电气工程及其自动化专业毕业论文18482.doc

9v简易直流稳压电源的设计 模拟电子技术课程设计题目 直流稳压电源 所学专业： 电气工程及其自动化 内容摘要本设计是关于9v简易直流稳压电源的设计，论题方向是以单相桥式整流及三端集成稳压器为主，设计一台具有实用价值的小容量简易直流稳压电源。要求：输入电压ac220v、输出电压9v、输出电流1a、容量9w、输出端须具备短路和过流保护功能。按照所学知识和相关指导书及补充的写作要求，综述了目前常用直流稳压电源的分类、各自适用范围及优缺点，完整详尽地设计了9v简易直流稳压电源电路，并对各组成部分的功能及工作原理进行了分析。目 录内容摘要ii引 言11 设计任务及要求22.1 设计任务22.2 要求学会：22.3 设计要求：22 基本原理33.1 电路的基本组成33.2 组成部件的功能33 各组成电路工作原理及方案的选择44.1 变压电路44.2 整流电路44.3 滤波电路54.4 稳压电路64.5.1 结构与符号74.5.2 线性三端集成稳压器的分类及型号74.5.3 三端集成稳压器的工作原理74.5.4 三端集成稳压器的基本应用电路94 各组成电路的元件选择与参数确定105.1 变压电路105.2 整流电路105.3 滤波电路105.4 稳压电路105 电路图及电路的工作原理116.1 完整电路图116.2 9v简易直流稳压电源电路的工作原理116 我的收获和心得127 元器件清单13参考文献13引 言电源技术一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今社会，人们生存和发展都离不开直流电，随着电子技术的发展，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，特别是电子计算机技术应用到个工业、科研领域后，几乎所有的电子电路都需要直流电源供电，在检定检修指示仪表时，除了要有合适的标准仪器外，还必须要有合适的直流电源及调节装置。直接供电已不能满足需要，直流稳压电源的出现解决了这一问题。 直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220v交流电，变为稳定的直流电。小功率稳压电源的组成主要是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。电源变压器是将交流电网220v的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。1 设计任务及要求2.1 设计任务设计一个9v简易直流稳压电源，满足：1. 当输入电压在220v交流时，输出直流电压为9v。2. 容量为9w，输出电流为1a。2.2 要求学会：通过此集成直流稳压电源的设计，要求学会：1. 选择变压器、整流二极管、滤波电容及三端集成稳压器来设计直流稳压电源。2. 掌握直流稳压电源的调试及主要技术指标的测试方法。2.3 设计要求：1. 画出所设计的直流稳压电源的系统框图，并分析各组成部分的功能及工作原理。2. 设计出每个功能框图的具体电路图，并根据所提供的技术参数的要求，计算电路中所用元件的参数值，最后按工程实际确定元件参数的标称值。具体参数要求：变压器的额定电压、额定电流、额定容量、电压比；整流元件的型号；电阻的阻值和功率；电容的容值和耐压以及类型；稳压块型号等。3. 总结：需要说明的问题以及设计心得体会。2 基本原理3.1 电路的基本组成一般直流稳压电源都使用ac220v市电作为电源，经过变压、整流、滤波后输送给稳压电路进行稳压，最终成为稳定的直流电源。这个过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作直流稳压电源的基础电路，没有这些电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。 因设计任务中要求输入端须设上电指示灯，所以本次设计的小功率稳压电源由变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路五个部分组成，如图1所示。 + 变 压 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 u2 u3 u4 ui u0_ _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _（a）稳压电源的组成框图u1 u2 u3 u4 ui u0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t （b）稳压电源各单元电压波形图图1 稳压电源的组成框图及电压波形图3.2 组成部件的功能1. 变压电路：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。3 各组成电路工作原理及方案的选择4.1 变压电路通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。通俗的说，电源变压器是一种电磁电转换器件。即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。变压器的电路图符号见图2 tr图2 变压器的电路图符号4.2 整流电路经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。整流电路的种类如下：1. 半波整流电路半波整流电路只利用电源的正半周，电源的利用效率非常低，所以半波整流电路仅在高电压、小电流等少数情况下使用，一般电源电路中很少使用。2. 