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直流稳压电源的设计和制作
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Keywords1
0引言1
1设计方案的选择与论证2
1.1简单的并联型直流稳压电源2
1.2输出可调的开关电源2
1.3由可调式三端稳压器(CW317)组成2
2设计原理2
2.1电源变压器的选用3
2.2整流电路的设计3
2.3滤波电路的设计4
2.4稳压电路的设计5
3直流稳压电源电路的设计6
3.1直流稳压电源总电路图的确定6
3.2具体参数计算7
4电路安装与指标测试8
4.1电路的安装8
4.1.1操作步骤8
4.1.2注意事项9
4.2指标测试9
4.2.1测试仪器的准备与检查9
4.2.2通电准备9
4.2.3系统指标测试9
5结束语10
致谢10
参考文献:
11
直流稳压电源的设计和制作
XXXXXXXXX
XXXXXXX
摘要:
直流稳压电源是电子设备中必不可少的能源供应部件,因此,掌握稳压电源的设计与制作,对今后的实际工作是很有意义的。
该文根据所学电子技术知识来设计直流稳压电源,并提出了三种设计方案,再从这三种方案中选择出最佳方案。
最佳方案电路主要包括以下几部分:
电源变压器、整流电路、滤波电路、集成稳压电路等,同时为了电路的安全可靠,稳压电路可添加保护电路部分。
最后,通过相关知识计算出电路中各个元件的参数,使电路性能达到设计要求中的输出电压范围、最大输出电流、输出电压变化量、稳压范围等各项指标。
关键词:
直流稳压电源单相桥式整流电路电容滤波电路集成稳压电路
DCPowerSupply’sDesignAndManufacture
XXXXXXXXX
XXXXXXX
Abstract:
DCpowersupplyisessentialelectronicequipmentcomponentsofenergysupply,therefore,graspthedesignandproductionofpowersupplyissignificantforthefutureactualwork.ThispaperputforwardthreedesignsonthebasisoftechnicalknowledgewhichwaslearnedtodesignelectronicDCpowersupply,thenchoosethebestsolution.Thebestcircuitincludesthefollowingsections:
powertransformer,rectifier,filtercircuit,integratedcircuitvoltageregulator,whilethesafetyandreliabilitytothecircuit,voltageregulatorcircuitprotectioncircuitcanbeadded.Finally,calculatethecircuitparametersofeachelementbyusingrelevantknowledgetomakethecircuitperformancecanmeetthedesignrequirementsoftheoutputvoltagerange,maximumoutputcurrent,outputvoltagevariation,voltagerangeofotherindicators.
Keywords:
DCPowerSupply;Single-phasebridgerectifiercircuit;Capacitorfiltercircuit;Integratedvoltageregulator
0引言
随着科技的发展,电气、电子设备已经广泛应用于日常、科研、学习等各个方面,电源已成为非常重要的基础科技和产业,其发展趋势为高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化。
同时,封装结构、外形尺寸日趋国际标准化,以适应全球一体化市场的要求。
从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持,而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平,即提高一个国家单位能耗的产出水平,具有举足轻重的作用。
电源分为交流稳压电源和直流稳压电源两大类。
交流稳压电源分为参数调整(谐振)型、自耦调整型、开关型交流稳压电源。
直流稳压电源按习惯可分为化学电源、线性稳定电源和开关型稳定电源。
在电子电路及电子设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电,它是电子电路中必不可少的组成部分。
它的主要作用是作为整个电子电路的能量来源,其次是为各级电路中的三极管提供合适的偏置。
常见的供电方式有两种,一种是采用化学电池供电,如干电池、蓄电池、光电池等;另一种是利用电网向电路供电,这种供电方式是把电网的交流电经过降压、整流、滤波和稳压后,得到稳定输出的直流电压,其优势在于电网所提供的能量是源源不断的。
后一种供电方式被普遍应用于电子装置中,220V的电网电压(即市电),通过电源变压器降压后,得到的为低压交流电;经单相桥式整流电路后,低压交流电转换为直流电压,即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压;再通过电容滤波电路滤波,使输出电压趋于平滑,得到交流分量较小的直流电压;最后通过稳压电路,使其获得足够高的稳定性,并满足输出电压在+3V—+9V内可调,最大输出电流Iomax=800mA,纹波电压的有效值ΔUop-p≤5mV,稳压系数Sv≤3×10-3等技术指标。
通过直流稳压电源的设计、安装和调试,我们学会:
⑴根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案,选定元件并计算确定元件参数;
