集成直流稳压电源设计(本科毕业论文完整版)
本科毕业论文(设计)
直流稳压电源设计
题 目
学 院
专 业
班 级
学 号
学生姓名
指导教师
完成日期
xxxxxxxx学院教务处制
二〇一三 年 五 月
摘 要
随着科技的发展,电气、电子设备已经在日常、科研、学习等各个方面得到
广泛的应用。电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件,其需求日益增多,并且对电源的功能、稳定性等各项指标也要求更高。对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节,它对推动科技发展起着重要作用。采用三端式稳压电路设计直流稳压电源,通过相关知识可计算出电路中各个器件的参数,使电路性能达到设计要求的电压调整率,电流调整率,负载调整率,纹波电压等各种指标。利用protues仿真软件对所设计的电路进行仿真调试,使设计达到要求。
直流稳压电压电源的设计思路是将220V,50HZ市交流电通过变压器降为合适
交流电压值,然后经过整流电路将交流电转为直流电,再通过滤波电路滤除直流电中的交流成分,最后通过集成稳压器构成的稳压电路转化为稳定直流电输出。集成稳压器具有体积小、重量轻、安装和调试方便、可靠性和稳定性高等优点。
关键词:电源 稳压 整流 滤波
Abstract
Along with technical development, the electricity and electronic instruments
have already been widespread applied in daily, scientific research, study and so on each aspect. Since the power supply takes the essential energy-supply part of electrical and electronic instruments, its demand increases day by day, and also been set a higher request to function, stability and so on each target. The power supply research has already become the important link to the development of the new technology and the new equipment. It’s playing the vital role in the impetus of science and technology development. This design mainly uses series linear constant voltage circuit to design direct current constant voltage power supply.We must calculate various each component parameter in the circuits by correlated knowledge and enable the circuit performance to meet in the design requirements such as the voltage regulation rate, the current regulation rate, load regulation rate, ripple voltage and so on.
This design ideas for the 220V, 50HZ electricity fell right through the step-down
transformer AC voltage value, and through the rectifier circuit to alternating current to direct current, and then filtered through the filter circuit in the exchange of DC components, the final composition via an integrated voltage regulator The regulator circuit into a stable DC output. And an integrated voltage regulator ICs with general small size, light weight, easy installation and commissioning, reliability and stability of the higher benefits.
Key Words: Power voltage stabilizing rectifier filtering
目录
第一章 绪论--------------------------------------------------------- 1
1.1 研究的背景和意义 -------------------------------------------- 1
1.2 电源的应用和发展现状 ---------------------------------------- 2
1.3 直流稳压电源概述 -------------------------------------------- 2
1.4 本文研究的主要内容 ------------------------------------------ 4
第二章 设计方案----------------------------------------------------- 5
2.1 设计的目的和任务 -------------------------------------------- 5
2.1.1 设计的目的--------------------------------------------- 5
2.1.2 设计的任务--------------------------------------------- 5
2.2 设计的思路 -------------------------------------------------- 5
2.3 设计的电路选择 ---------------------------------------------- 6
第三章 单元电路的原理和设计---------------------------------------- 11
3.1 电源变压器 ------------------------------------------------- 11
3.2整流电路---------------------------------------------------- 11
3.3 滤波电路 --------------------------------------------------- 14
