小功率直流稳压电源的课程设计.doc

1 西安科技大学高新学院 机机电电一一体体化化课课程程设设计计报报告告 名称名称 小功率可调直流稳压电源小功率可调直流稳压电源 专 业 机械设计制造及自动化 班 级 机单 0902 组 号 第十组 组 员 涂杉杉 查欢 杜照金 胡宇晨 指导教师 绍小强 实习时间 2012 年 7 月 2 日至 13 日 2 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 2 1 11 1 电电路路基本知识基本知识 2 1 21 2 电源变压器电源变压器 2 1 2 1 电源变压器概述 2 1 2 2 电源变压器功能 2 1 2 3 电源变压器的分类 2 1 2 4 变压器的型式 2 1 31 3 整流电路的基本知识整流电路的基本知识 3 1 3 1 单相桥式整流电路的工作原理 3 1 41 4 直流稳压电路工作的原理直流稳压电路工作的原理 4 1 4 1 串联型稳压电路的工作原理 4 1 4 2 具有放大环节的串联稳压电路 5 第一章第一章 绪论绪论 1 1 电路基本知识 在电子电路中 通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电 小功率的稳压电源是由电 3 源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路等四部分组成 在电子电路中 通常都需要电 压稳定的直流稳压电源供电 小功率的稳压电源是由电源变压器 整流电路 滤波电路和 稳压电路等四部分组成 1 2 电源变压器 功率较小的直流电源大多数都是将 50Hz 的交流电经过整流 滤波和稳压后获得 整 流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压 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 稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动 负载和温度变化时 维持输出直流电压的稳定 1 2 1 电源变压器概述 过整流电路将交流变为脉动的直流电压 由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波 必须通过滤波电路加以滤波 从而得到平滑的直流电压 电源变压器的作用是将交流 220V 的电压变为所需的电压值 然后同样的电压还随电网电压波动 负载何温度的变化 而变化 1 2 2 电源变压器功能 电源变压器的功能是功率传送 电压变换和绝缘隔离 作为一种主要的软磁电磁元件 在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用 变压器的功能主要有 电压变换 阻抗 变换 隔离 稳压 磁饱和变压器 等 1 2 3 电源变压器的分类 根据传送功率的大小 电源变压器可以分为几档 10kVA 以上为大功率 10kVA 0 5kVA 为中功率 0 5kVA 25VA 为小功率 25VA 以下为微功率 1 2 4 变压器的型式 变压器的最基本型式 包括两组绕有导线之线圈 并且彼此以电感方式称合一起 当 一交流电流 具有某一已知频率 流于其中之一组线圈时 于另一组线圈中将感应出具有相 同频率之交流电压 而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度 4 一般指连接交流电源的线圈称之为 一次线圈 Primary coil 而跨于此线圈的电压称 之为 一次电压 在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压 是由一次线圈与二 次线圈问的 匝数比 所决定的 因此 变压器区分为升压与降压变压器两种 1 3 整流电路的基本知识 1 3 1 单相桥式整流电路的工作原理 单相桥式整流电路如图 1 3 1 a 所示 图中 Tr 为电源变压器 它的作用是将交流电网 电压 vI 变成整流电路要求的交流电压 RL 是要求直流供电的负载电阻 四只整流二极 管 D1 D4 接成电桥的形式 故有桥式整流电路之称 单相桥式整流电路的工作原理可分析如下 为简单起见 二极管用理想模型来处理 即正向导通电阻为零 反向电阻为无穷大 在 v2 的正半周 电流从变压器副边线圈的上端流出 只能经过二极管 D1 流向 RL 再由二极管 D3 流回变压器 所以 D1 D3 正向导通 D2 D4 反偏截止 在负载上产生 一个极性为上正下负的输出电压 其电流通路可用图 1 3 1 a 中实线箭头表示 在 v2 的负半周 其极性与图示相反 电流从变压器副边线圈的下端流出 只能经过 二极管 D2 流向 RL 再由二极管 D4 流回变压器 