《电力电子技术》课程设计5v稳压电源设计.docx

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《电力电子技术》课程设计5v稳压电源设计

《电力电子技术》课程设计5v稳压电源设计

《电力电子技术》课程设计

题目:

5v直流稳压电源设计制作

学校,XXXXXXXXXXXXXXX

学院,XXXXXXXXXXXX

学生姓名,XX

学号,XXXXXXXXX

专业班级,

指导教师,XXX

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本次实训课题解读

根据实训题目和要求我们组成4人实训小组,经过查找资料和理解我们认为直流稳压电源是一种当电网电压波动或温度、负载改变时,能保持输出直流电压基本不变的电源。

其电源电路包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个环节。

设计中要用的元件有变压器、稳压器、整流二极管、电解电容等。

+5V稳压电源首先是直流+5V的同时还应该是由交流220V电源变化而来。

而且还应通过模拟结果来证明,该装置实现了题目要求的全部功实现了题目的基本要求。

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目录一、实验电路设计要求

二、电路设计思路

三、各阶段选择与原理

四、电路设计

五、模拟仿真

六、实物制作

七、实训心得体会

-3-

-4-

实训报告

5v直流稳压电源设计制作一、实验电路设计要求

V=+5V,O

纹波电压,?

5mV,

电压调整率,K?

3%,u

电流调整率,K?

1%。

i

二、电路设计思路

以全波整流电路作为整流网络,以极性电容作为滤波网络,采用固定式三端集成稳压电路7805设计制作直流稳压电源。

如下图所示,220V,幅值311V,50Hz市电经变压器220:

9输出两组独立的9V交流,经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7805作用得到?

5V的直流输出。

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分

整流（去掉组成。

变压到9V负半轴电稳压阶段滤波阶段

压）

ACCD555

22O

整体设计思路图

各阶段电压波形原理图

输入整流滤波稳压

三、各阶段选择与原理

1.变压阶段

-1-

电源变压器,将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压本次实验选择AC22OV到AC9V变化。

而变压器是变换交流电压,电流和阻抗的器件,当初级绕组中通有交流电时,铁心中便产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压。

变压器由铁心和绕组组成,绕组有两个或以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级绕组,其余绕组叫次级绕组。

按电源相数来分,变压器单相,三相和多相集中形式。

变压器的功能主要有,电压变换,电流变换,阻抗变换,隔离,稳压,磁饱和变压器,;自耦变压器,高压变压器,干式和油浸式,等,变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯,XED型,ED型CD型。

变压器按用途可以分为,配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗干扰变压器、防雷变压器、箱式变电器试验变压器转角变压器大电流变压器励磁变压器。

变压器的最基本型式,包括两组绕有导线之线圈,并且彼此以电感方式称合一起。

当一交流电流（具有某一已知频率）流于其中之一组线圈时,于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压,而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。

一般指连接交流电源的线圈称之为「一次线圈」（Primarycoil）;

而跨于此线圈的电压称之为「一次电压.」。

在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压,是由一次线圈与二次线圈间的「匝数比」所决定的。

因此,变压器区分为升压与降压变压器两种。

大部分的变压器均有固定的铁芯,其上绕有一次与二次的线圈。

基于铁材的高导磁性,大部分磁通量局限在铁芯里,因此,两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。

在一些变压器中,线圈与铁芯二者间紧密地结合,其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。

因此,变压器之匝数比,一般可作为变压器升压或降压的参考指标。

由于此项升压与降压的功能,使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物,提升输电电压使得长途输送电力更为经济,至于降压变压器,它使得电力运用方面更加多元化,可以这样说,没有变压器,现代工业实无法达到

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目前发展的现况。

电子变压器除了体积较小外,在电力变压器与电子变压器二者之间,并没有明确的分界线。

一般提供50Hz电力网络之电源均非常庞大,它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。

电子装置的电力限制,通常受限于整流、放大,与系统其它组件的能力,其中有些部分属放大电力者,但如与电力系统发电能力相比较,它仍然归属于小电力之范围。

各种电子装备常用到变压器,理由是,提供各种电压阶层确保系统正常操作;提供系统中以不同电位操作部分得以电气隔离;对交流电流提供高阻抗,但对直流则提供低的阻抗;在不同的电位下,维持或修饰波形与频率响应。

