稳压电源龙章伟.docx
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稳压电源龙章伟
课程设计说明书
课题名称:
半导体直流稳压电源的设计和测试
专业名称:
自动化
学生班级:
自本0903班
学生姓名:
龙章伟
学生学号:
09401040310
指导教师:
陆秀令
模拟电子技术课程设计任务书
系:
电气与信息工程系年级:
2009级专业:
自动化
指导教师姓名
陆秀令
学生姓名
龙章伟
课题名称
半导体直流稳压电源的设计和测试
内
容
及
任
务
一、设计目的和要求
1、学习直流稳压电源的设计方法。
2、研究直流稳压电源的设计方案。
3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法。
4、培养一定的自学能力、独立分析问题的能力和解决问题的能力。
5、巩固常用电子仪器的正确使用方法,掌握常用电子器件的测试技能。
二、设计内容
制作一个半导体直流稳压电源,要求直接接在220V交流电压最后输出正负12V、9V、5V电源,并且要求Iomax=500mA,纹波电压△VOP-P≤5mV,稳压系数Sr≤5%。
三、技术指标
要求电源输出电压为±12V(或±9V/±5V),输入电压为交流220V,最大输出电流为Iomax=500mA,纹波电压△VOP-P≤5mV,稳压系数Sr≤5%。
进
度
安
排
起止日期
设计内容
5.28
设计直流稳压电源的原理图
6.3--6.5
元件参数的切确定
6.6
按万用板焊接实物
主要参考资料
康华光.电子技术基础(模拟部分).第四版
答辩成绩
指导教师评阅意见
目录
1.4设计思路7
第2章设计目的及其设计要求与技术指标8
2.1设计目的8
2.2设计要求和技术指标8
第3章理论分析9
3.1电源原理构成9
3.2理论分析11
第4章具体设计内容绪论12
4.1电源电路原理框图12
4.2单元电路设计13
4.2.1电源变压器13
4.2.2整流电路13
4.2.3滤波电路14
1)电容滤波电路15
2)电感滤波电路16
4.2.4集成稳压器16
4.3元件的选定17
4.3.1参数计算说明17
4.3.2元件选择绪论18
1)、变压器的选择18
2)、整流管及滤波电容的选择18
3)、集成稳压器的选择19
4.4电路设计图19
4.5稳压电源的性能指标20
第5章电路的调试与检测22
5.1静态调试22
5.2动态调试22
5.2.1稳压电源的性能指标的测试22
5.2.2误差分析24
5.3调试注意事项24
第6章结论26
第7章心得体会26
参考文献28
附录A元件清单29
直流稳压电源课程设计综合了模拟电路中的许多理论知识,它使理论知识得到了更好的巩固,并使理论知识与实际问题相联系。
其中主要用到的基础知识有桥式整流电路的工作原理和应用,半导体二极管的应用,滤波电容的分析方法和应用,集成稳压器的性能与作用等,对于综合运用所学过的知识有一定的帮助。
第2章设计思路及其设计要求与技术指标
2.1设计思路
直流稳压电源是由电源变压器、整流、滤波和稳压器等四部分组成。
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值,然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。
由于此脉动的直流电压含有较大的纹波,必须通过滤波电路加以滤除,从而得到平滑的直流电压。
但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。
所以必须在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。
其作用是当电网电压波动、负载和温度变化时,维持输出直流电压的稳定。
2.2设计要求和技术指标
1)技术指标:
要求电源输出电压为±12V(或±9V/±5V),输入电压为交流220V,最大输出电流为Iomax=500mA,纹波电压△VOP-P≤5mV,稳压系数Sr≤5%。
2)设计基本要求:
(1)设计一个能输出±12V/±9V/±5V的直流稳压电源;
(2)拟定设计步骤和测试方案;
(3)根据设计要求和技术指标设计好电路,选好元件及参数;
(4)在万能板上制作一台直流稳压电源;
(5)测量直流稳压电源的内阻;
(6)测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压;
(7)撰写设计报告。
第3章理论分析
3.1电源原理构成
直流稳压电源主要由变压器,滤波电路,稳压电路决定,采用不同的滤波电路、稳压电路可以设计出不同的设计方案。