全波整流电路全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。由于全波整流电路需要特制的变压器，制作起来比较麻烦，所以在实际运用中很少使用。3. 桥式整流电路桥式整流电路使用普通的变压器，每个整流二极管上流过的电流是负载电流的一半，与全波整流相同。桥式整流比全波整流多用了两个整流二极管，由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。通常情况下桥式整流电路见图3 桥式整流电路图 桥式整流电路简化电路图 桥式整流电路电压、电流波形图图3 桥式整流电路图 为了克服半波整流和全波整流的缺点，在本设计中整流电路采用最常用的桥式整流电路。4.3 滤波电路交流电经过整流后得到的是脉动直流电，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源。滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。滤波电路的种类如下：1. 电容滤波电路电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。在脉动直流波形的上升段，电容充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；在脉动直流波形的下降段，电容放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。在电容还没有完全放电时再次开始进行充电。这样通过电容的反复充放电实现了滤波作用。桥式整流电路电容滤波电路电压、电流波形见图4当时：当为有限值时：通常取 rc越大越大为获得良好滤波效果，一般取：（t为输入交流电压的周期）图 4 桥式整流电路电容滤波电路电压、电流波形图2. 电感滤波电路电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电动势来达到滤波的作用，电感量越大滤波效果越好。电感滤波电路带负载能力比较好，多用于负载电流很大的场合。3. rc滤波电路使用两个电容和一个电阻组成rc滤波电路，又称型rc滤波电路。这种滤波电路由于增加了一个电阻，使交流纹波都分担在这个电阻上。电阻和电容越大滤波效果越好，但电阻过大又会造成压降过大，减小了输出电压。一般电阻应远小于负载电阻。4. lc滤波电路与rc滤波电路相对的还有一种lc滤波电路，这种滤波电路综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的优点。5. 有源滤波电路对滤波效果要求较高时，可以通过增加滤波电容的容量来提高滤波效果。但是受电容体积限制，又不可能无限制增大滤波电容的容量，这时可以使用有源滤波电路。有源滤波电路属于二次滤波电路，前级应有电容等滤波电路，否则无法正常工作。 本设计为简易直流稳压电源，综上所述，采用结构简单、价格低廉的电容滤波电路。4.4 稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压ui会随着变化。因此，为了维持输出电压ui稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。4.5.1 结构与符号将串联稳压电源和保护电路集成在一个器件上，这个器件就是集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个：输入端、输出端和公共端，称为三端集成稳压器。它的电路符号见图5，外形如图6所示。 图5 电路符号 图 6 三端集成稳压器外形4.5.2 线性三端集成稳压器的分类及型号1. 三端固定输出集成稳压器三端固定正输出集成稳压器，型号为cw78-/cw78m-/cw78l-三端固定负输出集成稳压器，型号为cw79-/cw79m-/cw79l-以上78和79系列系列最大输出电流可达1.5a；78m和79m系列最大输出电流为0.5a；78l和79l系列最大输出电流为0.1a。4.5.3 三端集成稳压器的工作原理现以具有正电压输出的cw78系列为例介绍它的工作原理。图7是cw7800的电路原理图。这个电路大体上可分成几个组成部分，其框图如图8所示，与典型的串联型稳压电路相比，多了保护电路和启动电路。图7 cw7800集成稳压电路原理图图8 cw7800集成稳压电路原理框图1. 调整管由v16和v17组成复合调整管，采用复合结构可以用小电流推动较大的输出电流，并有很高的输入阻抗。2. 放大电路由v3、v4及v9组成，为了提高放大器的输入阻抗，v3、v4管接成达林顿形式，为了增加放大器的增益，用v8、v9管组成的电流源作为集电极的有源负载，反馈电压uk通过v6（v2作为有源负载）送到v3管的基极，放大管v4的集电极输出推动v16、v17，这样整个放大器具有很高的增益。3. 基准电路由v1、v2、v5、v6、及r2等组成，我们知道稳压电源的输出电压与基准电压成一定比例关系，因此基准电压的稳定程度是决定稳压电源性能的关键。这个稳压器的基准电压电路是与放大电路重合在一起的，由v6提供电流，这是一种零漂移基准源，它不仅克服了稳压管基准源的温漂，而且避免了齐纳管热噪声的影响。4. 取样电路由r19和r20组成，输出电压变化量与基准电压比较后送入误差放大器v3、v4的基极，由于v3、v4本身的b、e极pn结电压是基准电压的组成部分，所以误差放大器的工作状态受温度影响不大，工作稳定性好，假设由于负载变化引起输出电压增加，其变化量由电阻r19 、r20取样后反馈到误差放大v3基极，使其电位提高，从而v3、v4集电极电流增大，其集电极电位下降，即调整管基极电位下降，输出管v17压差变大，输出电压降低，抵消了原来输出电压增大的变化，使输出电压保持稳定。