直流穩(wěn)壓電源090525A課件

多路輸出直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)會用集成穩(wěn)壓器或運算放大器構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源，掌握線性穩(wěn)壓電源的工程設(shè)計方法；學(xué)會用EDA軟件（Proteus）仿真穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)；掌握穩(wěn)壓電源的安裝、實驗調(diào)試方法；研究提供電源質(zhì)量指標(biāo)的技術(shù)方案。一、設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計由集成穩(wěn)壓器或運算放大器構(gòu)成的單路輸入多路輸出直流穩(wěn)壓電源；用Proteus軟件繪制電原理圖，并對所設(shè)計的電路進行仿真；實驗測試電路的性能指標(biāo)。1.給定條件及具體要求①.輸入交流電壓:U~=18V±10%(單路)②.輸出直流電壓:Uo1=15V,Uo2=1.5~5V（連續(xù)可調(diào)）Uo3=-6V,其中Uo1獨立輸出，Uo2和Uo3共地輸出。③.輸出電流:Io1=500mA,Io2=100mA,Io3=-100mA.主要元器件：三端穩(wěn)壓器7815、7812、LM317，運算放大器LM324(單電源、四運放)，UA741（雙電源、單運放）。大功率三極管;TIP41C(NON),TIP42(PNP),負(fù)載電阻：100Ω/1W。2.性能指標(biāo)：①.穩(wěn)壓系數(shù)：Su=(ΔUo/Uo)/(ΔUI/UI)≤0.05②.具有電流過載保護。二、課題分析及設(shè)計思路

該課題的特點是只有一路交流輸入，通過整流濾波后利用集成穩(wěn)壓器可獲得單路電壓輸出。其方案可直接用三端穩(wěn)壓器7815如圖1，也可以用7812、LM317實現(xiàn)可調(diào)輸出如圖2所示。對于圖2，其輸出電壓為Uo=U32(1+R2/R1)課題要求Uo2和Uo3共地輸出，通常只須將兩電源串聯(lián)即可，如圖3所示。但用三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的電源不能直接這樣應(yīng)用，因為它需要兩路輸入的交流電源。圖4是用三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的正負(fù)電源方案。由于課題給定一路交流輸入，當(dāng)負(fù)載接入（或不同），其電源要流經(jīng)穩(wěn)壓器基準(zhǔn)回路，從而使輸出電壓不穩(wěn)。解決問題的關(guān)鍵要將負(fù)載地與穩(wěn)壓器的地分離，并為各負(fù)載提供電流通路。電位分離技術(shù)可利用集成運放的虛短特性，將其接成電壓跟隨器即可。但由于運放輸出電流有限，需要加電流擴展電路，圖5是實現(xiàn)該思路的一種方案。三、單元電路設(shè)計及元器件選擇1.AC/DC變換器設(shè)計AC/DC變換器是將交流220V電壓經(jīng)變壓器降壓為所需的低壓U2，再經(jīng)整流、濾波后成為穩(wěn)壓器的直流輸入電壓。電路如圖8所示。圖中輸出直流電壓UI與交流電壓U2的有效值U2之間的關(guān)系為UI=（1.1-1.2）U2。電源變壓器通常根據(jù)副邊輸出功率P2來選擇，一般通過選取U2≥UImin/1.1，I2≥Iomax來確定。整流二極管應(yīng)根據(jù)其反向擊穿電壓URM＞U2m，平均電流IF＞Iomax來選擇。濾波電容可由下式估算：C=Ict/ΔUI式中，t為電容C的放電時間（t=T/2=0.01s），Ic為電容C放電電流，可取Ic=Iomax，濾波電容C的耐壓值應(yīng)大于U2m。ΔUI為穩(wěn)壓器輸入端的變化量，可由穩(wěn)壓系數(shù)Su求得：ΔUI=ΔUoUI/UoSu

