直流稳压电源课程设计-精品

直流稳压电源课程设计

综述

电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分，直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。直流稳压电源是常用的电子设备，它能保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压。一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着重要的实际应用价值。

直流稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路、稳压控制电路所组成，具有体积小，重量轻，性能稳定好等优点，电压从零起连续可调，可串联或关联使用，直流输出纹波小，稳定度高，稳压稳流自动转换、限流式过短路保护和自动恢复功能，是大专院校、工业企业、科研单位及电子维修人员理想的直流稳压电源。适用于电子仪器设备、电器维修、实验室、电解电镀、测试、测量设备、工厂电器设备配套使用。几乎所有的电子设备都需要有稳压的电压供给，才能使其处于良好的工作状态。家用电器中的电视机、音响、电脑尤其是这样。电网电压时高时低，电子设备本身耗供电造成不稳定因家。解决这个不稳定因素的办法是在电子设备的前端进行稳压。

直流稳压电源广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等的直流供电。

1．设计内容及要求

1.1 设计内容

设计一波形直流稳压电源，满足：

（1）当输入电压在220V±5V，±12V，±15V和从0到15V可调，输出电流大于1A；

10 ，输出小于0.1殴。

（2）输出波纹电压小于5mV，稳压系数小于5×3

1.2设计要求

1．电源变压器制作理论设计；

2．合理选择集成稳压器；

3．完成电路理论设计；

4．撰写设计报告、总结报告。

2.电路工作原理

2.1直流稳压源的原理

直流稳压电源是将220V 的交流电转换成稳定输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节，首先采用电源变压器将电网电压降低，获得所需要的交流电压，交流电压通过整流电路变为单项直流电，再经滤波电路将其中的交流成分滤掉，保留直流成分，最终通过稳压电路稳压，供给负载电路。

交流电压 脉动直流 直流电压

图2.1 直流稳压电源方框图

2.2各个环节的作用

（1）电源变压器：是降压变压器，因为直流电源的输入为220V 的电网电压，一般情况下所需直流电压的数值与电网电压的数值有较大的差异，因此需要通过电压变压器将电网220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：可将正弦电压转换成单一方向的脉冲电压，利用单向导电元件，把50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电。单项直流电流有半波整流、全波整流和桥式整流。 （3）滤波部分：整流后的电压仍有较大的交流成分，会影响负载电路的正常工作，为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路使输出电压平滑。

（4）稳压部分：交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或负载变化时，其平均值也随之变化。稳压电路的功能是是输出的直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而使电压有足够高的稳定性。

3.电路各个部分的选择

3.1电源变压器

电源变压器的作用是将来自电网的220V 交流电压1U 变换为整流电路所需要的交流电压2U 。电源变压器的效率为：

12P P =

η

其中：1P 是变压器原边的功率，2P 是变压器副边的功率，1I /2I =2U /1U =2N /1N ，

1P =2P =1U I=2U I ，因此，当算出了副边功率2P 后，就可以根据上表算出原边功率1P 。

3.2整流电路

3.2.1半波整流电路

U

图3.2.1（1）半波整流电路图

当2U ＞0时，二极管道通，忽略二极管正向压降，0U =2U ； 当2U ＜0时，二极管截止，0U =0。 （1）单向半波整流二极管

wt

2

U 00

U D

U

图3.2.1（

2）单向半波整流电路图

输出电压平均值（0U ），输出电流平均值（0I ）：

wt

U

图3.2.1（3）单向半波整流电路图及负载电压波形图

0U =

?

ππ200)(21wt d U =)

(sin 22

120

wt wtd U ?π

π

=

π

2

2U =0.45

2U

L L R U R U I 2045.00==

22)()sin (21257.10

m 20

2

2I I I I wt d wt I m =

===

?

