模电课程设计——直流稳压电源设计

1、一、弓丨言2二、设计目的3三、设计任务和要求3四、设计步骤4五、总体设计电路21六、设计元件列表23七、参考文献资料24八、综合总结25一、引言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。本设计主要釆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+/- 5v直流 电，并实现电压可在3-12v连续可调。电源的发展经历了整流器时代，逆变器时代、 变频器时代并逐 步向绿色靠拢。稳压电源的历史可追溯到十九世纪，

2、爱迪生发明电灯 吋，就曾考虑过稳压器，到二十世纪初，就有铁磁稳压器以及相应的 技术文献，电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压器，在四 十年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱 和交流稳压器。五十年代晶体管的诞生使晶体管串联调整稳压电源成 了直流稳压电源的中心。六十年代后期，科研人员对稳定电源技术做 了新的总结，使开关电源，可控硅电源得到快速发展，与此同吋，集 成稳压器也不断发展。亡至今日，在克流稳压电源领域，以电子计算 机为代表的要求供电电压低，电流大的电源大都由开关电源担任，要 求供电电压高，电流大的设备的电源由可控硅电源代之，小电流、低 电压电源都采用集成稳压器。

3、关键词：直流；稳压；变压二、设计目的1. 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计 的基木方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。2. 学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。3培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。三、设计任务及要求直流稳压电源的设计1 简要说明：在电子系统中，总是需要一种稳定输出电压大小的直流稳压电源，通 常将这种电源称为可调直流稳压电源。它输出电压vo恒定，又教大 的输出电压。2 设计任务和要求：设计任务：设计电源变压器，整流电路和稳压电路。主要技术指标：输出电压:312v连续可调，+/-5v输出电流:iomax=600ma纹波电压：auo&l

4、t;=5mv稳压系数：svv=3*10，电压调整率：kuv=3%电流调整率：ki<3%四、设计步骤（一）设计概要根据题目要求，设计将22v交流电转换为+/-5v电源和3-12v连续可调电源，有直流稳压电源原理，设计如下概要电路图1-1：图1-1整体设计原理图（二）变压器部分2.1变压器原理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。一、分类按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷

5、）变压器、氟化物 （蒸发冷却）变压器。按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、c型铁芯、铁氧体铁 芯）、壳式变压器（插片铁芯、c型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔 变压器。按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高 频变压器、脉冲变压器。二、电源变压器的特性参数1工作频率变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这 种频率称工作频率。2额定功率在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出 功率。3额定电压指在变压器的线圈

6、上所允许施加的电压，工作吋不得大于规定值。4电压比指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区 别。5空载电流变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。 空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于 50hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。6空载损耗：指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其 次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。7效率指次级功率p2与初级功率p1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈 大，效率就愈高。8绝缘电阻表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能

7、。绝缘电阻的高 低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。三、音频变压器和高频变压器特性参数1频率响应指变压器次级输出电压随工作频率变化的特性。2通频带如果变压器在中间频率的输岀电压为u0,当输出电压（输入电压保持不 变）下降到0. 707u0时的频率范围，称为变压器的通频带b。3初、次级阻抗比变压器初、次级接入适当的阻抗ro和ri,使变压器初、次级阻抗匹配， 则ro和ri的比值称为初、次级阻抗比。在阻抗兀配的情况下，变压器工作在最 佳状态，传输效率最高。四、原理演示110$次侧u冷ei0p.次匕2 j u2侧图2-1变压器基本原理图变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压

8、器为例说明其 基本工作原理（如图2-1）:当一次侧绕组上加上电压u1时，流过电流（1,在 铁芯中就产生交变磁通01,这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别 感应电势总1, e2,感应电势公式为：e=4. 44fn0m 式中：e感应电势有效值f-频率n-匝数001-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01和u2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do）,这个电流 称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流（2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

