集成直流稳压电源的设计Word格式.docx
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15V电压。
(2)输出纹波电压小于5mV,稳压系数小于5×
10-3;
输出内阻小于0.1Ω。
(3)加输出保护电路,最大输出电流不超过2A。
2)、设计要求:
(1)电源变压器只做理论设计。
(2)合理选择集成稳压器及扩流三极管。
(3)保护电路采用限流型。
(4)完成全电路理论设计、仿真、调试。
(5)撰写课程设计报告。
二、设计框图及整机概述
1、设计框图
直流稳压电源的一般设计思路为:
由输出电压、输出电流确定稳压电路形式,通过计算极限参数(电压、电流和功耗)选择器件;
由稳压电路所要求的直流电压、直流电流输入确定整流滤波电路形式,选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压UI的有效值、电流II的有效值及变压器功率。
最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。
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,基本框图如2-1所示。
图(a)直流稳压电源基本组成框图
图(b)整流与稳压过程稳压电源
图2-1集成直流稳压电源
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后,稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
增加放大环节,提高稳定性,使输出电压可调;
用复合管做调整管,使输出电流增大;
增加保护电路,使电源工作安全可靠。
若用集成电路选78XX和79XX稳压器。
2、主要性能指标
1)输出电压
2)最大输出电流
3)稳压系数
(电压调整率)
由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度,称为稳定度指标,常用稳压系数,即当负载保持不变,输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。
测量稳压系数:
在负载电流为最大时,分别测得输入交流比220V增大和减小10%的输出
,并将其中最大一个代入公式计算
,当负载不变时,
由于工程上常把电网电压波动
%作为极限条件,因此也有将此时输出电压的相对变化
作为衡量指标,称为电压调整率。
4)纹波电压
所谓纹波电压,是指输出电压中50赫或100赫的交流分量,通常用有效值或峰值表示,或是说,输出纹波电压时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)。
经过稳压作用,可以使整流滤波后的纹波电压大大降低,降低的倍数反比于稳压系数
。
纹波电压测量:
叠加在输出电压上的交流分量,一般为mV级。
可将其放大后,用示波器观测其峰—峰值
;
用可用交流毫伏表测量其有效值
,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。
5)输出电阻
输出电阻定义为:
当输入电压
(指稳压电路输入电压)保持不变,由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比,即
负载变化时(从空载到满载),输出电压,应基本保持不变。
稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。
输出电阻反映负载变动时,输出电压维持恒定的能力。
性能优良的稳压电源,输出电阻可小到1欧,甚至0.01欧。
三、各单元电路的设计方案及原理说明
1、电源变压器
电源变压器的效率电源变压器是将220V,50HZ交流电压降压后输出到副边,变换成整流滤波电路所需要的交流电压。
其中:
是变压器副边的功率,
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
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
因此,当算出了副边功率
后,就可以根据上表算出原边功率
2、整流电路
整流是利用二极管的单向导电作用,构成单相半波、全波、桥式或倍压整流电路,或利用其它半导体器件,如SCR可控硅等,将双向的交流电压U2变成单向脉动直流电压。
整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的纹波成分,输出纹波较小的直流电压。
如图3-1为桥式整流电路。
管D1~D4接成电桥的形式,故有桥式整流电路之称。
图3-1桥式整流电路
图3-2桥式整流原理
在v2的正半周,电流从变压器副边线圈的上端流出,只能经过二极管D1流向R1,再由二极管D3流回变压器,所以D1、D3正向导通,D2、D4反偏截止。
在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。
其电流通路可用图中实线箭头表示。
在v2的负半周,其极性与图示相反,电流从变压器副边线圈的下端流出,只能经过二极管D2流向R1,再由二极管D4流回变压器,所以D1、D3反偏截止,D2、D4正向导通。
电流流过R1时产生的电压极性仍是上正下负,与正半周时相同。
其电流通路如图中虚线箭头所示。
综上所述,桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性,将四个二极管分为两组,根据变压器副边电压的极性分别导通,将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连,负极性端与负载电阻的下端相连,使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
