模拟电子技术课程设计-制作一个串联型连续可调直流稳压电源.doc

模拟电子课程设计陕西航空职业技术学院模拟电子技术课程设计说明书课题：制作一个串联型连续可调直流稳压电源 系 ： 电子工程系专业(班级) ： 电气自动化（08322 ） 组员： 朱晓芬 沈养飞 王红星 吉丹 韩秦 胡仕龙 马金龙姓名： 朱晓芬指导教师： 崔红 摘要：串联型稳压电路，用做一种简单的稳压电源，可以满足一般无线电爱好者的需要。串联型稳压电源以技术成熟、电路简单、稳定度高、输出电压可以调节等优点，仍成为当前应用最广泛的稳压电源。关键字：串联型稳压电源，制作方法，稳定度，直流电源，稳压方式目 录一、设计任务与要求11、设计任务12、设计要求1二、设计思路1三、设计框图及整机概述21、设计框图22、整机概述2四、单元电路设计31、桥式整流电路32、电容滤波电路43、稳压器6五、静态工作点的调试及元器件参数的选择91、电压调整率Su92、电流调整率S1103、输出电阻R0104、温度系数ST105、纹波电压及纹波抑制比SR11六、总 图12七、元件的清单13八、电路分析13九、功能扩展与调试16十、心得与体会17十一、参考文献18一、设计任务与要求 1、设计任务制作一个串联型连续可调直流稳压电源 2、设计要求（1）输出直流电压1.5V-12V可调（2）最大输出电流I=1.5A(3)稳压系数Sr=0.05(4)具有过流保护功能二、设计思路一般功率较小的直流电源都是将50Hz的交流电经过变压、整流、滤波和稳压后获得。变压器主要是用来将较大交流电压转换为伏值较小的交流电；整流电路主要是用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路主要是用来滤掉整流后单向脉动中的交流成分，使其成为平滑的直流电压；稳压电路的主要作用是当输入交流电压发生波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。因此，根据上述理论的指导，也就形成了这种设计思路，将220V/50HZ的交流电压经变压器降压后，引入整流电路进行整流；其次引入滤波电路进行滤波，再输送到稳压电路进行稳压，最后引入正、负双电压稳压输出电路即可。电源变压器的作用是把220V交流电网电压变换成所需要的交流电压，整流电路的目的作用是利用二极管的单向导电特性，将正负交替的交流电压换成单向的脉动电压。滤波器的作用是将电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，稳压电路的作用是使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。三、设计框图及整机概述 1、设计框图 图3-1-1 方案图2、整体概述该多路输出直流稳压电源是由变压器、桥式整流电路、滤波电路、正负双电源输出电路及负载组成。其中应用了三端稳压器。三端稳压器有三个引出端子，具有应用时外接元器件少，使用方便、性能稳定等优点。同时也可实现较大范围内正负电压的调节，是串联型稳压电路。（1) 整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压。（2）滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分使之成为平滑的直流电压。（3）稳压电路当输入交流电源电压发生波动、负载和温度变化时，用来维持输出直流电压的稳定。四、单元电路设计 1、桥式整流电路除去半周、图下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整说是以牺牲一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低（计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压Usc =0.45e2 ）因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。全波整滤电路，需要变压器有一个使两端对称的次级中心抽头，这给制作上带来很多的麻烦。另外，这种电路中，每只整流二极管承受的最大反向电压，是变压器次级电压最大值的两倍，因此需用能承受较高电压的二极管。为了克服半波整流、全波整流的缺点，常采用桥式整流电路如图5.1.1所示。设变压器二次电压U2 =2sinwt,在U2的正半周,a点为正，b点为负时V1 V3承受正向电压而导通，此时电流流过Rl即（a-V1-Rl-V3-b）此时，V2 V4反偏而截止，Rl得到一个半波电压。若略去二极管正向压降，U0=U2在U2的负半周，即a点为负b点为正，V1、V3反偏而截止V2、V4正偏而导通。此时电流流过Rl即（b-V2-Rl-V4-a）RL得到一相同的半波电压略去二极管正向压降。