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集成直流稳压电源 课程设计


西北农林科技大学机电学院

电子技术基础课程设计报告

集成直流稳压电源设计





吴雪泥 2008 级机电(2) 王军维 2011 年 1 月 7 日

专业年级 指导教师 完成时间 成

绩___________________<

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1

目录
1 绪论
1.1 直流稳压电源概 述...................................................................... .............1 1.2 研 究 的 主 要 内 容...................................................................... ..................1

2 总体设计
2.1 设 计 任 务 及 要 求...................................................................... ..................2 2.2 设计方案及原 理...................................................................... ..................2 2.3 设计步 骤...................................................................... ................................2

3 单元电路设计
3.1 稳压电路的设 计...................................................................... ..................2 3.1.1 稳压器的选 择...................................................................... ...........2 3.1.2 输出电流扩展及其保护电 路....................................................4 3.2 整 流 滤 波 电 路 的 设 计...................................................................... .........4

2

3.2.1 整流方案的选 择...................................................................... ........4 3.2.2 滤波电路的选 择...................................................................... .......5 3.2.3 整流滤波电路、参数计算及元件的选 择...............................6 3.3 电源变压器的设 计...................................................................... ..............7

4 总体电路 图.....................................................................
..................7

5 multisim 仿真及数据测 试......................................................7
6







会.....................................................................
..................... 11

7







献.....................................................................
........................12

1、绪论
1.1 直流稳压电源概述 在电子电路及电子设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电,作为电子 电路中必不可少的组成部分,它的作用之一是为各级电路中的三极管提供合适的偏
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置,其次是作为整个电子电路能量来源。常见的供电方式有两种,一种是采用干电 池、蓄电池或其他形式如光电池等向电路供电,这种供电方式是用化学能或其他形 式的能量转化为电能之后,向电路提供能量,其缺陷在于能量的使用要受实际条件 (如电池的容量)的限制;另一种是利用电网向电路供电,这种供电方式是把电网 的交流电经过降压、整流、滤波和稳压之后,转化为直流电向电路提供能量,其优 势在于电网所提供的能量是源源不断的。 小功率稳压电源的组成可以用图 1-1 表示, 它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。

+

电 源 变压器

+

整 流 电 路

+

滤 波

+

稳 压

+

u1
_

u2
_ _

u3
电 路 _

uI
电 路

U0
_

u1

u2

u3

uI

U0

0

t

0

t

0

t 0

t 0

t

图 1-1 直流稳压电源框图及其各部分输出波形

电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值, 然后通过整流电路 将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波,必须 通过滤波电路加以滤除,从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波 动(一般有±10%左右的波动) 、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路 之后,还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时, 维持输出直流电压稳定。 1.2 研究的主要内容 通过集成直流稳压电源的设计,multisim 仿真和调试,学会选择变压器、整流 二极管、滤波电容、集成稳压器及相关元器件设计直流稳压电源;掌握直流稳压电 路的调试及主要技术指标的测试方法。

2、总体设计

4

2.1 设计任务及要求: 熟悉直流稳压电源的电路组成,合理选择变压器、整流二极管、滤波电容及集 成稳压器来设计整体电路,掌握各部分电路的调试和主要指标的测试方法,要求输 出+15V 电压,稳压系数小于 5×10-3 ,加限流保护电路,最大输出电流不超过 2A。 试用仿真电路演示。 2.2 设计方案及原理: 直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成。 其结构框图与各电路输出电压波形如图 2-1 所示:

工作原理为:将频率为 50HZ,有效值为 220V 的交流电经过变压器降压,再通 过四个二极管组成的桥式整流电路整流变换成脉动的直流,用低通滤波电路减小电 压的脉动,经过稳压电路和限流式过载保护环节。 2.3 设计步骤: 1、根据设计要求的输出电压 Uo 和最大输出电流 Iomax,确定稳压器的型号及电 路形式。 2、由稳压器的输入电压,确定变压器副边电压的有效值 U2;由稳压电源的最 大输出电流 Iomax,确定变压器副边的电流 I2 和功率 P2;再由 P2,查相关资料得到 变压器的效率η,从而确定电源变压器原边的功率 P1。最后根据所确定的参数,选 择电源变压器。 3、确定整流二极管的正向平均电流 ID、整流二极管的最大反向电压、滤波电 容的电容值和耐压值。根据所确定的参数,选择整流二极管和滤波电容。

