半导体直流稳压电源.docx
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半导体直流稳压电源
二组半导体直流稳压电源
题目:
半导体直流稳压电源
专业:
自动化
班级:
080301
姓名:
20080189王艾琪
20080184裴君昊
20080178刘鑫
20080179刘振兴
指导教师:
蒲春华
2010年6月25—7月1日
半导体直流稳压电源的设计和测试
1、设计目的
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、掌握直流稳压电路的调试及主要指标的测试方法。
二、设计要求和技术指标
1、设计要求
1)、设计一个能输出5V-12V连续可调的直流稳压电源,或±12V的直流稳压电源;
2)、根据设计要求和技术指标设计好电路,选好元件及参数,要求绘出原理图,并用Protel99SE/DXP画出印制板图;
3)、在万能板或面包板上制作一台直流稳压电源;
4)、测量直流稳压电源的稳压系数;
5)、测量直流稳压电源的内阻;
6)、拟定测试方案和设计步骤;
7)、写出设计性报告。
2、技术指标
要求电源输出电压为5V-12V连续可调或输出±12V的电压,输入电压为交流220V,最大输出电流为500mA,稳压系数Sr≤5%,电网电压波动正负10%。
3、总体构思
交流电源
→
变压器
→
整流电路
→
滤波电路
→
稳压电路
→
直流输出
1、直流稳压电源电路的设计思路
1)、电网供电电压为交流220V,50Hz,要获得低压直流输出,首先须采用电源变压器将电网电压降低,获得所需要的交流电压;
2)降压后的交流电压,通过整流电路,变成单向的直流电,但其幅值变化大,即脉动大;
3)脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑的脉动小的直流电,即将交流部分滤掉,保留直流成分;
4)滤波后的直流电压再通过稳压电路稳压,便可得到基本上不受外界影响的稳定的直流电压输出,供给负载Rl。
2、直流稳压电源电路设计原理框图如上图所示。
1)、采用电源变压器将电网220V,50Hz交流电降压后送整流电路,变压器的变化由变压器副边电压确定。
2)整流电路采用单相桥式整流电路,如下图1
(1)所示,整流电路波形如图1
(2)所示。
图1
(1)单相桥式整流电路
图1
(2)整流电路波形
3)滤波器采用无源元件R、L、C构成的滤波电路,由于本电路为小功率电源,故选用电容输入式滤波电路(即两端串联一个电容)。
4)稳压电路采用三端固定式集成稳压电源,并对电路采用过流保护措施。
3、具体方案分析与选择。
1、方案
(1):
输出电压连续可调,如图3
(1):
图3
(1)输出可调式三端集成稳压电路图
(7805应为W317如下且其他参数仅供参考)
附:
方案
(2):
正、负双向输出集成稳压电源,如图5:
图3(3)正、负双向输出集成稳压电源(上为初步设想,下为实际)
2、对方案分析选择
对于方案1电路具有连续可调作用,稳压器W317内部含有过电流过热保护电路,具有安全可靠、性能优良、不易损坏、使用方便等优点。
对于方案2电路具有正、负双向输出作用,且W78XX系列元件性能稳定,且价格低廉、输出交流噪声很小,温度稳定较好。
综合评定,我们选择方案2
4、单元电路的设计及元器件的选择。
图4
(1)稳压电路原理图
1、W7812与W7912的选择
由技术指标要求可知,故选用W7812与W7912配套使用,得到正、负双向输出的稳压电路。
2、D5与D6的选择:
假若电路输入端断开,C5将从稳压器输出端向稳压器放电(若电容容量较大),易使稳压器损坏。
因此,在稳压器的输入端和输出端之间跨界一个二极管,起保护作用。
3、D7与D8的选择:
图中D7和D8两只二极管起保护作用,正常工作时均处于截止状态,若W7912的输入端未接入输入电压,W7812的输出电压通过负载电阻接到W7912的输出端,使D8导通,从而将W7912的输出端钳位于0.7V左右,保护其不至于损坏,同理,D7可在W7812的输入端未接入电压时保护其不至于损坏。
4、电容器件的选择:
C1,C2为滤波电容,容量较大,应选电解电容。
C3,C4用于抵消输入线较长时的电感效应,以防止电路产生自激振荡,其容量一般较小,一般小于1uf,常选瓷片电容。
C5,C6用于消除输出电压中的高频噪声,可取小于1uf的电容,可取几微法甚至几十微法电容,以便输出较大的脉冲电流。
常选瓷片电容。
5、完整电路图如下
图5直流稳压电源电路原理图
六、主要元件参数的计算
正负12V直流稳压电源
1、三端稳压器选择7812及7912,其输出电压和输出电流均满足指标要求。
2、D5与D6可选IN4001小功率二极管,根据工程经验可得到C3=C4=0.33uf,C5=C6=0.1uf。
3、电压V1和V2V1和V2的取值决定了相关器件及参数的选择,一般情况下,V1应比V0高3V左右(太小影响稳压,太大稳压器功耗大,易受热损坏),受仪器约束可取V1=15V,考虑电网电压10%的波动,最终取V1=16.7V。
由式VLo=(1.1-1.2)V2,可去变压器二次电压有效值V2为
V2=V1/1.1=15.2V。
受变压器规格的限制,实际应选V2=15V。
4、滤波电容C1:
由式RLC>=(3-5)T/2,则C1=5T/2RL,式中T为市电交流电源的周期,T=20ms;RL为C1右边的等效电阻,应取最小值,由于Imax=500mA,因此RLmin=V1/Imax=33,所以C1=1515uf。
可见,C1容量较大,应选电解电容,受规格的限制,实际容量应选为2200μF,电压应选为25V。
C1的最后取值还需根据纹波电压的要求调整并确定。
5、整流二极管D1-D4
整流二极管的参数应满足最大整流电流If>1.5Imax=0.75A,最大反向电压VR=43V.
