直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)(包括原理設(shè)計(jì)方法及調(diào)試步驟)

1、實(shí)驗(yàn)九 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)習(xí)小功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。 2掌握小功率直流穩(wěn)壓電源有關(guān)參數(shù)的測試方法。二預(yù)習(xí)要求 1根據(jù)直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)要求，按照教材中介紹的方法，設(shè)計(jì)出滿足技術(shù)指標(biāo)要求的穩(wěn)壓電源。根據(jù)設(shè)計(jì)與計(jì)算的結(jié)果，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。 2制定出實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)用的儀器設(shè)備，三實(shí)驗(yàn)原理 小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，如圖1所示。 + 電 源 + 整 流 + 濾 波 + 穩(wěn) 壓 + u1 u2 u3 uI U0 _ 變壓器 _ 電 路 _ 電 路 _ 電 路 _（a）穩(wěn)壓電源的組成框圖 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0

2、 t 0 t 0 t 0 t （b）整流與穩(wěn)壓過程圖1穩(wěn)壓電源的組成框圖及整流與穩(wěn)壓過程 1電源變壓器 電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。電源變壓器的效率為：其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1所示：表1 小型變壓器的效率 副邊功率 效率0.60.70.80.85 因此，當(dāng)算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。2整流和濾波電路在穩(wěn)壓電源中一般用四個(gè)二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓u2變換成脈動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓u3中的大部分紋波加以濾除，

3、以得到較平滑的直流電壓UI。UI與交流電壓u2的有效值U2的關(guān)系為： 在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為： 流過每只二極管的平均電流為： 其中：R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時(shí)間常數(shù)RC應(yīng)滿足：其中：T = 20ms是50Hz交流電壓的周期。 3穩(wěn)壓電路由于輸入電壓u1發(fā)生波動(dòng)、負(fù)載和溫度發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸出的直流電壓UI會隨著變化。因此，為了維持輸出電壓UI穩(wěn)定不變，還需加一級穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時(shí)，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。采用集成

4、穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。（1） 固定電壓輸出穩(wěn)壓器常見的有CW78（LM78）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79（LM79）系列三端固定式負(fù)電壓輸出集成穩(wěn)壓器。三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個(gè)接地端子。型號中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓的穩(wěn)定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。穩(wěn)壓器使用時(shí)，要求輸入電壓UI與輸出電壓Uo的電壓差UI - Uo 2V。穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流Io = 8mA。當(dāng)Uo = 5

5、18V時(shí)，UI的最大值UImax= 35V；當(dāng)Uo=18 24V時(shí)，UI的最大值UImax = 40V。它們的引腳功能及組成的典型穩(wěn)壓電路見附錄圖A所示。 （2）可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317系列（LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負(fù)電壓的CW337系列（LM337）三端穩(wěn)壓器。在可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的三個(gè)端是指輸入端、輸出端和調(diào)節(jié)端。穩(wěn)壓器輸出電壓的可調(diào)范圍為Uo=1.2 37V，最大輸出電流Iomax =1.5A。輸入電壓與輸出電壓差的允許范圍為：UI -Uo = 3 40V。三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的引腳及其應(yīng)用電路見

6、附錄圖B。三穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法：穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓Uop-p等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)可以分為以下三個(gè)步驟：1） 根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、最大輸出電流Iomax，確定穩(wěn)壓器的型號及電路形式。2） 根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓，確定電源變壓器副邊電壓u2的有效值U2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流I0max，確定流過電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓器副邊的功率P2；根據(jù)P2，從表1查出變壓器的效率，從而確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據(jù)所確

7、定的參數(shù)，選擇電源變壓器。3） 確定整流二極管的正向平均電流ID、整流二極管的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流二極管和濾波電容。設(shè)計(jì)舉例：設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，性能指標(biāo)要求為： 紋波電壓的有效值 穩(wěn)壓系數(shù) 設(shè)計(jì)步驟：1） 選擇集成穩(wěn)壓器，確定電路形式集成穩(wěn)壓器選用CW317，其輸出電壓范圍為：，最大輸出電流為1.5A。所確定的穩(wěn)壓電源電路如圖2所示。 D6 3 CW317 2 保險(xiǎn)絲D1 D4 1 C R1 D5 u1 D2 D3 C1 Co Uo 220V u2 C2 RW 圖2 輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源圖2中，取C1 = 0.01F，C2 =10F，C0 =