其原理图大致可以以如下图3—1来表示:
电源
变压器
整流
电路
滤波
电路
稳压
电路
图3—1电源的原理过程图
原理可用四个过程来表示:
1)变压过程:
为了得到输出电压的额定范围,此过程主要是由变压器来完成。
所以,变压器的主要作用是将电网电压转为所需的交流电压,同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。
根据电压器的原副级的电压比的原理公式有:
V1:
V2=n:
1公式(3—1)
其中,V1为电源的输入端输入的交流电压,V2为变压后的变压器的输出端的输出电压,n为变压器原副级线圈匝数比。
此过程本实验采用n=18,故V1:
V2=18,故V2=12.22
2)整流过程:
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
本过程主要是利用二极管的单向导电性实现的,一次二极管是本过程的关键元件。
根据二极管的数量及连接方式可以形成以下几种电路:
单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。
本实验为了使整理效果更佳采用电桥全波整流连接方式。
本过程主要是用这集成整流桥实现。
3)滤波过程:
滤波电路用于滤去整流输出电压的纹波,一般由电抗元件组成,滤波电路可分为电容滤波电路和电感虑波电路。
由于电抗元件具有储能作用,并联的电容器C在电源供给的电压升高时,能将部分能量储存起来,二档电源电压降低时,就把能量释放出来,使负载电压比较平滑,即电容C具有平波作用与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加时,它能把能量存储起来,而当电流减小时,又把磁场能量释放出来,使负载电流比较平滑,即电感L也有平波作用。
本试验将采用并联电容的方式来做滤波电路。
4)稳压过程:
稳压过程能够比较方便的实现电压的相对稳定,当一个电压变化时可以使其输出电压保持相对的稳定,此过程主要是由三段集成稳压管实现。
稳压器选择,我们选择了集成电路,又根据任务书中的提示,选择了三端输出集成稳压芯片CW7812、CW7809、CW7805和CW7912、CW7908、CW7905。
其方框图分别如下图所示。
1输入端
78--
323
输出端输入端输出端
2公共端1公共端
图3—278系列实物图图3—379系列实物图
根据电源的构造,可以将电源分为三类电源:
简单并联型稳压电源、
简单串联型稳压电源、由固定式三端稳压器(78**、79**)组成。
方案:
简单并联型稳压电源因其负载短路时调节管截止,其效率低,且在小电流时调整管需承受很大的电流,损耗过大,因此在本实验中此方案不适合。
方案二:
输出可调的开关电源
开关电源的功能元件工作在开关状态,因而效率高,输出功率大;且容易实现短路保护与过流保护,但是电路比较复杂,设计繁琐,在低输出电压时开关频率低,纹波大,稳定度极差,因此在本实验中此方案不适合。
方案三:
由固定式三端稳压器(78**、79**)组成
固定式三端稳压器(78**、79**)输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值分别为+12V、+9V、+5V和-12V、-9V、-5V,它属于CW78**和CW79**系列的稳压器,输入端接电容可以进一步滤波,输出端接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路比较稳定。
根据实验设计要求及元件的便捷性及精确性,本实验采用方案三。
3.2理论分析
任务书要求输入220V的交流电,输出为±12V(或±9V/±5V)的稳压直流电,则首先应该进行降压处理,然后要对降压后的交流电进行整流,再其次是对含有交流成分的脉动直流电进行滤波处理,最后对直流点进行最后的稳压处理。
电源的原理可以分为以下四个阶段:
降压、整流、滤波、稳压。
(一)降压的过程,直接选用实物降压器进行降压,并且要根据电路中所需的合适电压适当选择降压器,具体情况根据实际需求而定。
在此次我们选用的是12V变压器。
(二)整流过程,自然而然选择了优点突出的桥式整流电路,在此采用整流桥,连接方法此不做说明,在以后的原理图中将做详细的说明。
(三)滤波过程,我用电容滤波电路来实现,它的方法是在桥式整流电路输出端并联一个较大的电容C来构成一个电容滤波电路。
(四)稳压器选择,我们选择了集成稳压芯片,又根据任务书中的提示,选择了三端输出集成稳压器CW7812、CW7809、CW7805和CW7912、CW7908、CW7905。