3.4 稳压电路 --------------------------------------------------- 16
3.4.1 串联反馈式稳压电路------------------------------------ 16
3.4.2 三端固定式集成稳压器---------------------------------- 18
3.4.3 三端可调式集成稳压器---------------------------------- 21
第四章 电路设计和器件选择------------------------------------------ 24
4.1 ±12V直流电压对称输出电路---------------------------------- 24
4.2 +5V直流电压输出电路---------------------------------------- 25
4.3(+3~+9)V直流电压连续可调输出电路-------------------------- 26
4.4电路设计总图------------------------------------------------ 28
第五章 电路仿真---------------------------------------------------- 30
5.1 Protues仿真软件简介---------------------------------------- 30
5.2电路仿真---------------------------------------------------- 31
5.2.1 ±12V直流电压输出电路仿真 ---------------------------- 31
5.2.2 +5V直流电压输出电路仿真 ------------------------------ 32
5.2.3 (+3~+9)V直流电压连续可调输出电路仿真 ---------------- 33
5.3性能测试---------------------------------------------------- 35
第六章 设计总结---------------------------------------------------- 40 参考文献----------------------------------------------------------- 41 致谢--------------------------------------------------------------- 42 附录--------------------------------------------------------------- 43
直流稳压电源设计
第一章 绪论
1.1 研究的背景和意义
随着电子技术的发展,电气,电子设备在人们的生活和生产中起到了越来越
重要的作用,许多的电子设备对电源也提出了更高的要求。通常会有相当多的电子设备不能直接使用公用电网提供的交流电, 而是需要能够输出稳定直流电的的直流电源,而且对直流电源的性能、体积、重量等的要求也在不断提高,在世界能源贫乏的今天,电气,电子设备对稳压电源的功率损耗也提出了更严格的要求;与此同时,电子设备种类的不断增加,它们对直流电源输出电压值、电流值的需求也越来越多。
自上世纪九十年代以来,电子系统要求实现更高的效率和更低的功耗,电信
与数据通讯设备的技术更新速度飞快,它也推动电源行业中交流/直流电源转换器向更高灵活性和更具智能化的方向发展。从80年代的第一代分布式供电系统开始,到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构,直流电源行业正面临着更大的挑战,那就是怎样实现在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制功能。
其实,在90年代中期,一些半导体生产商们就能够开发出了数控电源管理
技术,但是在当时,这种方案的性价比与市面上广泛使用的模拟控制方案相比还相差甚远,因此没有被广泛采用在生产和生活当中。因为当时板载电源管理被广泛的应用,电源行业能源节约和运行最优化也备受关注,电源行业和半导体生产商们便开始着手开发名为“数控电源”的一种新产品。
在今天,随着直流电源技术的快速发展, 整流系统的发展由以前的分立元
件和集成电路控制转换为使用微机控制, 使直流电源达到了智能化的性能,其中包括 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能的直流电源, 基本实现了在直流电源无人看守的情况下也能工作。
1.2 电源的应用和发展现状
电源技术是一门实践性很强的电子工程技术,它服务于当今社会的各行各
业,在生产和生活中得到广泛的应用。电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域的知识。随着计算机技术和通讯技术发展而来的现代信息技术革命,给电力电子技术提供了非常广阔的发展前景,同时也对电源提出了越来越多的要求。数控电源在电子装置中得到普遍使用,但是普通电源在工作时产生一些误差,会影响到整个系统的精确度,电源在使用时甚至会造成很多不良后果,给生产带来不便,因此世界各国对电源产品提出了不同的要求并制定了一些的产品精度标准。只有满足了这些产品标准,才可以进入市场。在经济全球化发展的今天,只有满足国际标准的电源产品才能获得进出各国的通行证。
电源可以分为交流电源和直流电源,它是任何电子设备都不可缺少的重要组
成部分。交流电源一般为220V、50Hz电源,但许多家用电器设备,电子产品都要采用直流电源作为供电能源,比如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等。现在所使用的大多数电子设备,几乎都必须用到直流稳压电源供电,才能使其正常工作,而如今最常使用的是能将交流电网的交流电压转换为稳定直流电压的直流电源,由此可见直流稳压电源在电子设备中起着非常重要的作用,直流电源为电子、电气设备能够正常稳定的工作提供保证。电网的220V、50HZ的单向交流电经电源变压器降压后,再经过整流滤波过程可获得电压较低的小功率直流电源。又因为一般的电网电压会有±10%幅度的波动变化,必须将整流滤波后的直流电压经过稳压电路稳定后再提供给负载,才能够使负载上直流电源电压受电网波动因素的影响程度达到最小,保证电子设备的正常工作。
1.3 直流稳压电源概述
在电子电路和电子设备中,一般都需要电压稳定的直流电源供电,作为电子电路中必不可少的重要组成部分,它的作用有两个方面,一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置,其次是作为整个电子电路提供能量来源。常见的供电方式有两种,一种是采用干电池、蓄电池或其他形式向电路供电,这种供电方式是用化学能或其他形式的能量转化为电能之后,向电路提供能量,这种方式的缺陷在于能量的使用要受很多实际条件(如电池的容量)的限制;另一种方式是利用
