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第四组 直流稳压电源

2020-03-09 18页 doc 75KB 0阅读

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第四组 直流稳压电源直流稳压电源设计 申报者信息: 队员一: 队员二: 队员三: 队员四: 队员五: 队员六: 目录 摘要    ……………………………………………………………………………3 1 系统方案分析 …………………………………………………………………3 1.1  变压器的选用  ……………………………………………………4 1.2  整流电路的选用  …………………………………………………5 1.3  滤波电路的选用  …………………………………………………6 1.4  稳压电路的选用  ………………………………………………...
第四组 直流稳压电源
直流稳压电源 申报者信息: 队员一: 队员二: 队员三: 队员四: 队员五: 队员六: 目录 摘要    ……………………………………………………………………………3 1 系统分析 …………………………………………………………………3 1.1  变压器的选用  ……………………………………………………4 1.2  整流电路的选用  …………………………………………………5 1.3  滤波电路的选用  …………………………………………………6 1.4  稳压电路的选用  …………………………………………………8                              2 系统理论分析与计算 …………………………………………………………9 2.1  电源变压器分析  …………………………………………………9 2.2  整流电路分析  ……………………………………………………9 2.3  滤波电路分析  ……………………………………………………11 2.4  稳压电路分析  ……………………………………………………14 3  电路的设计  …………………………………………………………………15 3.1  系统总体框图  ……………………………………………………15 3.2  系统电路图  ………………………………………………………16 4 测试方案与测试结果    ………………………………………………………16 5 结论和心得 ……………………………………………………………………17 6 附录      ……………………………………………………………………18 7 参考文献 ………………………………………………………………………19 摘要 直流稳压电源一般是有电源变压器、整流、滤波及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流电路把交流电变为直流电。经滤波后,稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计通过变压、整流、滤波、稳压过程,将220V交流电压为稳定的直流电,本次设计主要使用了LM317、7805、7905等集成电路,实现输出±5V和3.3V电压,稳压电路采用集成稳压器。 关键词: 变压器、整流、滤波、稳压 Abstract DC regulated power supply is composed of a power transformer, rectifier, filter and regulator circuit. Transformer electric AC voltage to low voltage AC needed. Rectifier circuit put AC into dc. After filtering, voltage regulator and the unstable DC voltage into a stable DC voltage output. This design by transformer , rectifier, filter, regulator, the 220V AC voltage to DC stable, this design mainly uses the LM317, 7805, 7905, integrated circuit, output of ± 5V and 3.3V voltage, voltage regulator circuit with integrated voltage regulator. 