ππ

π

（2）二极管上的平均电流既承受的最高反向电压

D

U

图3.2.1（4）单向半波整流电路图及二极管电压波形图

二极管的平均电流：0I I

D =

承受的最高反向电压：22

U U DRM =

3.2.2全波整流电路

D2

图3.2.2（1）全波整流电路图

原理：变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压2U ，当2U 正半周时，1D 导通，

2D 截止；当2U 负半周时，2D 导通，1D 截止。

D2

2

U 0

U U U

图3.2.2（2）单向全波整流电路图

输出电压平均值（0U ），输出电流平均值（0I ）：

D2

0U

图3.2.2（3）单向全波整流电路图及负载电压波形图

二极管的平均电流及承受的最高反向电压：

D2

U

图3.2.3（4）单向全波整流电路图及二极管电压波形图

二极管上的平均电流：

二极管承受的最高反向电压：

3.2.3桥式整流电路

单线桥整流电路在相同条件下具有输出电压高，变压器利用率高，脉冲系数小等优点，所以在本设计中采用单线桥整流电路，如图所示：

图3.2.3（4）桥式整流电路图

当2U 正半周时，1D 、4D 导通，2D 、

3D 截止；当2U 负半周时，2D 、3D 导通，1D 、

4D 截止。

3.2.4整流电路的主要参数

（1）整流输出电压的平均值：

负载电压0U 的平均值为：

负载上的平均电流为：

0U

图3.2.4（1）输出电压波形图

（2）脉动系数S ：

S 定义：整流输出电压的基波峰值M U 01与

0U 平均值之比。S 越小越好。用傅式级数对全波整流的输出0U 分解后可得：

U

图3.2.4（2）输出电压波形图

（3）二极管平均电流与反向峰值电压

平均电流（D I ）与反向峰值电压（DRM U ）是选择整流管的主要依据。

使用时二极管额定电流≥2D I

使用时最大反向电压≥2RM U

3.3滤波电路

滤波电路的结构特点：电容与负载L R 并联，或电感与负载L R 串联。

L

R

L

R

图3.3滤波电路图

3.3.1电容滤波电路

以单项桥式整流滤波电路为例：

图3.3.1（1）桥式整流电容滤波电路

U 2

U

图3.3.1（2）桥式整流电容滤波电路原、副边电压波形图

电容充电时，电容电压滞后

0U 。L R C 越小，输出电压越低。

电容滤波电路的特点：

（1）输出电压平均值0U 与时间常数L R C

有关

L R C 越大——电容器放电越慢——0U 越大

一般取

（T ：电源电压周期）

近似估算：

（2）流过二极管瞬时电流很大

L R C 越大——0U 越大——负载电流的平均值越大； 整流管导电时间越短——D I 的峰值电流越大

（3）二极管承受的最高反向电压

3.3.2电感滤波电路

电路结构：在桥式整流电路与负载间串入一电感L 就构成了电感滤波电路。

图3.3.2（1）桥式整流电感滤波电路图

电感滤波电路原理：

对直流分量：L X =0相当于短路，电压大部分将在L R 上。 对谐波分量：f 越高，L X 越大，电压大部分将在L X 上。 因此在输出端得到比较平滑的直流电源。

3.3.3RC-π型滤波器

改善滤波特性的方法：采用多级滤波。

1

U

图3.3.3桥式整流电感滤波电路图

3.4串联式稳压电路

3.4.1二极管稳压电路

（1）稳压原理：利用稳压二极管的反向击穿特性。

R

V I I 0

V I

V

图3.3.4（1）二极管稳压电路图

当输入电压变化时，根据电路图可知：

输入电压1V 的增加，必然引起0V 的增加，即Z V 增加，从而使Z I 增加，R I 增加，使R V 增加，从而使输出电压0V 减小，这一稳压过程可以概括为：

（2）稳压电阻的计算

稳压二极管稳压电路的稳压性与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R 的阻值大小有关。稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R 越大，稳压性能越好。

稳压电阻的作用是将稳压二极管电流的变化转变为电压的变化，从而起到调节的作用，同时R 也是限流电阻。

①当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小，此时Z I不应小于

I，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。

ZMIN

②当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大，此时Z I不应超过

I，由此可计算出稳压电阻的最小值。

ZMIN

3.4.2三端集成稳压器

三端固定集成稳压器在使用时，首先要根据输出电压的正、负选择7800系列或7900系列。7800系列是正稳压器，7900系列是负稳压器，它们的输出电压分别是+5V~+24V和—5V~—24V。输出电流有0.1A、0.5A和1.5A。