8、 1F，R1 = 200，RW = 2k，二極管用IN4001在圖2電路中，和組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，輸出電壓 ，取，流過的電流為。取，則由，可求得：，故取為的精密線繞電位器。 2） 選擇電源變壓器由于CW317的輸入電壓與輸出電壓差的最小值，輸入電壓與輸出電壓差的最大值，故CW317的輸入電壓范圍為： 即 ， 取 變壓器副邊電流： ，取，因此，變壓器副邊輸出功率： 由于變壓器的效率，所以變壓器原邊輸入功率，為留有余地，選用功率為的變壓器。3） 選用整流二極管和濾波電容由于：，。IN4001的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用IN4001。根據(jù) ，和公式可求得： 所以，濾波電容： 電容

9、的耐壓要大于，故濾波電容C取容量為，耐壓為的電解電容。四穩(wěn)壓電源的安裝與調(diào)試按圖3所示安裝集成穩(wěn)壓電路，然后從穩(wěn)壓器 D6的輸入端加入直流電壓，調(diào)節(jié)RW，若 3 2輸出電壓也跟著發(fā)生變化，說明穩(wěn)壓電路工作正常。 CW317用萬用表測量整流二極管的正、反向電阻，正 1 R1 D5確判斷出二極管的極性后，按圖4所示先在變壓器 UI C Uo 的副邊接上額定電流為1A的保險(xiǎn)絲，然后安裝整 C1 Co流濾波電路。 安裝時(shí)要注意，二極管和電解電容 C2 RW的極性不要接反。經(jīng)檢查無誤后，才將電源變壓器與整流濾波電路連接，通電后，用示波器或萬用表 圖3 穩(wěn)壓電路檢查整流后輸出電壓UI的極性，若UI的極性為

10、負(fù)，（其中：D5、D6為IN4001型二極管，則說明整流電路沒有接對，此時(shí)若接入穩(wěn)壓電路， C1 = 0.1F，C2 =10F，C0 =1F）就會損壞集成穩(wěn)壓器。因此確定UI的極性為正后，斷開電源，按圖2所示 D1 D4將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路連接起來。然后接通電源，調(diào)節(jié)RW的值，若輸出 u1 D2 D3 C UI 電壓滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，說明穩(wěn)壓電源中各 220V u2 級電路都能正常工作，此時(shí)就可以進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測試。 圖4 整流濾波電路五穩(wěn)壓電源各項(xiàng)性能指標(biāo)的測試 1輸出電壓與最大輸出電流的測試測試電路如圖5所示。一般情 自耦變壓器 Io 電流表況下，穩(wěn)壓器正常工作時(shí)，其輸出 被測 I電流要小

11、于最大輸出電流， 220V 穩(wěn)壓 Uo V 電壓表 RL取，可算出RL=18， 電路 工作時(shí)上消耗的功率為：故取額定功率為5W，阻值為 圖5 穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)的測試電路18的電位器。測試時(shí)，先使，交流輸入電壓為220V，用數(shù)字電壓表測量的電壓值就是Uo。然后慢慢調(diào)小，直到Uo的值下降5%，此時(shí)流經(jīng)的電流就是，記下后，要馬上調(diào)大的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。 2穩(wěn)壓系數(shù)的測量 按圖5所示連接電路， 在時(shí)，測出穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo。然后調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓，測出穩(wěn)壓電源對應(yīng)的輸出電壓Uo1 ；再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓，測出穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo2。則穩(wěn)壓系數(shù)為： 3輸出電阻的測量 按圖5所示連