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、滤波和稳压之后,转化为直流电向电路提供能量,因为电网所提供的能量是源源不断的,所以这种供电方式具有很大的优势,也被广泛的使用。直流稳压电源的基本组成结构可以用图1-1表示,它一般是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。
图1-1直流稳压电源结构图
电源变压器的作用是是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值,通过整流电路可以将交流电压变成脉动的直流电压。因为这种脉动的直流电压中还含有较大的纹波,所以必须通过滤波电路加以滤除,才能得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动,电网波动一般在±10%左右,会受负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,电源还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时,保证输出直流电压稳定。
在电子设备中,所需的直流电压比较小,一般在千瓦以下,但是要求电压具有较高的稳定性。通常对直流电源的性能要求是:输出电压稳定、纹波小、负载能力强等。直流电源的性能指标主要有如下几个:
(1)输入电压Ui。
电源所要求的输入电压,一般是220V、50Hz 的交流电。
(2)额定输出电压U0 。
电源输出的直流电压,可变电源的某个范围值。
(3)最大输出电流Imax 。
电源在额定输出电压U0 下工作时,所能提供的最大输出电流。有时也用最大输出功率Pmax 来表示。
(4)纹波系数S 。
电源输出电压所含有的基波分量的峰值与输出直流电压之比,它反应了输出电压的稳定程度。
1.4 本文研究的主要内容
(1)复习电子电路的相关知识,了解直流稳压电源的组成和工作原理。查
阅并收集与本课题有关的资料。
(2)设计直流稳压电源,满足性能指标要求,并对设计电路进行工作原理
分析,元件参数计算及元件选择。
(3)对所设计电路进行仿真与调试。
(4)关于直流电源设计和仿真的总结与体会。
第二章 设计方案
2.1 设计的目的和任务
2.1.1 设计的目的
随着电子技术的发展,电子设备在人们的日常生活和生产中的地位也越来越
重要,直流稳压电源是许多电子设备不可缺少的组成部分,它被广泛的应用于教学、科研等诸多领域。通过直流稳压电源的设计和对所设计电路进行仿真与调试,巩固所学的电子技术知识,提高对电路的设计、分析、应用和仿真的能力,为今后的从事相关的研发工作奠定基础。
2.1.2 设计的任务
设计一个直流稳压电源,使之能够满足性能指标要求,能够对设计电路进行
工作原理分析,计算出相关元器件参数,选择符合要求的各种电路元器件;利用仿真软件对所设计电路进行仿真与调试;对直流稳压电源的仿真调试结果进行分析和总结。
直流稳压电源的主要设计指标如下:
(1) 输出电压Uo及最大输出电流Iomax:
I 档 : Uo=±12V对称输出,Iomax=100mA;
II档 : Uo=+5V,Iomax=300mA;
III档 : Uo=(+3~+9)V连续可调,Iomax=200mA。
(2) 纹波电压: ∆Uop–p≤5mV。
(3) 稳压系数:SU
(4)具有过流保护功能。
2.2 设计的思路
直流稳压电源是一种将220V、50Hz的交流电转换成稳定直流电压的装置,
它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。如图2-1所示
图2-1 直流稳压电源设计波形变化图
直流稳压电源设计的基本思路为:
(1)电网提供的电压为交流220V(有效值)50Hz,若要获得低压直流输出,首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
(2)经过电源变压器降压后的交流电压,通过整流电路进行整流,可以变
成单向的脉动直流电,但其幅度变化大。
(3)脉动大的直流电压还须经过滤波电路才能变成平滑且脉动小的直流电,
即将直流电中的交流成份滤掉,保留其直流成份。
(4)滤波后的直流电压,再通过稳压电路进行稳压,便可得到基本不受外
界因素影响的稳定直流电压输出,这时候才可以供给负载RL。
2.3 设计的电路选择
1.整流电路的设计
方案一:采用半波整流电路
半波整流电路如图2-2所示,半波整流电路只利用电源输出电压的正半周,
电源的利用效率非常低,会带来很大的资源浪费,它仅在高电压、小电流等少数情况下使用,一般半波整流电路电源电路中很少使用。
图2-2 半波整流电路图
方案二:采用全波整流电路
全波整流电路图见如图2-3所示,全波整流电路中的每个整流二极管上流过
的电流只是负载电流的一半,比半波整流小一倍,它所使用的整流器件较半波整流时多一倍。全波整流电路的整流电压脉动较小,变压器的利用率比半波整流时高很多,整流器件所能承受的反向电压较高。但是全波整流电路需要特制的变压器才能正常工作,变压器二次绕组需要一个中心抽头,制作起来会比较麻烦。
图2-3 全波整流电路图
方案三:采用桥式整流电路
桥式整流电路如图2-4所示,这种整流电路使用普通的变压器,比一般的全
波整流电路多用到了两个整流二极管。因为整流二极管以四个连接成电桥形式,所以称这种整流电路为桥式整流电路。桥式整流电路使用的整流器件较一般的全波整流电路多一倍,但是其每个器件所承受的反向电压较小,在直流稳压电源的设计当中得到广泛使用。
图2-4 桥式整流电路图
综合考虑以上3种方案的优缺点,决定采用方案三:桥式整流电路。
2.滤波电路的设计
方案一:采用电感滤波电路
电感滤波电路如图2-5所示,电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电
动势来达到滤波的作用,电感量越大,其滤波效果越好。电感滤波电路带负载能力比较好,多用于负载电流很较大的场合。如果忽略电感线圈的直流电阻,负载上的直流电压与不加滤波时负载上的直流电压基本相同。电感滤波电路输出电压没有电容滤波高。在电感滤波电路中,峰值电流很小,整流管的导电角较大,输出特性比较平坦,但是由于铁心的存在,笨重、体积大,容易引起电磁干扰,电感滤波电路用只用在低电压、大电流场合。
图2-5 电感滤波电路
方案二:采用RC滤波电路
RC滤波电路如图2-6所示,它是由两个电容和一个电阻组成,又称π型RC滤波电路。这种滤波电路由于增加了一个电阻R1,使交流纹波都分担在R1上。R1和C2越大其滤波效果越好,但R1过大又会造成压降过大,减小了输出电压。在RC滤波电路中,一般R1应远小于R2。
图2-6 RC滤波电路图
方案三:采用LC滤波电路
LC滤波电路如图2-7所示,LC滤波电路是一种与RC滤波电路相对的滤波电
路,此滤波电路的优点是综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的特性。
图2-7 LC滤波电路图
方案四:采用电容滤波电路
电容滤波电路如图2-8所示,电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到