（1）選電源變壓器對于LM317：Vomax+(Vi-Vo)min≤Vi≤Vomin+(Vi-Vo)max

6V+3V≤Vi≤3V+40V，9V≤Vi≤43V副邊電壓V2≥Vimin/1.1=9/1.1V，取V2=9V，副邊電流I2﹥Iomax，取I2=1A，則變壓器副邊輸出功率P2≥I2V2=9W，查表可得變壓器的效率η=0.6則原邊輸入功率P1≥P2/η=15W。對于78、79系列：15+(3~5)V≤Vi≤15V+35V副邊電壓V2≥Vimin/1.1=18/1.1V，取V2=17V，副邊電流I2﹥Iomax，取I2=1A，則變壓器副邊輸出功率P2≥I2*V2=17W，查表可得變壓器的效率η=0.7P1≥P2/η=24W綜上兩路考慮，為留有余地，選功率為30W的電源變壓器（2）濾波電容的選擇濾波電容C可由紋波電壓△VOP-P和穩(wěn)壓系數(shù)SV確定已知VO=15V，Vi=18V，△VOP-P=5mV，SV≤5х10ˉ3，由式Sv=(ΔVo/Vo)/(ΔVi/Vi)ΔVi=ΔVoppVi/VoSv=1.2V得電容C=Ict/ΔVi=833uF取C=1000uFt為電容C的放電時間，t=T/2=0.05S為電容C的放電電流，可取濾波電容的耐壓值應(yīng)大于同理對于317，C=1333uF，可取1000uF與470uF并聯(lián)耐壓值大于√2V2=9×1.414=12.75V4.選擇整流二極管及濾波電容整流二極管D選1N4001或1N4002其極限參數(shù)為:VRM≥50V，IF=1A滿足VRM＞√2V2IF＞Iomax的條件如果負(fù)載變動頻繁，在7815輸出也可接-10μ~100μ的電解容

在圖5中，Q3、Q4和RI構(gòu)成限流保護電路。取樣電阻RI可由Ube/1.2Iomax=R來確定?？扇be=0.5V作為限流保護電路的初始值。功放管Q1、Q2的選擇按照功率放大器的設(shè)計原則進行。即功放管的最大功率PCM＞0.2Pom，最大電流ICM＞Iomax。管子β的選擇應(yīng)使運放有足夠的驅(qū)動能力。即β＞Iomax/Ioh，式中Ioh為運放的額定輸出電流。本課題給定的功放管TIP41C(NPN)、TIP42C(PNP)，其相關(guān)參數(shù)如下：β＞30，ICM=6A,PCM=2W(如加散熱片PCM=65W),VCEO=100V。功率放大器的偏置電阻R3的選擇對電源的穩(wěn)定性有重要影響，當(dāng)Uo2在最低電壓輸出，且為RL2提供最大電流Iomax時，R3的電壓為UR3=Uo2min-Ube-URI=1.5-0.7-0.5=0.3V,因此，R3的選擇應(yīng)有足夠的電流保證Q1的驅(qū)動和D2的正常偏置，即：R3≤UR3min/(IB3+ID2);但在Uo2max最大時，ID2將過大。為保證ID2不受Uo2影響，可將R3、Q1接入+15V。為了提高電源的穩(wěn)定性，運放的電源最好也采用+15V的穩(wěn)壓電源供電。LM317中R1和RW的選取：為保證穩(wěn)壓器空載時也能正常工作，要求流過R1的電流不能太小，一般可取IR1=5～10mA，故R=VREF/IR1=120~240取R1=240Ω，輸出電壓Vo=1.25(1+Rw/R1)，