⑵设计各单元电路和总体电路,并用计算机绘制电路图;
⑶电路的安装、调试;
⑷测试各项性能指标的方法,并撰写设计报告。
1设计方案的选择与论证
1.1简单的并联型直流稳压电源
并联型稳压电源的调整元件与负载并联,因而具有极低的输出电阻,动态特性好,电路简单,并具有自动保护功能;负载短路时调整管截止,可靠性高,但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流,损耗过大。
1.2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,波纹大,稳定度极差。
1.3由可调式三端稳压器(CW317)组成
由可调式三端稳定器(CW317)输出脚VO和接地脚GND组成,它的特性参数VO=1.2~37V,IO=1.5A,最小输入、输出压差(Vi-VO)min=3V,最大输入、输出压差(Vi-VO)max=40V。
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、可靠性高。
根据所学知识和现有材料,综合考虑后,选取第三种方案进行设计。
此方案电路简单易行,成本较低,且性能良好,能满足设计要求,达到预期目标。
2设计原理
稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四大部分组成,如图1所示【1】。
(a)稳压电路的组成框图
(b)整流与稳压过程
图1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程
2.1电源变压器的选用
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源u2。
电源变压器的效率为【2】:
(2-1)
其中:
P2是变压器副边的功率,P1是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表1所示【3】:
副边功率P2
<10VA
10-30VA
30-80VA
80-200VA
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
表1小型变压器的效率
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P1。
2.2整流电路的设计
利用二极管的单向导电性,将交流电压(电流)变成单向脉动电压(电流)的电路,称为整流电路。
在小功率电路中一般采用单相半波、全波、桥式整流电路和倍压整流电路。
如图2(a)、(b)及(c)所示【4】。
图2全波、桥式和倍压整流电路图
下面我们拿桥式整流电路来举例。
①电路组成及工作原理
桥式整流电路电路图如图5所示。
在u2的正半周内,二极管D1、D3导通,D2、D4截止;u2的负半周内,D2、D4导通,D1、D3截止。
正负半周内都有电流流过负载电阻RL,且方向是一致的。
电路的输出波形如图3(a)所示【5】。
(a)
(b)
图3单向桥式整流电路的波形图
②输出电压平均值UO(AV)和输出电流平均值IO(AV)
根据图3中所示uo的波形可知,输出电压的平均值【6】
(2-2)
解得
(2-3)
输出电流的平均值(即负载电阻中的电流平均值)【7】
(2-4)
③二极管的选择
在单向桥式整流电路中,因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流,所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半【8】,即
(2-5)
根据二极管的输出电压波形可知,二极管承受的最大反向电压【9】
(2-6)
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【10】:
(2-7)
其中:
T=20ms是50Hz交流电压的周期。
2.3滤波电路的设计
整流电路的输出电压虽然是单一方向的,但是脉动比较大,含有较大的谐波成分,不能适应大多数电子线路及设备的需要。
因此,一般在整流后,还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压【11】。
①电路组成及工作原理
电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端(即负载电阻两端)并联一个电容即构成电容滤波电路。
滤波电容容量较大,因此一般均采用电解电容,在接线时要注意电解电容的正、负极。
电容滤波电路利用电容的充、放点作用,使输出电压趋于平滑,输出电压波形如图4【12】。
图4电容滤波电路稳压时的波形分析
②输出电压平均值
设整流电路内阻较小而RLC较大,电容每次充电均可达到u2的峰值(即
)然后按RLC放电的起始斜率直线下降,经RLC交于横轴,且在
处的数值为最小值UOmin,则输出电压平均值【13】为
(2-8)
因而
UO(AV)≈1.2U2(2-9)
③脉动系数
基波峰值为【14】
(2-10)
因此,脉动系数为
(2-11)
2.4稳压电路的设计
虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换成较为平滑的直流电压,但是,一方面,由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值,所以当电网电压波动时,输出电压平均值将随之产生相应的波动;另一方面,由于整流滤波电路内阻的存在,当负载变化时,内阻上的电压将产生变换,于是输出电压平均值也将随之产生相反的变换,例如,如果负载电阻减小,则负载电流增大,内阻上的电流也就随之增大,其压降必然增大,输出电压平均值必将相应减小;因此,整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动,随着负载电阻的变化而变化。
为了获得稳定性好的直流电压,必须采用稳压措施。
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【15】。
