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三【设计思想及基本原理分析】
1、设计思想
(1)确定电源变压器副边电压值
A.要设计输出12V,电流1A的直流稳压电源,并使7812正常工作,必须保证输入与输出间维持大于2V的压降。
因此,7812输入端的直流电压必须大于14V。
B.根据经验可取U=1.2Uef,若想在7812输入端获得14V电压,副边电压有效值Uef=U/1.2=14/1.2=11.7V
C.考虑到整流电路的压降最小为1.4V(两个二极管串联),副边电压电压有效值应为13.1V。
再考虑电网10%波动时,故副边电压可取15V。
(2)确定整流桥型号
考虑到电路中会出现冲击电流,整流桥的额定电流最少是工作电流的2~3倍。
选择RS307(3A,耐压1000V)可留有很大的富裕量,满足要求。
(3)确定滤波电容
A.确定滤波电容C1前要先求出Ri及τ值
B.求Ri时,电流为1A,7812输入端的电压为14V,所以Ri=14Ω
C.通常取时间常数τ=(3~5)T/2,T=0.02s,取τ=1.5T=0.03s
则滤波电容C1=0.03/14=2.14mF,可以选购2200μF,耐压25V的电解电容。
(4)确定去耦电容
去耦电容C2、C3是三端稳压芯片要求的,用来滤除高频分量防止自激,其值可以在0.1~0.47μF之间选取。
取C2=330nF,C3=100nF
(5)确定三端稳压器
根据实验要求,选择了7805,7812和7912稳压芯片,分别输出5V,12V和-12V稳定电压。
同时,在稳压芯片的输入与输出端之间并联上二极管,起到保护芯片的作用。
(6)确定散热片型号
电网向上波动10%时,变压器副边电压为16.5V。
电网向下波动10%时,变压器副边电压为13.5V。
7812输入端最大电压值为U=1.414(16.5-1.4)=21.3V。
此时,7812的压降为9.3V,最大功耗为9.3W。
C1的耐压值大于16.5V*1.414=23.3V,可以安全工作。
2、基本原理分析
在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电,小功率稳压电源一般是由电源变压器、整流、滤波和稳压等四部分电路组成。
其基本电路框图及经各电路变换后,输出的波形如图3.3.1所示。
(1)电源变压器
电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需的低电压。
(2)整流电路
整流电路一般采用具有单向导电性的二极管组成,经常采用单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。
图3.3.1所示的整流电路为应用广泛的桥式整流电路。
电路中采用了四个二极管,组成单相桥式整流电路。
整流过程中,四个二极管轮流导通,无论正半周或负半周,流过负载的电流方向是一致的,形成全波整流,将变压器输出的交流电压变成了脉动的直流电压。
(3)滤波电路
在整流电路的输出端并联电容即可形成滤波电路。
加入电容滤波电路后,由于电容是储能元件,利用其冲放电特性,使输出波形平滑,减少脉动成分,以达到滤波的目的。
为了使滤波效果更好,可选用大容量的电容为滤波电容。
因为电容的放电时间常数越大,放电过程越慢,脉动成分越少,同时使得电压更高。
(4)稳压电路
经过滤波后输出的直流电压仍然存在较大纹波,而且交流电网电压容许有±
10%的起伏,随着电网电压的起伏,输出电压也会随之变动。
此外,经过滤波后输出的直流电压也与负载的大小有关,当负载加重时,由于输出电流能力有限,使得输出的直流电压下降。
因此,当需要稳定的直流电源时,在整流、滤波电路后通常需要配有稳压电路。
稳压电路的种类很多,在此我们以集成稳压器组成的稳压电路为例进行讨论。
在集成稳压器中,三端式稳压器应用广泛。
它有三个端子:
输入端、输出端和公共端。
三端式稳压器有两种,一种是输出电压固定,称为三端固定输出稳压器,另一种是输出电压可调,称为三端可调输出稳压器。
三端固定输出集成稳压器的通用产品有78XX系列(正输出电压)和79XX系列(负输出电压)。
输出电压由具体型号中的后两个数字代表。
其额定输出电流以78或79后面所加字母来区分:
L表示0.1A,M表示0.5A,无字母表示1.5A。
如:
7805,表示输出+5V电压,额定输出电流1.5A;
又如79L12,表示输出-12V电压,额定输出电流0.1A。
三端固定输出稳压器可以最简单的形式接入电路中使用,如图3.5.2所示。
经过整流、滤波后不稳定的直流电压从输入端输入,在稳压器的输出端得到了稳定的直流电压输出。
为使电路正常工作,要求输入电压应比输出电压至少高出2.5~3V。
电容C1可防止自激振荡,还可抑制电源的高频脉冲干扰,一般取0.1~1μF。