「阻抗」其中之一项重要概念,亦即二手机器人电子学特性之一,其乃预设一种设备,即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时,其间即使用到一种设备-变压器。

变压器又有其做试验而用的,是试验变压器,分别可以分为充气式,油浸式,干式等试验变压器,是发电厂、供电局及科研单位等广大用户的用来做交流耐压试验的基本试验设备,通过了国家质量监督局的标准,用于对各种电气产品、电器元件、绝缘材料等进行规定电压下的绝缘强度试验

变压器---利用电磁感应原理,从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件。

a.变压器----静止的电磁装置

b.变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能

c..电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。

d变压器原理

e.与电源相连的线圈,接收交流电能,称为一次绕组与负载相连的线圈,送出交流电能,称为二次绕组

一次绕组的二次绕组的

电压相量U1电压相量U2

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电流相量I1电流相量I2

电动势相量E1电动势相量E2

匝数N1匝数N2

同时交链一次,二次绕组的磁通量的相量为φm,该磁通量称为主磁通

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电变压器原理图流时,铁芯,或磁芯,中便产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压,或电流,。

变压器由铁芯,或磁芯,和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈。

变压器的工作原理

变压器利用电磁感应原理,从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器

输送的电能的多少由用电器的功率决定.

制作原理在发电机中,不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈,均能在线圈中感应电势,此两种情况,磁通的值均不变,但与线圈相交链的磁通数量却有变动,这是互感应的原理。

变压器就是一种利用电磁互感应,变换电压,电流和阻抗的器件。

分类

按冷却方式分类,干式,自冷,变压器、油浸,自冷,变压器、氟化物,蒸发冷却,变压器。

按防潮方式分类,开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。

按铁芯或线圈结构分类,芯式变压器,插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯,、壳式变压器,插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯,、环型变压器、金属箔变压器。

按电源相数分类,单相变压器、三相变压器、多相变压器。

按用途分类,电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。

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使用9V原因,为了使稳压模块的输入电压大于7V小于35V。

但如果电压大于12V会使得LM7805发热明显,电压过小会使得无法稳定在5V的输出。

设计中留有一定余量,选择电压比为25:

1的变压器,将峰值311V的交流电转变为峰值9V左右交流电。

2.整流电路

利用二极管组成的各种整流电路及工作原理a.半波整流电路:

图5-1是一种最简单的整流电路。

它由电源变压器B、整流二极管D和负载电阻Rfz组成。

变压器把市电电压,多为220伏,变换为所需要的交变电压e2,D再把交流电变换为脉动直流电。

下面从图5-2的波形图上看着二极管是怎样整流的。

变压器砍级电压e2,是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压,它的波形如图5-2,a,所示。

在0,π时间内,e2为正半周即变压器上端为正下端为负。

此时二极管承受正向电压面导通,e2通过它加在负载电阻Rfz上,在π,2π时间内,e2为负

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半周,变压器次级下端为正,上端为负。

这时D承受反向电压,不导通,Rfz上无电压。

在2π,3π时间内,重复0,π时间的过程,而在3π,4π时间内,又重复π,2π时间的过程…这样反复下去,交流电的负半周就被"削"掉了,只有正半周通过Rfz,在Rfz上获得了一个单一右向,上正下负,的电压,如图5-2,b,所示,达到了整流的目的,但是,负载电压Usc。

以及负载电流的大小还随时间而变化,因此,通常称它为脉动直流。

这种除去半周、图下半周的整流方法,叫半波整流。

不难看出,半波整流是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的,电流利用率很低,计算表明,整流得出的半波电压在整个周期内的平均值,即负载上的直流电压Usc=0.45e2,因此常用在高电压、小电流的场合,而在一般无线电装置中很少采用。

b.全波整流电路

如果把整流电路的结构作一些调整,可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。

图5-3是全波整流电路的电原理图。

c.全波整流电路,可以看作是由两个半波整流电路组合成的。

变压器次级线圈中间需要引出一个抽头,把次组线圈分成两个对称的绕组,从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a、e2b,构成e2a、D1、Rfz与e2b、D2、Rfz,两个通电回路。