滤波的作用。电容滤波电路简单,纹波较小,负载直流电压比较高,它适用于负载电压较高,负载变动不大的场合,使用电容滤波电路也减轻了电路设计工作。由于电感的体积和制作成本等原因,滤波电路多采用电容滤波。
图2-8 电容滤波电路
基于以上的电路对比分析,选用电容滤波电路。
3.稳压电路的设计
稳压电路的作用是为电路提供更加稳定的直流电。整流滤波电路的输出电压
和理想直流电源还有一定的差距,主要因为两方面的原因:第一,当负载电流发生变化时,由于整流滤波电路存在内阻,输出的直流电压将会随之发生变化;第二,当电网电压有波动时,整流电路的输出电压与变压器副边电压有直接的关系,因此输出直流电压也会发生变化。
根据设计任务的要求,可以采用LM7805,LM7812和LM7912,LM317共同组成
所需的稳压电路。利用固定式三端稳压器LM7812和LM7912组装的电路可对称输出±12v的直流电压;LM7805固定式三端稳压器可输出+5V电压;采用LM317可调式三端稳压器能够组装输出连续可调的(+3~+9)V直流电压。
第三章 单元电路的原理和设计
3.1 电源变压器
变压器是一种利用线圈互感特性构成的元器件,几乎所有的电子产品中都会
用到变压器进行变压。变压器的工作原理比较简单,但是在不同的使用场合,变压器的绕制工艺和方法会有所不同。通常,变压器的功能主要有:电压变换;阻抗变换;隔离;稳压等。它是由一个初级线圈及一个次级线圈组成。
电源变压器的效率是副边功率与原边功率的比值,即
η=P2/P1 (3-1)
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3-1所示:
表3-1 小型变压器的效率
一般根据变压器副边输出的功率P2来选取变压器。由稳压器的要求得出变
压器副边的输出电压U2与稳压器输入电压Ui的关系。U2的值不能取大,U2越大,稳压器的压差越大,功耗也越大。一般取U2≥Uimin/1.1,I2>I0max。。
3.2整流电路
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。其电路如图3-1所示,这种电路,
只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构,便具有普通全波整流电路的优点,而同时在一定程度上克服了它的缺点。因为二极管具有单向导电性,在分析整流电路工作原理时,整流电路中的二极管是作为开关运用。在桥式整流电路中,流过变压器次级的电流是正负相对称的,没有直流成分流过次级绕阻。桥式整流电路的输出电压高,谐波电压较小,管子所承受的最大方向电压较低,同时因电源变压器在正负半周内部都有电流供给负载,使电源变压器得到了充分的利用,利用效率较高。
图3-1 桥式整流电路
1.桥式整流电路的工作原理
如图3-1所示,
当U2为正半周时,对D1、D3加正向电压,Dl,D3导通;对D2、D4加反向
电压,D2、D4截止。电路中构成U2、Dl、RL 、D3通电回路,在RL上形成上正下负的半波整流电压;
当U2为负半周时,对D2、D4加正向电压,D2、D4导通;对D1、D3加反向
电压,D1、D3截止。电路中构成U2、D2、RL 、D4通电回路,同样在RL上形成上正下负的另外半波的整流电压。
如此重复下去,结果在RL上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图3-1中还不难看出,桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值。
如图3-2所示,经过桥式整流后,在负载电阻RL上正得到的是同一个方向的单向脉动电压。
t
t
图3-2桥式整流电路波形变化
2.桥式整流电路的参数计算
(1)输出平均电压Uo。
由Uo波形可知,桥式整流电路的输出平均电压是半波整流电路的2倍, 即:
π (3-2) UO=22U2≈0.9U2
(2)流过每个二极管的平均电流ID。
由于D1 、 D3和D2、 D4轮流导通, 因此流过每个二极管的平均电流只有负载电流的一半, 即:
U 1 1 U o 2
L L (3-3) ID=2Io=2R=0.45R
(3)二极管承受的最高反向峰值电压URM。
当U2上正下负时,D1 、D3导通,D2、D4截止, D2 、D4相当于并联后跨接在U2上,因此反向最高峰值为:
URM=2U2(3-4)
3.单相桥式整流电路的负载特性曲线
单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲
线。如图3-6所示:该曲线的斜率代表了整流电路的内阻。
图3-3单相桥式整流电路的负载特性曲线
3.3 滤波电路
交流电经过整流电路后得到的是脉动直流,这样的直流电源由于所含交流纹
波很大,不能直接给电子电路供电。采用电容滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份,让整流后的电压波形变得比较平滑。
电容滤波电路,如图3-9所示:
图3-4 电容滤波电路
图3-5 电容滤波变化示意图
1.工作原理
如图3-5所示,若电路处于正半周,则二极管D1、D3导通,变压器次端电
压U2给电容器C充电。此时C相当于并联在U2上,所以输出波形同U2 ,是正弦形。在t1到t2时刻,二极管导电,C充电,Uo=Uc按正弦规律变化;t2到t3时刻二极管关断,UC=URL按指数曲线下降,放电时间常数为RLC
。当放电时间
常数RLC增加时,t1点要右移, t2点要左移,二极管关断时间加长,导通角减小,见曲线3;反之,RLC减少时,导通角增加。当RL很小,即IRL很大时,电容滤波的效果不好,见滤波曲线中的2。然而,当RL很大,即IRL很小时,尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。
通常,放电时间常数RLC越大、输出电压越平滑。如果负载开路,即负载电
阻趋于无穷大,电容没有形成放电回路,此时输出电压将保持为U2的峰值不变。
2.电容滤波电路的参数计算
(1)输出电压的估算
电容滤波电路的输出电压与电容的放电时间常数τ=RLC有关,τ应远大于U2的周期T,通常,当 τ=RLC≥(3~5)T /2时,滤波电路的输出电压可按下式估算,即UO≈1.2U2。
(2)因为整流二极管的导通时间缩短了,存在瞬间的浪涌电流,所以要求
二极管允许通过更大的电流,管子参数应满足 : IFM>2IV=IO。
(3)如果负载电阻RL的大小,可根据公式选择滤波电容C的容量,即
C≥(3~5) T /2RL。 (3-5)
若容量偏小,输出电压UO将会下降,一般选择较大容量的电解电容;电容
的耐压值应大于U2的峰值,同时要考虑到电网电压波动的因素,留有一定的余量。电容滤波电路的负载能力较差,仅适用于负载电流较小的场合。选择滤波电容时需要满足条件:RLC≥(3-5)T/2。
电容滤波电路的输出特性曲线如图3-6所示。从图中可见,电容滤波
电路的输出电压在负载变化时波动较大,说明它的带负载能力较差,只适用于负载变化不大的场合。
图3-6电容滤波电路的输出特性曲线
3.4 稳压电路