9、 流，一部分为激磁电流io, 部分为用来平衡f2,所以这部分电流随着（2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。2. 2变压器设计根据相关题fi要求，设计电路。输出功率:p=u*i= (12+5) *600二10.3 (w )根据电路实用性，可选择电路的最大输出功率为12瓦特。匝数比：当变压器岀入屯压为220v吋，考虑应用屯路有10%电压波动：输入电压范围为198v-242v,则设计变压器匝数比如下：令原变电压为u1匝数为n1,副边电压为u2匝数为n2,设定原边匝数为2000 由变压器原理可得：u1*

10、n2 = u2*n11. 当输出为3v-12v时，由于后面整流输出电压为（1.1-1.2） u2设定变压输出 u2的大小为12v以满足变压最大输出。198v*n2 = 12v*2000解得： n2 = 121 （匝）2. 当输岀为+/-5v时，要满足变压输出还要满足后面稳压电路的最小输入，综合 以上因素和集成稳压电路输入电压，设定变压输出为8v:198v*n2 二8v*2000解得： n2 =81（匝）（三）整流部分3.1交流电路正弦交流电的表达式如下，其曲线如图31所示。i(t ) =乱门 i：曲 + % ；iu(f)- u? sin(tyz + 仍；iu(f)图31使用220v交流电波形由

11、此可见，正弦交流电的特征表现在整弦交流电的大小、变化快慢及初始值三方面。而它们分别由幅值（或有效值）、频率（或周期）和初相位来确定。所以幅值、频率、初相位被称为正弦交流电的三要素。幅值、平均值和有效值- 幅值峰值或最大值，记为uy或1丫，峰点电位之差称为“峰峰 值”，记为uyy和 1丫-丫。- 平均值令i （t）、u（t）分别表示随时间变化的交流电流和交流电压, 则它们的平均值分别为这里t是周期，平均值实际上就是交流信号中直流分量的 大小，所以图3-1所示的正弦交流电的平均值为0。- 有效值在实际应用中，交流电路中的电流或电压往往是用有效值 而不是用幅值来表示。许多交流电流或电压测量设备的读

12、数均为有效值。有效值采用如下定义：周期与频率正弦交流电通常用周期t或频率f来表示交变的快慢，也常常用角频率w来表示，这三者之间的关系是需要指出的是：同频率正弦交流电的和或差均为同一频率的正 弦交流电。3.2整流原理利用二极管的单向导电性可实现整流。半波整流图32中d是二极管，rl是负载电阻。则滤波前后电压波 形对比为：图32半波整流原理及整流前后波形对比-全波桥式整流前述半波整流只利用了交流电半个周期的正弦信号。为了提高整流滤波效率，使交流电的正负半周信号都被利用，则应采用全波整流，现以全波桥式整流为例，其电路和相应的波形如图33所示。图33全波整流原理及整流前后波形对比若输入交流电为砖(z)

13、 = up sm al则经桥式整流后的输出电压为（一个周期）其相应直流平均值为心舟仙帥=绍毗心®2.丿c(10)由此可见，桥式整流后的直流电压脉动大大减少，平均电 压比半波整流提高了一倍。3.3整流电路设计根据题目要求，两种输出电压要两套整流电路，但是在本题目中两种 电压相差不人，可以用同样的整流电路来实现两种不同电压大小的整o图3-4中二极管di、d2、d3、d4均为1 n 4 0 0 2 ； r.为整 流电路负载。（四）滤波电路部分4.1滤波电路原理经过整流后的电压（电流）仍然是有“脉动”的直流电，并不 能用为电子产品的电压共给，为了减少波动，通常要加滤波器, 常用的滤波电路有电

14、容、电感滤波等。-电容滤波电路电容滤波器是利用电容充电和放电来使脉动的直流电变成 平稳的直流电。我们已经知道电容器的充、放电原理。图 4-1所示为电容滤波器在带负载电阻后的工作情况。设在t0 时刻接通电源，整流元件的正向电阻很小，可略去不记， 在t=t时，比达到峰值为血厲。此后uj以正弦规律下降直 到t2时刻，二极管d不再导电，电容开始放电，乂缓慢下 降，一直到下一个周期。电压ui上升到和相等时，即t3 以后，二极管d又开始导通，电容充电，直到t3。在这以 后，二极管d又截止，又按上述规律下降，如此周而复 始，形成了周期性的电容器充电放电过程。在这个过程中， 二极管d并不是在整个半周内都导通的