因最大輸出電壓為6V，所以RW取1KΩ可調(diào)即可，電路中Ci的作用，抵消線路的電感效應(yīng)，防止自激一般為0.1uF~0.33uF.CO的作用,濾除輸出端的高頻信號,改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)一般為0.1uF-1uF四、電路仿真用Proteus軟件繪制電源理圖，并對所設(shè)計的電路進行仿真，模擬電路的實際工作狀態(tài)。通過仿真測試，了解所設(shè)計的電路是否滿足各項性能指標(biāo)要求。仿真內(nèi)容主要有以下幾個方面：1.測試主要元器件的靜態(tài)電流和電壓；2.測試Uo2和Uo3額定(Uo2=5V;Uo6=-6V)時的穩(wěn)壓系數(shù)Su（RL=100Ω）;3.測試Uo2和Uo3的限流（RL=50Ω）;4.仿真分析整流電路的輸入、輸出波形及電源的輸出紋波。電路通過仿真后，確定實驗前的元件參數(shù)。五、調(diào)試步驟1.電源電路由于元件少，線路簡單，所以應(yīng)力求保證連線正確(1)整流橋，要分清交流輸入端和直流輸出，否則會引起變壓器短路。(2)三端穩(wěn)壓器要檢查三個腳不能接錯。78系列和790系列1，2腳連線剛好相反，切忌弄錯。(3)濾波電解電容一定要分清正負(fù)極性，否則會產(chǎn)生爆炸。一般是正端接高電位，負(fù)載接低電位。2.接通電源后，首先靜態(tài)幾分鐘，如無異常，無怪味，方可進入正常測試。否則應(yīng)斷開220V電源，排除故障。3.電路無故障，測量相應(yīng)點波形，一般為變壓器輸出或整流橋輸入交流波形及大小，整流濾波輸出或穩(wěn)壓器輸入波形及電壓大小，最后輸出電壓大小及紋波電壓大小，測量時在額載荷下進行，速度要快。4.若要觀察濾波電容變化對輸出影響，可在斷開電源后更換.5.如果負(fù)載變動頻繁，在各輸出也可接-個10μ~100μ的電解容3.測量三路穩(wěn)壓電源的輸出電壓測試方法：測量輸出端時分別接100Ω負(fù)載電阻。測量3-6V時，分別測量對應(yīng)的電位器的阻值。再調(diào)節(jié)電位器RW，測量輸出電壓可調(diào)范圍V0min～V0max。驗證公式VO＝1.25(1+Rw/R1)+15V-15V3-6V(5V時)Io000VoRo4.測量輸出電阻R0輸出電阻R0：當(dāng)輸入電壓Vi（指穩(wěn)壓電路輸入電壓）保持不變，負(fù)載電流由空載變化到額定電流時,而引起的輸出電壓變化，即Ro=ΔVo/ΔIo+15V-15V設(shè)計值+15V-15V測量值3V6VVominVomax測量值可調(diào)電阻值5.測量輸出紋波電壓輸出紋波電壓是指在額定負(fù)載條件下，輸出電壓中所含交流分量的有效值或峰峰值測量方法:第一路+15V:取Uo＝15V，Io＝150mA，用示波器測量輸出電壓U0紋波的峰峰值及波形第二路-15V:取Uo＝-15V，Io＝150mA，用示波器測量輸出電壓U0紋波的峰峰值及波形第三路3~6V:取Uo＝5V，Io＝50mA，用示波器測量輸出電壓U0紋波的峰峰值及波形6.穩(wěn)壓系數(shù)Su的測量測試過程是：先調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓增加10％，即242V，測量此時對應(yīng)的輸出電壓；再調(diào)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，然后再測出=220V時對應(yīng)的輸出電壓則穩(wěn)壓系數(shù)Su=(Δuo/Uo)/(Δui/Ui)七、設(shè)計、仿真及實驗問題研究1.有人認(rèn)為，在穩(wěn)壓電源的輸出并上大電容，可以提高電源的穩(wěn)定性，你是否贊同？2.提高電源穩(wěn)定性的關(guān)鍵性設(shè)計師哪部分電路？為什么？3.在圖6中，為何在穩(wěn)壓器的3、2端并接二極管?其作用是什么？4.在圖6中，改變可調(diào)電源輸出時會使6V基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性受影響嗎？5.在圖1中，如果7815輸入端短路，7815有可能出現(xiàn)什么事故？如何防范？八、設(shè)計與測試報告課題完成后應(yīng)認(rèn)真書寫《設(shè)計與測試報告》，其主要內(nèi)容如下：1.課題的任務(wù)及要求。2.課題分析與方案選擇。對課題認(rèn)真分析，正確理解，明確設(shè)計思路。通過各種可實現(xiàn)的電路原理、特點分析，方案類比，選擇最佳實現(xiàn)電路。九、附:元器件的基本參數(shù)和參考電路一、集成穩(wěn)壓器特點：體積小,可靠性高,使用靈活,價格低廉類型：78系列——穩(wěn)定正電壓7805（輸出+5V）、7809（輸出+9V）、7812（輸出+12V）7815（輸出+15V）79系列——穩(wěn)定負(fù)電壓7905（輸出-5V）、7909（輸出-9V）、7912（輸出-12V）7915（輸出-15V）LM317其特性參數(shù)Vo=1.2V~37V.Iomax=1.5A最小輸入、輸出壓差(Vi-Vo)min=3V.最大輸入、輸出壓差(Vi-Vo)max=40V。1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端78系列穩(wěn)壓器外形及接線圖123+_7815UI+_Uo132CI0.1~1FCo1μF+25V+15V注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！1端:公共端2端:輸入端3端:輸出端79系列穩(wěn)壓器外形及接線圖123–+7