特别应指出的是,电容滤波使电路被接通的一瞬间,整流管的实际电流远大于Imax,如果If较小,很可能在电路被接通时就已经损坏,因此,一般取If>5Imax=2.5A,查手册可选定整流二极管D1--D4,最终选择桥堆2W06。
6、负载电阻RL1,RL2:
由式I0(AV)=Uo/RL=0.9U2/RL可得RL=0.9U2/Io
RLmin=0.9U2/Iomax=27R=200时,P=0.707W
根据市场的实际情况可选负载电阻为200欧,功率为1W。
7、D7,D8的选择参数计算
根据课题技术指标要求,稳压源输出电压为+/-12V,输出电流最大为500mA,查找常用二极管的主要参数表,可选2CW60型二极管,它的Uz为11.5-12.5V,Iz为5mA,Izm为19mA,满足要求。
7、工作原理
1、整流电路
单相桥式整流电路原理图见图1,整流电路波形图见图2,设变压器副边电压
,U2为其有效值。
当U2为正半周时,电流由A点流出,经D1,RL,D3流入B点,因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压,即U0=U2,D2和D4管承受的反向电压为-U2。
当U2为负半周时,电流又B点流出,经D2,RL,D4流入A点,负责电阻RL上的电压等于-U2,即Uo=-U2,D1、D3承受的反向电压为U2。
这样,由于D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通,致使负载负载电阻RL上的U2的整个周期都有电流通过,而且方向不变,输出电压
2、滤波电路
当变压器副边电压U2处于正半这些后并且数值大于电容两端电压Uc时,二极管D1、D3导通,电流一路流经负载电阻RL,另一路电容C充电,因为在理想情况下,变压器副边无损耗,二极管导通电压为零,所以电容两端电压Uc和U2相等,当U2上升到峰值后开始下降,电容通过负载电阻RL放电,其电压Uc也开始下降,趋势与Uc基本相同,但是由于电容按指数规律放电,所以当U2下降到一定数值后,Uc的小将速度小于U2下降速度,使Uc大于U2从而导致D1、D3反向偏置而边为截止,此后,电容C继续通过RL放电,Uc按指数规律缓慢下降。
当U2负半周副值变化到恰好大于Uc时,D2、D4因加正向电压变为导通状态,U2再次U2,Uc上升到U2的峰值后又开始下降,下降到一定数值时D2、D4变为截止,C对RL放电,Uc按指数规律下降;放电到一定数值时D1、D3变为导通,重复上述过程。
8、稳压电源的性能指标及测试方法。
1、稳压系数
在负载电流、环境、温度不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。
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
Vo并将其中最大一个代入公式计算Sr。
当信号源为242V时(即220*1.1)
利用Sr公式可得0.0054
当信号源为198V时(即220*0.9)
利用Sr公式可得0.19
2、稳压电源内阻:
输入电压不变时,输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值。
测量内阻,在输入交流为220V,分别测得负载电阻为0及最大值的
Vo,和ro=
Vo/
IL
由上图和下图对上上组电压电流关系利用内阻公式可得ro1=0.049
同理可得ro2=2.4
九、部分元器件清单
1、固定式三端稳压器:
W7812一个、W7912一个
2、整流桥堆:
2W06二个
3、电容:
2200uF三个、0.33uF三个、0.1uF三个
4、电阻:
200
1W三个
5、二极管:
IN40073个、2CW603个
6、其他:
变压器24V30W、万能板、铜柱、三线插头
十、总结
本次可设计采用W7812及W7912系列元件,实现了对电路输出正、负双向电压的要求,采用单相桥式整流电路,具有输出电压高、变压器利用率高,脉动小等优点。
因此得到相当广泛的应用,他的主要缺点是所需二极管的数量多,由于实际上二极管的正向电阻不为零,必然使得整流电阻较大,当然损耗也较大,电路采用二极管,起保护作用,使电路的稳定性、安全性提高。
由于实际条件及时间的限制,部分元件的选择未做到优化,在书写实验报告的过程中,排版不够合理,逻辑性不好。
在本次课程设计中,通过我们自己的学习与实践,在老师的指导下我们学到了许多设计理论及相关知识,培养了我们的动手能力及创造能力,加强了同组队员间的协同合作精神,同时也认识到自身存在的缺点与不足,并体会到了创作及设计过程中的艰难。
参考资料
1、郭永贞电子技术实验与课程设计指导
南京东南大学出版社2004
2、陈光明、施金鸿、桂金莲电子技术课程设计与综合实训
北京北京航空航天大学出版社2007
3、华成英、童诗白模拟电子技术基础
北京高等教育出版社2006
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- 半导体 直流 稳压电源