毕业设计10-直流稳压电源-

PAGEPAGE253目录一前言二串联稳压的原理、整体电路介绍三整流、滤波原理四元器件简介1、半导体二极管2、半导体三极管3、集成运算扩大器的特点4、CC7107芯片5．变压器的基本知识五0~30V/2A串联稳压电源制定1、串联稳压电源原理图2、计算选型整流管选型计算电容器选型计算变压器选型及制作要求运算比较扩大的实现大功率调整管制定选型其他元器件选型3、运放电源、显示表头电源、高稳定基准电压制定4、输出电压电流数字指示的实现5、稳压源的功能作用六直流数显稳压电源技术指标七谢词八参照文献一、前言现在的电子设备一般都需要直流电源供电，而这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采纳把交流电〔市电〕转变为直流电的直流稳压电源。而且这种状况越来越常见，应用也越来越广泛。特别是这些电子设备上运用的直流电都是低压电，而且在同一设备上直流电要求的大小也是不一样的。针对这种状况，本次制定的就是0~30V三档连续可调的直流稳压电源。此电源的特点就是在0~30v的电压范围内，电压连续可调，这样应用的范围就会非常广泛。不仅可以用于工业，农业的许多电子设备，而且也可以应用于学习生活中的许多地方。这款直流稳压电源在制定时合计到它的安全性及稳定性，而且使用方便，是一款非常适用的直流稳压电源。当然，在这次制定中由于时间和能力的关系，其中不免有些不够的地方，希望大家能够批评指正！二串联型晶体管稳压电源直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。电网供给的交流电压u1〔220V，50Hz〕经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变幻成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压u1。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变化而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以确保输出直流电压更加稳定。直流稳压电源其整流部分为单相桥式整流，电容滤波电路。稳压部分为串联型稳压电路，它由调整元件；比较扩大器；取样电路；基准电压和过流保护电路晶体管及电阻等组成。整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较扩大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经晶体管扩大后送至调整管的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。由于在稳压电路中，调整管与负载串联，因此流过它的电流与负载电流一样大。当输出电流过大或发生短路时，调整管会因电流过大或电压过高而损坏，所以需要对调整管加以保护。稳压电源的主要性能指标：输出电压U0和输出电压调节范围最大负载电流输出电阻R0输出电阻R0定义为：当输入电压U1〔指稳定电路输入电压〕坚持不变，由于负载变化而引起的输出电压变化量之比，即：R0=△U0/△I0｜U1=常数稳压系数S〔电压调整率〕稳压系数定义为：当负载坚持不变，输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即：S=U1△U0/U0△U1|RL=常数由于工程上常把电网电压波动±10%做为极限条件，因此也有将此时输出电压的相对变化△U0/U0做为衡量指标，称为电压调整率。纹波电压输出波纹电压是指在额定负载条件下，输出电压中所含交流分量的有效值〔或峰值〕。整体电路介绍：整个电路由整流滤波环节、分压电路、输出取样电路、反馈扩大电路、串联稳压电路、基准电压电路构成。电路工作状况是这样的：交流电经变压器经整流滤波环节得直流电，直流电压经过分压，输出所需的〔10V-20V-30V〕电压。但有时因为电网电压波动和外部负载变化等干扰，导致输出电压不理想，因此将输出电压和基准电压通过比较，再经过反馈扩大电路、串联稳压电路，最终得到所需电压。三整流、滤波原理单相桥式整流电路：单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成的，如图1-1所示，我们先来分析它的工作状况。图1-1单相桥式整流电路在变压器副边电压u的正半周时，其极性为上正下负〔图1-1〕，即a电位高于b点，二极管D1和D3导通，D2和D4截止，电流i1的通路是a~D1~R2~D3~b。这时，负载电阻R=12\*ALPHABETICL上得到一个半波电压。在电压u的负半周时，变压器副边的极性为上负下正，即b点的电位高于a点。因此，D1和D3截止，D2和D4导通，电流i2的通路是b→D2→RL→D4→a。同样，在负载电阻上得到一个半波电压。电容滤波器：图：接有电容滤波器的单相半波整流电路图中与负载并联的电容器就是一个简单的滤波器。电容滤波器是依据电容器的端电压在电路状态改变时不能跃变的道理制成的。下面分析电容滤波器的工作状况。从图中可以看出，在二极管导通时，一方面供电给负载，同时对电容器C充电。在忽略二极管正向压降的状况下，充电电压Uc与上升的正弦电压U一致。电源电压U达到最大值，Uc也达到最大值。