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: 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 效率? ?10VA 0.6 10~30VA 0.7 30~80VA 0.8 80~200VA 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:
在整流电路中,每只二极管所承受的最大反向电压为: 流过每只二极管的平均电流为:
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:
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
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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:
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:
?3 纹波电压的有效值 ?Uo?5mV,稳压系数 Sv?3?10
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
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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
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: 即 9V?3V?UI?3V?40V
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??17.1W,为留有余
2U2?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
可求得: ?UI??3?Uop?pUIU0Sv?0.005?12?2.2V
9?3?10?3所以,滤波电容: 电容的耐压要大于2U2?2?12?17V,故滤波电容C取容量为4700?F,耐压
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为25V的电解电容。
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:
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。然后慢慢调小RL,直到Uo的值下降5%,此时流经RL的电流就是Iomax,记下Iomax后,要马上调大RL的值,以减小稳压器的功耗。
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2.稳压系数的测量
按图5所示连接电路, 在U1?220V时,测出稳压电源的输出电压Uo。然后调节自耦变压器使输入电压U1?242V,测出稳压电源对应的输出电压Uo1 ;再调节自耦变压器使输入电压U1?198V,测出稳压电源的输出电压Uo2。则稳压系数为: 3.输出电阻的测量
按图5所示连接电路,保持稳压电源的输入电压U1?220V,在不接负载RL时测出开路电压Uo1,此时Io1=0,然后接上负载RL,测出输出电压Uo2和输出电流Io2,则输出电阻为:
4.纹波电压的测试
用示波器观察Uo的峰峰值,(此时Y通道输入信号采用交流耦合AC),测量ΔUop-p 的值(约几mV)。
5.纹波因数的测量
用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值,用万用表(或数字万用表) 的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。则纹波因数为: 六. 实验内容: 1. 设计一个输出电压连续可调的稳压电源,性能指标为: (1)输出电压U0=(?3~?12V);最大输出电流I0max?100mA (2)负载电流I0?80mA (3)纹波电压 ?Uop?p?5mV
?3(4)稳压系数 Sv?5?10
2. 按照教材中所介绍的方法,设计满足以上性能指标的稳压电源,计算出稳压电源中 各元件的参数,安装和调试电路。
3. 在保证电路正常工作后,测出稳压电源的性能参数U0min、U0max、I0max、Sv、
R0、?Uop?p和?。
七.实验报告要求
1.列出设计题目和技术指标要求。
2.列出设计步骤和电路中各参数的计算结果。 3.画出标有元件值的电路图。 4.列出性能指标的测试过程
5.整理实验数据,并与理论值进行比较。 附录:
1.固定式三端稳压器的引脚图及典型应用电路
CW78XX 1 CW78XX 3 CW79XX
1 2 3 UI C1 2 Co Uo 1 2 3 UI C1 1 Co Uo
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直流稳压电源的设计(包括原理、设计方法及调试步骤)-7页word资料
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