所以 D1 D3 反偏截止 D2 D4 正向 导通 电流流过 RL 时产生的电压极性仍是上正下负 与正半周时相同 其电流通路如图 1 3 1 a 中虚线箭头所示 1 3 2单相半波整流单相半波整流电路电路 单相半波整流简单 使用器件少 它只对交流电的一半波形整流 只要横轴上面的半 波或者只要下面的半波 但由于只利用了交流电的一半波形 所以整流效率不高 而且整 流电压的脉动较大 无滤波电路时 整流电压的直流分量较小 Vo 0 45Vi 变压器的 利用率低 1 3 3单相全波整流电路 单相全波整流电路 使用的整流器件较半波整流时多一倍 整流电压脉动较小 比半波整流小一半 无滤 波电路时的输出电压Vo 0 9Vi 变压器的利用率比半波整流时高 变压器二次绕组需中 心抽头 整流器件所承受的反向电压较高 5 综上所述 桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性 将四个二极管分为两组 根据变压器副边电压的极性分别导通 将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相 连 负极性端与负载电阻的下端相连 使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压 根据上述分析 可得桥式整流电路的工作波形如 1 3 1 c 由图可见 通过负载 RL 的电流 iL 以及电压 vL 的波形都是单方向的全波脉动波形 桥式整流电路的优点是输出电压高 纹波电压较小 管子所承受的最大反向电压较低 同时因电源变压器在正 负半周内都有电流供给负载 电源变压器得到了充分的利用 效 率较高 因此 这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用 电路的缺点是二极 管用得较多 但目前市场上已有整流桥堆出售 如 QL51A G QL62A L 等 其中 QL62A L 的额定电流为 2A 最大反向电压为 25V 1000V 故单相桥式整流电路常画 成图 1 3 1 b 所示的简化形式 图 1 3 1 a 图 1 3 1 b 图 1 3 1 c 6 1 4 直流稳压电路工作的原理 实用的串联型稳压电源至少包含调整管 基准电压电路 取样电路和比较放大电路四 个部分组成 此外 为使电路安全工作 还常在电路中加保护电路 如图所示 图 1 4 串联型稳压电路方框图 1 4 1 串联型稳压电路的工作原理 基本调整管电路 如下图 1 4 1 a 所示为稳压管稳压电路 负载电流最大变化范围等于稳压管的最大 稳定电流和最小稳定电流之差 即 IZM IZ 扩大负载电流的最简单方法是 利用晶体管的电流放大作用 将稳压管稳定电路的输 出电流放大后 再作为负载电流 电路采用射极输出形式 因而引入了电压负反馈 可以 稳定输出电压 如图 1 4 1 b 所示 常见画法如图 1 4 1 c 所示 a 稳压管稳压电路 b 加晶体管扩大负载电流的变化范围 c 常见画法 图 1 4 1 基本调整管稳压电路 扩大负载电流的最简单方法是 利用晶体管的电流放大作用 将稳压管稳定电路的输 出电流放大后 再作为负载电流 电路采用射极输出形式 因而引入了电压负反馈 可以 稳定输出电压 如图 b 所示 常见画法如图 c 所示 7 调整管 晶体管的调节作用使 UO 稳定 晶体管称为调整管 要使调整管起到调整作用 必须使它工作在放大状态 串联稳压电源 由于调整管与负载相串联 故称这类电路为串联型稳压电源 线性稳压电源 由于调整管工作在线性区 故称这类电路为线性稳压电源 1 4 2 具有放大环节的串联稳压电路 电路构成 基本调整管稳压电路的输出电压不可调 且输出电压因 UBE 的变化而变 稳定性较 差 为了使输出电压可调 加深电压负反馈 可在基本调整管稳压电路的基础上引入放大 环节 电路如下图所示 由调整管 基准电压电路 取样电路和比较放大电路组成 图 1 4 2 具有放大环节的串联稳压电路 稳压原理 当电网电压波动 或负载电阻的变化 使输出电压 UO 上升时 取样电压 UN 增大 由于稳压管的电压 UZ 不变 运放的输入电压 UNP UN UP UN UZ 增大 使 A 的输出 减小 即调整管的基极电位降低 而使调整管 T 的 c e 压降低增大 从而调节输出电压 UO UI Uce 减小 使输出电压得到稳定 可见 电路是靠引入深度电压负反馈来稳定输出电压 输出电压的可调范围 当电位器 R2 的滑动端在最上端时 输出电压最小为 当电位器 R2 的滑动端在最下端时 输出电压最大为 8 若 R1 R2 R3 300 UZ 6V 则输出电压 9V UO 18V 2 1 5 集成稳压器选用时的注意事项 在选择集成稳压器时 应该兼顾性能 使用和价格几个方面 性能指标主要根 据负载电压电流的大小 