直流稳压电源设计案例.docx

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直流稳压电源设计案例

设计一个直流稳压电源，其性能指标要求为：

U0=±12V、I0（max）=500mA；纹波电压的有效值≤50mV；稳压系数

。

所设计电源的方案和工作原理分析；选取的元件和器件的参数确定；直流稳压电源各项性能指标的测试及方法。

第1章设计原理

1.1电路原理

直流稳压电源的工作流程如下稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。

变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电，整流电路变换成单向脉冲电压，由滤波电路滤去其中的交流分量，得到较平滑的直流电压，最后稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

小功率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，如图2-1所示。

图1-1直流稳压电源的方框图

1.1.1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（1-1）

式中η是变压器的效率。

表1—1小型变压器的效率

副边功率P/vA

〈10

10-30

30-80

80-200

效率η

0.6

0.7

0.8

0.85

1.1.2整流滤波电路

将变压器输出的符合电压要求的交流电变换为所需数值的直流电。

常用的整流电路主要有：

半波整流、全波整流及桥式整流等。

相对于半波整流相，全波整流二极管交替导通，其输出电压纹波明显减小；而桥式整流电路是全波整流电路的一个变形，其输出电压波形与全波整流电路相同，但加在变压器次级线圈上的电流变为了极性正负交替的脉冲电流，其性能更加优越。

本设计中采用性能优越的桥式整流电路。

直流电路的任务是将交流点变为直流电。

完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用。

因此二极管是整流电路的关键元件。

在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。

滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。

UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：

（1-2）

在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：

（1-3）

流过每只二极管的平均电流为：

（1-4）

其中：

R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：

（1-5）

其中：

T=20ms是50Hz交流电压的周期。

滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。

由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电压降低时，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即C具有平波作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加时，它能把能量存储起来，而当电流减小时又能把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感也具有平波作用。

图1-2整流与滤波电路图,

1.1.3稳压电路

固定式三端稳压器与电容C组成稳压电路。

稳压器7805输出为+5V，稳压器7905输出为-5V，输入端接电容

可以进一步滤除纹波，输出端接电容

能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。

、

采用漏电流小的钽电容。

其中稳压器的相关参数如表1-2所示：

表1-2集成稳压器的参数

名称

CW7812

CW7912

最大输入电压/V

+27

-27

最小输入电压/V

+14.5

-14.5

输出电压范围/V

+11.5to

+12.5

-11.5to

-12.5

RippleRejection纹波抑制

+55db

+71db

集成稳压器的输出电压Vo与稳压电源的输出电压相同．稳压器的最大允许电流Icm

Vomax+（Vi-Vo）min

式中，Vomax为最大输出电压，Vomin为最小输出电压，（Vi-Vo）max为稳压器的最大输入、输出压差，（Vi-Vo）min为稳压器最小输入、输出压差。

第2章实验方案分析

2.1稳压电源的设计方法：

稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。

稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：

1）根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。

2）根据稳压器的输入电压

，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。

然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

和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。

2.2方案的确定

2.2.1方案一：

采用电源变压器、整流滤波电路和稳压电路。

其中稳压电路是使用分离元件，通过取样、放大、比较和调整四个环节，晶体管选用3DD或3DG等型号。

这个方案一般来说比较复杂，而且验证过程也比较麻烦且所用到的元件较多且误差较大，因此尽量不用这个方案

2.2.2方案二：

采用电源变压器、整流滤波电路和稳压电路。

其中稳压电路是使用集成电路CW7812和CW7912稳压器。

该电路能输出固定的正负12V的直流电压，而且电路较方案一相比结构简单，所用元件数目少，且容易调试。

因此，本次设计我们采用此方案。

第3章参数确定及元件选择

3.1集成稳压的选择及电路的确定

3.1.1集成稳压器的选择

根据设计要求及技术指标，选做电压为正负12V的直流稳压电源，选择固定式三端稳压器MC7812和MC7912。

芯片MC7812引脚排列为：

1端接输入，2端接地,3端接输出。

芯片MC7912CV引脚排列为：

1端接地，2端接输入，3端接输出。

3.1.2电路的确定

由实验原理和设计要求确定电路如图3-1所示，

图3-1设计原理图

3.2参数的确定

3.2.1电源变压器的选择

由式（1-6），可得输入电压Vi的范围为：

Vomax+（Vi-Vo）min

12.5+（14.5-11.5）≤Ｖi≤11.5+（27-12.5）

得：

15.5V≤Ｖi≤26V

副边电压V2≥Vi/1.1=15.5V/1.1=14.1V

取V2=15V，副边电流I2＞Iomax=0.5A取I2=1A

所以：

副边输出功率P2≥I2V2=15W

由表1-1得：

η=0.7

根据表二和公式P1=P2/η，因为变压器的副边功率为15W，故它的效率为0.7，

可知变压器的功率P1为：

P1≥P2/η=15/0.7=21.5W

为留有余地，可选择功率为25W的电源变压器。

3.2.2整流电路及滤波电容的选择

1）整流电路的选择

由于：

，

但由于桥式整流所需二极管正偏时导通电阻不为0，使得电路内阻较大，从而使损耗也较大，故采用符合要求的整流桥堆KBP307。

一般整流桥命名中有3个数字,第一个数字代表额定电流,A;后两个数字代表额电压（数字*100）,V　　如:

