12V简易直流稳压电源的设计.docx

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12V简易直流稳压电源的设计

±12V简易直流稳压电源的设计

1.1直流稳压电源的系统框图

图

（1）

1.2各组成部分的功能

（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压。

（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压。

（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。

1．2．1电源变压器

电源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.

变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：

当一次侧绕组上加上电压Ú1时，流过电流Í1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势É1，É2，感应电势公式为：

E=4.44fNØm

式中：

E--感应电势有效值

f--频率

N--匝数

Øm--主磁通最大值

由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压Ú1和Ú2大小也就不同。

当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（Í0），这个电流称为激磁电流。

当二次侧加负载流过负载电流Í2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流Í0，一部分为用来平衡Í2，所以这部分电流随着Í2变化而变化。

当电流乘以匝数时，就是磁势。

上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。

1．2．2整流电路

整流电路的任务：

把交流电压转变为脉动的直流电压。

常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。

为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

以单相桥式整流电路说明工作原理：

v2>0时:

vL=v2

图

（2）

v2<0时:

vL=-v2

图（3）

桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形

v2>0时  D1,D3导通’D2,D4截止。

电流通路:

AD1RLD3B

v2<0时  D2,D4导通，D1,D3截止。

电流通路:

BD2RLD4A

输出是脉动的直流电压！

1．2．3滤波电路

通常用脉动系数Ｓ来表示输出电压脉动的程度

S定义：

整流输出电压的最低次谐波分量的峰值VL1m与直流分量VL之比。

图（4）

滤波电路的结构特点:

电容与负载RL并联，或电感与负载RL串联。

原理：

利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。

几种滤波电路

（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（5）

1.电容滤波电路

（1）滤波原理

以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。

图（6）

1. RL未接入时（忽略整流电路内阻）

v2正半周：

D1、D3导通→向C充电

v2负半周：

D2、D4导通→向C充电         （恒定）

图（7）

2.RL接入时的情况（设v2从0开始上升时接入）

 开始v2

当v2>vC时，二极管D1、D3导通，向电容C充电，同时也给RL提供电流，vC随v2上升而上升。

图（8）

只有电压v2大于vC时，二极管导通，才有充电电流iD，因此流过二极管的瞬时电流很大。

    可见，采用电容滤波时，整流管的导通角θ<π。

图（9）

（2）电容滤波电路的特点

①输出电压VL平均值升高，且与时间常数RLC有关

RLC愈大电容器放电愈慢VL（平均值）愈大

一般取

（T:

电源电压的周期）

近似估算:

   VL≈1.2V2

半波整流

电容滤波:

VL≈V2

怎样选电容：

C≥（3~5）T/2RL  ，  耐压≥（1.5~2）V2

②二极管的导电角<，流过二极管瞬时电流很大

故选管时，要留有足够的电流裕度，一般取

③输出特性（外特性）较软

图（10）

直流电压VL随负载电流增加而减少，带负载能力差。

如:

RL愈小（IL越大）,Vo下降多,S增大。

结论：

电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。

2.1具体电路图

图（11）

2.2电路中所用元件选择及参数值

2.2.1整流二极管的选择

图（12）

由U2a=10V，得每只整流二极管的最大反向电压URM为：

URM=1.414*U2a=1.414*10=14.14V

一般应使放电时间常数RLC大于电容C的充电周期（3～5）倍。

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

RL*C=（3~5）T/2通过每只二极管的平均电流ID为：

ID=0.5I1=0.5*1508=754mA

根据ID和URM进行选管，可选用1N4001硅整流二极管50V,1A,（Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A）。

2.2.2滤波电容的选择

选择二极管要依据二极管的反向耐压VRM和正向电流IF。

由于滤波电容的容量愈大，二极管导通角愈小，通过二极管脉冲电流的幅度愈大，因此，整流管的幅值电流必须加以考虑。

T=1/f=1/50=0.02s

电容的容值为：

C=（3~5）T/2RL1=（3~5）*0.01/12F=2500~4167uF

电容的耐压值为：

 U>1.1*1.414*U2a=1.1*1.414.10=15.55V

根据C和U，可选用CD11型铝电解电容器，（3300uF，25V）。

注：

CD11型铝电解电容器主要用于滤波和脉动电路中，属小形化类型。

CD11为圆柱形，立式一侧引线，D代表直径，H代表高。

它的工作温度范围是-40℃~+85℃，损耗角正切0.1~0.5，漏电流≤（0.03CUR+20）uA，容量允许偏差，对于容量≤10uF为+100%~-10%，＞10uF为+50%~-10%。

因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。

2.2.3集成稳压器的选择

由输出电压±12V的设计要求，本方案的稳压电路采用两个三端固定稳压器W7812和W7912构成集成稳压器。

W7800和W7900系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。

使用注意，为使调整管工作在放大区，应使UI–UO2V，但考虑调整管功耗，也不宜过大。

地端静态电流IQ=8mA。

W7800系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个档次，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。

若要求负极性输出电压，则可选用W79xx系列稳压器。

图2为W78xx与w79xx系列的外形和接线图，有三个引出端：

　　输入端（不稳定电压输入端）标以“1”

　　输出端（稳定电压输出端）标以“3”                               

公共端标以“2”

W7805的主要参数有：

输出直流电压U0＝＋5V，最大输出电流1.5A，电压调整率10mV/V，输出电阻R0＝0.15Ω，输入电压UI的范围18～20V。

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。

2.2.4电源变压器的设计

变压器次级线圈电压的有效值U2在前面已经求出，变压器次级线圈电流有效值I2比IL大，I2与IL的关系取决于电流脉冲波形的形状，波形愈尖，有效值越大。

一般取

I2≈（1.1～3）I2

这里取

I2=1.5IL=1.5*2=3A

变压器副边的功率为：

P2=P2b+P2a=2U2aI2=2*5*3=30VA

变压器副边与原边的功率比为：

P2/P1=η

式中η为变压器的效率。

一般小型变压器的效率如表1-1所示。

表1-1小型变压器的效率

副边功率P2

<10AV

10～30VA

30～80VA

80～200VA

效率η

0.6

0.7

0.8

0.85

根据P2，由上表可以算出变压器的效率。

所以本方案可选择副边功率30~80VA，效率为0.8的电源变压器。

3总结

通过本次设计，让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标。

也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题，而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获。