调整率的高低以及工作稳定范围的宽窄来选 对电源精度要求较高的电子产品 例如通信设备 航空设备 高档仪器仪表等 的稳压电源电路及使用电池供电的稳压电路 可选用低压差 低功耗的集成稳压器 对输出电压需要关断控制的稳压电源电路 应选用多端可控式集成稳压器 五端集成 稳压器 对需要同时生产 5V 输出电压和复位电压的电源电路 可选用 L78LR05 L78MR05 等集成稳压器 对需要多组不同输出电压的电源电路 可选用 八端集成稳压器 选择集成稳压器的主要参数 确定集成稳压器的类型后 还应根据负载电路选择集 成稳压器的主要参数 包括输入电压 输出电压 输出电流 压差 电压调整率 电 流调整率等 所选集成稳压器的输入电压应与整流滤波电路的输出电压 或电池的电 压 相适应 其输出电压应与负载电路的工作电压值相同 其输出电流应大于负载电 路的最大工作电流 要留有一定的功率余量 要根据应用电路的电压极性选择正确 的输出电压 即集成稳压器的输出电压极性应与应用电路的的电压极性相同 第二章第二章 设计方案设计方案 一 设计目的一 设计目的 9 1 学习小功率直流稳压电源的设计与调试方法 2 掌握小功率直流稳压电源有关参数的测试方法 二 设计任务及要求二 设计任务及要求 1 性能指标要求 V0 5v 2 技术指标 波纹电压 5mv 3 电压调整率 ku 3 电流调整率 Ki 1 1 2 2 相关技术的介绍 集成稳压器的原理与分立晶体管稳压器基本相同 也是由调整元件 误差放大器 基准电压 比较取样等几个主要部分组成 但是集成稳压器充 分利用了集成技术的优点 在线路结构和制造工艺上都采用了很多基本的模 拟集成电路的方法 诸如偏置电路 电流源电路 基准电压源电路 各种形 式的误差放大器和集成稳压器所特有的启动电路 保护电路等 与分立元件 稳压器相比 集成稳压器具有体积小 成本低 使用方便 性能指标高的优 点 这使得它的应用日趋广泛 1 3 方案选择方案选择 方案一 方案一 运用基于 LM317K 可调式的稳压器电源 使用 LM317K 可调式稳压器 可连续输 出可调的直流正电压 稳压器内部含有过流 过热保护电路 该电路由电阻 R 和可变电位 10 器 RP 组成输出调节电压电路 其特点是输出电压连续可调 调节范围较宽 可达到 1 2V 37V 其负载调整率电压调整率等指标显然均优于固定式三点 稳压器 但由于本次设计指标要求输出电压为 5V 的直流稳定电压 故此可 调式稳压器不宜采用 方案二 方案二 运用基于 LM7805 固定式三端稳压器 使用 LM7805 三端稳压器 输入端接电 容可以进一步滤波 而输出端接电容还可以 改善负载的瞬间影响 此电路的稳定性比可 调式三端稳压器要好 不仅如此 该固定式 三端稳压电路的稳压值为 5V 恰好合适我们本次设计输出电压的要求 因 此 综合考虑起来 应该选择方案二比较合适 三 实验原理实验原理 小功率稳压电源由电源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路四个部分组成 如图 1 所示 电 源 整 流 滤 波 稳 压 u1 u2 u3 uI U0 变压器 电 路 电 路 电 路 a 稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t b 整流与稳压过程 图 1 稳压电源的组成框图及整流与稳压过程 11 电源变压器 将交流电网所提供的 50Hz 220V 电压变换成符合整流需 要的交流电压 整流电路 利用具有单向导电性的元件如二极管 将正负交替的正弦 交流电压变换成单方向脉动的直流电压 滤波电路 利用电感电容等储能元件 尽可能地将单向脉动电压中的 脉动成分滤掉 使之输出比较平滑的直流电压 稳压电路 采用某种措施 使输出的直流电压在电网电压或负载电流 波动是保持稳定 本次设计采用 LM7805 三端固定式集成稳压器 1 3 2 详细原理设计详细原理设计 1 原理图 2 LM7805 固定式三端稳压器应用电路 图为 LM7805 基本应用电路 图中 C2 用于抑制芯片的自激振荡 应尽 量靠近稳压器的管脚 C3 用于限制芯片高频带宽 减少高频噪声 如果对输 出要求高 还应接 10uF 以上的电解电容起滤波作用 12 22 9 0 22 UUUo 22 9 0 22 UUUo 22 9 0 22 UUUo 3 桥式整流应用电路 桥式整流电路由四只二极管组成的一个单桥 单桥的两组相对节点分 别接变压器二次绕组和负载 工作时 D1 D2 和 D3 D4 两两轮流导通 在 u2 正半周 二极管 D1 与 D2 正向导通 而 D3 与 D4 反向截止 形成负载 电流 i0 i0 导通的路径为 b D3 RL D4 a b u0 u2 由此可见 不论 哪两个二极管导通 负载电流的方向始终保持不变 本设计原理图中 在单相桥式整流电路的后面接上 