线性直流稳压电源设计与实现方法

【实验目的】

(1)了解直流稳压电源的基本原理、电路组成和性能指标。

(2)掌握使用集成稳压芯片设计直流稳压电源的方法。

(3)掌握直流稳压电源相关性能指标的测试方法。

(4)学习扩大直流稳压电源输出范围的方法。

【设计任务】

(1)使用三端集成稳压器7805设计一个直流稳压电源电路,其输出直流电压+5 V,输出电流100 m A。

①给定条件:

◆220 V,50 Hz交流市电供电

②指标要求:

◆稳压系数S>100

◆输出电阻Ro<0.1Ω

(2)根据7805数据手册,修改上面任务(1)所设计的电路,使输出电压在+5～+10 V之间可调,其他条件和指标不变。

(3)用三端集成稳压器7812和7912设计一个直流稳压电源电路,能够输出±12 V稳定直流电压,输出电流100 m A。

①给定条件:

◆220 V,50 Hz交流市电供电

②指标要求:

◆稳压系数S>100

◆输出电阻Ro<0.1Ω

(4)用三端可调集成稳压器W317设计一个直流稳压电源电路,其输出电压可调范围为2～10 V,输出电流500 m A。

①给定条件:

◆220 V,50 Hz交流市电供电

②指标要求:

◆稳压系数S>100

◆输出电阻Ro<0.1Ω

【测试任务】

(1)设计任务(1)中的直流稳压电源电路的测试:

①降压及整流电路的测试:

◆连接变压器和整流桥,整流输出端接适当阻值的电阻R′L,R′L的取值应使其流过的电流为100 m A左右。

◆观测变压器次级输出波形和R′L上整流桥输出的全波整流波形(注意二者不能同时观察)。

◆测量变压器次级输出的电压有效值和整流桥输出的全波整流电压平均值。

②滤波电路的测试:

◆将一个100Ω电位器与R′L串联,在整流输出端接入滤波电容C,调电位器使其流过的电流为100 m A。

◆观测滤波电路输出的脉动直流波形。

◆测量变压器次级输出的电压有效值和滤波输出的脉动直流电压平均值,并测量脉动直流中的纹波电压有效值。

③稳压电路的测试:

◆在电路中接入集成稳压芯片,与所设计的电路图对应,使整个直流稳压电路完整。调节负载RL的大小使流过的电流为100 m A。

◆观测集成稳压芯片的输入和输出端的波形和纹波波形。

◆测量集成稳压芯片的输入和输出电压和其中的纹波电压有效值。

④稳压电路内阻Ro的测量:

◆通过负载RL的接通与断开,使负载电流Io从100 m A变为0 m A,测出对应的输出电压的变化量ΔVo,内阻

⑤稳压电路稳压系数S的测量:

◆实验电路中的整流滤波电路与后级稳压电路断开,用实验台上的直流稳压电源某一路输出代替整流滤波电路,接入到稳压电路为其提供输入信号Vi。

◆调稳压电源使Vi为10 V,调RL使Io为100 m A,测Vo的值。然后调Vi分别为8 V和12 V,测出对应的ΔVo值,则

(2)设计任务(2)中的直流稳压电源电路的测试:

①按照设计图搭建实验电路。

②测量Vo的调节范围。

(3)仿照测试任务(1),分别拟定设计任务(3)、(4)中的稳压电源电路的测试方案详细操作步骤并进行安装测试。

【提高要求】

将测试任务(1)中已经调测完毕的完整电路焊接到PCB板上,形成一个独立的电源模块。

【实验预习】

(1)查阅变压器、整流桥块和各种型号集成稳压芯片的相关资料和数据手册,了解这些器件的相关特性和使用注意事项。

(2)阅读实验【相关知识】,掌握相关电路的设计和调测方法。

(3)设计相关电路,列出详细设计过程并画出完整详细的电路图;并对电路进行仿真和分析。

(4)针对测试任务拟定详细的调测操作步骤,设计相关数据表格并准备数据纸,列出实验注意事项。

(5)在面包板上搭建实验电路。

(6)预习思考题:

①为什么不能用示波器的两个通道同时观察变压器次级输出波形和整流桥输出波形?

②桥式整流电路中如果有一个二极管损坏将会出现什么现象?

③设计任务(1)得到的电路如果需要扩展输出电流,有哪些方案?

