西北工業(yè)大學___直流穩(wěn)壓電源的設計

1、4.2 直流穩(wěn)壓電源的設計一、實驗目的（1）學習用變壓器，整流二極管，濾波電容及集成穩(wěn)壓器設計直流穩(wěn)壓電源。（2）掌握直流穩(wěn)壓電路的調試及主要技術指標的測試方法。（3）利用仿真實驗，深入理解整流濾波的原理。二、設計指標與要求設計指標：設計兩個電路：（1）電路一：同時輸出 ±12V電壓，Iomax = 0.8 A。（2）電路二：Vo = +3V +9V連續(xù)可調，Iomax = 0.8 A。（3）兩者的性能指標：Vop-p 5mV，SU 5×10-3。三、實驗原理及參考電路直流穩(wěn)壓電源是所有電子設備的重要組成部分，它的基本任務是將電力網交流電壓變換為電子設備所需要的穩(wěn)定的直流電

2、源電壓。1. 直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流，濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。基本組成如圖4.2-1所示。 圖4.2-1 直流穩(wěn)壓電源基本框圖各部分的基本功能如下：（1）電源變壓器。電源變壓器的作用是將交流電網220 V 電壓1變?yōu)檎鳛V波器所需要的交流電壓a，變壓器副邊和原邊的功率比為(4.2-1)式中為變壓器的效率，一般小型的變壓器的效率如表4.2-1所示。表4.2-1小型變壓器的功率副邊功率P2/W<101030308080200效率0.60.70.80.85（1） 整流，濾波電路。整流利用二極管的單向導電性能將變壓器次級交流電壓電a變?yōu)槊}動的直流電壓Vb，在經

3、過濾波電路將脈動直流電壓的波紋減小或濾除，設計hi制轉變?yōu)槠交闹绷麟妷篤c。最簡單的濾波電路就是在整流器的輸出端并聯(lián)電容。所以常用的整流濾波電路有半波整流電容濾波電路、全波整流電容濾波電路、橋式整流電容濾波電路、倍壓整流電容濾波電路，分別如圖4.2-2所示。 圖4.2-2 幾種常見的整流濾波電路 （a）半波整流電容濾波電路； （b）全波整流電容電路；（c）橋式整流電容濾波電路； （d）倍壓整流電容濾波電路本次實驗中采用錢是整流電容濾波電路。他兩端的電壓滿足如下關系：(4.2-2)其中Va為a的有效值。每只整流二極管承受的最大反向電壓(4.2-3)防止二極管被反向擊穿，其額定工作電流應滿足(4

4、.2-4)Iomax為穩(wěn)壓電源正常工作時能輸出的最大電流。 濾波電容C可用下式估算：(4.2-5)式中，Vip-p為穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值。t為電容的放電時間，t=0.01s（T為50Hz交流電壓的周期，即為20ms）。IC為電容C的放電電流，可取IC=Iomax，濾波電容C的耐壓值應大于Va。（3）穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用主要是清除電網波動及負載變化的影響，保持輸出電壓的穩(wěn)定。 穩(wěn)壓電路有用晶體管實現(xiàn)的，也有用集成的穩(wěn)壓電路芯片。本次實驗采用穩(wěn)壓電路芯片實現(xiàn)電路的設計。常用的穩(wěn)壓集成器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調式三端電壓穩(wěn)壓器（均屬于電壓串聯(lián)型）。穩(wěn)壓器有三個引出端子：輸入端，輸出端和公

5、共端，故稱為三端式穩(wěn)壓器。 固定式三端集成穩(wěn)壓器。輸出的電壓是固定的，故稱為固定式三端段集成穩(wěn)壓器。通用的產品有CW7800系列（輸出正電壓），CW7900系列（輸出負電壓）。輸出的電壓值由具體型號中的后兩個數字代表，常用的5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等擋次。輸出的額定電流由78或79后面所加的字母來區(qū)分。L表示0.1A，M表示0.5A，無字母表示1.5A。例如CW7812表示輸出的電壓為+12V，額定的輸出電流為1.5A。 CW7800系列，CW7900系列，CW317系列。CW337系列的管腳封裝外形如圖4.2-3所示。CW7800系列，CW7900系列的典型電路如圖4

6、.2-4所示。 圖4.2-4 固定式三端穩(wěn)壓器典型接法（a） 輸出電壓電路； （b）輸出負電壓電路； （c）輸出正電壓電路可調式三端集成穩(wěn)壓器。典型的可調試三端集成穩(wěn)壓器產品有CW117，CW217，CW317（三者輸出正電壓），CW137，CW237，CW337（三者輸出負電壓）。兩個正負系列除了輸出電壓極性相反，引腳定義不同外，其他特點都相同。它們是在固定式的基礎上發(fā)展起來的，可用少量的外部器件方便地組成精密可調的穩(wěn)壓電路，應用更靈活廣泛。根據輸出電流的不同，每個系列又可分為Io0.1A的L型，Io0.5A的M型，Io1.5A的不標字母型。 CW317，CW337系列的直插式封裝管腳分布如