15、，从图上可以看到 二极管d只在t3到t4段内导通并向电容器充电。由于电容 器的电压不能突变，故在这一小段时间内，它可以被看成是一个反电动势。cz=1.5 pf图41直流滤波原理图由电容两端的电压不能突变的特点，达到输岀波形趋于平 滑的目的。经滤波后输出的波形如图42所示。图42直流滤波后的波形当空载时，在仏的正、负半周，口、几和d、功轮流导通，均有单方向电流对电 容充电。k1.414k,并保持不变。当接上负载允后，设仏从零开始上升，在k<k 时，二极管均反偏截止，电容q对丘放电，放电时间常数j二人c通常很大，k 按指数规律缓慢下降，如图中的k波形的此段。当仏上升至>%!寸，口、山正

16、 偏导通，九、3的其屮一部分提供负载电流，另一部分对q充电。充电时间常数1 讥 c图4-3直流滤波后的近似波形t d= （rxj/k）c=rc较小，必上升很快，如图中氏波形的be段。 匕和二1. 414%为充电的最大值，人山为电容q放电结束时的最小值。 根据三角形相似关系可得(koax_ ktnin) / 必max二"2aic即瞌二（1t/2/0 陰x通常c使放电时间常数满足下列关系式td二允0（35） 7/2所以金12%表41电容大小及对应输出电流输出电流2a左右1a左右0.5-1a左右0.1-0.5a100-50ma50ma 以下滤波电容4000u2000ulooou500u20

17、0u-500u200u4.2滤波电路设计ui按照题目要求和对应电容的滤波效果、输出电流设计如下电路。uoc2图44设计滤波电路图c 1 =47 0 0 u f(五) 稳压部分5. 1稳压电路原理w7800三端稳压器w117三端稳压器三端稳压器：集成串联型稳压电路有三个引脚，分别为输入端、 输出端和公共端，因而称为三端稳压器。按功能分类固定式稳压电路：输出电压不能进行调节，为固定值。可调式稳压电路：通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范 亂一、w7800三端稳压器w7800为固定式稳压电路，其输出电压有5v、6v、9v、12v、 15v、18v、24v等档级。最后两位数表示输出电压值。输出电流分

18、 1.5a (w7800)、0.5a (w78m00)和 0.1a (w78l00) 三个档次。例如:w7805,表示输出电压为5v、最大输出电流为1.5a；w78m05,表示输出电压为5v、最大输出电流为0.5a； w78l05,表示输出电压为5v、最大输出电流为0.1a；原理框图三端集成稳压器cw7800系列内部结构方框图如下图所示。它 属于串联稳压电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。它 由启动电路、取样电路、比较放大电路、基准环节、调整环节和过流 保护等组成。此外它还有过热和过压保护电路。因此，其稳压性能要 优于分立元件的串联型稳压电路。如串联稳压的启动电路是比较放大 管的负载

19、电阻，此电阻在电源工作过程始终接于电路中，当输入电压 变化（电网波动），通过负载电阻影响输出电压也跟着变化。而三端 集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态下，启 动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系,这样输入电压变化不直接 影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。ui过热保护电路 过流保1护电路准压路基电电uo调整管电流濾电路w7800的原理框图主要参数最大输入电压uimax:保证稳压器安全工作时所允许的最大输 入电压，为35伏。输出电压uo：稳压器正常工作时，能输出的额定电压，uo为 5v, 6v, 9v, 12v, 15v, 18v, 24v 等七个档级。最小输入输出

20、电压差值（uuo）min：保证稳压器正常工作 时所允许的输入与输出电压的差值。（u| uo）min应为23伏。 此值太小，调整管将进入饱和区。最大输出电流iomax：保证稳压器安全工作时所允许输出的最 大电流。cw7800 为 1.5a, cw78l00 为 0.1a, cw78m00 为 0.5mao iomax与散热条件有关，散热条件好，i。可大些，因此，三端稳压器 与串联型稳压电路的调整管一样，使用时应加装散热片。电压调整率kv：当输入电压ui变化±10%时输岀电压相对变 化量auo/uo的百分数称为电压调整率kv。此值越小，稳压性能越好。 电压调整率能达到0.10.2%。（电