U0=-U2由此可见，在交流电压U2的整个周期始终有同向的电流流过负载 故RL上得到单方全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输 电压为半波整流电路输出电压的两倍。所以，桥式整流电路输出电压平均值为：U0=0.9U2桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期。故流过每只二极管平均电流为负载电流的一半，即： ID =0.5 XU0/RL=0.45U2/RL图4-1-1桥式整流电路图4-1-2桥式整流电路简化图在U2的正半周，V1、V3导通时，可将他们看成短路。V2、V4就并联在U2上，其承受的反向电压为：URM =1.4U2V2、V4导通时通理。由以上分析可知，桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压U0提高，脉动成分就减少了。2、电容滤波电路图4-2-1电容滤波电路最基本的滤波元件是电感、电容。其滤波原理是：利用这些电抗元件在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的作用，使输出电压变得比较平滑；或从另一角度来看，电容、电感对交、直流成分反映出来的阻抗不同，把它们合理地安排在电路中，即可达到降低交流成分而保留直流成分的目的，体现出滤波作用。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。其中无源滤波的主要形式有电容滤波，电感滤波和复式滤波（包括倒L型LC滤波，型LC滤波和型RC滤波等）。有源滤波的主要形式是有源RC滤波1. 加了电容滤波之后，输出电压的直流成分提高了，而脉动成分降低了。这都是由于电容的储能作用造成的。电容在二极管导通时充电（储能），截止时放电（将能量释放给负载），不但使输出电压的平均值增大，而且使其变得比较平滑了。2电容的放电时间常数（RLC）愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。故一般C取值较大，RL也要求较大。实际中常按下式来选取C的值：RLC（35T（半波） GS0714RLC（35）T2（全波、桥式） GS07153电容滤波电路中整流二极管的导电时间缩短了，即导通角小于180。而且，放电时间常数越大，导通角越小。因此，整流二极管流过的是一个很大的冲击电流，对管子的寿命不利，选择二极管时，必须留有较大余量。4. 电容滤波电路的外特性（指UL与IL之间的关系）和脉动特性（指S与IL 之间的关系）比较差，如图Z0712 所示。可以看出输出电压UL和脉动系数S随着输出电流IL 的变化而变化。当IL0（即RL= ）时，UL = U2（电容充电到最大值后不再放电），S = 0。当IL增大（即RL减小）时，由于电容放电程度加快而使UL下降，UL 的变化范围在 U2 0.9 U2之间（指全波或桥式），S变大。所以，电容滤波一般适用于负载电流变化不大的场合。5电容滤波电路输出电压的佑算。如果电容滤波电路的放电时间常数按式GS0714或GS0715 取值的话，则输出电压分别为：UL（0.91.0）U2 （半波） GS0716UL（1.11.2）U2 （全波） GS07173、三端集成稳压器由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。表4-3-1 三端稳压器极限参数（1）78系列三端固定正输出稳压器这类稳压器的输出为固定电压。国内外各生产厂家均将此系列稳压器命名为CW78xx系列，如CW7805、CW7812等。其中78后面的数字代表该稳压器输出的正电压数值，以伏特为单位。例如CW7805即表示稳压输出为5V。 CW7812表示稳压输出12V等。有时我们会发现型号78xx前面和后面还有一个或几个英文字母，如：CW78xx、AN78xx、L78xxCV等。前面的字母称“前缀”，一般是各生产厂(公司)的代号，后面的字母称“后缀”，用以表示输出电压容差和封装外壳的类型等。不过，各生厂家对集成稳压器型号后缀所用字母定义不一，但这对实际使用没多大的影响。 CW78xx系列稳压器按输出电压分，共有9种。分别为： CW7805、CW7806、CW7809、CW7810、CW7812、CW7815、CW7818、CW7824。按其最大输出电流又可分为：CW78Lxx、CW78Mxx和CW78xx 三个分系列。 CW78Lxx系列最大输出电流为100mA；CW78Mxx系列最大输出电流为500mA；CW78xx系列最大输出电流为1.5A。图4-3-1 三端稳压器（78、79）系列引脚判断技巧（2）可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器。其原理图如下图示图4-3-2可调式三端集成稳压器五、静态工作点的调试及元器件参数的选择1、电压调整率Su负载电流I0及温度T不变而输入电压U1变化时，输出电压U0的相对变化量U/U0与输出电压变化量I之比值，称为电压调整率Su,即 Su=U0/U0/UI100%Su越小，稳压性能越好。