输出端电容C2用以改善负载的瞬态响应,消除电路的高频噪声,同时也具有消除自激振荡的作用。
集成三端稳压器的内部电路中有保护电路,但在实际应用中仍需在其外围电路中增加保护电路,以使其不受损坏。
另外,在使用时还需注意以下几点:
①防止输入、输出反接;
②防止稳压器浮地故障;
③防止稳压器输入端短路;
④应接入足够大的散热器。
四【元件介绍及元件参数设计】
1、元件介绍
(1)三端集成稳压器
L78、79系列集成稳压器是一种有广泛用途的三端集成稳压器。
W78系列三端集成稳压电路具有固定输出正电压,L79系列三端集成稳压电路具有固定输出负电压。
这两个系列稳压器都具有较完善的短路和限流保护、过热保护和调整管安全工作区保护电路,因而他的工作是比较可靠的。
字母后面的数字表示输出电压,电压等级:
5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V。
如设计一个输出的线性直流稳压电源,选择L7812、L7912。
(2)整流桥
整流桥的作用是将交流电转变为直流脉动电压。
整流桥堆产品是由四只整流硅芯片作桥式连接,外用绝缘朔料封装而成,大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封,增强散热。
最大整流电流从0.5A到100A,最高反向峰值电压从50V到1600V。
一般整流桥命名中有3个数字,第一个数字代表额定电流;
后两个数字代表额电压。
本实验用RS307,即额定电流3A,额定电压1000V。
2、元件参数设计
(1)整流电路参数计算
输出电压平均值:
输出电流平均值:
平均整流电流:
最大反向电压:
整流二极管的选择(考虑电网%波动):
(2)滤波电路参数计算:
滤波电容的选择:
一般选择几十至几千微法的电解电容,耐压值应大于。
五【测试结果分析】
1、测试结果分析
输出端正电压Uo1=12.15V纹波电压170uf
输出端负电压Uo2=-11.97V纹波电压170uf
输出端正电压Uo1=5.059V纹波电压160uf
仿真实验结果:
输出端正电压Uo1=12.471Vb
输出端负电压Uo2=-12.644V
输出端正电压Uo1=5.002V,
从仿真结果可以看出,该电路基本达到了输出直流电压的要求。
但与线性集成稳压电源相比,分立元件线性电路缺少限流保护、过热保护和调整管安全工作区保护电路,在实际电路中,比较容易出现问题;
若再设计这些电路,则会使电路变得更加复杂,成本也会相应提高。
在两个线性集成稳压电源电路中,电路都较为简单,比较易于实现,且芯片中带有保护电路,使整个电路更加安全稳定。
通过对比,我们可以发现,实际测得结果甚至比仿真结果的效果还要好。
所设计满足了实验要求。
六【设计过程的体会】
(1)为了确保设计电路的正确性,建议在正式焊接之前先进行仿真,对设计不合理的地方进行调试改进,在仿真结果符合设计要求的前提下进行下一步的焊接工作。
在焊接时候,建议选择单连通洞洞板,这样可以避免不必要的线路短接,并且能较好的看到线路图布局。
(2)对于这种电路图比较简单,线路分布不是很复杂的电路,拖焊效果要比接导线要好,并且还很省事,但是缺点是如果不太熟练焊接可能会导致走线很粗,浪费焊锡。
(3)在元件选择方面应该详细的了解元件参数适配自己的电路。
很多同学接220V电压后电路烧毁,这不仅需要我们接电源之前自己检查核对电路,确保没有虚焊短路,还有看看元件是否匹配。
我焊好之后信心满满的去测试,在测试完成拔电源的一瞬间,我看到两个2200uf的电容吱吱的响着歪倒了,后来仔细检查发现他们是因为压限16V过小而被击穿。
七【元件清单】
序号
名称
数量
1
单股导线(蓝)
1米
2
单股导线(白)
3
单面单连洞洞板(8cm*12Cm)
1块
4
KBP210整流桥
1个
5
40P杜邦线(20cm)
1排
6
散热片(套装)
3套
7
7805
8
7912
9
7812
10
电解电容220uF
3个
11
电解电容2200uF
12
电解电容0.1uF
13
电解电容0.33uf
14
变压器
15
排针
16
电源插头
1根
17
焊锡
八【软件仿真】
1、稳压器仿真电路图
2、原始电压
3、整流后电压
4、12V滤波后电压
5、5V滤波后电压
九【参考文献】
[1]李金平,路勇,延凤平.模拟集成电路基础[M].北京:
中国铁道出版社,2010.
[2]侯建军,佟毅,刘颖,等.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计[M].北京:
高等教育出版社,2007.
[3]谭博学,苗汇静.集成电路原理及应用[M].北京:
中国工业出版社,2011.
[4]陈军,孙梯全,施琴.电子技术基础实验[M].南京:
东南出版社,2011.
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