1 系统方案分析 (一).设计要求: 设计要求:输出+-15V,+-9V,+-5V,3.3V直流电压。 (二). 电路原理框图 一个完整的直流稳压电源分为变压、整流、滤波和稳压四个部分。其 波形如图所示 1.1  变压器的选用 变压器是一种应用电磁感应原理,将电能从一个电路传输到另一电路的电磁装置,是电源的关键设备之一。由于此直流稳压源是市电供电,则可选用工频变压器,额定电压为220V,频率为50HZ,由于要求的输出电压是-5v,因此输入三端集成稳压器合适的输入电压为7V,又考虑到变换电路的自身压降,故选择变压器的次级输出交流电压为9v, ,可以求出变压比为220/9,设计为25。 1.2 整流电路方案选择 整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电,这就是交流电的整流过程,整流电路主要由整流二极管组成。电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种,倍压整流电路用于其它交流信号的整流,例如用于发光二极管电平指示器电路中,对音频信号进行整流。 方案一:半波整流电路 半波整流电路电路结构简单,使用元件少,但整流效率低,输出电压脉动大,它只适用于要求不高的场合。 方案二:桥式整流电路 桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点, 但多用了两只二极管。在半导体器件发展快,成本较低的今天,此缺点并不突出,因而桥式整流电路在实际中应用较为广泛。 方案三:对于倍压整流电路,它能够输出比输入交流电压更高的直流电压,但这种电路输出电流的能力较差,所以具有高电压,小电流的输出特性。 方案选定:鉴于以上分析,本设计采用方案二。 1.3滤波电路方案选择 整流电路将交流电变为脉动直流电,但其中含有大量的交流成分,为了获得平滑的直流电,应在整流电路的后面加接滤波电路,以滤去交流成分。 方案一:电感滤波电路 电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。一般电感滤波电路只适用于低电压、大电流的场合。 方案二:∏型LC滤波电路 由于电容C对交流的容抗很小,而电感L对交流阻抗很大,因此,负载RL上的纹波电压很小。但由于电阻要消耗功率,所以,此时电源的损耗功率较大,电源功率降低。 方案三:电容滤波电路 整流电路接入滤波电容后,不仅使输出电压变得平滑、纹波显著减少,同时输出电压的平均值也增大了。 方案选定:鉴于以上分析,本设计采用方案三。 1.4稳压电路方案选择 串联型稳压电路 串联型稳压电路由调整管、取样电路、基准电压和比较放大电路等部分组成。 三端可调输出集成稳压器 三端可调输出集成稳压器是在三端固定输出集成稳压器的基础上发展起来的,集成片的输入电流几乎全部流入到输出端,流到公共端的电流非常小,因此可以用少量的外部元件方便地组成精密可调的稳压电路,应用更为灵活。 本设计采用LM317是可调节的三端正电源稳压器,在输出电压1.2V~37V能够提供1.5A的电流稳压器易于使用。 2 系统理论分析与计算 2.1 电源变压器分析 过整流电路将交流变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流压含有较陡的纹波,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,然后通过的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载何温度变化时,维持输出直流电压稳定。 2.2 整流电路分析 利用二极管的单向导电性,将交流电压(电流)变成单向脉动电压(电流)的电路,称为整流电路。交流电分为三相交流电和单相交流电,在小功率电路中一般采用单相半波、全波、桥式整流电路和倍压整流电路。本节主要研究单相桥式整流电路,对于倍压整流电路及全波整流电路,可通过相应参考书来了解。 为简化分析,假定二极管是理想器件,即当二极管承受正向电压时,将其作为短路处理;当承受反向电压时,将其作为开路处理。 单相桥式整流电路 为了保留全波整流电路效率高、脉动系数小的优点而克服其反向电压高的缺点,若使二极管承受的反向电压和半波电路一样,比全波整流电路减少一半,使二极管成本下降,可在此基础上多用几只二极管,如图3.1所示电路就基本解决 了上述问题。 图2.1  单相桥式整流电路 1)电路组成及工作原理 桥式整流电路由四只二极管组成的一个电桥,电桥的两组相对节点分别接变压器二次绕组和负载。这种电路有三种画法,如图所示。在工作时,D1、D2与D3、D4两两轮流导通。