中国矿业大学徐海学院电子技术综合设计.docx

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中国矿业大学徐海学院电子技术综合设计

中国矿业大学徐海学院

电子技术综合设计

 

姓名:

学号:

专业:

信息工程

题目:

直流稳压电源

专题:

电子技术综合设计

设计地点:

电工电子实验室

设计日期:

2012/5/14

 

成绩:

指导老师:

 

年月

电子技术综合设计任务书

学生姓名专业年级学号

设计日期:

2012年5月14日

设计题目:

直流稳压电源

设计要求、技术指标:

1、输入交流电压(220V、50Hz)

2、输出思路直流电压(+5V、+/-12V、+1.25V至+14V可调)

3、输出电流不小于0.5A

4、输出最大纹波电压不小于50mV

5、输出电阻Ro<(1Ω)

设计论文要求:

1.设计电路,计算电路参数。

2.画出电路图,简述工作原理。

3.安装、调试电路,总结出现的问题及解决方法。

4.写出实践小结

 

指导教师签字:

 

摘要

电子系统中,一般都要有直流电源供电。

获得直流电源的最常用的方法是由交流电网转换为直流电压。

这要通过整流,滤波和稳压等环节来实现。

对直流电源的要求是:

输出电压尽量不受电网电压波动、输出负载变化和温度变化的影响,输出电压中脉动和噪声成分小,转换效率高。

利用二极管的单向导电性可以构成整流电路,将交流电变为脉动直流电。

在整流电路的输出端接上各种滤波电路,可以大大减小输出电压中的脉动成分。

滤波电路有电容滤波和电感滤波两大类。

使用较多的是电容滤波电路。

为了保证直流电源的输出电压不发生波动,需要在整流滤波电路的后面再接上稳压电路。

最常用的稳压电路是串联式稳压电路。

串联式稳压电路是一种带有负反馈的闭环调节系统。

它的调整管工作在线性放大状态,通过控制调整管的压降来调整输出电压的大小。

串联式稳压电路早已实现了集成化。

输出电压固定和输出电压可调的集成串联式稳压器已经大量使用。

 

关键词:

变压器,整流,滤波,稳压

 

 

1.直流稳压电源:

1.1直流稳压电源的作用:

直流稳压电源是将交流电网电压转换为直流,为放大电路提供直流工作电源。

由变压器,整流电路,滤波电路和稳压电路组成。

图1-1直流稳压电源的组成

变压器:

降低雅静使其符合所需。

整流:

交流变脉动直流。

滤波:

滤除脉动。

稳压:

进一步消除纹波,提高电压的稳定性和带载能力。

1.2整流与滤波电路:

1.2.1整流电路的分类及工作原理

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。

常用单相整流电路可分为全波整流,半波整流和桥式整流。

图1-2单相半波整流电路

 

图1-3单相半波整流输出波形

输出电压平均值VO(AV)反映整流电路将交流电压转换为直流电压的能力。

脉动系数S反映整流输出电压中交流成分的大小,用来衡量整

流电路输出平滑程度S=VOr/VO(AV)。

图1-4单项全波整流电路

原理:

变压器副边中心抽头,感应出两个相等的电压u2。

当u2正半周时,D1导通,D2截止。

当u2负半周时,D2导通,D1截止。

图1-4全波整流输出波形

桥式整流电路:

由四个二极管组成桥路。

图1-5桥式整流电路

当u位于正半周,Va>Vb,二极管D1、D3导通;D2、D4截止。

u位于负半周,Va

脉动系数:

平均整流电流:

最大反向电压:

桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因电源变压器在正,负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到了充分的利用,效率较高。

incident,这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。

1.2.2滤波电路的工作原理:

滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波,一般与电抗元件组成,如在负载电阻两端并联电容器C,或在整流电路输出端与负载间串联电感器L,以及有由电容,电感组成而成的各种复式滤波电路。

(a)电容滤波电路

(b)电感电容滤波电路(倒L型)

(c)型滤波电路

图1-6滤波电路

由于电抗元件在电路中有储能作用,并联的电容器C在电源供给的电压升高时,能把部分能量存储起来,而当电源电压降低时,就把电场能量释放出来,使负载亚比较平滑,及电容C具有平波的作用;与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加时,它把能量存储起来,及电感L也有平波作用。

滤波电路的形式有很多,可分为电容输入式和电感输入式。

前一种滤波电路多用于小功率电源中,而后一种滤波电路多用于较大功率电源中。

电容滤波电路分析:

图1-7桥式整流电容滤波电路

RL未接入uc=0,设t1时刻接通电源,u2正半周,D1、D3导通向C充电,u2负半周,D2、D4导通向C充电。

由于很小,很快uc=

接入RL时,u2

二极管截止,C→RL放电。

u2>uC时:

二极管D1、D3导通,一方面向RL提供电流,另一方面向c充电。

电容滤波电路的特点:

(1)输出电压Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC愈大电容器放电愈慢纹波减小Vo愈大

(2)流过二极管瞬时电流很大。

RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短iD的峰值电流越大

1.3稳压电路:

直流电压随着电网电压的波动、负载和温度的的变化而变化,所以需要在整流滤波电路后加,用以维持输出直流电压稳定。

稳压电源的技术指标分为两种:

一种是特性指标,包括与内需的输入电压,输出电流及输出电压条件范围等;另一种是质量汉字表,用来衡量输出直流电压的稳定程度,包括稳压系数,电压调整率,电流调整率,输出电阻,温度系数及纹波电压等。

输出电压:

输出电压变化量:

电压调整率:

输入调整因数:

稳压系数:

输出电阻:

温度系数:

1.3.1晶体管串联型直流稳压电源:

图1-8晶体管串联型直流稳压电源

 