5. 保护电路cw7800中有3种保护：过流保护、安全区保护和过流保护。a、过流保护：由r11和v15完成，r11串联在调整管v17的发射极和输出端之间，当输出电流超过额定值时（即r11上压降超过0.7v时），v15管由截止变为导通，使v16管基极电位降低，减少注入电流，从而限制了输出电流。b、安全区保护：由r13、v19、r12和v15管组成调整管安全工作区保护电路，在容许的工作电流下，v17管的基-射极压差限制在一定范围内（约0.7v），超过这个范围时，r13、v19支路将有电流通过，其中一部分注入v15管的基极，限制v17管的输出电流，v17管基射极压差越大，v15管基极注入电流也就越大，v17集电极电流就减少得越多，使v17的工作电压、电流都保持在安全工作区内。c、热保护电路 4.5.4 三端集成稳压器的基本应用电路基本应用电路如下图9所示。由于输出电压决定于集成稳压器，所以输出电压为9v，最大输出电流为1.5a。为使电路正常工作，要求输入电压ui比输出电压uo至少大2.53v。输入端电容c1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰。一般取0.11f。输出端电容c2、c3用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。d是保护二极管，用来防止在输入端短路时输出电容c3所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。cw7900系列的接线与cw7800系列基本相同。图9 cw7800集成稳压器基本应用电路由题目9v简易直流稳压电源的设计可知，本设计应采用cw7809和cw7909两只三端稳压器相结合并装设相关外围元件而成。综合上面对cw7800和cw7900三端稳压器的简介可知，这样电路不仅满足了9v的电源输出，还能够满足了要求的输出电流1a、输出端具备短路和过流保护功能。4 各组成电路的元件选择与参数确定5.1 变压电路由于cw7809最高输入电压为35kv，输入电压ui比输出电压uo至少大2.5v，故cw7809的输入电压范围为： 即： ， ，取 变压器变比：变压器副边电流：，取 ，因此，变压器每组副边输出功率：，变压器总的副边输出功率：由于小型变压器副边功率在1030v时的效率为，所以变压器原边输入功率，为留有余地，选用功率为50w的变压器。5.2 整流电路流过整流二极管的平均电流为：整流二极管承受的最高反向电压为：1n4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用1n4001。5.3 滤波电路滤波电容大小可由纹波电压和稳压系数来确定。因设计要求中对这两个参数没作要求，所以按正常范围选择滤波电容：1000f滤波电容的耐压应。所以滤波电容选择1000f/25v的电解电容即可。5.4 稳压电路选择三端固定式集成稳压器cw7809的特性参数为输出电压，最大输出电流，最小输入输出压差，均在上述计算范围内。选择三端固定式集成稳压器cw7909的特性参数为输出电压，最大输出电流，最小输入输出压差，均在计算范围内。输入端电容c5 、c6用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰，取0.33f的。输出端电容c7、c8用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用，c7、c8取0.1f。为了减小输出纹波电压，在输出端并联大容量电解电容c3、c4，c3、c4耐压应，选取220f/ 16v的电解电容。取d5、d6是保护二极管，用来防止在输入端短路时输出电容c3、c4所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。5 电路图及电路的工作原理6.1 完整电路图完整电路图如下见图10图10 9v简易直流稳压电源电路图6.2 9v简易直流稳压电源电路的工作原理输入市网电压ac220v、50hz的交流信号后，通过0.5a保险丝fu送到上电指示电路和变压器的原边绕组，上电指示电路由1只普通红色发光二极管串接1只150k、功率1/4w的限流电阻而成。通过电源变压器得到较低的副边电压u2并送到整流电路。整流电路由4个1n4001二极管组成桥式整流电路，当正弦交流电压为正的时候，d1、d3导通，当交流电压为负的时候d2、d4导通，是输出的电压周期变为原来的一半，且电压总为正，从而初步达到变交流电压为直流电压。经过整流以后的电压ui经过滤波电容c1、c2的滤波作用将整流以后的电压里的交流成分即纹波电压滤除。当滤波电容不接负载时由于电容没有放电回路，所以输出的是一个恒定的电压量；当滤波电容接负载的时候由于有了放电回路，而电容的放电时间常数为一定值，使放电的时间被控制在一定的范围，从而达到滤波的目的。选用1000f的电解电容作滤波电容。每个稳压器输入和输出端接入的电容c5 、c6 、c7、c8是实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。选用漏电流小的0.33f的钽电容作为稳压器输入端的电容c5 、c6；0.1f的钽电容作为稳压器输出端的电容c7、c8。为了减小输出纹波电压，在输出端并联大容量220f的电解电容作为c3、c4。防止在输入端短路时输出电容c3、c4所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件，取d5、d6两只1n4001二极管如图跨接在稳压器的输入与输出端之间。6 我的收获和心得经过这次的设计我收获很多，学习到了很多有关专业方面的知识