由稳压二极管DZ和限流电阻R所组成的稳压电路是一种最简单的直流稳压电源,其输入电压U1是整流滤波后的电压,输出电压UO就是稳压管的稳定电压UZ,RL是负载电阻。
相比较而言,集成稳压器应用较广,且具有体积小,外围元件少,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【16】。
⑴固定电压输出稳压器
常见的有CW78××(LM××)系列三端固定式正电压输出集成稳压器;CW79××(LM78××)系列三端固定式负电压输出集成稳压器,元件外形图及电路符号如图5所示【17】。
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。
稳压使用时,要求输入电压UI与输出电压UO的电压差UI-UO≥2V。
稳压器的静态电流IO=8mA。
当UO=5-18V时,UI的最大值UImax=35V;当UO=18-24V时,UI的最大值UImax=40V。
图5固定集成三端稳压器外形及电路符号
⑵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,元件外形图及电路符号如图6所示【18】。
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范围为UO=1.2-37V,最大输出电流IOmax=1.5A。
输入电压与输出电压差的允许范围为:
UI-UO=3-40V。
图6可调式三端集成稳压器外形及电路符号
3直流稳压电源电路的设计
3.1直流稳压电源总电路图的确定
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、输出纹波电路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)根据稳定电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax,确定稳压器的型号及电路形式;
2)根据稳压器的输入电源UI,确定电压变压器副边电压u2的有效值U2;根据稳压电源的最大输出电流Iomax,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,从表一中查出变压器的效率η,从而确定边缘变压器原边的功率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URM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。
根据设计任务和步骤,所确定出的稳压电源电路如图7所示。
图7直流稳压电源总原理图
3.2具体参数计算
1)选择集成稳压器,确定电路形式
集成稳压器选用CW317,其输出电压范围为:
UO=1.2-37V,最大输出电流IOmax为1.5A符合本设计技术指标,故用其构成稳压电源电路。
图7中,取
二极管用IN4001。
在图7电路中,R1和RW组成输出电压调节电路,输出电压
R1取120V-240Ω,流过R1的电流为5-10mA。
取R1=240Ω,则由
可求得:
Rwmin=210Ω,Rwmax=930Ω,故取RW为2kΩ的精密线绕电位器。
2)选用整流二极管和滤波电容
由于:
,IOmax=0.8A。
IN4001的反向击穿电压URM≥50V,额定工作电流ID=1A>IOmax,故整流二极管选用IN4001。
根据UO=9V,UI=12V,
,和公式
所以,滤波电容:
电容的耐压要大于
故滤波电容C取容量为4700
,耐压为25V的电解电容。
3)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(UI-UO)min=3V,输入电压与输出电压差的最大值(UI-UO)max=40V,故CW317的输入电压范围为:
即9V+3V≤UI≤3V+40V
12V≤UI≤43V
取U2=12V
变压器副边电流:
I2>IOmax=0.8A,取I2=1A,
因此,变压器副边输出功率:
P2≥I2U2=12W
由于变压器的效率
,所以变压器原边输入功率
为留有余地,选用功率为20W的变压器。
表2元件清单:
元件序号
型号
元件参数值
数量
Ti
小功率变压器
20W
1
D1D2D3D4D5D6
二极管1N4001
URM≤50V,1A
6
C1
电解电容
0.1μF
1
C2
电容
10μF
1
Co
电容
1μF
1
R1
电阻
200Ω
1
RW
电阻
2KΩ
1
CW317
集成稳压器
1
使用工具:
电烙铁、万能板、焊锡、小剪刀、吸锡器、螺丝刀、镊子等
4电路安装与指标测试
4.1电路的安装
4.1.1操作步骤
1)绘制电路图。
这是电路板设计的先期工作,主要是完成电路原理图的绘制,包括生成网络表。
当然,有时也可以不进行原理图的绘制,而直接进入PCB设计系统。
2)规划电路板。
在绘制印制电路板之前,对电路板有一个初步的规划,电路板采用多大的物理尺寸、采用单面板,确定各元件采用何种封装形式及其安装位置等。
3)设置参数。
4)装入网络表及元件封装。
5)元件的布局。
6)自动布线。
7)手工调整。
在自动布线结束后,手工调整令人不满意的地方。
8)根据实验室PCB板制作流程,将PCB图印制在规划好的铜板上,钻孔。
9)在PCB板上焊接元件,制作出实物。
4.1.2注意事项
①安装整流滤波电路
首先应在变压器的副边接入保险丝FU,以防电源输出端短路损坏变压器或其他元件,整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反,否则会损坏变压器。
检查无误后,通电测试(可用调压器逐渐将输入交流电压升到220V),用滑线变阻器作等效负载,用示波器观察输出是否正常。
②安装稳压电路部分
集成稳压器要安装适当散热器,根据散热器安装的位置决定是否需要集成稳压器与散热器之间绝缘,输入端加直流电压(可用直流电源作输入,也可用调试好的整流滤波电路作输入),调节电位器RP,输出电压应随之变化,说明稳压电路正常工作。