3、单元电路设计
3.1 稳压电路的设计 3.1.1 稳压器的选择 集成三端稳压器具有体积小,外围元件少,调整简单,使用方便且性能好,稳 定性高,价格便宜等优点,因而获得越来越广泛的应用。 常见的有固定式和可调式两类集成三端稳压器, 内部多以串联型稳压电源为主,
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还有适当的过流、过热等保护电路。一般固定式较便宜,可调式较贵,性能也好些, 功率相对也较大。固定式三端稳压器主要有 7800 系列(输出正电压)和 7900 系列 (输出负电压) 。 根据设计要求,输出电压为+15V,即输出电压为固定的,所以可选择固定式三 端稳压器 W7815 和 W7915 相配合而得到正负输出的稳压电路。W7815,其输出电 压为 15V,输出电流为 1.5A;W7915,其输出电压为-15V,输出电流为 1.5A。而三 端稳压器是集成串联型电路,故要考虑调整管工作在放大状态,使|UI|-|UO|≥2V,但 也不应过大,约等于 3~5V。该两稳压器的外形及接线如图 3-1 所示。稳压电路图如 图 3-2 所示。

图 3-1 LM7800 和 LM7900 稳压器

图 3-2 输出正、负双电压的稳压电路

图中两只二极管起保护作用,正常工作时均处于截止状态。若 W7915 的输入端 未接入输入电压, W7815 的输出电压将通过负载电阻接到 W7915 的输出端使 D6 导通,

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从而将 W7915 的输出端钳位在 0.7V 左右,保护其不至于损坏;同理,D5 可在 W7815 的输入端未接入输入电压时保护其不至于损坏。一般取 Ci=0.33μF,用以抵消输入 端较长接线的电感效应,防止产生自激振荡;Co=0.1μF,改善负载的瞬态响应,减 少高频噪声。 由|UI|-|UO|≥2V,可取 U1a=19V。 但根据输出电流要求最大不超过 2A,而通过该稳压器输出的最大电流才 1.5A, 因此要采用外接电路来扩大输出电流。同时要考虑过流保护。 3.1.2 输出电流扩展及其保护电路

图 3-3 限流保护扩展电路

T1 与 W7815 的内部 NPN 调整管并联,扩大输出电流。负载较轻时 T1 截止;当负 载电流升高,T1 导通分流。此时三端稳压器的内部过流保护已失去作用,需在外部 增大保护电路,也就是 T2 和 R,T2 在正常时截止,过流时导通,导通后 Ube2 减小,使 Ube1 减小,IC1 减小,起到限流的作用。所以 T1 选用 PNP 管,锗三极管 3AD30,50V 4A 20W,是大功率三极管。T2 选用 PNP 锗三极管 3AX62,50V 500mA 500mW,是低频小 功率三极管。由于 R 中流过 W7815 的空载电流和部分负载电流,有一定的损耗,故 其阻值不宜增大,一般约几Ω,这里取 R=3Ω。 所以有 Rs=Ube2/IE1= Ube2/IC1=Ube2/(Iomax-Iom)=0.3/(2-1.5)=0.6Ω 3.2 整流滤波电路的设计 整流方案的 3.2.1 整流方案的选择 方案一: 单相半波整流电路:单相半波整流简单,使用器件少,它只对交流电的一半波形整 流, 只要横轴上面的半波或者只要下面的半波。 但由于只利用了交流电的一半波形, 所以整流效率不高,而且整流电压的脉动较大,无滤波电路时,整流电压的直流分
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量较小,Vo=0.45Vi,变压器的利用率低。 方案二: 单相全波整流电路:使用的整流器件较半波整流时多一倍,整流电压脉动较小,比 半波整流小一半。无滤波电路时的输出电压Vo=0.9Vi,变压器的利用率比半波整流 时高。变压器二次绕组需中心抽头。整流器件所承受的反向电压较高。 方案三: 单相桥式整流电路:使用的整流器件较全波整流时多一倍,整流电压脉动与全波整 流相同,每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值,变压器利用率较全波整流电 路高。而且本次设计要求获得正、负电源,将桥式整流电路变压器副边中点接地, 负载相连且接地,便可轻而易举的实现(如图5所示),而其他整流电路很难做到。

图3-4桥式整流电路实现双电源电路

综合3种方案的优缺点:决定选用方案三。 3.2.2滤波电路的选择 .2.2滤波电路的选择 由各种滤波电路性能比较表3-1,来选择需要的电路。

表3-1

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类型 性能 UO(AV)/U2 整 流 二极 管 导 通角θ 适用场合 电容滤波 1.2 小 小电流负载 电感滤波 0.9 大 大电流负载 LC滤波 0.9 大 适应性较强 RC或LCπ型波 1.2 小 小电流负载

电容滤波是最常见而且最简单的滤波电路,即在整流电路输出端并联一个电容 就可构成电容滤波电路,由于滤波电容容量较大,一般采用电解电容。 因此,这次设计的输出电流属于小电流,采用电容滤波就足以满足要求。 3.2.3整流滤波电路、参数计算及元件的选择 3.2.3整流滤波电路、参数计算及元件的选择 整流滤波电路

