調試穩(wěn)壓器5.2.4固定輸出的三端穩(wěn)壓器常用的三端固定穩(wěn)壓器有7800系列、7900系列，其外型如圖5.3所示。型號中78表示輸出為正電壓值，79表示輸出為負電壓值，00表示輸出電壓的穩(wěn)定值。根據(jù)輸出電流的大小不同，又分為CW78系列，最大輸出電流1~1.5A；CW78M00系列，最大輸出電流0.5A；CW78L00系列，最大輸出電流100mA左右，7800系列輸出電壓等級有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，7900系列有-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V。如CW7815，表明輸出+15V電壓，輸出電流可達1.5A，CW79M12，表明輸出-12V電壓，輸出電流為-0.5A。5.2.5三端可調輸出穩(wěn)壓器前面介紹78、79系列集成穩(wěn)壓器，只能輸出固定電壓值，在實際應用中不太方便。CW117、CW217、CW317、CW337和CW337L系列為可調輸出穩(wěn)壓器，其外型如圖