注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。
另外,在安装时,我们仍然要先安装低矮的元器件,后安装高大的元器件,二极三极管、电解电容等,要特别注意其极性,易发热元件需注意摆放位置,焊接时注意假焊的问题等。
4.2指标测试
4.2.1测试仪器的准备与检查
1)准备以下仪器:
可调工频电源、双踪示波器、交流毫伏表、直流电压表、直流毫安表、万用电表等。
2)仪器检查:
检查和校正交流毫伏表、示波器、万用表、直流电压表和直流电压表。
4.2.2通电准备
接通电源之前,认真检查电源电压是否200V,电路接线是否正确,注意器件管脚的连接,检查变压器输入是否有短路等。
然后接通电源,观察电路板有无异常情况,如电流表读数过大或电源电压过低,要立即切断电源,排除故障后方可再接通电源。
4.2.3系统指标测试
1)初测
稳压器输出端负载开路,断开保护电路,接通可调工频电源,测量整流电路输入电压U2,滤波电路输出电压UI(稳压器输入电压)及输出电压U0。
调节电位器,观察U0的大小和变化情况,如果U0能跟随RP线性变化,这说明稳压电路各反馈环路工作基本正常。
否则,说明稳压电路有故障,因为稳压器是一个深负反馈的闭环系统,此时,可分别检查基准电压UZ,输入电压UI,输出电压U0,以及比较放大器和调整管各电极的电位(主要是UBE和UCE),分析它们的工作状态是否都处在线性区,从而找出不能正常工作的原因。
排除故障以后就可以进行下一步测试。
2)测量输出电压可调范围
将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载,测量下列各值是否满足设计要求:
①U1为最高值(电网电压为242V),UO为最小值(+3V),测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值,并检查散热器的温升是否满足要求(此时应使输出电流为最大负载电流);
②UI为最低值(电网电压为198V),UO为最大值(+9V),测稳压器输入、输出端压差是否大于3V,并检查输出稳压情况。
3)测量稳压系数Sr
取I0=300mA,改变整流电路输入电压U2,分别测出相应的稳压器输入电压UI及输出直流电压U0,记录数据。
根据测量结果计算稳压系数
=0.295
4)测量输出电阻R0
改变滑线变阻器位置,使I0为空载和100mA,测量相应的U0值,记录数据。
根据测量结果,计算输出电阻
5结束语
本设计主要利用电源变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器件来设计一组在3-9V内连续可调的直流稳压电源。
根据设计的原理,画出具体的原理图,经过逻辑分析和理论的计算后,确定了它的可行性。
其结构简单,便于维修;使用元器件少,成本较低;系统可靠性好,精度高,且可作为一个独立的模块为其他电子设备提供电能。
通过这次设计,使我巩固了所学的专业知识,增强了理论与实践相结合的能力,考验了我们借助互联网络搜索、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力。
此外,也深深体会到了研究所需要的认真、严谨的治学态度,这对我以后的学习和工作起到了莫大的帮助和作用。
致谢
经过一段时间的忙碌,本次论文已经接近尾声。
本设计是在XXX悉心指导下完成的,XXX渊博的专业知识,严谨的治学态度,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德,平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法,还使我明白了许多做人的道理。
本设计从选题到完成,倾注了XXX大量的心血。
在此,谨向XXX表示崇高的敬意和衷心的感谢!
本设计之所以能够顺利完成,除了XXX的悉心指导之外,也离不开学习过程中的各位良师益友,在此,衷心的感谢你们,这将是我最珍贵的回忆!
参考文献:
[1]清华大学电子学教研组编,杨素行主编:
《模拟电子技术简明教程》(第二版),北京,高等教育出版社,2000
[2]刘文芹.直流稳压电源设计及其串联应用[J].UPS应用.2005.9:
34-35
[3]清华大学电子学教研组编,童诗白,华成英主编:
《模拟电子技术基础》(第三版),北京,高等教育出版社,2001
[4]路勇.电子电路知识及识图自学通[M].北京:
中国电力出版社.2005.
[5]林家儒主编.《电子电路基础》.北京:
北京邮电大学出版社
[6]谭中华主编.《模拟电子线路》.北京:
电子工业出版社
[7]康华光主编.《电子技术基础》.北京:
高等教育出版社
[8]谢自美.《电子线路设计、实验、测试(第二版)》.武汉:
华中科技大学出版社,2000
[9]臧春华主编.《电子线路设计与应用》.北京:
高等教育出版社
[10]林红,周鑫霞主编.《模拟电路基础》.北京:
清华大学出版社
[11]吴慎山主编.《电子线路设计与实践》.北京:
电子工业出版社.
[12]李万臣主编.《模拟电子线路设计、仿真、编程与实践》.哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版社
[13]康华光,陈大钦.电子技术基础四版[M].北京:
高等教育出版社.1999:
6(2004重印)
[14]【日】户川活朗著.《实用电源电路设计——从整流电路到开关稳压器》.北京:
科学出版社
[15]PualHorowitzandWinfieldHill,TheArtofElectronices.2nded.CambridgeUniversityPress,1989
[16]MarkN.Horenstein.MicroelectronicCircuitsandDevices.2nded.Prentice-HallIne,NewYork.1996
[17]RobertB.Northrop,AnalogElectronicCircuits.Ad
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