电压调整率也可定义为：在负载电流和温度不变时，输入电压变化10%时，输出电压的变化量U0，单位mv。2、电流调整率S1当输入电压及温度不变时，输出电流Io从零变到最大时，输出电压的相对变化量称为电流调整率SI，即SI=(U0/U0) 100%有时也定义为恒温条件下，负载电流变化10%时引起输出电压的变化量U0，单位为mv。SI或U0越小，输出电压受负载电流的影响就越小。3、输出电阻R0当输入电压和温度不变时，因RL变化，导致负载电流变化了I0，相应的输出电压变化了U0，两者比值的绝对值称为输出电阻R0。即：R0=U0/I0其单位为。R0的大小反映直流电源带负载能力的大小，其值越小，负载能力越强。一般R01。4、温度系数ST输入电压UI和负载I0不变时，温度变化所引起的输出电压相对变化量U0/U0与温度变化量T之比，称为温度系数ST,即ST =U0/U0/T100%其单位为%/oC。5、纹波电压及纹波抑制比SR纹波电压是指加在直流输出电压U0上的交流电压，通常用有效值。在电容滤波电路中，负载电流越大，纹波电压也越大，因此，纹波电压应在额定输出电流情况下测出。纹波抑制比SR定义为稳压电路纹波电压峰值UIPP与输出纹波电压峰值UOPP之比，并用对数表示，即 UOPPSR = 20lgUIPP/USR表示稳压器对其输入端引入的交流电压的抑制能力。六 总 图七元件的清单1. 晶体二极管(1) . 正向特性 当加在二极管两端的正向电压（P为正、N为负）很小时（锗管小于0.1伏，硅管小于0.5伏），管子不导通，处于“截止”状态，当正向电压超过一定数值后，管子才导通，电压再稍微增大，电流急剧暗加（见曲线I段）。不同材料的二极管，起始电压不同，硅管为0.5-.7伏左右，锗管为0.1-0.3左右。(2). 反向特性二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增加时，反向电流基本保持不变，这时的电流称为反向饱和电流（见曲线II段)。不同材料的二极管，反向电流大小不同，硅管约为1微安到几十微安，锗管则可高达数百微安，另外，反向电流受温度变化的影响很大，锗管的稳定性比硅管差。 (3). 击穿特性当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿（见曲线III)。这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿电压值差异很大，可由1伏到几百伏，甚至高达数千伏。(4). 频率特性由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。2. 稳压二极管稳压二极管(又叫齐纳二极管)它的电路符号是:此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性见图1,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压.3. 示波器示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。4. 电阻导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。在物理学中，用电阻（resistance）来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种性质。导体的电阻通常用字母R表示，电阻的单位是欧姆（ohm），简称欧，符号是。比较大的单位有千欧（k）、兆欧（M）。电阻器简称电阻（Resistor，通常用“R”表示）是所有电子电路中使用最多的元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。 K（千欧）， M（兆欧），他们的换算关系是：1M=1000000 1K=1000电阻的阻值标法通常有色环法，数字法。色环法在一般的的电阻上比较常见。由于手机电路中的电阻一般比较小，很少被标上阻值，即使有，一般也采用数字法，即： 101表示10的电阻； 102表示100的电阻； 103表示1K的电阻； 104表示10K的电阻； 106表示1M的电阻； 107表示10M的电阻。 如果一个电阻上标为22*103，则这个电阻为22K。数码法用三位数字表示元件的标称值。从左至右，前两位表示有效数位，第三位表示10n(n=08)。当n=9时为特例，表示10(-1)。塑料电阻器的103表示10*103=10k。片状电阻多用数码法标示，如512表示5.1k。电容上数码标示479为47*10(-1)=4.7pF。而标志是0或000的电阻器，表示是跳线，阻值为0。数码法标示时，电阻单位为欧姆，电容单位为pF，电感一般不用数码标示。电阻器的电气性能指标通常有标称阻值,误差与额定功率等。 它与其它元件一起构成一些功能电路，如RC电路等。 