直流稳压电源的设计(包括原理、设计方法及调试步骤)

实验九直流稳压电源的设计一．实验目的1．学习小功率直流稳压电源的设计与调试方法。2．掌握小功率直流稳压电源有关参数的测试方法。二．预习要求1．根据直流稳压电源的技术指标要求，按照教材中介绍的方法，设计出满足技术指标要求的稳压电源。根据设计与计算的结果，写出设计报告。2．制定出实验方案，选择实验用的仪器设备，三．实验原理小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图1所示。图1稳压电源的组成框图与整流与稳压过程1．电源变压器电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：P—2P1其中：P2是变压器副边的功率，P］是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1小型变压器的效率副边功率P2<10VA10〜30VA30〜80VA80〜200VA效率耳0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P］。2．整流和滤波电路在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U［。U］与交流电压U2的有效值u2的关系为：U=（1.1〜1.2）UI2在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：U=J1UTOC\o"1-5"\h\zRM 2流过每只二极管的平均电流为：I 0.45U\o"CurrentDocument"I=R= 2d2R其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：RC〉□£2其中：T=20ms是50Hz交流电压的周期。3．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。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。（1）固定电压输出稳压器常见的有CW78xx〔LM78xx〕系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79xx〔LM79xx〕系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压U］与输出电压U。的电压差UI-U°22V。稳压器的静态电流I=8mA。当U=5〜18V时，的最大值UI=35V；当U=18〜24V时，UIo o I Imax o I的最大值UImax=40V。它们的引脚功能与组成的典型稳压电路见附录图A所示。〔2〕可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列〔LM317〕三端稳压器；有输出负电压的CW337系列〔LM337〕三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调X围为U=1.2〜37V，最大输出电流I=1.5A。输入电压与输出电压差的允许X围为：o omaxU［-U°=3〜40V。三端可调式集成稳压器的引脚与其应用电路见附录图B。三．稳压电源的设计方法：稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压AUo o op-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：1）根据稳压电源的输出电压U、最大输出电流I，确定稳压器的型号与电路形式。o omax2） 根据稳压器的输入电压U厂确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据p2,从表1查出变压器的效率n,从而确定电源变压器原边的功率P］。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。3） 确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压U和滤波电容DRM的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。设计举例：设计一个直流稳压电源，性能指标要求为：U=+3V〜+9V,I 二800mA,o omax纹波电压的有效值AU<5mV,稳压系数S<3x10-3ov设计步骤：1）选择集成稳压器，确定电路形式TOC\o"1-5"\h\z集成稳压器选用CW317，其输出电压X围为：U二1.2〜37V，最大输出电流I 为o omax1.5A。所确定的稳压电源电路如图2所示。在图2电路中，R和R组成输出电压调节电路，输出电压U沁1.25（1+RR）,1 w o w1R取120〜2400，流过R的电流为5〜10mA。取川=24oQ，则由U二1.25（1+R/R）,1 1 1 o w1可求得：R 二2100,R二9300，故取R为2k0的精密线绕电位器。wmin wmax w2）选择电源变压器

由于CW317的输入电压与输出电压差的最小值S-U)二3V，输入电压与输出电Iomin压差的最大值S-U)二40V，故CW317的输入电压X围为：IomaxU+(U—U) <U<U+(U—U)omaxIominI omin Iomax即 9V+3V<U<3V+40VI12V<U<43VIU>UImin=12=11V,取U=12V21.11.12变压器副边电流：I>I=0.8A，取I=1A，2omax 2因此，变压器副边输出功率：P>IU=12W222由于变压器的效率n=由于变压器的效率n=0.7，所以变压器原边输入功率p>为留有余地，选用功率为20W的变压器。3）选用整流二极管和滤波电容=0.8A。0max由于：U>42u=、辽X12==0.8A。0maxTOC\o"1-5"\h\zRM 2IN4001的反向击穿电压U >50V，额定工作电流I=1A>I ，故整流二极管RM D 0max选用IN4001。根据U=9V,U=12V,AU =5mV,S=3x10-3，0I0p—pv和公式c AU/AU°=常数 1-v U/U0・I-=常数AUU0.005x12可求得：AU= op—_L=2.2VI US9x3x10-30v所以，滤波电容：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"T11I-- 0.8x x-C=—c-=^^2= =0.003636F=3636uF\o"CurrentDocument"AUAU 2.2II电容的耐压要大于v2U=\2X12=17V，故滤波电容C取容量为4700卩F，耐压2为25V的电解电容。