7、圖4.2-3所示。CW317，CW337的典型應用電路如圖4.2-5所示。R1和RP1組成電壓輸出調節(jié)電路，輸出電壓 （4.2-6） R1的值為120至240，Rp1為精密可調電位器。電容C2與Rp1并聯(lián)成濾波電路，以減小輸出的紋波電壓。二極管VD的作用是防止輸出端與地短路時，損壞穩(wěn)壓器。 集成穩(wěn)壓器的輸出電壓Vo與穩(wěn)壓電源的輸出電壓相同。穩(wěn)壓器的最大允許電流ICM<Iomax，輸入電壓Vi的范圍為 Vomax+(Vi-Vo)minViVomin+(Vi-Vo)max (4.2-7)式中，Vomax為穩(wěn)壓器的最大輸出電壓。Vomin為最小輸出電壓；(Vi-Vo)min為穩(wěn)壓器的最小輸入、

8、輸出電壓差，典型值為3V。 (Vi-Vo)max為穩(wěn)壓器的最大輸入、輸出電壓差，典型值為40V。圖4.2-5 可調式三端穩(wěn)壓器典型應用（a）CW317系列典型應用電路； （b）CW337系列典型應用電路2.穩(wěn)壓電源的性能指標及測試方法 穩(wěn)壓電源的技術指標分兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸入電壓調節(jié)范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數（或電壓調整率）、輸出電阻（或電流調整率）、紋波電壓（紋波系數）及溫度系數。 這里主要介紹以下幾種指標： （1）最大輸出電流：指穩(wěn)壓電源正常工作時輸出的最大電流，用Iomax 表示。一般情況下的工作電流

9、Io < Iomax 。穩(wěn)壓電路內部應有保護電路以防止Io > Iomax 時損壞穩(wěn)壓器。 （2）輸出電壓：指穩(wěn)壓電源的輸出電壓，用Vo表示。采用如圖4.2-6所示的測試電路，可以同時測量Vo 與Iomax 。測試過程是：輸出端接負載電阻RL ，輸入端接220V的交流電壓，數字電壓表的測量值即為Vo 。再使RL 逐漸減小，直到Vo 的值下降5%，此時流經負載RL 的電流即為Iomax（記下Iomax后迅速增大RL，以減小穩(wěn)壓電源的功耗）。 （3）紋波電壓：指疊加在輸出電壓Vo上的交流分量，一半為mV 級?？蓪⑵浞糯蠛?，用示波器觀測其峰峰值Vop-p也可以用交流電壓表測量其有效值Vo

10、 ，由于紋波電壓不是正弦波，所以用有效值衡量存在一點的誤差。 （4）穩(wěn)壓系數：指在負載電流Io 、環(huán)境溫度T不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即穩(wěn)壓系數為 （Io ，T為常數） （4.2-8） 的測量電路如圖4.2-6所示。測試過程是：先調節(jié)自耦變壓器使輸入電壓增加10%，即=242V，測量此時對應的輸出電壓；再調節(jié)自耦變壓器使輸入電壓減少10%，即=198V，測量這時的輸出電壓為，然后再測出=220V時對應的輸出電壓，則穩(wěn)壓系數為 （4.2-9）3.集成穩(wěn)壓器輸出電流的擴展 （1）擴展固定式三端集成穩(wěn)壓器的輸出電流。圖4.2-7與圖4.2-8為擴展CW7800系列與CW

11、7900系列集成穩(wěn)壓器的輸出電流的電路。圖中VT1 為擴流功率管，應選用大功率管；VT2與R2組成限流保護電路，當輸出電流過大時，VT2導通擴展電流I1減小以保護VT1。VT2導通電壓由R2I1決定，特別注意其額定功率是否滿足要求，擴展后的輸出電流IL=Io+I1。若按圖中所示參數設計，則可使輸出電流達到1.5A。 （2）擴展可調式三端穩(wěn)壓器的輸出電流。圖4.2-9為擴展可調式三端穩(wěn)壓器的輸出電流的電路。VT1與VT2組成互補復合管，I1為輸出擴展電流，R1,R2 和R3是偏置電阻，圖中所示的電路參數，可使輸出電流IL達到2A四、設計步驟（一）計算機仿真部分1. 半波整流電路仿真實驗電路圖如圖