而后U和Uc都开始下降，U按正弦规律下降，当U<Uc时，二极管承受反向电压而截止，电容器对负载电阻RL放电，负载中仍有电流，而Uc按电容放电曲线下降。在U的下一个正半周内，当U>Uc时，二极管再行导通，电容器再被充电，重复上述过程。电容器两端电压Uc即为输出电压Uo，其输出电压的脉动与没有电容器滤波想比较大为减小，并且电压较高。在空载〔RL=∞〕和忽略二极管正向压降的状况下，Uo=采纳电容滤波时，输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数RLC有关系。RLC大一些，脉动就小一些。为了得到比较平直的输出电压，一般要求RL≥〔10~15〕1/ωc，即RLC≥〔3~5〕T/2。式中T是电源交流电压的周期。此外，由于二极管的导通时间短〔导通角小于180°〕，但在一个周期内电容器的充电电荷等于放电电荷，即通过电容器的电流平均值为零，可见在二极管导通期间其电流iD的平均近似等于负载电流的平均值Io，因此iD的峰值必定较大，产生电流冲击，容易使管子损坏，因而在选择二极管时要合计到这点。总之，电容滤波电路简单，输出电压Uo较高，脉动也较小；但是外特性较差，且有电流冲击。因此，电容滤波器一般用于要求输出电压较高，负载电流较小并且变化也较小的场合。通常都采纳极性电容器。四元器件简介1．半导体二极管：将PN结加上相应的引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，当 外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多载流子〔除少量能量较大者外〕扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定数值后，内电场大大削弱，电流增长很快。这个一定数值的正向电压称为死区电压，通常硅管的死区电压为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6~0.8V，锗管约为0.2~0.3V。在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快；一是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定。而与反向电压的凹凸无关。故通常称它为反向饱和电流。而当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大 ，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能，便失效了。二极管的主要参数：最大整流电流最大整流电流是指二极管长时间使用时，同意通过二极管的最大正向平均电流。点接触型的二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型二极管的最大整流电流较大。2、反向工作峰值电压它是确保二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。反向峰值电流它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。稳压管：稳压管是一种特别的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管工作于反向击穿区。反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的。当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常。但是，如果反向电流超过同意范围，稳压管将会发生热击穿而损坏。2．半导体三极管：半导体三极管〔简称晶体管〕是最重要的一种半导体器件。晶体管的结构，目前最常见的有平面型和合金型两类。硅管只要是平面型，锗管都是合金型。不管平面型或合金型，都分有NPN或PNP三层，因此又把晶体管分为NPN型和PNP型两类。每一类都分成基区、发射区和集电区，分别引出基极B、发射极E和集电极C。每一类都有两个PN结。基区和发射区之间的结称为发射结，基区和集电区之间的结称为集电结。通常把晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：扩大区输出特性曲线的近于水平部分是扩大区。在扩大区，Ic=IB。扩大区也称为线性区，因为Ic和IB成正比关系。当晶体管工作于扩大状态时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，即对NPN型管而言，应使UBE＞0，UBC＜0。〔2〕截止区IB=0的曲线以下的区域称为截止区。IB=0时，Ic=ICEO。对NPN型硅管而言，当UBE＜0.5V时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使UBE≤0。截止时集电结也处于反向偏置。〔3〕饱和区当UCE＜UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB的变化对Ic的影响较小，两者不成正比，扩大区的不能适用于饱和区。饱和时，发射结也处于正向偏置。