串联型直流稳压电源

1、 设计指标 输出电压：+12V, -12V, +5V +5V单独输出 最大输出电流Io max =3A V0Pp im1V 最大输出电流皆为Iomax=0.5A Vopp =10mV 以上稳压系数SV ： 5 10 串联型直流稳压电源 电源电路的作用是把交流市电 (220V) 变换成稳定的直流电压， 直 接或间接地给各个局部电路提供适当的供电， 以保证负载电路能正常 地进行工作。对电源电路总的 要求 是：稳压性能好，纹波系数小，功 率损耗小，过载过压保护能力强等。 电源电路的常见形式有：一般型的可调串联稳压电路，泵电源， 高速可控硅稳压电源， 开关式稳压电源等。 开关式稳压电源 具有工作 效率

2、高，稳压范围大特点。 串联型稳压电源虽然具有功耗较大，效率 低，笨重的缺点，但同时因为其具有结构简单，平安可靠，维修容易 等优点而被广泛使用， 鉴于这些优点我们决定设计串联型直流稳压电 源。 一、串联型直流稳压电源的组成与原理 1 、串联型直流稳压电源的组成 直流稳压电源一般有电源变压器、 整流滤波电路及稳压电路所组 成。如图 1 所示 图1直流稳压电源组成框图 其中稳压电路局部包括：调整，误差取样，比拟放大和基准电路 几个局部。 2、稳压原理 稳压电路局部是串联型稳压电路的 主体局部。其中调整电路的作 用相当于一个与负载串联的可变电阻。当输出的直流电压 U0,因某种 因素影响而升高时，通过误

3、差取样电路，取出其变化值。此变化量经 比拟放大电路而形成控制电压，去控制这个可变电阻，使其电阻增大， 其上的压降增大，使输出电压下降，仍回到 U0,当输出电压U0变化 时，按照上述同样的过程，但变化的极性相反，使这个可变电阻的阻 值变小，其上的压降减小，使输出电压 U0上升，这样就起到了稳定 电压的作用。 随着集成电路的开展，把调整管、误差取样、 基准和比拟放大电 路等局部做在一起成为集成化器件。如 LM78XX系列，LM79XX系 列等。为使电路简洁，可靠，我们使用三端稳压集成块。 二、串联型稳压电源设计 串联型稳压电源总体电路图如下: 图2串联稳压电源电路图 1、电源变压器 电源变压器的作

4、用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电 路所需的交流电压。 变压器输出次级电压的计算： Vi为三端稳压块的输入电压，Vi与交流电压 V的有效值V2的关 系为 Vi = (1.1 1.2)V2 (21) 电路中我们使用固定三端稳压集成电路 LM7805 LM7812 LM7912 来稳定电压。其最小输入、输出压差(Vi -Vo)min = 3V ,最大输入、 输出压差(Vi -Vo)max =4CVO由式(21)可得变压器次级的输出 电压V2与稳压器输入电压V的关系。V2的值不能取大，V2越大，稳 压器的压差越大，功耗也就越大。一般取V2至Vimin /1.1 , I2 Imx。 iiin

5、 o om ax 输入电压Vi的范围为 V (V - V ) . V. V (V - V ) o i o min i o i o m ax 12V 3V Vi 12V 40V 15V 三 52V V2 . 15/1.1 = 13.6V 14V 同理，-12V与+ 12V相同。因此我们选用稳压输出电压+12V、-12V 的变压器次级抽头输出电压 V2 = 15V。次级电流12 A Iomax = 0.5A, o ax 取I 2 = 0.7A ,那么变压器土 12V组次级输出功率P2212V2 = 16.8W。 5V 3V 三 Vi 士 5V 40V 8V 三 Vi 三 45V ( V2 -8/1

6、.1 = 7.3V 8V 、.一、 -、. .一一 A、.一、. , . 稳压输出电压+5V的变压器次级抽头输出电压V2 = 8V。次级电 流12Al omax = 2A,取I2 = 2.2A ,那么变压器+5V组次级输出功率 o o max P2 - 12V2 = 11W,变压器次级总功率为 16.8+11=26.8W,为留有余 地，次级总功率为30W 2、整流电路 整流二极管D1 D4组成单相桥式整流电路，将变压器的次级 输出交流电压V2变成脉动的直流电压，再经滤波电容 C滤除纹波， 输出直流电压Vi。丫2是丫2的有效值。 每只整流二极管承受的最大反向电压 VRM =V2V2 (2 2)