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全波整流电路的工作原理,可用图5-4所示的波形图说明。

在0,π区间内,e2a对Dl为正向电压,D1导通,在Rfz上得到上正下负的电压,e2b对D2为反向电压,D2不导通,见图5-4,b,。

在π-2π时间内,e2b对D2为正向电压,D2导通,在Rfz上得到的仍然是上正下负的电压,e2a对D1为反向电压,D1不导通,见图5-4,C,。

如此反复,由于两个整流元件D1、D2轮流导电,结果负载电阻Rfz上在正、负两个半周作用期间,都有同一方向的电流通过,如图5-4,b,所示的那样,因此称为全波整流,全波整流不仅利用了正半周,而且还巧妙地利用了负半周,从而大大地提高了整流效率,Usc,0.9e2,比半波整流时大一倍,。

图5-3所示的全波整滤电路,需要变压器有一个使两端对称的次级中心抽头,这给制作上带来很多的麻烦。

另外,这种电路中,每只整流二极管承受的最大反向电压,是变压器次级电压最大值的两倍,因此需用能承受较高电压的二极管。

d.桥式整流电路:

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。

这种电路,只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构,便具有全波整流电路的优点,而同时在一定程度上克服了它的缺点。

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桥式整流电路的工作原理如下,e2为正半周时,对D1、D3和方向电压,Dl、D3导通,对D2、D4加反向电压,D2、D4截止。

电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路,在Rfz上形成上正下负的半波整洗电压,e2为负半周时,对D2、D4加正向电压,D2、D4导通,对D1、D3加反向电压,D1、D3截止。

电路中构成e2、D2、Rfz、D4通电回路,同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。

上述工作状态分别如图5-6,A,,B,所示。

如此重复下去,结果在Rfz上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图5-6中还不难看出,桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值,比全波整洗电路小一半。

e.整流元件的选择和运用

需要特别指出的是,二极管作为整流元件,要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。

如选择不当,则或者不能安全工作,甚至烧了管子,或者大材小用,造成浪费。

另外,在高电压或大电流的情况下,如果手头没有承受高电压或整定大电流的整流元件,可以把二极管串联或并联起来使用。

-8-

图5-7示出了二极管并联的情况,两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半,三只二极管并联,每只分担电路总电流的三分之一。

总之,有几只二极管并联,"流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。

但是,在实际并联运用时",由于各二极管特性不完全一致,不能均分所通过的电流,会使有的管子因负担过重而烧毁。

因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器,使各并联二极管流过的电流接近一致。

这种均流电阻R一般选用零点几欧至几十欧的电阻器。

电流越大,R应选得越小。

图5-8示出了二极管串联的情况。

显然在理想条件下,有几只管子串联,每只管子承受的反向电压就应等于总电压的几分之一。

但因为每只二极管的反向电阻不尽相

同,会造成电压分配不均,内阻大的二极管,

有可能由于电压过

高而被击穿,并由

此引起连锁反应,

逐个把二极管击

穿。

在二极管上并联的电阻R,可以使电压分配均匀。

均压电阻要取阻值比二极管反向电阻值小的电阻器,各个电阻器的阻值要相等。

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工作原理,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桥式整流电路的工作原理如下,

e2为正半周时,对D1、D3加正方向电压,D1,D3导通,对D2、D4加反向电压,D2、D4截止。

电路中构成e2、D1、Rfz、D3通电回路,在Rfz上形成上正下负的半波整流电压。

e2为负半周时,对D2、D4加正向电压,D2、D4导通,对D1、D3加反向电压,D1、D3截止。

电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路,在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。

结果在Rfz,上便得到全波整流电压。

用一个二极管的整流电路是半波整流。

交流电e2的一个周期内负载上只有半个波形的整流电压。

在桥式整流电路中,每个二极管都只在半个周期内导电,所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半,即电路中的每只二极管承受的最大反向电压为（U2是变压器副边电压有效值）。

b选择二极管,流过每个二极管的直流电流,

11I=I=*1A=500mAD=22

UU,1.2o12有载时的直流输出电压:

。

U5o1U,,,4.2v21.21.2故变压器次级线圈电压的有效值,。

U22*4.26V,,,U2反每个二极管承受的最大反向电压,。

U反可根据ID和值选二极管。

可选用整流二极管IN4007,标准整流电流为1A,最大反向工作电压为700V,。

3.滤波电路

滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除,减少交流成分,增加直流成分。

利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同,可实现滤波。

常用于滤去整流输出电压中的纹波。

在设计中,常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点,将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联,以达到使输出波形基本平滑的目的。

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123456

DD

选择电容滤波电路,直流输出电压,Uo=（1.1,1.2）U12CC

L常用滤波电路R

，，，，

CCCC12

（c）（b）（a）

电容滤波LC滤波阻容型滤波

BB工作原理:

当电容两端的电

压增大到大于变压器付边的电压

时,二极管D2截止,电容又开

始通过负载电阻放电,重复前述

的过程。

当放电时间常数RLC增

加时,二极管关断时间加长,导通角减小,见曲线3,反之,RLC

减少时,导通角增加,见曲线2。

显然,当,L很小,即IL很大

时,电容滤波的效果不好,反之,当,L很大,即IL很小时,电

容滤波的效果好,所以电容滤波适合输出电流较小的场合。

电容

滤波的计算比较麻烦,因为决定输出电压的因素较多。

工程上有

详细的曲线可供查阅。

一般常采用以下近似估算法,V=1.2V。

L2

经过整流桥以后的是脉动直流,波动范围很大。

后面一般用大小

两个电容大电容用来稳定输出,众所周知电容两端电压不能突变,AA因此可以使输出平滑小电容是用来滤除高频干扰的,使输出电压Title

纯净电容越小,谐振频率越高,可滤除的干扰频率越高大体的原

SizeNumberRevision则,

B,1,大电容,负载越重,吸收电流的能力越强,这个大电容的容量

Date:

11-Jul-2003Sheetof就要越大。

File:

E:

\long\T_MD\T_MD71203.schDrawnBy:

123456

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2,小电容,凭经验,一般104即可。

RLC（RL为负载阻值）越大,电容器放电越慢,输出电压平均值越大。

一般可选放电时间常数RLC大于C的充电周期（3~5）倍[4].对桥式整流来说,C的充电周期等于交流电网周期的一半,即

11,,sT=0.02Hf50Z

T（3~5）RC,L2

式中,为流电周期,RL为负载电阻,

U5V,,,,,R5LI1A,

T4*RC,L2取

20.04TCF,,,0.008R5L所以

V=2UC2电容耐压VC==1.414*4.2V

取C=0.01F/5V。

4.稳压阶段

大部分集成稳压器都具有输出电压稳定的功能。

集成稳压器本身不能产生功率,只是将输入端功率取出传给负载,通过控制该功率的大小使输出电压不变。

电源的工作方式有线性和开关两种,集成稳压器也一样有线性集成稳压器和开关集成稳压器。

整流滤波后得到的直流电压中仍然会有少量纹波成份,不能直接供给那些对电源质量要求较高的电路。

所以,为了得到输出稳定

的直流电压,经整流滤波后的直流电压必须采取一定的

稳压措施才能适合电子设备的需要。

本设计选用固定式三端稳压器。

选用W7805三端

正电源稳压电路,输出稳定+5v电压。

它有一系列固定

的电压输出,应用非常的广泛。

每种类型由于内部电流

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的限制,以及过热保护和安全工作区的保护,使它基本上不会损坏。

如果能够提供足够的散热片,它们就能够提供大于1.5A的输出电流。

虽然是按照固定电压值来设定的,但是当接入适当的外部器件后,就能获得各种不同的电压和电流。

表1LM7805的主要参数表

最大输出电压耗散功电压调电流调工作静态输出输出电压偏差率整率整率温度电流电流

0.692,17.3~18.7V（T（j）?

360mV360mV0~1258MA1（2W1A0.748V=25?