在u2正半周,二极管D1和D2正向导通,而D3、D4反向截止,形成负载电流i0,i0流通路径为:a→D1→RL→D2→b→a,u0=u2;在u2的负半周,二极管D3和D4正向导通,而D1、D2反向截止,形成负载电流i0,i0流通路径为:b→D3→RL→D4→a→b,  u0=-u2。 由此可见,不论哪两只二极管导通,负载电流的方向都始终保持不变。电路各处电压、电流波形如图3.2 所示。 2)输出电流电压U0=3~12V 由桥式整流电路的波形可知,其输出电压及流过二极管的电流与全波整流的波形相同: U0=0.9U2 U2=2.7V~3.8V 3)整流二极管的选择 由桥式整流电路的波形可知,每只二极管截止时所承受的反向电压为变压器副边电压峰值,因此,各二极管所承受的最大反向电压为 URM= U2 URM=3.8V~5.37V 虽然是全波整流,由于二极管仍然是只有半个周期导通。此值与半波整流电路相同,负载上的电流是这个数值的2倍。 ID=I0/2 ID=0.6A 图2.2  单相桥式整流电路的波形图 2.3滤波电路分析 经过整流后,输出电压在正负方向上没有变化,但输出电压波形仍然保持正弦波的形状,起伏很大。为了能够得到平滑的直流电压波形,需要有滤波的措施。在直流电源上多是利用电抗元件对交流信号的电抗性质,将电容器与负载电阻恰当连接而构成滤波电路。电容有通高频、阻低频的作用,将其直接并在整流电路后面,可以让高频电流通过电容流回电源,从而减少了流入负载的高频电流,降低了负载电压的高频成分,减小了脉动。 下面讨论电容滤波电路的工作原理,为讨论问题的方便,我们以半波整流电容滤波电路为例进行分析,电路如图3.3所示。 图2.3 单向半波整流电容滤波电路及其波形 (1)工作原理:    设u2波形如图3.3(b)所示,未接电容时,输出电压如图3.3(b)中的虚线所示。在u2正半周,设u2由零上升,二极管D导通,u0=u2,此时电源对电容充电,由于充电时间常数很小,电容充电很快,所以电容上升的速度完全跟得上电源电压的上升速度,uC=u2。当u2上升到峰值时,电容充电达到1.4U2,二极管D截止,随后u2下降,电容C向负载RL放电,放电时间常数为RLC,其值较大,所以电容电压下降的速度比u2下降到速度慢得多,此时负载电压靠电容C的放电电流来维持,u0=uC。当电容放电到b点时,uC<u2,二极管D又导通,电容又被充电。充电至1.4U2后,又放电。如此重复进行,就得到输出电压的波形如图3.3(b)中实线所示。由图可见,经电容滤波后,负载电压变得平稳,且平均值提高了。桥式整流电容滤波电路的原理与半波时相同,其电路和波形如图3.4所示。 图2.4  单相桥式整流电容滤波电路及其波形图 (2) 输出直流电压: 在有滤波电容的整流电路中,要对其输出直流电压进行准确的计算是很困难的,上一般按下列经验公式进行估算。当电容的容量足够大,满足RLC≥(3-5)T/2(T为电网电压的周期)时, 对于半波整流电容滤波:        U0≈ U2 =2.7V~3.8V  对于全波或桥式整流电容滤波:  U0=1.2 U2 = 3.24 V ~ 4.56V (3)滤波电容的选择: 为了得到比较好的滤波效果,在实际工作中常根据下式选择滤波电容的容量。 对于半波整流:    RLC≥(3-5)T 对于全波或桥式整流: RLC≥(3-5)T/2 由于电容值比较大,约为几十至几千微法,一般选用电解电容,接入电路时,注意极性不要接反,电容器的耐压值应大于1.4U2 。 (4)整流二极管的选择: 对于半波整流滤波电路:ID=I0 ,URM=1.4U2 对于全波或桥式整流电容滤波电路:ID=I0/2 ,桥式整流URM= U2 ,全波整流URM=2.8U2  由图3.3、图3.4可见,加上电容滤波,流过整流管的电流变成脉冲电流,由于电源接通的瞬间,电容相当于短路,有一个很大的冲击电流流过二极管,其瞬间值可以是正常工作时的好几倍,故在选择整流管最大允许的正向平均电流时,应留有充分的裕量,一般选IF = (2 ~3)ID 。 (5) 纹波的测试和连接方式: 纹波就是直流电源中的交流成分,用示波器,调成交流输入就可以看到了,但纹波一般都很小,所以示波器的量程要打到20mV左右,还要注意测量时线不能拉太长,这容易受干扰。 2.4 稳压电路分析 稳压电路的作用是提高输出直流电压Uo的带负载能力和稳定性,分立元件稳压电路和集成电路常采用串联负反馈式。 本实验采用的集成稳压器进行稳压。 (1)固定式三端稳压器 常见产品有CW78、CW79(国产) ,LM78、LM79(美国),78系列稳压器输出固定的正电压,如7805的输出为+5V,79系列稳压器输出固定为负电压,如7905输出为-5V,其封装为三个管脚单列直插式(输入、输出、公共端),不需要外接元件,使用起来十分方便。