由于稳压电路会因为外界因素发生波动、负载和温度发生变化,滤波电路输出的直流电压会随之发生变化而不稳定。因此,为了维持输出电压稳定不变,还需一个稳压电路。稳压电路所起到的作用是当电网电压、负载、外界环境温度等发生变化时,使输出直流电压不受影响,而维持电压的稳定输出。
3.4.1 串联反馈式稳压电路
串联型稳压电路是以稳压管电路为基础,利用晶体管的电流放大作用,增大负载电流;在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定;同时,可以通过改变反馈网络参数使输出电压可调。
图3-7 串联稳压电路的基本组成电路
1.串联型反馈式稳压电路的工作原理
如图3-7所示,显然有,VO =VI-VR,当VI增加时,R因受控制而增加,使VR增加,从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。当负载电流IL增加时,R受控制而减小,使VR减小,这就在一定程度上抵消了因IL增加使VI减小,对输出电压减小的影响。 2.典型串联反馈式稳压电路
在实际电路中,可变电阻R是用一个三极管来替代的,控制基极电位,从而就控制了三极管的管压降VCE,VCE相当于VR。要想输出电压稳定,必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。
如图3-8所示,串联反馈式稳压电路由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源四个部分组成。
图3-8 串联型稳压电路方框图
(1)当输入电压变化,负载电流保持不变。若输入电压VI的增加,会使输出电压VO有所增加,输出电压经过取样电路取出一部分信号VF与基准源电压VREF比较,获得误差信号ΔV。误差信号经放大器进行放大后,使用VO1去控制调整管的管压降VCE的增加,这样就抵消输入电压增加的影响。其变化过程可以描述如下:
(2)当负载电流变化,输入电压保持不变。若负载电流IL的增加,会使输入电压VI有所减小,输出电压VO必然有所下降,经过取样电路取出一部分信号VF与基准电压源VREF比较,获得的误差信号ΔV。误差信号经放大器进行放大后使VO1增加,从而使调整管的管压降VCE下降,这样就抵消了因IL增加使输入电压减小的影响。其变化过程可以描述如下:
3.串联反馈式稳压电路输出电压调节范围的计算
R+
R'
Vf≈VREF VO≈VO1=(1+R+R")VREF
32 , (3-6)
由上式可以看出,通过调节R2可以改变输出电压。
串联型稳压电源的内阻很小,如果输出端短路,则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上,使调整管的功耗大大增加,调整管将因过损耗发热而损坏,为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。
3.4.2 三端固定式集成稳压器
目前在市场上,集成稳压器的类型有很多,使用也很广泛,在小功率稳压电源中,普遍使用的是三端集成稳压器,其内部也属于串联型稳压电路结构。三端集成稳压器按其输出电压类型可分为固定式稳压器和可调式稳压器,此外这些集成稳压器又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。
三端固定式集成稳压器的外形和管脚排列如图3-9所示。从图中可以看出它只有输入、输出和公共地端三个端子,所以称之为三端稳压器。
GND
IN
1
3
GND
GND
GND
IN
图3-9 三端固定式集成稳压器外形及管脚
国产的三端固定集成稳压器有CW78XX系列和CW79XX系列,CW78XX系列能够输出正电压,
CW79XX系列输出负电压,它们的输出电压值有±5V、±6V、±8V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V等,最大输出电流有0.1A、
0.5A、1A、1.5A、2.0A等。
78××系列和79××系列的典型电路如图3-10(a)、(b)所示:
图3-10(a)正电压输出
图3-10(b)负电压输出
在图3-10中,输入与输出之间的电压差不得低于3V.
电容Ci的作用是用来抵消输入端接线较长时的电感效应,防止产生自激振荡。用来改善波形。通常Ci大小取0.1μF ~ 0.33μF。
电容Co的作用是为了瞬时增减负载电流时,不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。通常Co大小为1μF。
如果需要输出电压高于三端稳压器输出电压,即要提高输出电压时,可采用图3-11(a)、(b)所示电路。
-
(a)
+
+
O
(b)
O
图3-11提高输出电压的接线图
-
图3-11(a)中,
(3-7) UO=UXX+UZ在上式中,UXX为集成稳压器的输出电压值;UZ为稳压管的稳压值。 图3-11(b)中,
R
UO=UXX(1+2)+IWR2
R1
在上式中,IW为三端稳压器的静态电流,一般大小在几毫安左右。
当负载电流大于三端稳压器输出电流,即要提高输出电流时,可采用图3-12(a),(b)所示电路。
VRL
RL
(a)
图3-12 提高输出电流的电路
(b)
其中的电流关系为:
I=I+IC
O XX
(3-9)
I XX = I R + IB - I W (3-10)
U 1 + β
BE
I=I+I-IW+IC=+IC-IW
O R B R β (3-11)
因为β>>1,且IW很小,可忽略不计,所以有
U B E (3-12)
IO≈+IC
R
R ≈ UBE (3-13) IO-IC
在上式中,R为V提供偏置电压;UBE的大小由三极管决定,通常锗管为0.3V,硅管为0.7V。
图3-12(b)中,输出电流为单片三端稳压器的两倍,即 :
(3-14)
IO=2IXX
如果要求电路同时具有正、负电压输出功能。可采用图3-13所示电路,由图可知,这种电路可以在输出端得到大小相等、极性相反的电压。
-UO2
+UO1
图3-13 正负电压对称输出的稳压电路
3.4.3 三端可调式集成稳压器
三端可调式集成稳压器克服了固定三端稳压器输出电压不可调的缺点,同时有继承了三端固定式集成稳压器的一些优点。三端可调集成稳压器CW317和CW337是一种悬浮式串联调整稳压器,它们的外形如图
3-14所示,内部电路如图3-15所示。317系列集成稳压器能够输出连续可调的正电压,337系列集成稳压器能够输出连可调的负电压。
调整
输出
入
调整
输入
输出
输
图3-14 CW317
和CW337外形图
图3-15 三端可调式集成稳压器内部原理图
(a)
图3-16 CW317和CW337典型应用电路
(b
)
在实际的应用当中,为了使电路正常工作,一般317和337系列稳压器输出电流不小于5mA。其输入电压范围在2~40V之间,输出电压可在1.25~37V之间调整,负载电流可达到1.5A,因为调整端的输出电流非常小(且恒定,可将其忽略不计,这样输出电压可用下式表示:
R
U O ≈
( 1 + RP) ⨯ 1 .25 V (3-15)
R1