另外,由于担心电压源的短路情况的发生,我设计了在稳压芯片上并联一个二极管的方法,以应付短路情况,起到过载保护的作用。
第4章具体设计内容
4.1电源电路原理框图
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成,基本框图如图4-1所示。
各部分的作用:
图4-1直流稳压电源基本框图
(1)变压器:
一般的电子设备所需的直流电压与交流电网提供的220V电压相差较大,为了得到输出电压的额定范围,就需要将电网转换到合适的数值。
此次课程设计本人选择了原副线圈比为18:
1的变压器,使得输出电压约为12V。
所以,变压器的主要作用是将电网电压转为所需的交流电压,同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用,有效地避免了因为直接接触高电压而造成的伤害。
(2)整流电路:
利用单向导电器件二极管将交流电压转换成脉动的直流电压,本次设计采用整流桥2CW10,整流桥将交流电转换为比较稳定的直流电压,达到一个初步将交流电转换为直流电的效果。
(3)滤波电路:
利用储能元件电容把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。
此次设计总共用了2200uf、470uf、0.1uf电容分别为2个、6个、8个,以此获得相对平坦的直流电。
(4)稳压电路:
尽管经过整流滤波后的电压接近于直流电压,但其电压的稳定性很差,它受温度,负载,电网电压波动等因素的影响很大,因此,还必须有稳压电路以维持输出直流电压的基本稳定。
本次课程设计采用78系列和79系列的稳压片来达到比较好的稳压效果。
4.2单元电路设计
4.2.1电源变压器
电源变压器有很多种:
有降压的、有升压的,在这次的设计中选用的是降压变压器,它的作用是将来自电网的220V交流电压u1变为整流电路所需要的交流电压u2。
变压器副边与原边的功率比为
η=P2/P1(4-1)
u1:
u2=220:
12=18:
1(4—2)
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
。
4.2.2整流电路
整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用,因此二极管是构成整流电路的关键元件。
在小功率整流电路中(1kW以下),常用的整流电路有全波整流(图4-2)、桥式整流(图4-3)等。
这里采用单相桥式整流电路,采用2CW10整流桥。
图4-2全波整流电路
4-3桥式整流电路
整流元件参数的计算
负载中的平均值VLVL=0.9V2(4-3)
每只整流二极管承受的最大反向电压VRM
VRM=
V2(4-4)
通过每只二极管的平均电流ID
ID=0.5IL=0.45V2/RL(4-5)
4.2.3滤波电路
从上面的分析可以看出,整流电路输出波形中含有较多的纹波成分,与所要求的波形相去甚远。
所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。
滤波电路常有电容滤波,电感滤波和RC滤波等。
(1)电容滤波电路
电容滤波的原理:
电容是一个能储存电荷的元件。
有了电荷,两极板之间就有电压UC=Q/C。
在电容量不变时,要改变两端电压就必须改变两端电荷,而电荷改变的速度,取决于充放电时间常数。
时间常数越大,电荷改变得越慢,则电压变化也越慢,即交流分量越小,也就“滤除”了交流分量。
图4-4电容滤波电路
V1
V2
图4-5示波器所示电容滤波电路部分波形
图3-2-3和图3-2-4分别是桥式整流电容滤波电路和它的部分波形。
这里假设t<0时,电容器C已经充电到交流电压V2的最大值(如波形图所示)。
由于电容的储能作用,使得输出波形比较平滑,脉动成分降低输出电压的平均值增大。
当C值一定,RL=∞时,VLO=1.4V2(4-6)
当C=0时,即无电容时,VLO=0.9V2(4-7)
由于电容的储能作用,使得输出波形比较平滑,脉动成分降低输出电压的平均值增大。
电容放电的时间τ=RLC越大,放电过程越慢,输出电压中脉动(纹波)成分越少,滤波效果越好。
一般取τ≥(3~5)T/2,T为电源交流电压的周期。
(2)电感滤波电路
电感滤波电路利用电感器两端的电流不能突变的特点,把电感器与负载串联起来,以达到使输出电流平滑的目的。
从能量的观点看,当电源提供的电流增大(由电源电压增加引起)时,电感器L把能量存储起来;而当电流减小时,又把能量释放出来,使负载电流平滑,所以电感L有平波作用。
图4-6电感滤波电路
t
图4-7电感滤波电路波形