12、4.2-10所示。圖4.2-10 半波整流電路圖（1）從元件庫中調出圖4.2-10所示的所有元件（注意器件參數），并連接好電路。（2）函數發(fā)生器設置為50Hz，220V（本實驗均采用此參數）。啟動仿真按鈕，用交流電壓表測量變壓器次級電壓，并記錄幅值。將示波器接于變壓器次級輸出端，觀察并記錄整流后的波形。 圖4.2-11所示為圖4.2-10的輸出波形，這只里給出了輸出波形（以免發(fā)生混淆），以供參考。圖4.2-11 半波整流輸出波形圖2.全波整流電路實驗電路圖如圖1.2-12所示。（1）從元件庫中調出圖4.2-12所示的所有元件（注意器件參數），并連接好電路圖。（2）重復半波整流（2）中的內容。圖

13、4.2-13所示為在圖4.2-12中的參數狀態(tài)下的波形圖，以供參考。圖4.2-12 全波整流電路圖圖4.2-13 全波整流輸出波形圖3.橋式整流電路實驗電路圖如圖4.2-14所示（1）從元件庫中調出圖4.2-14所示的所有器件（注意器件參數），并連接好電路圖。（2）重復半波整流（2）中的內容。圖4.2-15所示為在圖4.2-14的參數狀態(tài)下的波形圖，以供參考。圖4.2-14 橋式整流電路圖圖4.2-15 橋式整流輸出波形圖4.全波整流濾波電路實驗電路圖如圖4.2-16所示。（1）從元件庫中調出圖4.2-16所示的所有元器件（注意元件參數），并連接好電路圖。（2）在電容值取10F時，設置好參數，

14、啟動仿真按鈕，用交流電壓表測量變壓器次級的電壓，記錄幅值。用示波器接于變壓器的次級及輸出端，觀察并記錄整流前后的波形，并測量紋波電壓的峰峰值。（3）在電容值取100F，1000F時，重復（2）中的內容。（4）在電容值取100F時，將負載電阻的值分別取50，100，300，重復（2）中的內容。（5）比較RC取值不同時，整流濾波的效果。說明二者之間的關系。圖4.2-16 全波整流濾波電路圖圖4.2-17所示為在圖4.2-16的參數狀態(tài)下的波形圖，以供參考。圖4.2-17（1） 全波整流濾波輸入輸出波形圖（電容：10F，電阻：100）圖4.2-17（2） 全波整流濾波輸入輸出波形圖（電容：100F，

15、電阻：100）圖4.2-17（3） 全波整流濾波輸入輸出波形圖（電容：1000F，電阻：100） 圖4.2-17（4） 全波整流濾波輸入輸出波形圖（電容：100F，電阻：50）圖4.2-17（5） 全波整流濾波輸入輸出波形圖（電容：100F，電阻：100） 圖4.2-17（6） 全波整流濾波輸入輸出波形圖（電容：100F，電阻：300）在全波整流濾波電路中，電阻R與電容C的關系為：當電阻R一定時，電容C值居中時，電路的濾波效果最好；當電容C一定時，電阻R越大，電路的濾波效果越好。五、設計電路1. 設計電路一：同時輸出 ±12V電壓，Iomax = 0.8 A（性能指標：Vop-p 5

16、mV，SU 5×10-3）。+Vo1-+Vo2-圖一 同時輸出 ±12V的穩(wěn)壓電源+Vo1-+Vo2-VO1=12.54VVO2=-12.551V圖二 VO1和VO2的測量值+Vo2-+Vo1-圖三 Vop-p的測量電路圖、波形及測量值由上圖可知Vop-p1=321.358+730.710pV=1.052nV 5mV，符合要求；Vop-p2=-683.060-382.540pV=-1.065nV=1.065nV 5mV，符合要求。所以這個穩(wěn)壓電源的Vop-p符合性能指標要求。+Vo1-+Vo2-圖四 穩(wěn)壓系數Su的測量電路圖圖五 VO1和VO1的測量值圖六 VO和VO的測量

17、值圖七 VO2和VO2的測量值由圖五、圖六、圖七可得：VO1=12.41V，VO1=12.551V，VO=12.41V，VO=12.551V，VO2=12.41V，VO2 =12.551V。將數據帶入公式（4.2-9），計算得：Su1=0 5×10-3，Su2=0 5×10-3。所以這個穩(wěn)壓電源的Su符合性能指標要求。綜上可知：這個穩(wěn)壓電源可以正常工作，且各方面性能都符合性能指標的要求，這個穩(wěn)壓電源就是所要的穩(wěn)壓電源。2.設計電路二：Vo = +3V +9V連續(xù)可調，Iomax = 0.8 A（性能指標：Vop-p 5mV，SU 5×10-3）。+Vo-圖八 Vo = +3V +9V連續(xù)可調的穩(wěn)壓電源+Vo-圖九 此穩(wěn)壓電源輸出電壓的測量電路圖圖十 此穩(wěn)壓電源的最小輸出值和最大輸出值+Vo-圖十一 Vop-p的測量電路圖、波形及測量值由上圖可知Vop-p=28.935+23.092V=52.027V 5mV，符合要求。所以這個穩(wěn)壓電源的Vop-p符合性能指標要