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直流稳压电源设计

 

新疆大学

课程设计报告

 

所属院系:

电气工程学院

专业:

自动化

课程名称:

电子技术基础A

设计题目:

直流稳压电源的设计

班级:

自动化091

学生姓名:

xxx

学生学号:

2009xxxxxxx

指导老师:

xxxx

完成日期:

 

课程设计题目:

直流稳压电源的设计

要求完成的内容:

设计一个个对偶式直流稳压电源。

指标条件如下:

技术指标要求为:

输出直流电压Vo=±12V,最大输出电流Io=500mA,电压调整率SU≤%/V,输出

端纹波抑制比SR≥60dB,有完善的过载、短路保护措施。

使用的元器件要求为:

端稳压器(7812、7912),电容(瓷片电容),电阻(瓦)变压器(双12V)等。

要求:

(1)根据设计要求,确定电路的设计方案,计算并选取电路的元件参数。

(2)分析、测量电路的相关参数,修改、复核,使之满足设计要求。

(3)综合分析计算电路参数,满足设计要求后,认真完成设计报告。

指导教师评语:

该生具有查阅文献资料和手册的能力,了解与课题有关的电子电路

以及元器件的工程技术规范。

能够把课堂理论知识用于实际,按照任务

书的要求完成设计任务。

设计思路明确,概念清晰,设计的电路正确

分析计算合理,仿真结果满足性能指标要求,论文内容详尽,格式满足

报告要求。

评定成绩为:

指导教师签名:

年月日

直流稳压电源的设计

直流稳压电源的设计要求是比较基本的设计,设计要求电源输出三档可调直流

电压。

设计中包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分。

通过四

部分的组合将220V交流电压转变为设计要求直流电压。

并且用仿真软件进行仿真

分析。

一、设计方案

1.拟定系统方案框图

直流稳压电源由四部分组成。

四部分分别为:

电源变压器,整流电路,滤波电路,稳压电路。

系统方框图如下图1。

图1稳压电源的系统组成框图

图2直流稳压电源的方框图

采用LM7812和LM7912固定式三端稳压器共同组成稳压电路。

固定式三端稳压器LM7812和LM7912组装电路可对称输出±12v,其电路图如

图所示。

该电路的特点是它们共用一组整流、滤波电路,且有共同的公共端,可以同时

输出正、负电压,使用十分方便。

图3直流稳压电源电路

二、单元电路的设计和计算

1.单元电路的设计

.电源变压器

图4电源变压器

电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的

交流电压Ui。

变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η。

电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离,作为一种主要的软磁电

磁元件,在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。

根据传送功率的大

小,电源变压器可以分为几档:

10kVA以上为大功率,10kVA~为中

功率,~25VA为小功率,25VA以下为微功率。

如图4电源变压器将220V,50HZ交流电压降压后输出到副边,变成整流电路

要求的交流电压值,然后通过整流电路将交流电压变成动脉的直流电压。

得到的电

源变压器的工作波形如图5。

图5电源变压器输出波形

整流电路的设计

整流电路的任务是将交流电变换成直流电。

完成这一任务主要是靠二极管的单

向导电作用,因此,二极管是构成整流电路的关键元件。

电路图如图3所示,图中

T1为电源变压器,R1是要求直流供电的负载电阻,四只型号为1N4001的整流二。

极管D1~D4接成电桥的形式,故有桥式整流电路之称

图6单相桥式整流电路

电路图如图6所示,图中T1为电源变压器,R1是要求直流供电的负载电阻,

四只型号为1N4001的整流二极管D1~D4接成电桥的形式,故有桥式整流电路之称。

在U2的正半周,电流从变压器副边线圈的上端流出,只能经过二极管D1流向

R1,再由二极管D3流回变压器,所以D1、D3正向导通,D2、D4反偏截止。

在负载

上产生一个极性为上正下负的输出电压。

在U2的负半周,其极性与上述相反,电流从变压器副边线圈的下端流出,只

能经过二极管D2流向R1,再由二极管D4流回变压器,所以D1、D3反偏截止,D2、

D4正向导通。

电流流过R1时产生的电压极性仍是上正下负,与正半周时相同。

综上所述,桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性,将四个二极管分

为两组,根据变压器副边电压的极性分别导通,将变压器副边电压的正极性端与负

载电阻的上端相连,负极性端与负载电阻的下端相连,使负载上始终可以得到一个

单方向的脉动电压。

结合上述分析,可得桥式整流电路的工作波形如图7。

图7桥式整流电路的工作波形

滤波电路

滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波,一般有电抗元件组成,例如在负载

电阻两端并联电容器C,或者在整流电路输出端与负载之间串联电感器L,以及由电

容、电感组合而成的各种复式滤波电路。

滤波电路的形式很多,为了掌握它的分析规律,把它分为电容输入式(电容C

接在最前面)和电感输入式(电感L接在最前面)。

前一种滤波电路多用在小功率

电源中,而后一种滤波电路多用于较大功率电源中(而且当电流很大时仅用一个电

感器与负载串联)。

本实验采用电容滤波:

图8单相桥式整流、滤波电路图

滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波,在负载两端并联电容器C,负载平均

电压Uo升高,纹波减小,且R1*C越大,电容放电速度越慢,则负载电压中的纹波成分

越小,负载平均电压越高,得到波形如图9。

图9滤波电路的输出波形

稳压电路

稳压电路:

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定,不随交流电网电压和负

载的变化而变化。

图10稳压电路图

经整流滤波输出的电压通常是不稳定的,不能直接对系统供电,因此需要经过

稳压电路将电压稳定到单片机系统所需的要求。

对任何稳压电路都应从两个方面考

察其稳压特性,一是设电网电压波动,研究起输出电压是否稳定;二是设负载变化,

研究其输出电压是否稳定。

流稳压电路分为串联型稳压电路和开关型稳压电路,本

设计采用串联型稳压电路。

稳压器一般包括单管稳压器和集成稳压器。

常用的集成

稳压器有固定式三端稳压器和可调式三端稳压器,本设计同时使用固定式三端稳压

器LW7812和LW7912,其分别输出+12V和-12V电压。

可根据电路图得到它的工作波

形如图11。

图11稳压电路工作波形

2.单元电路元件的选择和计算

电源变压器

源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电

压U2。

变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η,式中η是变压器的效率。

如上的对应电路图我们选用的是LM7812做稳压电路,要求得到的输出电压为

Uo=12V,稳压管LM7812的输入输出电压差为2~3V,则稳压电路的输入电压为

14V~15V,UImin=14/,得到:

U2=UImin/=14/=9V;

又I2≥Iomax=500mA;则电源变压器的输出功率P≥U2I2=;所以选用U=±12V,

P=6W的双变压器。

2.整流电路中的二极管

最大允许流经每个二极管的ID=IL=*500=250mA而每个二极管所承

受的最大反向电压为:

VRM=

=24V而1N4001的U=50V>24V,I=1A>,于

是整流桥部分采用的是四个型号为1N4001的二极管构成。

3.滤波电容

滤波电容C可由下式估算

C=

为稳压器纹波电压,t为电容C的放电时间,t=T=sIc为电容

c的放电电流。

可取Ic=Iomax,滤波电容c的耐压值应该大于

又:

=(3~5)T/2

式中T——为输入交流信号周期,即电容C放电时间,RL——为整流滤波电路的等效负

载电阻;其中R1=24Ω,f=50Hz,得到周期为

T=1/f=1/50=

选用

=4xT/2,则得到C=1670μF;若考虑到电网电压波动+10%或-10%,则电容器承

受的最高电压为:

Ucm=*U2*=;则选用标称值为2400μF/35V的电解电容器

电容相并联。

若考虑电网电压波动

%10,则电容器承受的最高电压为:

Vcm=

*=*17*=V

由任务书技术指标要求可确定滤波电容选用标称值为2200μF/35V的电解电容器电容

相并联。

4.稳压器的选择

当负载电流变化时,由于整流滤波电路存在内阻,输出电压将要变化;当电

网电压波动时,使整流滤波电路输出的直流电压不稳定。

为了获得相对稳定的直

流电压,我们在整流滤波之后通常还要接一个稳压电路。

在小功率设备中常用的

稳压电路,稳压管电路和开关型稳压电路等。

其中稳压管稳压电路较简单,

但是带负载能力差,一般只提供基准电压。

开关型稳压电源效率较高,目前使用

也比较多,但是电路比较复杂,而且价格比较贵。

而且本次设计的要求不是很高,所以使用了图10所示的最简单的稳压电路。

设计要求输出电压为:

一档要求输出±12V对称输出电压,而LW7812系列的固定

式稳压器输出的电压是+12V和LW7912固定式稳压器能得到输出电压为-12V,所

以选用LW7812和LW7912的稳压器这样可以得到+12V和-12V的输出电压。

者组装可得到±12V对称输出。

芯片说明:

LM7812、LM7912芯片由于它只有输入,输出和公共引出端,故称之为三端式

稳压器。

它由启动电路,基准电压电路,取样比较放大电路,调整电路和保护电路

等部分组成。

其主要参数有:

输出直流电压U0=+12V,输出电流L:

,M:

,电压调

整率10mV/V,输出电阻R0=Ω,输入电压UI的范围15~17V因为一般UI要

比U0大3~5V,才能保证集成稳压器工作在线性区。

用三端式稳压器W7812构成

的单电源电压输出串联型稳压电源。

其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式

整流器成品(也叫整流堆),当然也可以自已用四个速流二极管(如,IN4001)组成。

波电容C1、C2一般选取几百~几千微法。

当稳压器距离整流滤波电路比较远时,

输在入端必须接入电容器C3(数值μF),以抵消线路的电感效应,防止产生

自激振荡。

输出端电容C4μF)用以滤除输出端的高频信号,改善电路的暂态响

应。

三、总体设计

1.总体电路

在电路中,通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电。

稳压电路的组成是由电

源变压、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。

电源变压器将交流电网220V的电

压变为所需要的电压值,然后通过整流电路将电压变为脉动的直流电压。

由于此脉

动的直流电压还含有较大的波纹,必须加以滤波电路滤除,从而得到平滑的直流电

压。

这样就可以在电网电压波动,负载和温度变化的时候,维持输出直流电压稳定。

当负载要求功率较大、效率较高时,常采用开关稳压电源。

其中:

(1)电源变压器:

是降压变压器,它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流

电压,并送给整流电路,变压器的变比由变压器的副边电压确定。

(2)整流电路:

利用单向导电元件,把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

(3)滤波电路:

可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除,从而得

到比较平滑的直流电。

(4)稳压电路:

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定,不随交流电网电压和

负载的变化而变化。

根据电路的要求选择LW7812和LW7912芯片做稳压电路,得到符合课程要求

的直流稳压电源的电气原理图如图12。

图12对偶式直流稳压电源

2.元件明细表

表1元器件明细表

元件名称

数量

型号

元件名称

数量

型号

交流电源

1个

220V、50Hz

二极管

4个

1N4001

电容

1个

2200μF/35V

变压器

1个

12V双变压器

2个

μF/63V

稳压管

1个

LM7812

2个

μF/63V

1个

LM7912

电阻

2个

1KΩ

3.综合分析

1)输出波形及电压:

图13输出电压大小及波形

2)稳压系数

先调节自藕变压器使输入的电压增加10%,即Vi=242V,测量此时对应的输出

电压Vo1;再调节自藕变压器使输入减少10%,即Vi=198,测量此时对应的输出电

压Vo2,然后测量出Vi=220V时对应的输出电压Vo,则稳压系数

Sr=△VoVI/△VIVo=

/△VI

改变电压所得结果如下:

由此可得该电路中电压调整率

S

=

符合设计要求

一般情况下,稳压器正常工作时,其输出稳压电源性能指标的测试电路电流

要小于最大输出电流

,对于交流220V被测稳压电路稳压电路中取

输出电压为Uo=12V,可算出RL=12/=24Ω,工作时

上消耗的功率为:

P=12*=6W,故

取额定功率为6W,阻值为24Ω的负载。

3)纹波电压

用示波器观察Uo的峰峰值,(此时Y通道输入信号采用交流耦合AC),测量ΔUop-p

的值(约几mV)。

测得ΔUop-p=。

4)纹波因数

用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值,用万用表(或数字万用

表)的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。

则纹波因数为:

5)纹波抑制比:

Sr=20ln

=

四、小结

本次课程设计自己的收获很大,自己对集成直流稳压电源有了更为深刻的了解。

模拟电子课本上介绍了串联式直流稳压电源,基于其原理,加入稳压管LM7912,

设计出对偶式直流稳压电源,保证双端输出都为12伏。

设计过程中参考了课外的

一些知识,包括网上和图书馆的资料,也得到了老师的细心指点。

加深了自己对

直流稳压电源的工作原理的认识,提高了团队协作的精神。

诚然,设计过程中也

存在很多的不足之处。

1)存在问题如下:

①对仿真软件Multism运用不是很熟练,绘图过程中遇到一些困难;

②计算元件参数,选择元件时存在一些困难,不知道如何下手,怪自己学习这一

章时没有用心。

导致设计过程中花费时间较多。

③对纹波电压的概念比较陌生,在计算纹波因数及纹波抑制比时遇到一些困难。

2)体会:

①掌握了简单的电子电路的设计与制作,也掌握了稳压芯片的原理与作用;

②在模拟仿真时,我连接电路时一定要认真仔细,而且要确保每条导线接触良好

③在接电路之前,一定要把电路的原理搞清楚,通过查资料把电路中的每个元件

的作用弄明白和把每个芯片的管脚的功能及连接方法弄清楚

④接线时不仅要仔细并且还要有耐心,不能急于求成,只要做到了这些才能保证电

路成功率比较高。

附录

仿真结果:

经变压器后的电压波形:

经过整流电路后的波形图:

经滤波电路后的波形图:

稳压电源最后输出的波形图:

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