在上式中,1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压VREF,此电压加于给定电阻R1两端,会产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器RP,通常电阻R1取值为120Ω~240Ω,根据LM317输出电压表达式,取:R1=2.2k,R2=2k。RP一般使用精密电位器,与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。 可调式稳压器内部含有过流、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。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。LM317系列和lM337系列的引脚功能基本相同。
LM317的一些特性参数如下: (1)输出电压可调范围:1.2V~37V; (2)输出负载电流:1.5A;
(3)输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo:3~40V。
3.4.4 集成稳压器的参数关系
(1)在直流稳压电源的设计当中,集成稳压器的输出电压Uo应与稳压电源要求的输出电压的大小及范围相符。稳压器的最大允许电流Icm
Uomax+(Ui-Uo)min≤Ui≤Uomin+(Ui-Uo)max (3-16)
在式(3-16)当中,Uomax为稳压电源的最大输出电压; Uomin为稳压电源的最小输出电压;(Ui-Uo)min为稳压器的最小输入输出压差;(Ui-Uo)max为稳压器的最大输入输出压差。
(2)可调式三端集成稳压器输出电压Uo满足下式:
Uo=1.25(1+Rp∕R1)。 (3-17)
第四章 电路设计和器件选择
4.1 ±12V直流电压对称输出电路
1.电路设计
如图4-1所示,为±12V直流电压对称输出电路原理图。
图4-1 ±12V直流电压对称输出电路
2.电路元器件选择 (1)变压器的选择
在图4-1中,集成稳压器选用LM7812和LM7912,其输出电压分别为+12V,-12V,最大输出电流Imax为1.5A。
因为 Uomax+(Ui-Uo)min≤Ui≤Uomin+(Ui-Uo)max 得 11.4V+3V≤Ui≤3V+12.6V 14.4V≤Ui≤15.6V
U2≥Uimin/1.1=14.4/1.1=13.6V
所以,取U2=15V可满足要求。
又因为变压器副边电流:I2≥Iomax=0.2A,则变压器的副边输出功率P2为:P2≥I2U2=3W。
由表3-1知,变压器的效率为η=0.7,则原边输入功率P1≥P2 /η=4.28W。 为留有一定的余地,可选用功率为20W的变压器。所以选用15V/20W的变压器。 (2)整流二极管的选择
因为:URM=/¯2U2=/¯2×15=21.21V, Iomax=0.1A,而IN4001的反向击穿电压URM≥50V,其额定工作电流ID=1A,所以整流二极管可以选用IN4001。 (3)滤波电容的选择 根据公式:Sv=
Io=常数
∆U0
U0∆UIUI
T=常数
在上式中,Uo=12V,Ui=15V, ∆Uop–p≤5mV, Sv≥5×10¨³,则有ΔUi=∆Uop–p Ui/ Uo Sv=1.25V。
由此,可求出滤波电容C为:C=Ict/ΔUi= CIomaxt/ΔUi=800μF,在电路中取C=1000uF。在图4-1电路图中,C2=C6=1000uF.
(4)稳压器前后小滤波电容:取值C3=C7=330nF,C1=C8=0.1μF。 (5)集成稳压器件:7812,7902。 (6)输出滤波电容:C4=C5=220uF。
4.2 +5V直流电压输出电路
1.电路设计
如图4-2所示,为+5V直流电压输出电路原理图。
图4-2 +5V直流电压输出电路
2.电路元器件选择
(1)变压器的选择
在图4-2中,集成稳压器选用LM7805,其输出电压为+5V,最大输出电流Iomax
为1.5A。
因为 Uomax+(Ui-Uo)min≤Ui≤Uomin+(Ui-Uo)max
即 4.75V+5V≤Ui≤5.25V+5V
9.75V≤Ui≤10.25V
U2≥Uimin/1.1=9.75/1.1=8.86V
所以,取U2=10V可满足要求。
由于,变压器副边电流为:I2≥Iomax=0.5A,则变压器的副边输出功率P2为:
P2≥I2U2=5W。
由表3-1知,变压器的效率η=0.7,则原边输入功率P1≥P2 /η=7.14W。 要留有
一定的余地,可选用功率为20W的变压器,所以在此电路中选用15V/20W的变压
器。
(2)整流二极管的选择
因为:URM=/¯2U2=/¯2×10=14.1V, Iomax=0.3A。而IN4001的反向击穿电压
URM≥50V,额定工作电流ID=1A,故整流二极管可以选用IN4001。
(3)滤波电容的选择
Io=常数∆U0 根据公式:Sv=U0∆UIUI T=常数
在上式中,Uo=5V,Ui=10V, ∆Uop–p≤5Mv, Sv≥5×10¨³,则求得ΔUi=∆Uop–p Ui/ Uo
Sv=2V。由此,可求出滤波电容C为:C=Ict/ΔUi=Iomaxt/ΔUi=1500μF。在设计电
路图4-2中取C3=2200uF。
(4)稳压器前滤波电容:取C1=0.33μF。
(5)集成稳压器件:LM7805。
(6)输出滤波电容:C=0.1μF。
4.3(+3~+9)V直流电压连续可调输出电路
1.电路设计
如图4-3所示,为(+3~+9)V连续可调直流电压输出电路
图4-3(+3~+9)V连续可调直流电压输出电路
2.电路元器件的选择
(1)变压器的选择
在图4-3中,集成稳压器选用但是CW317,其输出电压范围为:UO=1.2~37V,
最大输出电流Iomax为1.5A。
因为LM317的输入电压与输出电压差的最小值为(UI-Uo)min=3V,输入电压
与输出电压差的最大值为(UI-Uo)max=40V,所以LM317的输入电压范围为:
Uomax+(UI-Uo)min≤UI≤Uomin+(UI-Uo)max
即 9V+3V≤UI≤3V+40V
12V≤UI≤43V
U2≥UImin12==11V, 所以取U2=12V可满足要求。 1.11.1
由于变压器副边电流: I2>Iomax=0.8A,取I2=1A,因此,可求出变压器副
边输出功率: P2≥I2U2=12W。
由表3-1变压器的效率η=0.7,所以变压器原边输入功率P1≥
为留有一定的余地,在此可选用功率为12V/20W的变压器。
(2)整流二极管 因为:URM>2U2=2⨯12=17V,I0max=0.8A,IN4001的反向击穿电压
URM≥50V,额定工作电流ID=1A>I0max,所以整流二极管可以选用IN4001。 P2=17.1W,
(3)滤波电容
根据公式 Io=常数
∆U0Sv=U0∆UIUI T=常数
在上式中,Uo=9V,Ui=12V, ∆Uop–p≤5mV, Sv≥5×10¨³,则ΔUi=∆Uop–p Ui/ Uo
Sv=1.33V。
可求出滤波电容C为:C=Ict/ΔUi=Iomaxt/ΔUi=1500μF,在设计电路图4-3中,取
C=1600uF。
(4)稳压器前小滤波电容选择:取C1=0.01μF,C2=10uF.