）

三端固定输出集成稳压器的典型应用电路

利用三端集成稳压器可组成恒流源,

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具有如下特点,

1,短路电流230mA,峰值电流2.2A,但是当输出电流超过1.5A时,就需要提供足够的散热片,

2,输入电压极限值35v,输出电压典型值为5V,最大值5.25V,,3,热过载保护,

4,短路保护,

5,输出晶体管安全工作区保护。

7805在降压电路中应注意以下事项,

1,输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低,而且容易击穿损坏,

2,输出电流不能太大,1.5A是其极限值。

大电流的输出,散热片的尺寸要足够大,否则会导致高温保护或热击穿,,3,输入输出压差也不能太小,大小效率很差。

四、电路设计

根据以上资料和原理接线有AC220V到DC+5V的稳压电源从变压,整流,滤波,稳压到一体的电路。

详细请见下图一、实验电路图

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二、实验电路参数计算

1,确定稳压电路的最低输入直流电压Uimin

U?

[U+（U-U）]/0.9iminomaxi0min

代入各指标,计算得:

U?

（5+3）/0.9=8.89Vimin

取值为9V。

2,确定电源变压器副边电压、电流及功率

U?

U/1.1.I?

Iiomax1imax所以我们取I为1.5A.1

U?

5/1.1=4.6V变压器副边功率P?

7WI2

变压器的效率q=0.7,则原边功率P?

10W.由上分析,可选购副边1

电压为9V,输出1.5A,功率12W的变压器.,3,选整流二极管及滤波电容

整流二极管1N4007通用参数,

电流参数,IO=1A/IFSM=30A/IR=10μA

电压参数,URRM=URWM=UR=1000V/URSM=1200V/UF=1.1V/UR（RMS）=700V

功率,PD=3W

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滤波电容计算,C?

（3,5）T×Iimax/2U电解电容作滤波电容。

1min,五、模拟仿真

本实验由protues仿真使用4通道示波器和交流电压表直流电压

表。

1.测试表读数

2.示波器读数

1,输入信号仿真

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2,整流以后。

3,稳压输出5V。

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（3）从输入到输出

图中220v电压缩小,六、实物制作

1,元器件清单

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名称数量备注

绿油板110x8cm

导线1输入输出

电容2104

极性电容2470uf、100uf

电阻1500欧姆

变压器1220V到9V

二极管41N4007

插头1输入220V

2,实物照片

七、心得体会

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通过俩个星期的实训,使我对电器元件及电路的连接与调试有一定的认识,打好了日后学习专业课的基础。

同时实习使我获得了电路的设计与实际连接技能。

最主要的是培养了我与其他同学的团队合作、共同探讨、共同前进的精神。

在实训开始,老师就让们自由组合,组成4人一组的小组,在小组内我学到了很多,首先是团队配合在查资料,在进行整合,然后是进行电路的设计我们遇到了很多的困难,但是4个人合作解决了这类型问题,同时学习应用protues进行仿真。

俩周的实训过程中,最挑战我动手能力的一项训练就是连接电路。

对我来说,这无疑是一门新的学问,既是一种挑战,也使我学到了很多有使用价值的知识。

这个实训是我最感兴趣的实训,因为从小我就喜欢组装和拆卸。

总结这个实训,我感觉自己有时候十分的粗心。

刚开始的时候,由于粗心,竟然将电容的正负极接反,结果导致我又重新连接线路,浪费了大量的时间。

在连接元件过程中,由于事先没有计划好元件之间的连接,导致接线在电路板上长距离绕行,既浪费了材料,又使电路板面显得凌乱。

我应该努力的将理论与实际联合起来,着重锻炼自己的动手能力,使自己面对以后的学习时有一定的底气与信心,而且通过与同班同学的交流,增加了我的交流能力,同时我和组员在一起查资料的时候,每个人查一部分然后进行整合是每个人都能最快的时间内能学到最多的知识。

虽然本次实训并未采取自身设计,因为在采购原件时未能采购到设计所需器

-20-

件,故采取了老师的方案,但是我们能理解老师的设计理念。

深入理解同时制作出实物。

虽然每天早上很不想起床,甚至在抱怨老师,但是慢慢的觉得确实学到了很多,每天没有空虚的度过,所以说本次实训我学到了很多，

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