西北工业大学___直流稳压电源的设计

1、4.2 直流稳压电源的设计一、实验目的（1）学习用变压器，整流二极管，滤波电容及集成稳压器设计直流稳压电源。（2）掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。（3）利用仿真实验，深入理解整流滤波的原理。二、设计指标与要求设计指标：设计两个电路：（1）电路一：同时输出 ±12V电压，Iomax = 0.8 A。（2）电路二：Vo = +3V +9V连续可调，Iomax = 0.8 A。（3）两者的性能指标：Vop-p 5mV，SU 5×10-3。三、实验原理及参考电路直流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电

2、源电压。1. 直流稳压电源的基本原理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。基本组成如图4.2-1所示。 图4.2-1 直流稳压电源基本框图各部分的基本功能如下：（1）电源变压器。电源变压器的作用是将交流电网220 V 电压1变为整流滤波器所需要的交流电压a，变压器副边和原边的功率比为(4.2-1)式中为变压器的效率，一般小型的变压器的效率如表4.2-1所示。表4.2-1小型变压器的功率副边功率P2/W<101030308080200效率0.60.70.80.85（1） 整流，滤波电路。整流利用二极管的单向导电性能将变压器次级交流电压电a变为脉动的直流电压Vb，在经

3、过滤波电路将脉动直流电压的波纹减小或滤除，设计hi制转变为平滑的直流电压Vc。最简单的滤波电路就是在整流器的输出端并联电容。所以常用的整流滤波电路有半波整流电容滤波电路、全波整流电容滤波电路、桥式整流电容滤波电路、倍压整流电容滤波电路，分别如图4.2-2所示。 图4.2-2 几种常见的整流滤波电路 （a）半波整流电容滤波电路； （b）全波整流电容电路；（c）桥式整流电容滤波电路； （d）倍压整流电容滤波电路本次实验中采用钱是整流电容滤波电路。他两端的电压满足如下关系：(4.2-2)其中Va为a的有效值。每只整流二极管承受的最大反向电压(4.2-3)防止二极管被反向击穿，其额定工作电流应满足(4

4、.2-4)Iomax为稳压电源正常工作时能输出的最大电流。 滤波电容C可用下式估算：(4.2-5)式中，Vip-p为稳压器输入端纹波电压的峰峰值。t为电容的放电时间，t=0.01s（T为50Hz交流电压的周期，即为20ms）。IC为电容C的放电电流，可取IC=Iomax，滤波电容C的耐压值应大于Va。（3）稳压电路。稳压电路的作用主要是清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压的稳定。 稳压电路有用晶体管实现的，也有用集成的稳压电路芯片。本次实验采用稳压电路芯片实现电路的设计。常用的稳压集成器有固定式三端稳压器与可调式三端电压稳压器（均属于电压串联型）。稳压器有三个引出端子：输入端，输出端和公

5、共端，故称为三端式稳压器。 固定式三端集成稳压器。输出的电压是固定的，故称为固定式三端段集成稳压器。通用的产品有CW7800系列（输出正电压），CW7900系列（输出负电压）。输出的电压值由具体型号中的后两个数字代表，常用的5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等挡次。输出的额定电流由78或79后面所加的字母来区分。L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A。例如CW7812表示输出的电压为+12V，额定的输出电流为1.5A。 CW7800系列，CW7900系列，CW317系列。CW337系列的管脚封装外形如图4.2-3所示。CW7800系列，CW7900系列的典型电路如图4

6、.2-4所示。 图4.2-4 固定式三端稳压器典型接法（a） 输出电压电路； （b）输出负电压电路； （c）输出正电压电路可调式三端集成稳压器。典型的可调试三端集成稳压器产品有CW117，CW217，CW317（三者输出正电压），CW137，CW237，CW337（三者输出负电压）。两个正负系列除了输出电压极性相反，引脚定义不同外，其他特点都相同。它们是在固定式的基础上发展起来的，可用少量的外部器件方便地组成精密可调的稳压电路，应用更灵活广泛。根据输出电流的不同，每个系列又可分为Io0.1A的L型，Io0.5A的M型，Io1.5A的不标字母型。 CW317，CW337系列的直插式封装管脚分布如