1、四个二极管组成单相桥式整流电路 由变压器副边上半部分的电压 U2a≈ U1a/1.2=16V 又 因 为 W7815 的 公 共 端 静 态 电 流 IQ=8mA , 所 以 整 流 滤 波 输 出 电 流 为 : II=IQ+IOM=0.008+1.5=1.508A 考虑电网电压波动范围为±10%, 每个二极管的最大反向电压为: RM> U U2a=25V,

平均电流为 ID=II/2=1.508/2=0.754A。 由此,可选用 1N4001 硅整流二极管 50V, 1A,(Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A) 2、考虑上半部分,由 f=50HZ,得 T=1/f=0.02s,RLI=U1a/II=19/1.508=13Ω 而 C 的取值满足 RLI×C=(3~5)T/2,得 C=(3~5)T/2/RLI=(0.0025~0.004167)F=(2500~4167)μF U2a=25V 电容的耐压值 U>1.1 由此,可选用 3300μF,50V 的铝电解电容器
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3.3 电源变压器的设计 变压器副边电流有效值 I2>IOmax=2A,若取 I2=3A,则 P2=2U2a×I2=96VA 再参照变压器效率表 3-2,选择合适的变压器。
表 3-2

副边功率 P2

< 10VA

10~30VA

30 ~ 80VA

80 ~ 200VA



率η

0.6

0.7

0.8

0.85

因此,选取副边功率为 80~200VA,效率为 0.85 的变压器

4、总体电路图

5、Multisim 仿真及数据测试

5.1 仿真电路图、波形演示及性能调试

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此时输入电压为 220V,负载 R5 为接入 50%,有输出电压如下: (同时测得稳压 电路输入电压分别为 20.826V,-20.819V)

5.2 性能调试 改变负载大小 大小, 5.2.1 改变负载大小,观察输出 把负载 R5 改为接入 0%即为空载时,有输出电压如下:

把负载 R5 改为接入 100%即为满载时,有输出电压如下:

有上可见,虽然负载变化,但输出电压的大小基本不变,满足定值稳压输出。 改变输入电压大小 输入电压大小, 5.2.1 改变输入电压大小,观察输出 负载固定接入 50%时,改变输入电压值大小,使其由 220V 变为 230V,有输出电 压:(同时测得稳压电路输入电压分别为 21.817V,-21.812V)

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改为 210V,有输出电压为:(同时测得稳压电路输入电压分别为 19.831V, -19.826V)

稳压系数 Sr 和输出电阻 Ro 来描述一个稳压电路的稳压性能。 由以上数据,对于正电压

对于负电压

而设计要求稳压系数小于 5×10- 即 0.005,由上计算结果看得出来满足要求。

-3

6、心得体会
本次的课程设计,培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力;我觉得 课程设计对我们的帮助是很大的,它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系 起来,加强我们对学过的知识的实际应用能力。 首先是将整个设计分成一个个的模块,绘出大概的框图,把总体的原理理清, 再将每个模块具体化,即“先粗后细”。对于直流电源,以前学习模电的时候已经 接触过,通过翻看书籍,弄懂了实现的具体过程。在这个过程中,以前稳压电路学 习的知识很少,很多东西都不太明白,尤其是集成稳压器,几乎是从零开始,最大 的困难在于三极管的选择。具体的很多型号都不清楚,查阅相关的资料后,选择的 型号在 multisim 里都没有,所以仿真过程并不顺利。 通过这次经历,将所学知识运用到设计中,按照设计要求设计电路的参数,在 按对应的参数选取元器件,通过查找资料了解元器件的主要特性与相关使用注意事 项,来满足设计的要求。 与此同时也明白了在做每件事情的时候,必须要有耐心,不要害怕困难,就算 是我们不熟悉的东西,只要能够花时间、精力去完成,我们一定是受益匪浅。最重 要的是理论联系实际,就不只是读书,而是掌握了一门有用的技术。尤其是我们工 科的学生,必须从实习中积累经验,夯实基础,因为要面对社会的挑战,所以只有 不断的学习、实践,再学习、再实践。主要是享受过程,锻炼自己的能力,而不是 结果。相信在以后的实践过程中,我们也会收获更多。
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7、参考文献
[1]童诗白,华成英主编.《模拟电子技术基础》 (第四版).北京:高等教育出版社. [2]谢红主编.《模拟电子技术基础》.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社. [3]康华光主编.《电子技术基础》.北京:高等教育出版社. [4]方大千,鲍俏伟著.《实用电源及其保护电路》.北京:人民邮电出版社. [5]曲学基,王增福等编.《稳定电源基本原理与工艺设计》.北京:电子工业出版社

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