三极管的主要参数：电流扩大系数当晶体管工作在动态〔有输入信号〕时，基极电流的变化量为△IB，它引起集电极电流的变化量为△Ic。△Ic与△IB的比值称为动态电流〔交流〕扩大系数=△Ic/△IB集-基极反向截止电流ICBOICBO是当发射极开路时由于集电结处于反向偏置，集电区和基区中的少数载流子的漂移运动所形成的电流。集-射极反向截止电流ICEOICEO是当IB=0〔将基极开路〕、集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时的集电极电流。又因为它好象是从集电极直接穿透晶体管而达到发射极的，所以又称为穿透电流。集电极最大同意电流ICM集电极电流Ic超过一定值时，晶体管的值要下降，当值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大同意电流ICM。集电极最大同意耗散功率PCM由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温声高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起参数变化不超过同意值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大同意耗散功率PCM。3．集成运算扩大器的特点：集成运算扩大器的一些特点与其制造工艺式紧密相关的，主要有以下几点：一、在集成电路工艺中还难于制造电感元件；制造容量大于200pF的电容与比较困难，而且性能很不稳定，所以集成电路中要尽量避免使用电容器。而运算扩大电路各级之间都采纳直接耦合，基本上不采纳电容元件，因此合适于集成化的要求。必需使用电容器的场合，也大多采纳外接的办法。二、运算扩大器的输入级都采纳差动扩大电路，它要求两管的性能应该相同。而集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，容易获得特性相近的差动对管。又由于管子在同一硅片上，温度性能基本上坚持一致，因此，容易制成温度漂移很小的运算扩大器。三、在集成电路中，比较合适的阻值大致为100Ω~30kΩ。制作高阻值的电阻成本高，占用面积大，且阻值偏差大〔10%~20%〕。因此，在集成运算扩大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。必需用直流高阻值电阻时，也常采纳外接方式。集成电路中的二极管都采纳晶体管构成，把发射极、基极、集电极三者适当组配使用。4．CC7107A/D转换器组成的3½位直流数字电压表：CC7107型A/D转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、躁声低，能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。附图1是它的引脚排列及功能，各引出端功能见附表2-1。附图1附表2-1端名功能V+和V-电源的正极和负极aU~gU个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的相应笔画电极aT~gTaH~gHAbk千位笔画驱动信号，接千位数码管的a、b两个笔画电极PM负极性指示的输出端，接千位数码管的g段。PM为低电位时显示负号INT积分器输出端，接积分电容BUF缓冲扩大器的输出端，接积分电阻AZ积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容IN+、IN-模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端COM模拟信号公共端，即模拟地C外接基准电压端基准电压的正端和基准电压的负端TEST测试端。该端经500Ω电阻接至逻辑线路的公共地。当作“测试指示〞时，把它与V+短路后，LED全部笔画点亮，显示数-1888OSC~OSC时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成的多谐振荡器由CC7107组成的3½位直流数字电压表外围元件的作用是：R1、C1为时钟振荡器的RC网络。R2、R3是基准电压的分压电路。R2使基准电压V=1VR4、C3为输入端阻容滤波电路，以提升电压表的抗干扰能力，并能加强它的过载能力。C2、C4分别是基准电容和自动调零电容。R5、C5分别是积分电阻和积分电容。CC7107的第21脚〔GND〕为逻辑地，第37脚〔TEST〕经过芯片内部的500Ω电阻与GND接通。芯片本身功耗小于15mW〔不包括LED〕，能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，在正常亮度下每个数码管的全亮笔画电流大约为40~50mA。CC7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。5．变压器的基本知识变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但依据不同的使用场合〔不同的用途〕变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有：电压变幻；阻抗变幻；隔离；稳压〔磁饱和变压器〕等，变压器常用的铁心形状一般有E型和C型铁心。