7、图4.2-3所示。CW317，CW337的典型应用电路如图4.2-5所示。R1和RP1组成电压输出调节电路，输出电压 （4.2-6） R1的值为120至240，Rp1为精密可调电位器。电容C2与Rp1并联成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管VD的作用是防止输出端与地短路时，损坏稳压器。 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<Iomax，输入电压Vi的范围为 Vomax+(Vi-Vo)minViVomin+(Vi-Vo)max (4.2-7)式中，Vomax为稳压器的最大输出电压。Vomin为最小输出电压；(Vi-Vo)min为稳压器的最小输入、

8、输出电压差，典型值为3V。 (Vi-Vo)max为稳压器的最大输入、输出电压差，典型值为40V。图4.2-5 可调式三端稳压器典型应用（a）CW317系列典型应用电路； （b）CW337系列典型应用电路2.稳压电源的性能指标及测试方法 稳压电源的技术指标分两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输入电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。 这里主要介绍以下几种指标： （1）最大输出电流：指稳压电源正常工作时输出的最大电流，用Iomax 表示。一般情况下的工作电流

9、Io < Iomax 。稳压电路内部应有保护电路以防止Io > Iomax 时损坏稳压器。 （2）输出电压：指稳压电源的输出电压，用Vo表示。采用如图4.2-6所示的测试电路，可以同时测量Vo 与Iomax 。测试过程是：输出端接负载电阻RL ，输入端接220V的交流电压，数字电压表的测量值即为Vo 。再使RL 逐渐减小，直到Vo 的值下降5%，此时流经负载RL 的电流即为Iomax（记下Iomax后迅速增大RL，以减小稳压电源的功耗）。 （3）纹波电压：指叠加在输出电压Vo上的交流分量，一半为mV 级。可将其放大后，用示波器观测其峰峰值Vop-p也可以用交流电压表测量其有效值Vo

10、 ，由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一点的误差。 （4）稳压系数：指在负载电流Io 、环境温度T不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即稳压系数为 （Io ，T为常数） （4.2-8） 的测量电路如图4.2-6所示。测试过程是：先调节自耦变压器使输入电压增加10%，即=242V，测量此时对应的输出电压；再调节自耦变压器使输入电压减少10%，即=198V，测量这时的输出电压为，然后再测出=220V时对应的输出电压，则稳压系数为 （4.2-9）3.集成稳压器输出电流的扩展 （1）扩展固定式三端集成稳压器的输出电流。图4.2-7与图4.2-8为扩展CW7800系列与CW

11、7900系列集成稳压器的输出电流的电路。图中VT1 为扩流功率管，应选用大功率管；VT2与R2组成限流保护电路，当输出电流过大时，VT2导通扩展电流I1减小以保护VT1。VT2导通电压由R2I1决定，特别注意其额定功率是否满足要求，扩展后的输出电流IL=Io+I1。若按图中所示参数设计，则可使输出电流达到1.5A。 （2）扩展可调式三端稳压器的输出电流。图4.2-9为扩展可调式三端稳压器的输出电流的电路。VT1与VT2组成互补复合管，I1为输出扩展电流，R1,R2 和R3是偏置电阻，图中所示的电路参数，可使输出电流IL达到2A四、设计步骤（一）计算机仿真部分1. 半波整流电路仿真实验电路图如图

12、4.2-10所示。图4.2-10 半波整流电路图（1）从元件库中调出图4.2-10所示的所有元件（注意器件参数），并连接好电路。（2）函数发生器设置为50Hz，220V（本实验均采用此参数）。启动仿真按钮，用交流电压表测量变压器次级电压，并记录幅值。将示波器接于变压器次级输出端，观察并记录整流后的波形。 图4.2-11所示为图4.2-10的输出波形，这只里给出了输出波形（以免发生混淆），以供参考。图4.2-11 半波整流输出波形图2.全波整流电路实验电路图如图1.2-12所示。（1）从元件库中调出图4.2-12所示的所有元件（注意器件参数），并连接好电路图。（2）重复半波整流（2）中的内容。图