图3-2-5和图3-2-6分别为桥式整流电感滤波电路和它的部分波形.它的优点是整流二极管的导电角大,峰值电流小,输出特性较平坦。
缺点是存在铁心,笨重、体积大,易引起电磁干扰,一般只适应于低电压、大电流的场合。
4.2.4集成稳压器
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。
集成稳压器具有体积小、性能稳定、价格便宜等优点,本设计采用三端固定式稳压器。
其通用产品有CW7800系列(正电源)和CW7900系列(负电源)。
输出电压由具体型号中的后两个数字代表,选有5V,9V,12V三个挡次。
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CW7805表示输出电压为+5V,额定输出电流为1.5A。
图4-8为CW78XX和CW79XX系列塑料封装三端集成稳压器的外形及管脚排列,其是集成稳压器的核心部分。
78系列引脚图79系列引脚图
图4-8三端集成稳压器的外形及管脚排列
其典型应用电路如3-2-8示。
图4-9稳压器典型应用电路
电路中接入电容用来实现频率补偿,防止稳压器产生高频自激振接电容能改善负载的瞬态影响,使电路稳定工作。
电解电容,以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。
D是保护二极管,当输入端短路时,给输出电容器一个放电的通路,防止电容两端电压作用于调整管的PN结,造成调整管PN结击穿而损坏。
4.3元件的选定
4.3.1参数计算说明
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ΔUop-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Uo、最大输出电流Iomax,确定稳压器的型号及电路形式。
最终选定220v输入,输出值为12V的三相变压器。
其标准输出电压为12V,最大电流输出为15/12=1.25A。
2.根据稳压器的输入电压
,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η=0.7,从而确定电源变压器原边的功率P1。
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
和滤波电容的电容值和耐压值。
根据所确定的参数,选择整流二极管和滤波电容。
4.3.2元件选择
(1)、变压器的选择
变压器的副边的输出电压V2与稳压器输入电压Vi的关系Vi=(1.1~1.2)V2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≧Vimax/1.1,I2﹥Iomax。
取V2=15V。
变压器副边电流:
,取
,则变压器副边输出功率
,由表1知变压器的效率
,所以变压器原边输入功率
,为留有余地,选用功率为
的变压器。
本实验电压源输出为15V。
(2)、整流管及滤波电容的选择
由于
,
。
而整流二极管1N4001的
极限参数为
,额定工作电流
。
满足要求,所以整流二极管选用1N4001。
根据公式
SV=(△VO/VO)/(△VI/VI)(4-8)
可得:
(4-9)
滤波电容:
(4-10)
把参数UI,△VOP-P和Sr代入式中,求出C。
从滤波效果看,滤波电容C容量大些好,但太大将使电源体积增大,成本提高。
通常都选用电解电容,所以选用2200uF电解电容。
电容的耐压要大于
,故滤波电容C取容量为
,耐压为
的电解电容。
(3)集成稳压器的选择
采用三端固定输出集成稳压器CW7812(正电源)和CW7912(负电源)。
CW7812输出为+12V,CW7912输出为-12V。
C2、C3和C5、C6分别采用0.33uF和0.1uF的电容。
C7、C8采用220uF的电解电容。
4.4电路设计图
根据以上理论分析及实验设计要求,可设计电路图如图4-4-1所示。
图4-4-1固定输出集成直流稳压双电源电路
4.5稳压电源的性能指标
稳压电源的技术指标分为两种:
一种是规格指标,用来表示稳压电源的规格,包括输入电压、输出直流电压、输出直流电流、输出功率及输出电压调节范围等;另一种是质量指标,用来衡量输出直流电压的稳定程度,包括稳压系数(或电压调整率)、输出电阻(或电流调整率)、纹波电压(纹波系数)及温度系数。
1、稳压系数Sr:
又称电压调整特性。
其定义为在负载不变时,稳压电路的输出电流相对变化量与输入电压的相对变化量之比,即
Sr=(△VO/VO)/(△VI/VI)(4-11)
Sr越小,输出电压越稳定。
2、电压调整率Sv:
一般指ΔVI/VI=±10%时的Sr.
