实验九 直流稳压电源的设计
一．实验目的
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．预习要求
1．根据直流稳压电源的技术指标要求，按照教材中介绍的方法，设计出满足技术指标要求的稳压电源。根据设计与计算的结果，写出设计报告。 2．制定出实验方案，选择实验用的仪器设备， 三．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 1．电源变压器 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为： ??P2 P1其中：P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：
表1 小型变压器的效率 副边功率P2 ?10VA 10~30VA 30~80VA 80~200VA 1
效率? 0.6 0.7 0.8 0.85 因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1。
2．整流和滤波电路
在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2
变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：
UI?(1.1~1.2)U2 在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： URM?流过每只二极管的平均电流为： ID?2U2 IR0.45U2? 2R其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足： RC?(3~5)T 2其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。 3．稳压电路 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。 （1） 固定电压输出稳压器 常见的有CW78??（LM78??）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79??（LM79??）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo ≥2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 ~ 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 ~ 24V时，UI的最大值UImax = 40V。它们的引脚功能及组成的典型稳压电路见附录图A所示。 （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；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2 ~ 37V，最大输出电流Iomax =1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为： UI -Uo = 3 ~ 40V。三端可调式集成稳压器的引脚及其应用电路见附录图B。
三．稳压电源的设计方法：
2
稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p
等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。 稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：
1） 根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。
2） 根据稳压器的输入电压UI，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电 源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。 3） 确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。 设计举例：设计一个直流稳压电源，性能指标要求为： Uo??3V~?9V,Iomax?80mA0, 纹波电压的有效值 ?Uo?5mV,稳压系数 Sv?3?10?3 设计步骤： 1）选择集成稳压器，确定电路形式 集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：Uo?1.2~37V，最大输出电流Iomax为1.5A。所确定的稳压电源电路如图2所示。 D6 3 CW317 2 保险丝D1 D4 1 C R1 D5 u1 D2 D3 C1 Co Uo ~ 220V u2 C2 RW
图2 输出电压可调的稳压电源 图2中，取C1 = 0.01μF，C2 =10μF，C0 = 1μF，R1 = 200Ω，RW = 2kΩ，二极管用IN4001
在图2电路中，R1和Rw组成输出电压调节电路，输出电压 Uo?1.25(1?RwR1)，
R1取120~240?，流过R1的电流为5~10mA。取R1?240?，则由Uo?1.25(1?Rw/R1)，
可求得：Rwmin?210?，Rwmax?930?，故取Rw为2k?的精密线绕电位器。
2）选择电源变压器
3
由于CW317的输入电压与输出电压差的最小值?UI?Uo?min?3V，输入电压与输出电压差的最大值?UI?Uo?max?40V，故CW317的输入电压范围为： Uomax ?(UI?Uo)min?UI?Uomin?(UI?Uo)max 即 9V?3V?UI?3V?40V 12V?UI?43V
U2?UImin12??11V， 取 U2?12V 1.11.1变压器副边电流： I2?Iomax?0.8A，取I2?1A， 因此，变压器副边输出功率： P2?I2U2?12W 由于变压器的效率??0.7，所以变压器原边输入功率P1?地，选用功率为20W的变压器。 3）选用整流二极管和滤波电容 由于：URM?P2，为留有余??17.1W2U2?2?12?17V，I0max?0.8A。 IN4001的反向击穿电压URM?50V，额定工作电流ID?1A?I0max，故整流二极管 选用IN4001。 根据 U0?9V,UI?12V,?U0p?p?5mV,Sv?3?10 ， 和公式 ?3?U0Sv?U0可求得： ?UI??UIUIIo?常数 T?常数?Uop?pUIU0Sv?0.005?12?2.2V 9?3?10?3所以，滤波电容： C?Ict??UII0max??UIT20.8??11?502?0.003636F?3636uF 2.2电容的耐压要大于2U2?为25V的电解电容。
2?12?17V，故滤波电容C取容量为4700?F，耐压
4
四．稳压电源的安装与调试
按图3所示安装集成稳压电路，然后从稳压器 D6 的输入端加入直流电压UI?12V，调节RW，若 3 2 输出电压也跟着发生变化，说明稳压电路工作正常。 CW317 用万用表测量整流二极管的正、反向电阻，正 1 R1 D5 确判断出二极管的极性后，按图4所示先在变压器 UI C Uo 的副边接上额定电流为1A的保险丝，然后安装整 C1 Co 流滤波电路。 安装时要注意，二极管和电解电容 C2 RW 的极性不要接反。经检查无误后，才将电源变压器 与整流滤波电路连接，通电后，用示波器或万用表 图3 稳压电路 检查整流后输出电压UI的极性，若UI的极性为负，（其中：D5、D6为IN4001型二极管， 则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路， C1 = 0.1μF，C2 =10μF，C0 =1μF） 就会损坏集成稳压器。因此确定UI的 极性为正后，断开电源，按图2所示 D1 D4 将整流滤波电路与稳压电路连接起来。 然后接通电源，调节RW的值，若输出 u1 D2 D3 C UI 电压满足设计指标，说明稳压电源中各 ~220V u2 级电路都能正常工作，此时就可以进行 各项指标的测试。 图4 整流滤波电路
五．稳压电源各项性能指标的测试
1．输出电压与最大输出电流的测试 测试电路如图5所示。一般情 自耦变压器 Io 电流表 况下，稳压器正常工作时，其输出 被测 I 电流Io要小于最大输出电流Iomax， ~220V 稳压 Uo V 电压表 RL 取I0?0.5A，可算出RL=18Ω， 电路 工作时RL上消耗的功率为：
PL?UoIo?9?0.5?4.5W
故RL取额定功率为5W，阻值为 图5 稳压电源性能指标的测试电路 18Ω的电位器。
测试时，先使RL?18?，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是Uo。
5
直流稳压电源的设计(包括原理、设计方法及调试步骤)