7、据上面变压器的输出交流电压有效值计算: + 12V和-12V变压器次级整流二极管最大反向电压 VRM _ 2V2 = V20pp = 20V +5V变压器次级整流二极管最大反向电压 VRM = 2V2 =V2 0pp = 10V I L = I F omax 我们使用远大于此值的常用整流二极管 1N4007,以满足要求。 1N4007 极限参数为 VRM 至 1000V , I F = 4A 3、滤波电容参数计算 滤波电容C可由下式计算： ICt C = -C 23 V ip-p 根据?电子线路设计实验测试?第二版 谢自美主编96页 式中， Vip_p为稳压器输入端纹波电压的峰-峰值；t为电容

8、C 的放电时间，t=T/2 = 0.01s； 1c为电容C的放电电流，可取 IC = 10nHx，滤波电容C的耐压值应大于 J2V2。 o o m ax 假设要按+5V输出电压的纹波系数为3mV,正负12V输出电压的 纹波系数为20mv由公式23计算 7805前滤波电容值为 Vi = Vop.pVi VOSV 1mV 8V 5V 5 10-4V =32V 2A 0.01S =6250uF 32V 耐压值需大于10V,取电容值6800uF,耐压彳1大于16V的电解 电容。 7812、7912前滤波电容值为 1A 0.01S 4000uF 2.5V 耐压值需大于20V,取电容值2200uF,耐压彳

9、1大于36V的电解 电容。可得SV = 2.75 10 4、散热片的选择 为保证稳压器能正常工作并到达设计指标，首先要把稳压器工作 时产生的热量及时散发掉。稳压器的最大允许功耗取决于芯片的最高 结温。仅当芯片的工作温度低于最高结温时，稳压器才能正常工作。 因此，稳压器的散热能力与强，芯片的实际结温就愈低，它所能承受 的功率也愈大。 稳压器的散热能力取决于它的热阻。给半导体器件夹散热器后可 以减小总热阻。 R尔=TjM ：TA_RA 24 PD 式中，Rd表示散热片与周围空气的热阻，TjM为稳压器的允许 最高结温，TA为环境温度，PD表示设计功耗，RA表示从结到器件 外表的热阻。Vi Vop-p

10、Vi VoSv 1mV 15V 12V 5 10V =2.5V 稳压器允许最高结温为TjM =125C 民品，环境温度TA = 40C . . . 、 . 、 、 . 4 . 7805稳压器的设计功耗为：PD = 3V父2A = 6W。查资料得TO220 封装 = 7P/W , TO3 封装 RA = 6P/W 代入公式24中得 查资料得散热片的外表积约为100cm2 铝板。留出1/3余量, 实际铝散热板面积为130 cm2。涂导热硅脂后，查资料得 %=1*C/W,算得Rd =14.20C/W,需散热片的外表积约为 30cm2,实际为留有余量选择40cm2铝板。 同理，算得7812, 7912

11、假设涂导热硅脂 Rd = 55.6/W ,不需要 加散热片。 三、测试方案及结果 1、调试设备与测试条件 调试设备： 586 PC 机 一台 TDS210 型数字双踪示波器 一台 DT890B+ 数字式万用电表 一只 测试条件： 220V市电，室温 250-28 0C 2、测试方案 通电后，观察指示灯的亮灭。假设不全亮，关闭电源，检查电路125-40 6 - 7 = 7.2 C/W 假设全亮，用万用表测量稳压器件的输出电压是否到达指标要求 图3稳压电源性能指标测试电路 输出电压和最大输出电流采用如图 3所示的测试电路，可以同 时测量V0与Iomax。测试过程是：输出端接负载电阻 RL ,输入端

12、接 220V的交流电压，数字电压表的测量值即为 70。再使RL逐渐减小， 直到V0的值下降5%此时流经负载RL的电流即为I max。记下lomax 0 L oi max o max 后迅速增大RL ,以减小稳压电源的功耗。 纹波电压的测试方案，纹波指叠加在输出电压 V0上的交流分 量，一般为mV1。可将其放大后用示波器观测其峰-峰彳lVOPPo也 可以用交流电压表测量具有效值 &V0,由于纹波电压不是正弦波，所 以用有效值衡量存在一定误差。 稳压系数的测试方案，负载电流I0,环境温度T不变的情况下， V0/V。 5V Vi /Vi 如图3所示，先调节自耦变压器使输入电压增加 10%即 Vi = 242V,测量此时对应的输出电压 V01;再调节自耦变压器式输 入电压减小10%即Vi =198V ,测量此时的输出电压V02,然后再输 出Vi = 220V时对应的输出电压V0,那么稳压系数自耦变压器 滑线变阻器 被测稳压 电源 % 电流表 图12使用三端稳压器件 c V0/V0 220 V01 - V02 SV 一 一 Vi/Vi 242 -198 V0 3、测量结果 输出电压：+4.978V, +12.129V,-11.869V 都是空载状况下测 电源