12V直流稳压电源的设计.doc

大连理工大学网络高等教育毕业大作业模板 网络高等教育专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目： 12V简易稳压电源设计 学习中心： 奥鹏杭州中心（直属） 层 次： 高中起点专科 专 业： 电气工程及自动化 年 级： 09年 春 季 学 号： 091324109069 学 生： 梅 斌 指导教师： 郑秋辰 完成日期： 2011年 02月24日 III12V简易稳压电源设计内容摘要本设计是关于12V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12V、输出电流1A、容量24W、输入端须设上电指示灯、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，完整详细地设计了12V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。关键词：直流稳压电源；集成稳压器；小容量；设计；分析目 录内容摘要I关键词：直流稳压电源；集成稳压器；小容量；设计；分析I引 言11 直流稳压电源的分类22 设计规范及任务32.1 设计规范32.2 设计任务32.3 要求掌握33 各电路组成的工作原理及设计的采用43.1 指示电路43.2 变压电路43.3 整流电路43.4 滤波电路53.5.1 结构与符号73.5.2 线性三端集成稳压器的分类及型号73.5.3 三端集成稳压器的工作原理73.5.4 三端集成稳压器的基本应用电路104 基本原理124.1 电路的基本组成124.2 组成部件的功能125 各电路组成的元件选择与参数确定135.1 指示电路135.2 变压电路135.3 整流电路135.4 滤波电路145.5 稳压电路145.6 稳压电源的保护电路146 电路图及电路的工作原理156.1 12V简易直流稳压电源电路图156.2 12V简易直流稳压电源电路的工作原理157 主要元器件清单16参考文献17引 言人类的经济活动已经进入工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是位于市电与负载之间，向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础，而稳压电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、等多学科技术。随着科学技术的发展，目前稳压电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科；它为现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高功率、高可靠性起着关键的作用。 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。 将串联稳压电源和保护电路集成在一起的集成稳压器。现在的集成稳压器只有三个端口：输入端、输出端和公共端，称为三端 集成稳压器。本次设计的12V稳压电源是采用三端集成电路为主要稳压器件，他具有结构简单、体积小重量轻、电源输出不间断、功率高、造价低、电源能工作在特殊的环境中、高稳定度（节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率）之优点，随着电子设备的越来越普及，将越来越广泛。并为现代生产和生活带来深远的影响。1 直流稳压电源的分类当今，电子产品已普及到工作与生活的各个方面，其性能价格比愈来愈高，功能愈来愈强，供电的电源电路在整机电路中是相当重要的。它的性能直接影响整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。电压稳定的方式，由传统的线性稳压发展到今天的非线性稳压，电源电路也由简单变得复杂，电源技术正从过去附属于其他电子设备的状态，逐渐演变成一个独立学科分支。目前生产的直流稳压电源种类很多，主要分类方法是按调整元件的工作状态分类，其次还可以从其它不同角度来分类：(1) 按稳定方式分，有参数型稳压电源和反馈调整型稳压电源。参数型稳压电源电路简单，主要是利用电子元件的非线性实现稳压，例如一只电阻和一只稳压二极管即成参数稳压器。 按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。反馈调整型稳压电源具有负反馈闭环，是闭环自动调整系统，它的优点是技术成熟，性能优良、稳定，设计与制造简单；缺点是体积大，效率低。(2) 非线性电源主要是指开关电源，开关电源的分类方法多种多样。按激励方式分，有自激式和它激式(3) 按调制方式分，有保持开头工作频率不变，控制导通脉冲宽度的，称为脉宽调制型（PWM）；也有保持开头导通时间不变，改变工作频率的称为频率调制型（PFM）；还有宽度和频率均改变的，称为混合型。(4)按开关电流工作方式分，有频率调制型分晶体管型和可控制硅型。2 设计规范及任务2.1 设计规范设计一个12V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12V。2输出电流为1A，容量为24W。3输入端须设上电指示灯，输出端须具备短路和过流保护功能。2.2 设计任务1. 绘制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. 设计出每个功能方框图的具体电路图，并根据所提供的技术参数的要求，计算出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。2.3 要求掌握通过此集成直流稳压电源的设计，要求掌握：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3 各电路组成的工作原理及设计的采用3.1 指示电路指示电路为上电输入电源的有电指示，当稳压电源连接到市电AC220V后，有1红色电源指示灯亮。此稳压电源为简易直流稳压电源，所以要求体积比较小。如选用指示灯来指示会使得体积增大，所以一般均采用红色发光二极管来指示，这样体积小成本低。3.2 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1 Tr图1 变压器的电路图符号3.3 整流电路整流电路的主要作用是由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。在电流型变频器中整流电路的作用相当于一个直流电流源，而在电压型变频器中整流电路的作用则相当于一个直流电压源。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2 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2 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。3.4 滤波电路滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阴抗小，所以C应该并联在负载两端。电感L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过渺小滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。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3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 3 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储能元件电感器L的电磁感应使电流不能突变的性质，把电感L与整流电路的负载串联，也可以起到滤波的作用。3. 复式滤波电路当单独使用电容或电感进行滤波，效果仍不理想时，可采用复式滤波电路。复式滤波电路常用的有三种类型，(17页)它们的电路组成原则是，把对交流阻抗大的元件（如电感、电阻）与负载串联，以降落较大的纹波电压，而把对交流阻抗小的元件（如 电容）与负载并联，以旁路较大的纹波电流。其滤波原理与电容、电感波类似。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。