3、电流调整率SI:
当输出电流从0变化到最大额定值时,输出电压的相对变化量,即
SI=ΔVo/Vo×100%(4-12)
该指标反映了负载变化对输出电压稳定性的影响。
4、输出电阻Ro:
其定义为输入电压VI不变时,输出电压变化量与负载电流变化量之比,即
Ro=|ΔVo/ΔIo|ΔVI=0(4-13)
Ro越小,当负载电流变化时,在内阻上产生的压降越小,输出电压越稳定,表示带负载能力越强。
5、纹波抑制比SR:
其定义为输入电压交流纹波峰峰值UIP_P与输出电压交流纹波峰峰值UOP_P之比的分贝数,即
RR=20lg(VIP_P/VOP_P)dB(4-14)
该指标反映稳压电路输入电压UI中含有纹波电压的有效值经稳压后减小的程度。
SR越大UOP_P表示越小。
第5章电路的调试与检测
5.1静态调试
当连好电路板的线路时,先不要急着通电,而因该从以下几个方面进行检测:
A、对照原理图,用万用表一一检查线路的各个接口是否接通,是否有短路、断路或漏接的现象,如果有,因该及时改好电路连线。
B、对照原理图,检查各元件是否接正确。
5.2动态调试
5.2.1稳压电源的性能指标的测试
(1)输出电压的测量
接通220V交流电,用万用表测量各端输出电压值并将所测值记于表5—1中
表5—1电压源输出端的测量值
理论值/V
测量值/V
误差ω
理论值/V
测量值/V
误差ω
12
11.95
0.41%
-12
-12.05
-0.41%
9
9.0
0%
-9
-9.12
-1.33%
5
5.08
-1.60%
-5
-5.08
-1.60%
根据计算误差公式:
ω=(理论值-测量值)*100%/理论值(5—1)
(2)内阻的测量
在输入交流为220V,分别测得负载电流为0及最大值时的△VO,即用开短路法可测得电源内阻。
测得数据如下:
IA+=0.25A,VO+=11.95V
IA-=0.24A,VO-=11.84V
根据以上数据可得电源内阻为:
r+=VO+∕IA+=11.95V/0.25A=47.80Ω
r-=VO-/IA-=11.84V/0.24A=49.33Ω
(3)稳压系数的测量
稳压系数是指在负载电流I0、环境温度T不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化,即稳压系数
SV=(△VO/VO)/(△VI/VI)IO=常数,T=常数(5—2)
SV的测量电路如图5-1所示:
图5-1SV的测量电路
根据上述测量方法,可对正负双电源进行测试,测试数据如下:
当Vi=242V时,测得数据为:
VO2+=12.12V,VO2-=12.15V
当Vi=220V时,测得数据为:
VO+=12.10V,VO-=12.13V
由以上所测数据,可得稳压系数为:
SV+=(△VO+/VO+)/(△Vi/Vi)
≈0.008368
SV-=(△VO-/VO-)/(△Vi/Vi)
=[220/(242-198)][(VO1--VO2-)/VO-]
≈0.008298
(4)纹波电压
指叠加在V0上的交流分量,一般为毫伏级可将其放大后用示波器观测其峰峰值△Vop-p.也可以用交流电压表测量其有效值△VO.由于纹波电压不是正弦波所以用有效值衡量有一定的误差.测得:
△Vop-p在几毫伏左右。
5.2.2误差分析
(1)误差计算
对于输出端电压的测定及其与理论值的比较误差
对正输出误差:
ω1=0.41%ω2=0.00%ω3=-1.60%
故正输出的误差:
ω=(ω1+ω2+ω3)/3≈0.40%
对负输出:
ω1=-0.41%ω2=-1.33%ω3=-1.60%
故负输出的误差:
ω=(ω1+ω2+ω3)/3≈-1.11%
(2)误差原因
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
1)测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;
2)电流表内阻串入回路造成的误差;
3)测得纹波电压时示波器造成的误差;
4)示波器,万用表本身的准确度而造成的系统误差;
5)稳压芯片受温度影响或者芯片不够精确;
6)焊点不够好,造成接触不良,导致一些误差的产生。
5.3调试注意事项
调试结果是否正确,很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。
为了保证高度准确的效果,必须减小测量误差,提高测量精度。
为此,需注意以下几点:
(1).正确使用测量仪器的接地端
凡是使用低端接机壳的电子仪器进行测量,仪器的接地端应和仪器的接地端接在一起,否则仪器机壳引入的干扰不但会使仪器的工作状态发生变化,而且将使测量结果出现误差。
若使用
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