(5)集成稳压器件选择:LM317。
(6)输出滤波电容选择:CO=1μF。
(7)电阻和电位器的选择:R1和R2组成输出电压调节电路部分,由于输出电
压UO=1.25(1+R2/R1) ,则R1的值可取120~240Ω,流过R1的电流大小为
5~10mA。在电路4-3中,取R1= 200Ω,又由UO=1.25(1+R2/R1),可求得:
R2min=336Ω,R2max=1488Ω。 所以取R2为2KΩ的精密线绕电位器可满足本设计
的要求。
4.4电路设计总图
如图4-4所示,为三档直流电压输出电路总图
图4-4 电路总图
第五章 电路仿真
5.1 Protues仿真软件简介
1.Proteus的概述
Proteus软件是由英国Labcenter electronics公司发行的EDA工具软件。它是由
ISIS和ARES两部分构成,其中ISIS是一款便捷的电子系统原理设计和仿真平台
软件,ARES是一款高级的PCB布线编辑软件。
Protues软件具有和其他EDA工具一样的原理图编辑、印刷电路板(PCB)设计及
电路仿真功能,Protues软件最大的特色是其电路仿真的交互化和可视化。通过
Proteus软件的VSM即虚拟仿真模式,用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合
电路、单片机及外围元器件等电子线路进行系统的仿真测试。
2.Protues的丰富资源
(1)Protues可提供的仿真元器件资源包括:仿真数字和模拟、交流和直流等
数千种元器件,有30多个元件库。
(2)Protues可提供的仿真仪表资源有 :示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、I2C
调试器、SPI调试器、模式发生器、信号发生器、交直流电流表、交直流电压表。
(3)Protues还提供了一个图形显示功能,在protues仿真环境下,可以将线路
上变化的电流信号,通过图形的方式实时地显示出来,它作用与示波器的功能相
似,但protues的功能更加强大。
(4)Protues可提供的调试手段也很丰富, Protues的仿真环境下,提供了很多
的测试信号用于电路的测试。这些测试信号有模拟信号和数字信号等。
(5)与此同时,Protues还能够支持第三方的软件编译和调试环境,比如Keil
C51 uVision3等软件。在仿真环境下,绘制好原理图后,调入已编译好的目标代码
文件:*.HEX,就可以在Proteus原理图中直观的看到模拟的实物运行状态和过程。
3.PROTUES ISIS的功能
Protues软件具有其它EDA工具软件的功能。这些功能有: 原理布图 、SPICE
电路仿真、PCB自动或人工布线 。
4.Protues仿真软件其革命性的特点
(1)具有互动的电路仿真功能。
用户可以实时采用诸如RAM,ROM,键盘,马达,LED,LCD,AD/DA,部分SPI
器件,部分IIC器件。
(2)仿真处理器及其外围电路。
protues可以仿真51系列单片机、PIC、ARM、AVR等常用主流单片机。除此
以外,protues还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,然后配合显示及输出,就能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等,Protues仿真软件建立了一个完备的电子设计开发环境。
随着电子科学技术的发展,计算机仿真技术已成为许多设计部门前期设计手
段。计算机仿真技术具有设计灵活,结果、过程的统一的优点。它的使用可使设计时间大为缩短、耗资大为减少,同时,也可降低工程制造的风险。相信在以后的电路仿真中Protues仿真软件会茯更加广泛的应用。
5.2电路仿真
5.2.1 ±12V直流电压输出电路仿真
采用protues仿真软件对所设计的电路进行电路仿真,仿真运行结果如下:
图5-1 ±12V直流电压对称输出电路protues仿真效果
图5-2 +12V直流电压输出示波器显示
图5-3 -12V直流电压输出示波器显示
5.2.2 +5V直流电压输出电路仿真
+5V输出电路protues仿真结果如图5-4所示:
图5-4 +5V直流电压输出电路protues仿真效果
图5-5 +5V直流电压输出示波器显示
5.2.3 (+3~+9)V直流电压连续可调输出电路仿真
(+3~+9)V连续可调输出电路protues仿真结果如图5-6所示:
图5-6 (+3~+9)V可调直流电压输出protues仿真效果
图5-7 调节R2,得到U0=9.08V
图5-8 调节R2,得到 U0
=3.02V
图5-9 3V直流电压输出示波器显示
图5-10 9V直流电压输出示波器显示
5.2.4 三档直流电压输出电路仿真
三档直流电压输出电路protues仿真结果如图5-11所示:
图5-11 三档直流电压输出protues仿真效果
5.3性能测试
为了进一步确定所设计的电路是否符合设计任务的要求,需要对路中的关键部分用进行电路测试。
1.测试指标
稳压电源的技术指标一般分为两种:一种是特性指标,包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等;另一种是电源的质量指标,用来衡量输出直流电压的稳定程度,包括稳压系数、输出电阻(或电流调整率)、温度系数及纹波电压等。
直流稳压电源的质量指标,可简述如下: (1)纹波电压