结合上述分析,可得桥式整流电路的工作波形如图3-2。
3、滤波电路
1)C滤波器
优点:
电路简单,负载直流电压较高,纹波也较小,适用于小电流。
缺点:
输出特性较差,适用于负载电压较高,负载变动不大的场合。
图3-3C型滤波电路
2)电感电容滤波电路(LC滤波器)
电压经电感滤波后,又经电容滤波,会使负载电阻上得到一个更平滑的直流电压。
适用于电流较大,要求输出电压脉动较小的场合,适合于高频电路。
图3-4LC滤波电路
3)LC组成的∏型滤波电路
滤波效果比LC滤波器更好。
电感线圈的体积大而笨重,成本高;
对整流二极管冲击电流较大。
图3-5LC组成的∏型滤波电路
4)∏型RC滤波电路
电阻对于交直流电流都具有同样的降压作用,更好的实现了滤波作用。
R越大,C越大,滤波效果越好,但R太大会使直流压降增加,故只使用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。
图3-6∏型RC滤波电路
在此设计电路中,我使用的是C型滤波电路,电容C取2200uF。
4、稳压电源4、带有保护电路的稳压电源。
在稳压电路中,要采取短路保护措施,才能保证安全可靠地工作。
普通保险丝熔断较慢,用加保险丝的办法达不到保护作用,而必须加装保护电路。
保护电路的作用是保护碉整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。
其基本方法是,当输出电流超过某一值时,使调整管处于反向偏置状态,从而截止,自动切断电路电流。
保护电路的形式很多有二极管保护电路,由二极管D和电阻
组成。
在使用时,二极管要选用
值大的。
其中
还有三极管保护电路,由三极管和分压电阻组成。
在这里,我选用了最常用的7800和7900系列的稳压管。
稳压系数S,反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。
在同样的输入电压变化条件下,S越小,输出电压的变化越小,电源的稳定度越高。
通常S约为
四、仿真调试过程及结果分析
在仿真过程中,我选择一步一步的实现此次设计要求。
首先,我要实现的功能是输出同时输出±
15V电压,因此选用的变压器是功率为10瓦的变压器,经过变压器,输入比15V大
V。
经过调试,选择使用型号为TS_MISC_VIRTUAL的变压器,其效果最佳,它的输入比15V大
由于输出电流太小,需要加入扩流电路,但在调试中,或许是因为电路设计有误或软件安装不正确,将扩流的三极管放置上去后,运行就会出现错误,所以,暂时不放置扩流电路。
滤波电路起先用是220uF的电解电容,经过查资料及调试,发现用2200uF的效果更好,并且此时的输出电流不再是很小。
纹波电压和稳压系数可以通过万用表或示波器来观察。
保护电路的安装时我在调试中的一大难题,在正极输出的时候有时会起到限流作用,但在负极输出时,就不起作用,在调试中,就没得出解决方案。
经过反复调试,选择适合、效果更佳的元器件。
当我在仿真结果与预期效果有很大差距时,且多次调试无进展时,尝试了用Protel进行仿真,但是有些元器件找不到,也找不到合适的元器件代替,也因为无法确定封装,就无法画PCB。
也尝试连接实物图,但也因为缺乏元器件而作罢。
五、设计、安装及调试中的体会
在调试中,因为对软件的不熟悉,应用起来时出现很多问题,并且,在调试中,或许会因为软件安装有误,电路不能运行。
因此,在调试中,不能很好的检查错误并提出解决方案。
在调试中,要反复的进行元器件的替换,因为型号的选择也会对结果有很大的影响,但有些在上网查使用的时候,不能查到相关资料,此时只有凭经验或一个一个的进行调试。
在调试中,还发现要对相应所学的知识要有一定的掌握,否则在电路设计及调试、解决错误的过程中会遇到很大的瓶颈。
六、对本次课程设计的意见及建议
通过此次课程设计,对于新的知识,需要花一定的时间去进行学习以及掌握,因此,我觉得老师应该给我们更多的时间进行此次课程设计,使得我们在学习中遇到的问题或所学的知识得到很好的而解决以及掌握。
在课程设计之前,希望老师能对相应的设计能进行更深的了解,以便于在最后指导学生时,能很好很快的找出问题所在,并提出解决方案。
由于学生太多,对于老师的指导都是很渴求的,所以,在我们遇到问题时,却无法及时找到老师并进行指导。
七、参考资料
[1]康华光主编电子技术基础模拟部分(第五版),北京,高等教育出版社,2006.4
[2]任国燕主编模拟电子技术实验指导书,重庆,重庆科技学院,2008.11
[3]黄培根编著Multisim10虚拟仿真和业余制版实用技术,北京,电子工业出版社,2008.1
[4]曲学基王增福曲敬铠编著稳定电源电路手册,北京,电子工业出版社,2003.10
[5]谢自美主编电子线路设计·
实验·
测试,武汉,华中科技大学出版社,2006.8
[6]路勇主编电子电实验及仿真,北京,清华大学出版社,北方交通大学出版社,2004.1
八、附录
附录1整机逻辑电路图
当负极输出不加保护电路。
正极输出的波形图
负极输出的波形图
时,输出电流会大于2A,一旦电流超过2A,保护电路会使得输出电流降低至2A一下。
时正极输出的波形图
当负极输出加入保护电路,但当输出大于2A时,并没有起作用。
附录2元器件清单
两个2.2mF的电解电容,两个330nF的电容,四个100nF的电容,LM7815KC和UPC7915稳压管各一个,两个电流表和电压表,四个TIP42B三极管,
、
电阻各一个,两个
电阻,一个220V50HZ的电源,一个TS_MISC_VIRTUAL变压器,一个1B4B42桥式整流,一个双踪示波器,万用表若干。
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- 集成 直流 稳压电源 设计