3.5 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。3.5.1 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4，外形如图5所示。 图4 电路符号 图 5 三端集成稳压器外形3.5.2 线性三端集成稳压器的分类及型号1. 三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78-/CW78M-/CW78L-2. 三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79-/CW79M-/CW79L3. 三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117-/CW117M-/CW117L-CW217-/CW217M-/CW217LCW317-/CW317M-/CW317L-4. 三端可调负输出集成稳压器，国标型号为CW137-/CW137M-/CW137LCW237-/CW237M-CW237LCW337-/CW337M-/CW337L5. 三端低压差集成稳压器6. 大电流三端集成稳压器三端集成稳压器型号中数字含义：1-为军品级；2-为工业品级；3-为民品级。军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55150；工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25150; 民品级多为塑料封装，工作温度范围0125。3.5.3 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6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7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6 CW7800集成稳压电路原理图图7 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。从图中可以得出基准电压为如果V3V6管性能相同，则上式可表示为根据V1、V2和V7组成的镜像电流源电路可得式中UT为温度电压当量，常温下UT=26mV。此式中前一项的温度系数是负值，后一项的温度系数是正值，选择合适的电阻值就可以使这两项的温度系数相互抵消，得到零温漂的基准电压，按图中标注的数值可得此时输出电压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：由R7和V14组成，R7是正温度系数的扩散电阻，V14管的b、e结电压具有负的温度系数，V14管的集电极接在V16管的基极上，温度较低时，R7上的压降不足以激励V14导通，对调整管没有影响，当芯片温度达到临界时，R7上的压降升高，V14管导通，集电极电位降低，从而减小V16、V17的输出电流，减小芯片的功耗，降低芯片的温度，达到过热保护的目的。6. 启动电路由电阻R4、R5、R6稳压管V18、晶体管V12、V13组成，从图中可以看出前述放大、基准源和调整电路都是由V8和V9的电流源提供静态电流的，但V8和V9本身却未构成基流通路，因此在接入Ui后将因电流源状态未建立而使稳压电源无法工作，启动电路的作用就是要解决这个问题。它的工作原理：接通电源后，输入电压Ui使电阻R4和稳压管V18支路流过电流，此时V18有7V的稳定电压，从而使V12导通，约有1mA的恒定电流流过电阻R5、R6、R7，这时V13的基极电压Ub13约为Ub13大于Ube13+Ube7+Ube12.1V,所以V13及V7、V1晶体管均导通，从而有电流通过V1、V7、R1支路，V13的集电极与V8、V9的基极连接在一起，这样V8、V9有了基流，也导通了，建立了电路的工作点。在整个电路正常工作后，Ue13约为UR-Ube6-Ube53.4V，高于Ub13，因此V13管截止，将启动电路与基准电路的联系切断，避免了它对稳压性能的影响。3.5.4 三端集成稳压器的基本应用电路基本应用电路如下图8所示。由于输出电压决定于集成稳压器，所以输出电压为12V，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8 CW7800集成稳压器基本应用电路由题目12V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12V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 基本原理4.1 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上电指示电路、变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路五个部分组成，如图9所示。 + 上 电 + 变 压 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 指 示 u2 u3 u4 uI U0_ 电 路 _ 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9 稳压电源的组成框图及电压波形图4.2 组成部件的功能1. 上电指示电路：输入电源有电指示，接入电网220V交流电后指示灯亮。2. 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。3. 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。4. 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。5. 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。5 各电路组成的元件选择与参数确定5.1 指示电路普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。普通红色发光二极管不能直接接到市电AC220V电路中。由实践所得,普通红色发光二极管只要串接一只阻值为150k、功率为1/4W的限流电阻后再接到市电AC220V电路中，便可作为上电指示电路。5.2 变压电路由于CW7812最高输入电压为35V，输入电压UI比输出电压UO至少大2.5V，故CW7812的输入电压范围为： 即： 根据我国的220V电网的电压波动基本在10%左右，这里设计取 变压器变比：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。5.3 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。5.4 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/35V的电解电容即可。5.5 稳压电路选择三端固定式集成稳压器CW7812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CW7912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0.47F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470F/ 25V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。5.6 稳压电源的保护电路保护电路的主要作用是由微处理器对检测电路得到的各种信号进行算法处理，以判断为频器本身或系统是否出现了异常。当检测到变频器或系统的异常时 ，则进行各种心要的处理，包括停止变频器的输出，以对变频器和系统提供保护。为保护整个稳压电源，在上电指示电路前串接一只保险丝。整个稳压电源的总电流略大于电源变压器的原边绕组的电流考虑到电源变压器的瞬时冲击电流和留有余地，选用0.5A的保险丝。6 电路图及电路的工作原理6.1 12V简易直流稳压电源电路图完整电路图如下见图10图10 12V简易直流稳压电源电路图6.2 12V简易直流稳压电源电路的工