电阻是一个线性元件。说它是线性元件，是因为通过实验发现，在一定条件下，流经一个电阻的电流与电阻两端的电压成正比即它是符合欧姆定律：I=U/R 常见的碳膜电阻或金属膜电阻器在温度恒定，且电压和电流值限制在额定条件之内时，可用线性电阻器来模拟。如果电压或电流值超过规定值，电阻器将因过热而不遵从欧姆定律，甚至还会被烧毁。电阻的种类很多，通常分为碳膜电阻，金属电阻，线绕电阻等：它又包含固定电阻与可变电阻，光敏电阻，压敏电阻，热敏电阻等。通常来说，使用万用表可以很容易判断出电阻的好坏：将万用表调节在电阻挡的合适挡位，并将万用表的两个表笔放在电阻的两端，就可以从万用表上读出电阻的阻值。应注意的是，测试电阻时手不能接触到表笔的金属部分。但在实际电器维修中，很少出现电阻损坏。着重注意的是电阻是否虚焊，脱焊。作用:主要职能就是阻碍电流流过 ,应用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合作滤波器及阻匹配等.数字电路中功能有上拉电阻和下拉电阻。5. 集成运算放大器 集成运算放大器（Operational Amplifier）简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高（可达60180dB），输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），共模抑制比高（60170dB），失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。6. 电容 电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。电容从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，刨除介质漏电自放电效应/电解电容比较明显，可能电荷会永久存在，这是它的特征），它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。八、电路分析CW7812、CW7912组成的电路。因所有放大器和偏置电路的静工作点电流都流到稳压器的输出端，所以没有单独引出接地端。当输入电压在2-40V范围内变化时，电路均能正常工作，输出端与调整管之间的电压等于基准电压1.25V。基准电路的工作很小，约为50uA，由一恒流特性很好的恒流源提供，所以他的大小不 受供电电压的影响，非常稳定。可以看出，如果将调整管端直接接地，在电路正常工作时，输出电压就等于基准电压1.25V。图中V1用于防止输入短路时C4上存储的电荷产生很大的电流反向流入稳压器使之损坏。V2用于防止输出短路时C2通过调整端放电而损坏稳压器。C2用于减小输出波纹电压。R1、Rp构成取样电路，这样，实质上电路构成串联型稳压电路，调节Rp可改变取样比，即可调节输出电压U0的大小。该电路的输出电压U0等于：U0=UREF/R1（R1+R2）+IREFR2由于IREF=50uA可以略去，又UREF=1.25V所以 U0=1.25（1+R2/R1） 可见，当R2=0时，U0=1.25V， 当R2=2.2K时，U0=24V。 考虑到器件内部电 绝大部分的静态工作电流IQ由输出端流出，为保证负载开路时电路工作正常，必须正确选择电阻R1。根据电路内部设计IQ=5mA，由于器件参数的分散性，实际应用中可选用IQ=10mA，这样R1的值定为：R1=UREF/IQ=1.25/0.01=0.125K取标称值0.120K。若R1取的太大，会有一部分电流不能从输出端流出，影响电 内部正工作，使输出电压偏高。如果负载固定，R1可取大些。 根据设计要求，当U0=5V时，则有：U0=1.25（1+R2/R1）=5V所以，3R1=R2因为，R1=0.12K，所以，R2=0.36K同理，U0=1.25（1+R2/R1）=12V所以，R2=43/5R1=43/5X0.12K=1.032K当U0=5V时，变压器二次绕组的电压为：U2=2U0/1.2=25/1.2=8.3V同理，当U0=12V时，U2=2U0/1.2=212/1.2=20V所以，二极管的反向击穿电压为：UREM =1.4U2=1.4X20=28V故流过每只二极管的电流为：ID =0.524/20=0.1A所以，选用的二极管电流应为：IF =（23）ID=（0.20.3）A所选用的电容为：C=4T/2RL=4X0.02/20.12K=0.33uf变压器的匝数比为：N1/N2=220/13=16或N1/N2=26电压调整率为：S=（5.03-5）/5/（10-8.3）=0.35九、功能扩展与调试（1）可外接电路对输出电流扩展。如图所示是一种简单的输出电扩展电路。如CW7812稳压器的3、2端间输出电压为12V，只要适当选择R的值，使稳压管工作在稳压区，则输出电压U=12+UZ，可以高于稳压器本身的输出电压。图9-1-1 电压扩展电路（2）外接电流扩展电路。如图