纹波电压是指叠加在电源输出电压U0上的交流分量。可以直接用示波器观测其峰-峰值,通常纹波电压值很小,△U0PP一般为毫伏量级。另外,也可以用交流电压表测量其有效值,但因△U0不是正弦波,所以用有效值衡量其纹波电压,会存在一定误差,得出的结果不准确。 (2)稳压系数及电压调整率
稳压系数是指在负载电流、环境温度不变的情况下,直流电源输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化,用公式表示为:
Su=
∆U/U0
(5-1)
∆Ui/Ui
电压调整率是指直流电源的输入电压相对变化为±10%时,输出电压相对变化量,即
Ku=
∆U0
(5-2)
U0
稳压系数Su和电压调整率Ku说明输入电压变化对输出电压的影响,因此在进行测试时,只需测试其中之一。 (3)输出电阻及电流调整率
输出电阻是指在放大器的输出电阻相同,其值为当输入电压不变时,直流电源输出电压量与输出电流变化量之比的绝对值,即
r0=
∆U∆I
00
(5-3)
电流调整率是指输出电流从0变到最大值Imax时所产生的输出电压相对变化值,用公式表示为:
Ki=
∆U0U0
(5-4)
输出电阻ro和电流调整率说明了负载电流变化对输出电压的影响,因此在进行测试时,也只需测试其中之一。 2.测试方法
按照图5-12所示的测试电路在protues仿真软件当中进行电路性能测试。
图5-12 稳压电源性能指标测试电路
(1)在负载电流、环境温度不变的情况下,该改变输入电压,测量实际的输出电压。
(2)在放大器的输出电阻相同,且输出电压不变时,改变负载的阻值,记录实际的输出电压和输出电流。
(3)用示波器测试电路的纹波电压,计算出电路的稳压系数。 (4)将测量所得数据记录并计算处理,用表格列出测试结果。
在进行仿真测试时,因为电网电压存在一定的波动,分别取不同电压的交流电进行测试,将输入电压设置在200V~240V范围内变化,分别在电路中接入交流电压表、直流电压表、直流电流表进行相应测试,记录在相应电压下的电路输出电压,并计算出稳压系数,用示波器观察电源的纹波电压。得出直流稳压电源的性能测试结果。
表5-1 ±12V稳压电路输出电压的性能测试表
表5-2 +5V稳压电源输出电压的性能测试表
表5-3 (+3~
+9)V可调稳压电源输出电压的性能测试表
由表5-1,表5-2,表5-3可知,在允许的误差范围内,设计基本能够满足预期的要求。
3.仿真测试结果
(1)输出电压测试结果
在protues仿真环境中,在所设计的电路中加入一交流电压源(220V,50Hz),把电压表接入电路测试输出电压,测试结果为:I档:输出电压为+12.00V,-12.00V;II档:输出电压+5.01V;III档:输出电压范围在+3.02~+9.08V。 (2)纹波电压测试结果
通常,在输出的直流电压中还会含有一定的交流成分,在protues仿真环境下,可以用示波器观察其峰峰值△U0PP,直接得出其纹波电压值。在本设计电路中,经过测试,其纹波电压在2.0mV~3.2mV之间,基本满足设计要求。 (3)稳压系数计算结果
因为电网电压存在一定的波动,分别取不同电压的交流电进行测试,测试结果为,当输入电压在200V~240V变化时,电路的稳压系数Su保持在0.005以下。
第六章 设计总结
在电子技术快速发展的今天,几乎所有的电子设备都离不开直流稳压电源,这也是本课题研究的现实意义。
在课程设计过程中,先根据直流稳压电源的特点收集、选择与直流稳压电路的相关资料,再整理收集到的资料,然后初步确定几个电路设计方案,再通过几次方案的可行性讨论、修改,最后确定最终的设计方案。当设计方案确定以后,进行详细设计,并在仿真软件环境中画出所需的电路原理。然后学习使用Proteus仿真软件,最后使用Proteus对所设计的电路进行仿真并进行调试。
设计过程中我也遇到了很多困难,在对电路进行仿真运行的过程中,有很多仿真环节都没有成功,一方面是对仿真软件的不够熟悉,另一方面是因为自己所设计的电路本身存在错误,但经过对仿真软件的进一步学习,修改一些元器件的参数设置,我把这些这些问题都依次解决的,这一过程是需要很大的耐心的。 通过直流稳压电源的设计使我电源原理和性能有了更为深刻的了解,对其结构组成及参数计算更加熟悉了。比如整流电路部分的原理和电容滤波电路原理,这些知识在以前没有学习很得透彻,但通过本次设计,然我对这些原理的理解更加深刻,我相信这会对我以后的学习有很大的帮助。而在稳压电路部分所用到的三端集成稳压器7805,7812,7912,LM317,具有很多的性能优点,给电路设计带来了很大的方便。
本次设计的测试结果基本符合了预期的要求,但是由于学识有限,在设计当中难免会有一些错误,还有很多地方可以做进一步的完善,还望得到老师和专家们的批评指正。
参考文献
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本论文是在我的导师张老师的指导下完成的,张老师给我提供了很多相关的学习资料,又能在百忙之中抽空为我批阅论文,指出不足,提出了很多改进的意见。老师对工作认真负责的工作态度和丰富的学识,让我印象深刻,在此,向张老师致以衷心的感谢。本设计的顺利完成,除了要感谢张老师的悉心指导之外,我还想感谢很多电信学院的老师,他们教会了我很多东西,不管是学习上还是人生态度上的指导,我都受益匪浅。同时,我还要感谢辅导员,感谢各位同学这四年以来对我的关心和照顾。在设计完成的过程中,我还得到了许多人的帮助与支持。在此,我要向他们表达我最诚挚的谢意!
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