它们的引脚功能及构成的典型电路如图所示。其中输入端接电容 Ci可以进一步滤除纹波,输出端接电容Co能消除自激振荡,确保电路稳定工作。Ci、Co最好采用漏电流小的钽电容,如果采用电解电容,电容量要比图中数值增加10倍。 (2)可调式三端稳压器 可调式三端稳压器输出连续可调的直流电压,常见产品有CW317、CW337(国产),LM317、LM337(美国)。317系列稳压器输出连续可调的正电压,337系列稳压器输出连续可调的负电压,可调范围为1.2~37v,最大输出电流Iomax为1.5A。稳压器内部含有过热、过流保护电路,具有安全可靠、使用方便、性能优良等特点。CW317与CW337系列引脚功能相同,图是它们构成的典型稳压电路。 其中R1与RP1组成电压输出调节电路,输出电压Uo的达式为 式中:R1=120~240,流经R1的泄放电流为5~10mA,RP1为精密可调电位器,电容C2与RP1并联组成滤波电路,减小输出的纹波电压,二极管VD1的作用是防止输出端对地短路时,C2上的电压损坏稳压器,二极管VD2的作用与VD1相同,当RP1上电压低于7v时可省略VD2,317是依靠外接电阻给定输出电压的,所以,R1应紧接在稳压输出端和调整端之间,否则输出端电流大时,将产生附加压降,影响输出精度。 3  电路的设计 经上述的分析,决定该系统采用的最终方案如下: (1)变压器:用12V*2变压器分别输出±12V (2)整流电路:用全波桥式整流电路整流 (3)滤波电路:用有极性电容和无极性电容、电阻并联滤波 (4)稳压电路:用7805和7905、LM317稳压器稳压 3.1  系统总体框图 3.2  系统电路图 4  测试方案与测试结果 7805两端电压测试结果 测试值1 测试值2 测试值3 测试值4 平均值(v) 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0           7905两端电压测试结果 测试值1 测试值2 测试值3 测试值4 平均值(v) -5.14 -5.15 -5.14 -5.14 -5.14           LM317两端电压测试结果 测试值1 测试值2 测试值3 测试值4 平均值(v) 3.40 3.41 3.41 3.40 3.40           5  结论和心得 我们做的直流稳压电源课程设计要的电路分别由四个部分组成,有变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。首先非常仔细的研究了下老师给的PPT里的内容,借助老师所给的电路结构,确立了变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分,然后查阅模电实验的教材,拟定了所需要的元件及元件的的参数。电路板和元件等器材买回来之后,我们首先对电路进行布线,然后尝试焊,这次焊接不是很顺利,经历了一些困难,耗费了我们一些时间,但是经过我们共同努力,都一一解决了,最后我们检查电路,便直接插上电源试,结果功夫不负有心人,我们成功了。 本次的课程设计,告诫了我们平时要多动手,多动脑,这样当问题来临时就不会手忙脚乱;培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力;它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来,加强我们对学过的知识的实际应用能力!在设计的过程中还培养出了我们的团队精神,同学们共同协作,解决了许多个人无法解决的问题;在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。 但是由于水平有限,我们的设计难免会有一些错误和误差,还望老师批评指正。 6  附录 器件 名称 数量 备注 变压器 1 12V*2 整流器 1 KBP210 稳压IC 1 LM317 稳压IC 1 7805 稳压IC 1 7905 电解电容 4 470u 电解电容 1 10u 电容 5 224v 电阻 2 1k 电阻 1 270 电阻 1 460 开关 1   二极管 3         7  参考文献 [1] 王彦,陈文光,朱卫华《全国大学生电子设计竞赛训练教程》 [2] 唐华光 《电子技术基础模拟部分》  五版  北京:高等教育出版社
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