12、接電路，保持穩(wěn)壓電源的輸入電壓，在不接負(fù)載RL時(shí)測出開路電壓Uo1，此時(shí)Io1=0，然后接上負(fù)載RL，測出輸出電壓Uo2和輸出電流Io2，則輸出電阻為： 4紋波電壓的測試 用示波器觀察Uo的峰峰值，（此時(shí)Y通道輸入信號采用交流耦合AC），測量Uop-p的值（約幾mV）。 5紋波因數(shù)的測量 用交流毫伏表測出穩(wěn)壓電源輸出電壓交流分量的有效值，用萬用表（或數(shù)字萬用表）的直流電壓檔測量穩(wěn)壓電源輸出電壓的直流分量。則紋波因數(shù)為：六 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1 設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電壓連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓電源，性能指標(biāo)為：（1） 輸出電壓U0=（）；最大輸出電流（2） 負(fù)載電流 （3） 紋波電壓 （4） 穩(wěn)壓系數(shù) 2 按照教材中所介

13、紹的方法，設(shè)計(jì)滿足以上性能指標(biāo)的穩(wěn)壓電源，計(jì)算出穩(wěn)壓電源中各元件的參數(shù)，安裝和調(diào)試電路。3 在保證電路正常工作后，測出穩(wěn)壓電源的性能參數(shù)、和。七實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1 列出設(shè)計(jì)題目和技術(shù)指標(biāo)要求。2 列出設(shè)計(jì)步驟和電路中各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。3 畫出標(biāo)有元件值的電路圖。4 列出性能指標(biāo)的測試過程5 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與理論值進(jìn)行比較。附錄：1 固定式三端穩(wěn)壓器的引腳圖及典型應(yīng)用電路 CW78XX 1 CW78XX 3 CW79XX 1 2 3 UI C1 2 Co Uo 1 2 3 UI C1 1 Co Uo 2 CW79XX 3 Ui 地 Uo 地 Ui Uo（a） CW78系列的引腳圖及應(yīng)用電路 （b）

14、 CW79系列的引腳圖及應(yīng)用電路（其中：C1 = 0.33F,Co = 0.1F ，C1、 （其中：C1 = 2.2F，CO = 1F） Co采用漏電流小的鉭電容）圖A 固定式三端穩(wěn)壓器的引腳圖與應(yīng)用電路 說明：穩(wěn)壓器輸入端的電容C1用來進(jìn)一步消除紋波,此外，輸出端的電容Co與C1起到了頻率補(bǔ)償?shù)淖饔?，能防止自激振蕩，從而使電路穩(wěn)定工作。2 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器的引腳圖及其典型應(yīng)用電路 在圖B (a)中，R1與Rw組成輸出電壓 3 CW317 2 調(diào)節(jié)電路，輸出電壓Uo1.25 (1 + Rw / R1 )， CW317 1 R1 D5R1的值為120 240，流經(jīng)R1的泄放電 1 2 3 UI

15、C1 Co Uo流為5 10mA。Rw為精密可調(diào)電位器。電 RW C2容可以進(jìn)一步消除紋波，電容C1與Co arj Uo Ui 還能起到相位補(bǔ)償作用，以防止電路產(chǎn)生 （a） CW317系列引腳圖及應(yīng)用電路自激振蕩。電容C2與Rw并聯(lián)組成濾波電 其中：C1= 0.01F，C2 =10F，CO =1F，路，電位器Rw兩端的紋波電壓通過電容C2 R1 =200，RW =3k，D5用IN4001旁路掉，以減小輸出電壓中的紋波。二極 RW管D5的作用是防止輸出端與地短路時(shí)，因 CW337 C2 電容C2上的電壓太大而損壞穩(wěn)壓器。 1 2 3 UI C1 Co Uo 1 R1 D5 arj Uo UI 3 CW337 2 （b） CW317系列引腳圖及應(yīng)用電路 其中：C1= 0.1F，C2 =10F，CO =1F， R1=200，RW =3k，D用IN4001 圖B 可調(diào)三端式集成穩(wěn)壓器附：1集成穩(wěn)壓器的選?。翰捎胏w7812、cw7912和cw317cw7812：正穩(wěn)壓器，最大輸入電壓為35v，最小輸入電壓為14.5v；當(dāng)輸入為19v時(shí)，輸出為12v，輸出電流為1a