串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源

1、 設(shè)計指標 輸出電壓：+12V, -12V, +5V +5V單獨輸出 最大輸出電流Io max =3A V0Pp im1V 最大輸出電流皆為Iomax=0.5A Vopp =10mV 以上穩(wěn)壓系數(shù)SV ： 5 10 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源 電源電路的作用是把交流市電 (220V) 變換成穩(wěn)定的直流電壓， 直 接或間接地給各個局部電路提供適當?shù)墓╇姡?以保證負載電路能正常 地進行工作。對電源電路總的 要求 是：穩(wěn)壓性能好，紋波系數(shù)小，功 率損耗小，過載過壓保護能力強等。 電源電路的常見形式有：一般型的可調(diào)串聯(lián)穩(wěn)壓電路，泵電源， 高速可控硅穩(wěn)壓電源， 開關(guān)式穩(wěn)壓電源等。 開關(guān)式穩(wěn)壓電源 具有工作 效率

2、高，穩(wěn)壓范圍大特點。 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源雖然具有功耗較大，效率 低，笨重的缺點，但同時因為其具有結(jié)構(gòu)簡單，平安可靠，維修容易 等優(yōu)點而被廣泛使用， 鑒于這些優(yōu)點我們決定設(shè)計串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電 源。 一、串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的組成與原理 1 、串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的組成 直流穩(wěn)壓電源一般有電源變壓器、 整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組 成。如圖 1 所示 圖1直流穩(wěn)壓電源組成框圖 其中穩(wěn)壓電路局部包括：調(diào)整，誤差取樣，比擬放大和基準電路 幾個局部。 2、穩(wěn)壓原理 穩(wěn)壓電路局部是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的 主體局部。其中調(diào)整電路的作 用相當于一個與負載串聯(lián)的可變電阻。當輸出的直流電壓 U0,因某種 因素影響而升高時，通過誤

3、差取樣電路，取出其變化值。此變化量經(jīng) 比擬放大電路而形成控制電壓，去控制這個可變電阻，使其電阻增大， 其上的壓降增大，使輸出電壓下降，仍回到 U0,當輸出電壓U0變化 時，按照上述同樣的過程，但變化的極性相反，使這個可變電阻的阻 值變小，其上的壓降減小，使輸出電壓 U0上升，這樣就起到了穩(wěn)定 電壓的作用。 隨著集成電路的開展，把調(diào)整管、誤差取樣、 基準和比擬放大電 路等局部做在一起成為集成化器件。如 LM78XX系列，LM79XX系 列等。為使電路簡潔，可靠，我們使用三端穩(wěn)壓集成塊。 二、串聯(lián)型穩(wěn)壓電源設(shè)計 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源總體電路圖如下: 圖2串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路圖 1、電源變壓器 電源變壓器的作

4、用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電 路所需的交流電壓。 變壓器輸出次級電壓的計算： Vi為三端穩(wěn)壓塊的輸入電壓，Vi與交流電壓 V的有效值V2的關(guān) 系為 Vi = (1.1 1.2)V2 (21) 電路中我們使用固定三端穩(wěn)壓集成電路 LM7805 LM7812 LM7912 來穩(wěn)定電壓。其最小輸入、輸出壓差(Vi -Vo)min = 3V ,最大輸入、 輸出壓差(Vi -Vo)max =4CVO由式(21)可得變壓器次級的輸出 電壓V2與穩(wěn)壓器輸入電壓V的關(guān)系。V2的值不能取大，V2越大，穩(wěn) 壓器的壓差越大，功耗也就越大。一般取V2至Vimin /1.1 , I2 Imx。 iiin

5、 o om ax 輸入電壓Vi的范圍為 V (V - V ) . V. V (V - V ) o i o min i o i o m ax 12V 3V Vi 12V 40V 15V 三 52V V2 . 15/1.1 = 13.6V 14V 同理，-12V與+ 12V相同。因此我們選用穩(wěn)壓輸出電壓+12V、-12V 的變壓器次級抽頭輸出電壓 V2 = 15V。次級電流12 A Iomax = 0.5A, o ax 取I 2 = 0.7A ,那么變壓器土 12V組次級輸出功率P2212V2 = 16.8W。 5V 3V 三 Vi 士 5V 40V 8V 三 Vi 三 45V ( V2 -8/1

6、.1 = 7.3V 8V 、.一、 -、. .一一 A、.一、. , . 穩(wěn)壓輸出電壓+5V的變壓器次級抽頭輸出電壓V2 = 8V。次級電 流12Al omax = 2A,取I2 = 2.2A ,那么變壓器+5V組次級輸出功率 o o max P2 - 12V2 = 11W,變壓器次級總功率為 16.8+11=26.8W,為留有余 地，次級總功率為30W 2、整流電路 整流二極管D1 D4組成單相橋式整流電路，將變壓器的次級 輸出交流電壓V2變成脈動的直流電壓，再經(jīng)濾波電容 C濾除紋波， 輸出直流電壓Vi。丫2是丫2的有效值。 每只整流二極管承受的最大反向電壓 VRM =V2V2 (2 2)