13、4.2-13所示为在图4.2-12中的参数状态下的波形图，以供参考。图4.2-12 全波整流电路图图4.2-13 全波整流输出波形图3.桥式整流电路实验电路图如图4.2-14所示（1）从元件库中调出图4.2-14所示的所有器件（注意器件参数），并连接好电路图。（2）重复半波整流（2）中的内容。图4.2-15所示为在图4.2-14的参数状态下的波形图，以供参考。图4.2-14 桥式整流电路图图4.2-15 桥式整流输出波形图4.全波整流滤波电路实验电路图如图4.2-16所示。（1）从元件库中调出图4.2-16所示的所有元器件（注意元件参数），并连接好电路图。（2）在电容值取10F时，设置好参数，

14、启动仿真按钮，用交流电压表测量变压器次级的电压，记录幅值。用示波器接于变压器的次级及输出端，观察并记录整流前后的波形，并测量纹波电压的峰峰值。（3）在电容值取100F，1000F时，重复（2）中的内容。（4）在电容值取100F时，将负载电阻的值分别取50，100，300，重复（2）中的内容。（5）比较RC取值不同时，整流滤波的效果。说明二者之间的关系。图4.2-16 全波整流滤波电路图图4.2-17所示为在图4.2-16的参数状态下的波形图，以供参考。图4.2-17（1） 全波整流滤波输入输出波形图（电容：10F，电阻：100）图4.2-17（2） 全波整流滤波输入输出波形图（电容：100F，

15、电阻：100）图4.2-17（3） 全波整流滤波输入输出波形图（电容：1000F，电阻：100） 图4.2-17（4） 全波整流滤波输入输出波形图（电容：100F，电阻：50）图4.2-17（5） 全波整流滤波输入输出波形图（电容：100F，电阻：100） 图4.2-17（6） 全波整流滤波输入输出波形图（电容：100F，电阻：300）在全波整流滤波电路中，电阻R与电容C的关系为：当电阻R一定时，电容C值居中时，电路的滤波效果最好；当电容C一定时，电阻R越大，电路的滤波效果越好。五、设计电路1. 设计电路一：同时输出 ±12V电压，Iomax = 0.8 A（性能指标：Vop-p 5

16、mV，SU 5×10-3）。+Vo1-+Vo2-图一 同时输出 ±12V的稳压电源+Vo1-+Vo2-VO1=12.54VVO2=-12.551V图二 VO1和VO2的测量值+Vo2-+Vo1-图三 Vop-p的测量电路图、波形及测量值由上图可知Vop-p1=321.358+730.710pV=1.052nV 5mV，符合要求；Vop-p2=-683.060-382.540pV=-1.065nV=1.065nV 5mV，符合要求。所以这个稳压电源的Vop-p符合性能指标要求。+Vo1-+Vo2-图四 稳压系数Su的测量电路图图五 VO1和VO1的测量值图六 VO和VO的测量

17、值图七 VO2和VO2的测量值由图五、图六、图七可得：VO1=12.41V，VO1=12.551V，VO=12.41V，VO=12.551V，VO2=12.41V，VO2 =12.551V。将数据带入公式（4.2-9），计算得：Su1=0 5×10-3，Su2=0 5×10-3。所以这个稳压电源的Su符合性能指标要求。综上可知：这个稳压电源可以正常工作，且各方面性能都符合性能指标的要求，这个稳压电源就是所要的稳压电源。2.设计电路二：Vo = +3V +9V连续可调，Iomax = 0.8 A（性能指标：Vop-p 5mV，SU 5×10-3）。+Vo-图八 Vo = +3V +9V连续可调的稳压电源+Vo-图九 此稳压电源输出电压的测量电路图图十 此稳压电源的最小输出值和最大输出值+Vo-图十一 Vop-p的测量电路图、波形及测量值由上图可知Vop-p=28.935+23.092V=52.027V 5mV，符合要求。所以这个稳压电源的Vop-p符合性能指标要