图1-9晶体管串联型直流稳压电源框图

工作原理:

当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时,取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器,并与基准电压进行比较,产生的误差信号经T2放大后送到调整管T1改变其管压降,以补偿输出电压的变化,从而达到稳定输出电压的目的。

1.3.2固定输出稳压电源:

1.主要技术指标:

(1)输入电压:

AC:

~220V;

(2)输出直流稳压:

DC:

3V、4.5V、6V三档;(3)输出直流电流:

额定值150mA,最大值300mA;(4)具有过载,短路保护,故障消除后自动恢复;(5)充电稳定电流:

60mA(±10%);(6)充电时间:

10-12小时。

随着半导体工艺的发展,现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源,具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。

最简单的集成稳压电源只有输入,输出和公共引出端,故称之为集成三端稳压器。

常用的W7800(W7900)系列三端集成稳压器(实物图见附录4),其内部也是串联型晶体管稳压电路。

电路内部附有短路和过热保护环节。

2.固定式(78正电压系列、79负电压系列)

CW78LXX:

输出电流最大150mA

CW78MXX:

输出电流最大为500mA

CW78XX:

输出电流最大为1.5A

性能特点(7800、7900系列):

输出电流超过1.5A(加散热器);不需要外接元件;内部有过热保护;内部有过流保护;调整管设有安全工作区保护;输出电压容差为4%。

三端固定输出集成稳压器的应用:

 

图1-9

工作原理:

Ci用来抵消输入端接线较长时的电感效应,防止产生自激振荡。

即用以改善波形。

Co为了瞬时增减负载电流时,不致引起输出电压有较大的波动。

即用来改善负载的瞬态响应。

输出可调集成稳压器的应用

 

图1-10输出可调集成稳压器压器

工作原理:

2—3脚之间稳定的基准电压,VREF=1.25V,R1取值:

120~240Ω,确保稳压器在空载时也能正常工作;改变RP可改变输出。

2.原件选型及型号参数:

2.1变压器的选择:

(1)四路直流输出,-12V、+5V、+12V以及+1.25V~+14V可调直流电压。

(2)各路直流输出电流不小于0.5A

最大输出电压为14V,根据计算公式,加滤波电容后,直流输出电压UO≈1.2U2,所以要选择双端输出变压器,并且变压器副边输出电压为(14+3)/1.4=12.14V。

结合输出电流要求,选择I/P220V~50Hz,O/P12V*2600mA的变压器作为电源变压电路。

2.2整流电路选择:

由理论可知,全波整流和桥式整流的效率均为UO=0.9U2,全波整流的二极管最大反向耐压值为2.82U2,管子导通电流为0.5IO=250mA。

查手册可知,常用整流二极管1N4007最大反向耐压为1000V,最大正向平均整流电流为1A,可以满足本设计要求。

因此,采用1N4007组成单相全波整流电路作为直流电源的整流电路。

2.3滤波电路选择:

由于输出最大电压为14V,电流最小为0.5A,所以,RL=28Ω。

采取电路较为简单的电容滤波,为了获得较为平滑的负载电压,一般时间常数τ=RL*C≥(3~5)T/2.取RL*C=5*T/2,得C=1786μF。

考虑电网电压波动±10%,则电容所能承受的最高电压1.1*U2*1.414=18.67V,所以采用2200μF,25V的电解电容作为滤波电容。

2.4稳压电路的选择:

根据输出要求可知,有固定输出和可调输出两大块。

由于集成稳压器具有稳定性高以及完善的内部保护措施,并且使用方便、价格低廉,所以决定采用7812,7912,7805作为固定稳压器,采用LM317作为可调稳压器,两者的纹波电压均可在50mV以下;输出电流方面,78系列可达到1.5A,317系列TO220封装也可达到1.5A,完全满足设计要求。

故采用上述器件作为整个电源的稳压部分。

 

3.电路板设计

在原理确定,器件选型结束后,可以开始制作PCB。

3.1原理图的绘制:

按照所述原理,利用AltiumDesginer软件进行绘制。

在绘制过程中应注意:

(1)元器件管脚要正确连接;

(2)原件标识直观明了;(3)原理图层次清晰。

3.2建立元器件封装库:

根据所选原件型号,仔细查阅数据手册。

根据手册中器件尺寸图,使用正确的器件封装

注意:

遇到库中不存在的器件封装,如散热片,手动绘制封装时,需要仔细测量其尺寸。

3.3PCB的绘制:

要求:

布局合理,布线清晰

注意:

(1)散热片与电解电容距离要适中,防止电容受热老化

(2)使用覆铜作为地平面(地线)。

印刷电路板及电路板见附录2、3.PCB原理图见附录1。

 

4.电路的安装与调试

4.1元器件检查与整形:

检查PCB是否有断线、短路、破损等情况;检查元件型号、数量是否与清单一致(固定输出稳压电源元器件清单见附录6)。

对主要元器件(如电源线、变压器、整流二极管等)进行参数测定。

使用工具对相关元件按照相关技术规范进行整形。

(严禁粗暴整形)。

4.2焊接:

焊接要按照从低到高的顺序,依次进行。

焊点要有光滑整齐的外观,足够的机械强度以及可靠的电气连接。

4.3装配:

注意:

(1)变压器副边中心抽头要接到地线上。

(2)220V电源线与变压器原边接线要有热缩管保护,防止触电短路。

4.4调试:

(1)检查电源插头是否短路。

(2)各输出对地是否短路。

若上述两步均可通过,即可进行通电检查。

逐级测量各点参数是否符合设计要求。

4.5常见问题处理:

(1)变压器副边无输出

断电后检查副边线圈电阻,若电阻为无穷大,更换新的变压器。

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