以W7800三端稳压器为例：W7800为固定式稳压电路，其输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等档级。最后两位数表示输出电压值。输出电流分别是1.5A(W7800)、0.5A(W7800)和0.1A(W78L00)三个档次。例如：W7805，表示输出电压为5V、最大输出电流为1.5A：W78M05，表示输出电压为5V、最大输出电流为0.5A；W78L05，表示输出电压为5V、最大输出电流为0.1A。

图3.3.2（1）三端集成稳压器外形图3.3.2（2）三端集成稳压器基本应用电路

固定输出的三端集成稳定器：固定输出的三端集成稳定器（如图3.3.2（1））的三端指输入端、输出端及公共端三个引出端，其外形及符号如图所示。固定输出的三端集成稳定器W78××系列和W79××系列各有七个品种，输出电压分别为±5V、±6V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V；最大输出电流可达1/5A；公共端的静态电流为8mA。型号后两位数字为输出电压值。在根据稳定电压值选择稳压器的型号时，要求经整流滤波后的电压要高于三端集成稳压器的输出电压2~3V（输出分电压时要低2~3V），但不宜过大。

图3.3.2（2）中：C1用以抑制过电压，抵消因输入线过长产生的电感效应并消除自激振荡；C2用以改善负载的瞬态响应，即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。C1，C2一般选涤纶电容，容量为0.1μF至几μF。安装时，两电容应直接与三端集成稳定器的引脚根部相连。

3.5稳压电路的主要性能指标：

输出电压变化量：

稳压系数：

输出电阻：

温度系数：

（1）电源的负荷能力，与整流管的调整管的最大允许电流IcM 有最大输出直流电流Iomax ：表明该稳压电关。

（2）额定输出稳压直流电压Uo ：分别定压式和调压式两种。

（3）稳压系数S ：表示在负载电流与环境温度保持不变的情况下，由于输入电压Ui 的变化而引起的输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量的比值，即：

)//()/(Ui Ui U U S O O ??=。S 越小，电源的稳定性越好，通常S 约为421010---。

（4）输出阻抗Ro 越小：表示当输入电压和环境温度保持不变时，由于负载电流Io 的变化而引起的输出电压的变化量与负载电流的变化量的比值，即：O O O I U R ??=/。可见，

如果Ro 越小，则说明输出电压的变化量越小。

（5）纹波系数y ：输出电压中交流分量占额定输出直流电压的百分比，即：

%100]/)[(?=-O U U r 。

显然，r 越小越好，通常稳定电源的纹波电压只有几毫伏，甚至小于1毫伏。

4．设计的总电路

4.1电路总图

o

4.2电路的安装调试

o

U I

图4.2（1）集成稳压电路图

按图4.2（1）所示安装集成稳压电路，然后从稳压器的输入端加入直流电压V U I 12 ，调节RW ，若输出电压也跟着发生变化，说明稳压电路工作正常。

U S

图4.2（2）整流滤波电路图

用万用表测量整流二极管的正、反向电阻，正确判断出二极管的极性后，按图4.2（2）所示先在变压器的副边接上额定电流为1A 的保险丝，然后安装整流滤波电路。 安装时要注意，二极管和电解电容的极性不要接反。经检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用示波器或万用表图4.2（1） 稳压电路检查整流后输出电压UI 的极性，若UI 的极性为负，就会损坏集成稳压器。因此确定UI 的极性为正后，断开电源，按图4.1所示将整流滤波电路与稳压电路连接起来。 然后接通电源，调节RW 的值，若输出电压满足设计指标，说明稳压电源中各级电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标的测试。

5.元件清单

1、整流二极管

2、滤波电容

3、集成稳压器选用CW317

4、电容若干

5、可调工频电源

6、电源变压器

7、电阻若干

8、精密线绕电位器