了一个滤波电容 C1 如右图 根据模电公式 整流后的输 出电压 u0 1 1 1 2 u2 1 4 整流整流 1 4 1 整流电路的作用整流电路的作用 电路中用了四个二极管 接成电桥形式 利用二极管的单向导电性 将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压 1 4 2 主要参数计算主要参数计算 a 直流电压 Uo 13 b 直流电源 Io c 波动系数 1 5 电容滤波工作原理电容滤波工作原理 1 5 1 电容滤波电路作用电容滤波电路作用 利用电容元件储能的特性 将整流后输出的电压的能量储存起来 然 后缓慢的释放给负载 尽可能地将单向脉动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 1 5 2 主要参数计算主要参数计算 a 耐压电流 b 放电时间常数范围 c 输入输出关系 d 波动系数 1 5 3 电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点 1 电容滤波电路适用于小电流负载 LL o o R U R U I 2 9 0 LL o o R U R U I 2 9 0 67 0 1 o mo U U S L o F R U I 2 1 32 2 53 T CRL 2 2 1 UUo 14 1 1 T CR U U S L o mo 14 2 电容滤波电路的外特性比较软 3 采用电容滤波时 整流二极管中将流过较大的冲击电流 必须选 用较大容量的整流二极管 4 电容滤波后 输出直流电压提高了 同时输出电压的脉动成分也 降低了 而且输出直流电压与放电时间常数有关 RLC Uo 1 4U2 S 0 1 5 4 选电容原则选电容原则 电容放电的时间常数 RLC 愈大 放电过程愈慢 则输出电压愈高 同时脉动成分也愈少 即滤波效果愈好 故应该选择一个 1 6 稳压电路工作原理稳压电路工作原理 图 4 直流稳压电路 1 6 1 直流稳压电路作用直流稳压电路作用 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 本 次课程设计中 稳压电路选择用三段集成稳压器 W7815 和 W7915 以及电容 组成 1 6 2 三端集成稳压器介绍三端集成稳压器介绍 15 随着半导体工艺的发展 稳压电路也制成了集成器件 由于集成稳压 器具有体积小 外接线路简单 使用方便 工作可靠和通用性等优点 因此 在各种电子设备中应用十分普遍 基本上取代了由分立元件构成的稳压电路 W7800 W7900 系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的 在使用中不能 进行调整 W7800 系列固定输出正电压 W7900 固定输出负电压 档位一 般有 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 1 W7815 和 W7915 外形及连接图 图 5 W7815 外形及连接图 图 6 W7915 外形图及 连接图 2 以 W7812 为例说明电路组成 图 7 由 W7815 构成的串联型稳压电源 16 图 7 是用三端式稳压器 W7812 构成的单电源电压输出串联型稳压电源 的实验电路图 滤波电容 C1 C2 一般选取几百 几千微法 当稳压器距离 整流滤波电路比较远时 在输入端必须接入电容器 C3 数值为 0 33 F 以抵消线路的电感效应 防止产生自激振荡 输出端电容 C4 0 1 F 用以滤 除输出端的高频信号 改善电路的暂态响应 2 3 设计时遇到的问题及其原因 1 为什么变压器输入电压不能超过额定电压 答 变压器的额定电压是变压器允许输入的最大电压 当变压器的 输入电压超过额定电压时时 变压器的激磁电流增加 磁通密度增大 造成 变压器铁芯因损耗增加而过热 同时 由于 激磁电流的增加 变压器所消耗 的无功功率也随之增加 使变压器的实际出力降低 另外 由于激磁电流有 的增加 磁通密度增大 使磁通饱和 引起副绕组电势的波形发生畸变 由 原来的正弦波变为尖顶波 对变压器的绝缘有一定的危害 因此 变压器的 运行电压可以较额定值高 但一般不得超过额定值的 5 2 远距离输电为什么采用高压输电 答 为了降低电流 减少线路损耗 输送相同的电功率 电压越 高 需要的电流就越小 任何导线都存在一定的电阻 电流通过时导线电阻 会白白消耗一部分功率 电流越大 消耗的功率越大 这种消耗和电流的平 方成正比 当导线的截面积一定时 导线越长电阻就越大 消耗的功率也就 越大 所以远距离输电时 我们没办法降低导线的电阻 只能想办法降低电 17 流 也就是提高电压 所以只能采用高压输电 第三章第三章 课程设计心得体会课程设计心得体会 杜照