四．稳压电源的安装与调试按图3所示安装集成稳压电路，然后从稳压器的输入端加入直流电压U/<12V，调节RW，按图3所示安装集成稳压电路，然后从稳压器输出电压也跟着发生变化，说明稳压电路工作正常。用万用表测量整流二极管的正、反向电阻，正1r确判断出二极管的极性后，按图4所示先在变压器U[的副边接上额定电流为1A的保险丝，然后安装整C-流滤波电路。安装时要注意，二极管和电解电容的极性不要接反。经检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用示波器或万用表图3稳压电路检查整流后输出电压U[的极性，若U[的极性为负，〔其中：D5、D6为IN4001型二极管,则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路，C]=0.1卩F,C2=10gF，C0=1卩F输出电压也跟着发生变化，说明稳压电路工作正常。用万用表测量整流二极管的正、反向电阻，正1r就会损坏集成稳压器。因此确定UI的极性为正后，断开电源，按图2所示将整流滤波电路与稳压电路连接起来。0 然后接通电源，调节Rw的值，若输出 u1电压满足设计指标，说明稳压电源中各~220V级电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标的测试。图4整流滤波五．稳压电源各项性能指标的测试1．输出电压与最大输出电流的测试测试电路如图1．输出电压与最大输出电流的测试测试电路如图5所示。一般情自耦变压器电流1要小于最大输出电流1 , ~o omaxI。电流表V电取10二0.5A，可算出Rl=18Q，电路工作时R上消耗的功率为：I。电流表V电LP二UI二9x0.5二4.5WL oo故R取额定功率为5W,阻值为图5稳压电源性能指标的测试电路L18Q的电位器。测试时，先使R二18。，交流输入电压为220V,用数字电压表测量的电压值就是U。Lo

然后慢慢调小R，直到u的值下降5%,此时流经R的电流就是I ，记下I后,LoLomax omax要马上调大R的值，以减小稳压器的功耗。L2．稳压系数的测量按图5所示连接电路，在U二220V时，测出稳压电源的输出电压U。然后调节自耦1o变压器使输入电压Ui二242V，测出稳压电源对应的输出电压uoi；再调节自耦变压器使输入电压U二198V，测出稳压电源的输出电压U2。则稳压系数为:1 o21220242-1220242-198U-U—o1 o2Uo3．输出电阻的测量按图5所示连接电路，保持稳压电源的输入电压U1二220V，在不接负载Rl时测出开路电压Uo1，此时Io1=0，然后接上负载rl,测出输出电压U°2和输出电流Io2，则输出电阻为:U-UU-UTOC\o"1-5"\h\zR=——o1 o2=—o1 o2\o"CurrentDocument"oI—I Io1o2 o24．纹波电压的测试用示波器观察U的峰峰值，〔此时Y通道输入信号采用交流耦合AC〕，测量AUo op-p的值〔约几mV〕。5．纹波因数的测量用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值，用万用表〔或数字万用表的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。则纹波因数为:输出电压交流分量的有效值Y=输出电压的直流分量六．实验内容:1．设计一个输出电压连续可调的稳压电源，性能指标为:输出电压U0=〔+3〜+12V〕；最大输出电流I =100mA0 0max负载电流I二80mA0纹波电压AU <5mVop—p稳压系数S<5x10-3v2．按照教材中所介绍的方法，设计满足以上性能指标的稳压电源，计算出稳压电源中

各元件的参数，安装和调试电路。在保证电路正常工作后，测出稳压电源的性能参数U 、U、I、S、0min0max0maxvR、AU和丫。0 op-p七.实验报告要求列出设计题目和技术指标要求。列出设计步骤和电路中各参数的计算结果。画出标有元件值的电路图。列出性能指标的测试过程整理实验数据，并与理论值进行比较。附录：1.固定式三端稳压器的引脚图与典型应用电路〔a〕CW78xx系列的引脚图与应用电路〔b〕CW79xx系列的引脚图与应用电路〔其中：C〔a〕CW78xx系列的引脚图与应用电路〔b〕CW79xx系列的引脚图与应用电路〔其中：C1=0.33yF,Co=0.1gF，C「〔其中：C1=2.2yF,CO=1吓〕Co采用漏电流小的钽电容〕图A固定式三端稳压器的引脚图与应用电路说明：稳压器输入端的电容C1用来进一步消除纹波，此外，输出端的电容Co与C1起到了频率补偿的作用，能防止自激振荡，从而使电路稳定工作。2.可调式三端稳压器的引脚图与其典型应用电路在图B(a)中，比与Rw组成输出电压3CW317討调节电路，输出电压Uo~1.25(1+Rw/RJ,Cw317i1Io w1R1的值为120〜240Q，流经R1的泄放电 1』3流为5〜10mA。R为精密可调电位器。电RW CwW2容C]可以进一步消除纹波，电容C1与C°arjUoUi还能起到相位补偿作用，以防止电路产生〔a〕CW317系列引脚图与应用电路自激振荡。电容C2与Rw并联组成滤波电其中：C1=0.01gF,C2=10gF，CO=1gF,路，电位器Rw两端的纹波电压通过电容C2R]=200Q,RW=3kQ,D5用IN4001旁路掉，以减小输出电压中的纹波。二极管D5的作用是防止输出端与地短路时，因