【报告撰写】

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

【相关知识】

1.关于直流稳压电源

一切电子电路和电子系统的运行离不开稳压电源电路,后者持续为前者提供能量供给。直流稳压电源电路是一类重要的电子电路形式,其作用是将交流电转换为直流电,在电网波动与负载变化的情况下能基本保持输出稳定的直流电压。

直流稳压电源根据其电路中调整元件的工作状态,可分为线性稳压电路和开关型稳压电路;而根据电源中稳压部件的类型,可分成集成线性稳压器、集成开关稳压器以及分立元件构成的稳压器等。

图8.1.1　线性直流稳压电路框图

2.线性直流稳压电源的组成

(1)降压电路

一般采用变压器,将市电220 V交流电压变换为整流电路所要求的交流低压,同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。

图8.1.2　变压器的作用

(2)整流电路

整流是指对交流电压进行整形,把交流电压变换为单向脉动直流电压。整流电路一般由整流二极管或整流桥构成,常用的电路形式有半波整流、全波整流和桥式整流。

①半波整流

半波整流电路由一个二极管构成,元件少电路结构简单。但半波整流输出的脉动直流电压仅是变压器输出交流信号的正半周,直流成分(平均值)低,变压器次级只有一半时间导通,输出利用率低。根据图8.1.3可知,忽略二极管的导通压降VD,半波整流输出电压的平均值和输出电流平均值为:

电路中整流二极管流过的平均电流 和最大反向压降VRM分别为:

以上各式中V2为变压器次级输出的电压有效值。

②全波整流

全波整流电路和工作原理如图8.1.4所示,其中变压器需有中心抽头,次级线圈的每半边同样只在一半的时间导通,变压器利用率低。其输出的脉动直流电压平均值提高为半波整流的2倍。

图8.1.3　半波整流电路及工作原理

图8.1.4　全波整流电路及工作原理

根据图8.1.4可知,忽略二极管的导通压降,全波整流输出电压的平均值 和输出电流平均值为 :

电路中整流二极管流过的平均电流ID 和最大反向压降VRM分别为:

以上各式中V2为变压器次级二分之一的输出电压有效值。

从VRM可以看出,全波整流中整流二极管的最大反向电压是半波整流的2倍,因此全波整流对二极管的选用有更高的要求。

③桥式整流

桥式整流电路和工作原理如图8.1.5所示。电路中4个整流二极管在信号的正负半周轮流两两导通,在负载上也得到全波整流的脉动直流信号,因此桥式整流也被称为桥式全波整流,其电压平均值同样为半波整流的2倍,并且整流过程中变压器次级始终导通,变压器利用率得到提高。

图8.1.5　桥式整流电路及工作原理

根据图8.1.5可知,忽略二极管的导通压降,桥式整流输出电压的平均值 和输出电流平均值为 :

电路中整流二极管流过的平均电流和最大反向压降VRM分别为:

(www.xing528.com)

以上各式中V2为变压器输出电压有效值。

对比以上3种整流方式,可以看到桥式整流以使用较多(4个)整流二极管的代价,换来了整流输出脉动小平均值高、变压器利用率高和整流二极管承受反向压降较小的优势,因而被广泛采用。桥式整流需要4个整流二极管,实际应用中常使用的整流桥块,整流桥块是把4个二极管封装在一起,从而简化了电路连接。图8.1.6是几种不同外封装的整流桥。

图8.1.6　不同外封装的整流桥

(3)滤波电路

为了使整流输出的电压进一步减小脉动接近直流,在整流电路之后通常接滤波电路。滤波电路常见的形式有单电容滤波、LC滤波和∏型滤波等。

①单电容滤波

整流输出后接一个电容C即形成一个单电源滤波电路。整流电路输出电流为电容C充电,然后C通过RL放电,当τ=RL C比较大时,放电过程电容上的电压下降不明显,因而在负载上可以得到较小脉动的直流电压和电流。电路和相关波形示意如图8.1.7所示。

图8.1.7　整流和单电源滤波电路

另外,由于滤波电路存在对大电容进行充电的过程,因而整流二极管提供较大的输出电流,尤其在滤波电容很大的情况下,整流二极管将经受大电流的冲击。因此必要时可考虑在直流电路中串接保护电阻。