一、变压器的基本原理

当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了坚持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，无论此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流〞。

如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以坚持铁心里总磁通量不变。如果不合计变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能依据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变同意负载消耗的功率。

二、变压器的损耗

当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁心流动，因为铁心本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，好象一个旋涡所以称为“涡流〞。这个“涡流〞使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁心发热变压器的温升增加。由“涡流〞所产生的损耗我们称为“铁损〞。另外要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损〞。所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。

由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述，η=输出功率/输入功率。

三、变压器的材料

要绕制一个变压器我们必需对与变压器有关的材料要有一定的熟悉，为此这里我就介绍一下这方面的知识。

1、铁心材料：

变压器使用的铁心材料主要有铁片、低硅片，高硅片，的钢片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示，一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000，

2、绕制变压器通常用的材料有

漆包线，沙包线，丝包线，最常用的漆包线。关于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。一般状况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。

3、绝缘材料

在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，层间可用聚脂薄膜或纸作隔离，绕阻间可用黄腊布作隔离。

4、浸渍材料：

变压器绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能加强变压器的机械强度、提升绝缘性能、延长使用寿命，一般状况下，可采纳甲酚清漆作为浸渍材料。五0~30V/2A串联稳压电源制定串联稳压电路原理图稳压源调试说明1指标：三档连续可调，10V档最小值小于0.06V，最大位于10.2V－11V间；20V档最小值19.1V－19.9V间，最大20.2V-22V间；30V档最小值19.1V－19.9V间，最大30.2V－33V间；输出加负载0.7A；起控电流0.7A；具有短路软截止保护，短路电流10V档小于250；20V档小于150；30V档小于50；2．三档电压如都偏大或偏小，可改变输出取样环节4.7K与1.2K的比值〔输出偏小可在1.2K电阻上并50K左右的一般电阻〕；其中一档偏大或偏小可改变基准电压出三个电阻的阻值。3．2N5551损坏的机率较大。4．T3开路、T1CE两极短路则输出接近整流值且不可调、T3短路输出接近零；T4CE短路输出随机值也不可调，T4坏则输出保护不起作用。2、计算选型已知：Io≥2A，Uo=30V所以：RL=Uo/Io=15Ω〔1〕选择整流二极管流过二极管的电流ID=Io/2=1/2*2=1A取Uo=1.2U，所以变压器副边过电压的有效值为：U=Uo/1.2=30/1.2V=25V合计到变压器副绕组及管子上的压降，变压器的副边电压大约要高出10%，即25*1.1=27.5V。于是UDRM=1.414*27.5V=38.89V、因此可以选用二极管1N5408。〔2〕选择滤波电容器依据RLC=5*T/2，所以RL已知RL=15Ω，所以L选用C=3300uF，耐压为50V的极性电容器〔3〕变压器的选择变压器的变化：K=220/27.5=8变压器副边电流的有效值为：〔4〕依据电路的反馈原理以及扩大系数、价格等综合因素合计，在制定中可选用LM324型集成运算扩大器。〔5〕大功率调整管的选择合计到变压器副边绕组及管子上的电流损耗，变压器的副边电流大约要高出10%，即2*1.1=2.2A，于是PT1′在电路中，大功率调整管的功率应大于电路所需功率的30%，即PT1=PT1′可选用3DF10B型大功率管调整管〔6〕其它元件的选择集成运放和双向稳压管：依据实际工作中的温度变化、材料质量、价格因素等综合合计，在电路中可选用LM324型运算扩大器，以及2DW231型双向稳压管，其限流电阻通过计算可求得：Ω=500Ω可选用电阻为510Ω的限流电阻3、运放电源、显示表头电源、高稳定基准电压制定W7805系列稳压器的内部电路也是串联型晶体管稳压电路。这种稳压器只有输入端1、输出端2和公共端3三个引出端，故也称为三端集成稳压器。使用时只需在其输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容即可。Ci用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，接线不长时也可不用。Co是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。Ci一般在0.1~1uF之间；Co可用1uF。W7800系列输出固定的正电压有5V，8V，12V，15V，18V，24V多种。如上图所示，本次制定的0~30V串联稳压电源，其运放电源、高稳定基准电压源有W7812稳压器提供，显示表头电源由W7805稳压器提供。4．输出电压电流数字指示的实现由图〔a〕可知，输出电压与输入电压之间的关系是：所以要选择0.1V的电压表表头。而图〔b〕是串联在电路中，则其分压电压很小，但流过的电流很大，所以要选择1V的电流表表头。表头介绍：1、ICL7107为三位半AD转换器同时可直接驱动LED共阳数码管；2、第36、35脚为基准电压〔Uref〕，通常为100mV、1V或0.8V；3、第31、30脚为待转换的模拟电压〔Uin〕，要求直流2V以下；4、显示数值COUNT=〔Uin/Uref〕*1000，芯片不驱动小数点；5、数码管公共端经30Ω电阻接到+5V电源，小数点〔实质是发光二极管〕通过开关切换，其中一个经430Ω电阻到电源地构成负极和公共端〔430Ω电阻一端〕引出作成插座，点小数点则只需将公共端与某一个小数点对应的发光二极管的负极短接即可点亮小数点；6、表头上黑色象三极管的为LM385，可认为是1.25V的稳压管；7、第37脚短接到V+时，表头显示‘-1888’，此项常用对线路及数ICL7107三位半数显表头5、稳压源的功能作用负载变化的状况下稳压