7、據(jù)上面變壓器的輸出交流電壓有效值計算: + 12V和-12V變壓器次級整流二極管最大反向電壓 VRM _ 2V2 = V20pp = 20V +5V變壓器次級整流二極管最大反向電壓 VRM = 2V2 =V2 0pp = 10V I L = I F omax 我們使用遠大于此值的常用整流二極管 1N4007,以滿足要求。 1N4007 極限參數(shù)為 VRM 至 1000V , I F = 4A 3、濾波電容參數(shù)計算 濾波電容C可由下式計算： ICt C = -C 23 V ip-p 根據(jù)?電子線路設(shè)計實驗測試?第二版 謝自美主編96頁 式中， Vip_p為穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰-峰值；t為電容

8、C 的放電時間，t=T/2 = 0.01s； 1c為電容C的放電電流，可取 IC = 10nHx，濾波電容C的耐壓值應大于 J2V2。 o o m ax 假設(shè)要按+5V輸出電壓的紋波系數(shù)為3mV,正負12V輸出電壓的 紋波系數(shù)為20mv由公式23計算 7805前濾波電容值為 Vi = Vop.pVi VOSV 1mV 8V 5V 5 10-4V =32V 2A 0.01S =6250uF 32V 耐壓值需大于10V,取電容值6800uF,耐壓彳1大于16V的電解 電容。 7812、7912前濾波電容值為 1A 0.01S 4000uF 2.5V 耐壓值需大于20V,取電容值2200uF,耐壓彳

9、1大于36V的電解 電容?？傻肧V = 2.75 10 4、散熱片的選擇 為保證穩(wěn)壓器能正常工作并到達設(shè)計指標，首先要把穩(wěn)壓器工作 時產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)掉。穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高 結(jié)溫。僅當芯片的工作溫度低于最高結(jié)溫時，穩(wěn)壓器才能正常工作。 因此，穩(wěn)壓器的散熱能力與強，芯片的實際結(jié)溫就愈低，它所能承受 的功率也愈大。 穩(wěn)壓器的散熱能力取決于它的熱阻。給半導體器件夾散熱器后可 以減小總熱阻。 R爾=TjM ：TA_RA 24 PD 式中，Rd表示散熱片與周圍空氣的熱阻，TjM為穩(wěn)壓器的允許 最高結(jié)溫，TA為環(huán)境溫度，PD表示設(shè)計功耗，RA表示從結(jié)到器件 外表的熱阻。Vi Vop-p

10、Vi VoSv 1mV 15V 12V 5 10V =2.5V 穩(wěn)壓器允許最高結(jié)溫為TjM =125C 民品，環(huán)境溫度TA = 40C . . . 、 . 、 、 . 4 . 7805穩(wěn)壓器的設(shè)計功耗為：PD = 3V父2A = 6W。查資料得TO220 封裝 = 7P/W , TO3 封裝 RA = 6P/W 代入公式24中得 查資料得散熱片的外表積約為100cm2 鋁板。留出1/3余量, 實際鋁散熱板面積為130 cm2。涂導熱硅脂后，查資料得 %=1*C/W,算得Rd =14.20C/W,需散熱片的外表積約為 30cm2,實際為留有余量選擇40cm2鋁板。 同理，算得7812, 7912

11、假設(shè)涂導熱硅脂 Rd = 55.6/W ,不需要 加散熱片。 三、測試方案及結(jié)果 1、調(diào)試設(shè)備與測試條件 調(diào)試設(shè)備： 586 PC 機 一臺 TDS210 型數(shù)字雙蹤示波器 一臺 DT890B+ 數(shù)字式萬用電表 一只 測試條件： 220V市電，室溫 250-28 0C 2、測試方案 通電后，觀察指示燈的亮滅。假設(shè)不全亮，關(guān)閉電源，檢查電路125-40 6 - 7 = 7.2 C/W 假設(shè)全亮，用萬用表測量穩(wěn)壓器件的輸出電壓是否到達指標要求 圖3穩(wěn)壓電源性能指標測試電路 輸出電壓和最大輸出電流采用如圖 3所示的測試電路，可以同 時測量V0與Iomax。測試過程是：輸出端接負載電阻 RL ,輸入端

12、接 220V的交流電壓，數(shù)字電壓表的測量值即為 70。再使RL逐漸減小， 直到V0的值下降5%此時流經(jīng)負載RL的電流即為I max。記下lomax 0 L oi max o max 后迅速增大RL ,以減小穩(wěn)壓電源的功耗。 紋波電壓的測試方案，紋波指疊加在輸出電壓 V0上的交流分 量，一般為mV1?？蓪⑵浞糯蠛笥檬静ㄆ饔^測其峰-峰彳lVOPPo也 可以用交流電壓表測量具有效值 &V0,由于紋波電壓不是正弦波，所 以用有效值衡量存在一定誤差。 穩(wěn)壓系數(shù)的測試方案，負載電流I0,環(huán)境溫度T不變的情況下， V0/V。 5V Vi /Vi 如圖3所示，先調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓增加 10%即 Vi = 242V,測量此時對應的輸出電壓 V01;再調(diào)節(jié)自耦變壓器式輸 入電壓減小10%即Vi =198V ,測量此時的輸出電壓V02,然后再輸 出Vi = 220V時對應的輸出電壓V0,那么穩(wěn)壓系數(shù)自耦變壓器 滑線變阻器 被測穩(wěn)壓 電源 % 電流表 圖12使用三端穩(wěn)壓器件 c V0/V0 220 V01 - V02 SV 一 一 Vi/Vi 242 -198 V0 3、測量結(jié)果 輸出電壓：+4.978V, +12.129V,-11.869V 都是空載狀況下測 電源