②LC滤波和π型滤波

图8.1.8给出了LC和π型滤波电路,两种电路结构简单,LC滤波电路适用于大电流且要求电压脉动较小的场合;而π型滤波输出电压更加平滑,应用广泛。

图8.1.8　LC和π型滤波电路

(4)稳压电路

稳压电路常用的电路形式有二极管简单稳压电路、晶体管串联型稳压电路和集成稳压电路。

①二极管简单稳压电路

二极管简单稳压电路如图8.1.9所示,它利用稳压二极管的稳压特性,电路简单。但该电路带负载能力差,一般只用在负载电流小的基准电压电路中提供稳定的基准电压,不能作为电源使用。

②晶体管串联稳压电路

图8.1.10在二极管简单稳压电路的基础上,增加一个射极输出器,负载上的电压为稳压二极管的稳压值和晶体管发射结电压之差,负载电流Io的变化量是稳压管工作电流变化量的(1+β)倍,电路的带载能力提高,但稳压输出电压不可调。在图8.1.10电路的基础上,增加一个晶体管放大环节,可构成输出电压可调的串联稳压电路,具体电路见图8.1.11。该电路的稳压原理如下:

图8.1.9　二极管简单稳压电路

图8.1.10　晶体管稳压电路

Vod↑→Vo↑→n Vo↑→VT2基极电压↑→VT2集电极电压↓→VT1发射极电压↓→VO↓

如果负载电流增加导致VO下降,则通过同样的负反馈回路,将使VO回升,从而稳定输出电压。

图8.1.11　晶体管串联稳压电路

图8.1.11中稳压二极管VD和电阻R3组成一个简单稳压电路,为晶体管VT2发射极提供基准电压VZ(稳压二极管VD的稳压值)。VT2构成比较放大电路,RC为其集电极电阻。R1、R2组成一个取样电路,将输出电压VO的一部分n VO引入到比较放大管VT2基极。其中,调节图中的电位器可以改变n的大小,而输出电压可以近似为:

通过调电位器,可以改变输出电压的大小。

③集成稳压器

集成稳压芯片性能稳定使用简单而获得广泛应用,常见的集成稳压器有输出电压固定的78××系列和79××系列,输出电压可调的317系列和337系列。其中78××和317系列为正电压输出,79××和337系列为负电压输出。集成稳压芯片常见的封装形式如图8.1.12所示。

图8.1.12　集成稳压芯片几种封装

不同系列和型号的芯片引脚功能不尽相同,使用时应查阅相关数据手册获得相关引脚信息。数据手册还给出各种性能参数、典型应用电路等供使用者参考使用。因此在使用集成电路前阅读相关使用手册是非常必要的。

以7805为例,三端固定集成稳压芯片的基本应用如图8.1.13所示,此电路可输出固定的+5 V电压,而最大输出电流为0.4～1.2 A。如果需要在一定范围内提高输出电压或电流,可在图8.1.13基础上进行稳压电路的修改,各集成稳压芯片的数据手册中都给出了相应的典型应用电路。

图8.1.13　三端固定集成稳压芯片7805的基本应用

如果需要在较大范围内改变电源的输出电压,则应使用三端可调集成稳压芯片如317系列,其基本应用如图8.1.14所示。三端可调集成稳压芯片的其他应用电路可以查阅相关数据手册。

图8.1.14　三端可调集成稳压芯片317的基本应用

3.直流稳压电源的技术指标及测试

稳压电源常见的技术指标有:稳压系数、稳压电源内阻、纹波电压与纹波系数、交流内阻、输出功率容量等。

(1)稳压系数S及测量

稳压系数是稳压电路的负载电流一定时,输入Vi的相对变化与相应的输出电压Vo的相对变化之比,定义式为:

稳压系数代表市电变化时,稳压电路输出电压的稳定程度。稳压系数的测试原理如图8.1.15所示。

图8.1.15　稳压系数S的测量原理图

具体测试方法如下:

首先,调稳压电源输出,将输出电压调到一定的值,对于输出可调的稳压电源,通常取其输出电压的最大值、中间值和较小值,或者某一规定值。

然后,接入适当的负载RL,使负载电流IL达到测试规定值。分别用万用表交流电压挡和直流电压挡测量对应的调压器输出Vs和稳压输出Vo。

根据图示可以看出Vi∝Vs,有:

所以,调节调压器使Vs产生变化ΔVs,测量对应的ΔVo,即可根据公式计算S的值。因为ΔVo的数值较小,应注意采用高精度数字直流电压表进行测量。

(2)稳压电源内阻RO及测量

稳压电源内阻即输出电阻,它代表了负载电流变化时,稳压电源输出电压的稳定程度。电源内阻值等于由于负载变化引起的输出电压变化量和对应的电流变化量之比,即:

根据定义,测量输出电阻RO应在输入电压不变的条件下,改变负载电阻(可采用负载开路和接入两种情况)测量对应的输出电压和负载电流,然后根据公式计算RO。具体测量原理如图8.1.16所示。

图8.1.16　输出电阻测量原理图

在测量中同样要注意使用高精度数字万用表测量电压的变化量,而电流值可以直接用直流电流表测量,也可以利用欧姆定律计算。

(3)纹波电压Vrip与纹波系数γ及测量

纹波电压是指稳压电路直流输出电压上所叠加的交流成分。半波整流的稳压电路,其纹波电压频率为50 Hz,而全波整流的稳压输出其纹波电压频率为100 Hz。当稳压电路负载电流较大时其纹波电压也较大。

纹波系数γ定义为负载上电压的交流分量总有效值与直流分量之比:

进行纹波电压的测量时,应保持220 V 50 Hz的输入电压不变,负载电流为允许最大值时,用示波器观察稳压电路的输出,直接读取纹波电压的幅值。用毫伏表接稳压电路的输出端,可以测量纹波电压的有效值。但应注意的是,一般纹波电压不是正弦波,毫伏表的读数应进行变换才是纹波电压的有效值。如果纹波电压为锯齿波,应将毫伏表读数乘以变换因数1.04。

4.小电流直流稳压电源的设计

小电流直流稳压电源的设计指标和条件一般包括:输出电压Vo、最大输出电流Io、输出电阻RO、稳压系数S以及交流供电情况等。根据这些指标和条件,可以按照如下思路进行设计:

(1)确定电路形式

①对比几种类型的稳压电路类型,选择合适的稳压电路。一般小电流直流稳压电源选择三端集成稳压芯片比较方便。

②根据电流的要求,选择滤波电路的形式。如果电流较小,采用简单的电容滤波即可。③整流电路选择桥式全波整流,可以提高变压器输出的利用,也可以简化变压器。

(2)电路参数计算

①由电路的输出电压Vo推出整流滤波电路输出电压Vo1

图8.1.17　直流稳压电源电路

集成稳压芯片在使用时要求输入电压Vi必须在一定的范围内大于其稳压输出Vo,综合各方面的因素一般取高于Vo 3～6 V。参考图8.1.17电路,整流滤波电路输出电压Vo1的范围为:

②确定整流滤波电路输出电流Io1

整流滤波电路的输出电流Io1即是稳压电路的输入电流,因此Io1应该不小于稳压电路输出的最大电流Io和集成电路总偏置电流IQ的和,即:

一般取IQ为10 m A左右。

③确定变压器次级输出交流电压有效值V2、整流二极管的电流ID和反向电压VDmax

根据经验,桥式整流电容滤波电路的输出电压Vo1可达变压器次级交流电压有效值的1.2倍,即有

所以,每个整流二极管承受的最大反向电压:

而桥式整流电路中每个整流二极管只在一半的时间导通,所以每个二极管流过的电流ID是整流滤波电流的一半。

(3)选择器件

电路中各个部分的电流和电压参数确定后,即可根据参数要求选择具体元器件。

①选择集成稳压芯片

根据稳压输出Vo和最大输出电流Io的具体要求选择集成稳压芯片,比如要求Vo为+15 V、+12 V或+5 V时,可选择7815、7812或7805;如果为-15 V、-12 V或-5 V,则可选择7915、7912或7905;如果Vo为正电压并在一定的范围可调,可以选择317;如果Vo为负且可调,则可以考虑选用337。

在输出电流较大的情况下,考虑在稳压芯片上使用散热片加以保护。

②选择滤波电容

为了使滤波输出纹波尽量小,滤波电容C的容值应满足以下关系:

其中,,T为交流供电V1的周期。

滤波电容的耐压值应大于。

③选择整流二极管或整流桥块

根据VDmax和ID选择适当的二极管或整流桥。

④选择变压器

变压器的次级输出电压和输出电流应分别大于V2和Io1一定的值。