21、压调整率是稳压系数s当 ui/ui=±10% 的特例）。输出电阻ro：在输入电压变化量aui为0时，输出电压变化 量au。与输出电流变化量ai（）的比值。即参数名称符号单位w7805典型值输入电压uiv10输出电压uov5最小输入电压ulminv7电压调整率sumv7电流调整率sima25r宀人 °=0它反映负载变化时的稳压性能，即稳压器带负载能力。ro越小,epauo越小，稳压性能越好，带负载能力越强。二、w117三端稳压器输入端w117的原理框原理框图w117的原理框图如图所示。它有三个引出端，分别为输入端、 输出端和电压调整端（简称调整端）。调整端是基准电压电路的公共

22、 端。t和t2组成复合管为调整管；比较放大电路是共集共射放大电 路；保护电路包括过流保护、调整管安全区保护和过热保护三部分。 ri和r2为外接的取样电阻，调整端接在它们的连接点上。当输出电压u。因某种原因（如电网电压波动或负载电阻变化） 而增大时，比较放大电路的反相输入端电压（即采样电压）随之升高, 使得放大电路输出端电位下降，u。势必随之减小；当输出电压u。 因某种原因减小吋，各部分的变化与上述过程相反；因而输出电压稳 定。可见，与一般串联型稳压电路一样，由于w117电路中引入了电 压负反馈，使得输出电压稳定。主要参数与w7800系列产品一样，w117、w217m和w317l的最大输出 电流

23、分别为15a、0.5a、o.lao w117、w217m和w317l具有相同 的引出端、相同的基准电压和相似的内部电路。主耍参数如下表所示。对表说明对于特定的稳压器，基准电压uref是1.2v1.3v中的某一个 值，典型值为1.25v； w117、w217m和 w31兀 的输出端和输入端电压之差为 340v,过低时不能保证调整管工作在放大区，从而使稳压电路不能 稳压；过高时调整管可能因管压降过大而击穿；外接取样电阻不可少，根据最小输出电流i。斷可以求出&的 最大值；调整端电流很小，且变化也很小；与 w7800系列产品一样，w117、w217m和 w317l在电网电 压波动和负载电阻变化

24、时，输出电压非常稳定。表9.5.2 w117av217m/w317l主要性能参数参数名称符号单位w117av217mw317l典型值典型值输出电压uov1.2-371.2-37电压调整率si；%/v0.010.01电流调整率si%0.10调整端电压【adju a5050调整端电流变化iadju a0.20.2基准电压urefv1.251.25最小负载电流lominma3.53.552稳压电路设计5.2.1 3v12v连续可调稳压电路用三端可调式集成稳压器w117构成的稳压电路如图5-3所示。w117的3、1端间电压uref=125v,当电位器忌调到最上端时，有：入泗=如型矜二240第0+0 “

25、25 "iv当电位器忌调到最下端时，有：如n.=隅型严二2笃需也00 025 "2你为了防止电路产生自激振荡，应当在输出端对地接一个电容c。 接上c后，如果输入端出现短路，电容c上存储的电荷将会产生 很大的电流反向流入稳压器，并使之损坏。因此，必须接入二极 管。进行保护。电容c2的作用是减小电阻尺2上的电压波动。但 在输入端短路时，电容c2上存储的电荷也会产牛很大的电流反 向流入稳压器并使之损坏。必须接入二极管进行保护。5.22+/-5v稳压源w7900、w7800系列芯片是输出定值电压的固定式三段稳压器，输出电压有 5v、6v、9v、12v、15v、18v 和 24vo图5-5+/-5v稳压源电路图图55中二极管起保护作用，正常工作时均处于截止状态。若w7905 未接入输入电压，w7805的输岀电压将通过负载电阻接入到w7905 的输出