KBL407即4A，700VKBPC5010即50A,1000V

由于：

，

IN4001的反向击穿电压UVRM50V，额定工作电流Id=1A>Iomax，故整流二极管选IN4001

2）滤波电容的选择

根据

和公式

可求得：

△Vi=△Vop-pVi／（VoSv）=0.05×15.5／（12×0.003）＝21.53V

所以，滤波电容：

C=Ict/△Vi=Iomaxｔ／△Vi=233.3uF

电容的耐压要大于

Ｕ2＝

×15=21.3V故滤波电容C取容量为1000uF，耐压为35V的电解电容．

3.2.3稳压电路的选择

根据

CW7812和CW7912CV允许的最大输出电流Iomax=1.5A。

输入电压与输出电压差的允许范围为：

UI-Uo=3~5V

第4章元件清单

表4-1元件清单

变压器

220V-15V

整流桥堆

KBP307

二极管

发光二极管两个

电容

极性电容：

C1=1000uf两个，

C2=100uf两个

电容：

C3=0.33uf两个

C4=0.1uf两个

电阻

R1=R2=1000Ω

集成芯片

CW7812和CW7912

单排针

两个

第5章原理图的确定

图5-1原理图

第6章稳压电路的性能指标测试

6.1．输出电压与最大输出电流的测试

测试电路如图6-1所示。

一般情况下，稳压器正常工作时，其输出电流

要小于最大输出电流

，取

，可算出RL=24Ω，工作时

上消耗的功率为：

故

取额定功率为5W，阻值为10Ω的电位器。

测试时，先使

，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是Uo（测得它们分别为12.032V和-12.035V）；然后慢慢调小

，直到Uo的值下降5%，此时流经

的电流就是

（测得它们分别为0.14A和-0.15A），记下

后，要马上调大

的值，以减小稳压器的功耗．

图6-1稳压电源性能指标测试电路

6.2．稳压系数的测量

按图6-1所示连接电路，在

时，测出稳压电源的输出电压Uo。

然后调节自耦变压器使输入电压

，测出稳压电源对应的输出电压Uo1；再调节自耦变压器使输入电压

，测出稳压电源的输出电压Uo2。

则稳压系数为：

（6-1）

所以当Uo=12V时，测得Vo=12.032V，Vo1=12.035V，Vo2=12.029V，由（6-1）式得Sr=0.0025；

同理，当Uo=-12V时，测得Vo=-12.035，Vo1=-12.036，Vo2=-12.035V，则Sr=0.0004。

对比技术指标Sr≤0.3%知，稳压系数符合设计指标。

6.3．稳压电源内阻的测量

按图6-1所示连接电路，保持稳压电源的输入电压

，在负载电流为0及最大值时的Δvo，则ro=Δvo/ΔvIl

当Io等于0时，测得Vo等于12.032V，当Io为Iomax，测得Vo为11.079V。

ro=1.9Ω.

6.4．纹波电压的测试

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）。

测得放大5倍时对应的Δvop-p=20div

5mv/div=100mv

则Δvop-p=100/5mv=20mv，对比技术指标Δvop-p≤50mv知符合技术指标。

第七章误差分析

7.1、误差分析

1）、误差计算

+Vcc%=|5.00-5.03|/5.00=0.60%

-Vcc%=|5.00-5.05|/5.00=1.00%

2）、误差原因

综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:

a元件本身存在误差；

b焊接时，焊接点存在微小电阻；

c万用表本身的准确度而造成的系统误差；

7.2调试中注意事项

调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。

为了保证高度准确的效果，必须减小测量误差，提高测量精度。

为此，需注意以下几点：

1.正确使用测量仪器的接地端

凡是使用低端接机壳的电子仪器进行测量，仪器的接地端应和仪器的接地端接在一起，否则仪器机壳引入的干扰不但会使仪器的工作状态发生变化，而且将使测量结果出现误差。

若使用干电池的万用表进行测量，由于电表的两个输入端是浮动工作的，所以允许直接跨接在测量点之间。

2.正确选择测量点

用同一台测量仪进行测量时，测量点不同，仪器内部引进的误差大小将不同。

3.测量方法要方便可行

需要测量电路的电流时，一般尽可能测电压而不测电流，因为测电压不必改动被测电路，测量方便。

若需知道某一支路的电流值，可以通过测该支路上电阻两端的电压，经过换算而得到。