直流稳压电源的设计



摘要 :本文主要介绍直流稳压电源的设计。音频放大电路主要以单相桥式整流及三端集成稳压器为主。完成将输入220v,50Hz的市电,输出为稳定的±5V的直流电,。通过软件Proteus完成基本的电路原理图并进行防真和调试,使其满足基本设计要求。在构建好电路的每一个环节后要对±5V简易直流稳压电源进行仿真分析

关键词:桥堆,集成稳压器,直流电源

一﹑本次设计的主要目的

随着科学技术的飞速发展,人类进入高速发达的商品社会,市场里各种电子商品琳琅满目,给生活带来极大的方便。但是不少非常实用的电子制品成果,或者受到多方面因素的制约,或者时机尚未成熟,往往很难转化为商品。然而,如果我们能够亲自动手制作,不仅可以使自己的创意得以实现,还能丰富生活,体味乐趣,更重要的是通过制作,有利于我们掌握电子制作技术的技能,激发创造性。

直流稳压电源是电子系统中的关键部分,其作用是为电子系统提供稳定的电能。

设计要求:

设计出每个功能框图的具体电路图,并根据下列技术参数的要求,计算电路中所用元件的参数值,最后按工程实际确定元件参数的标称值。

容量:5W

            输入电压:交流220V

输出电压:直流±5V

输出电流:1A

二、稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求

  稳压电源的技术指标可以分为两大类:一类是特性指标,如输出电压、输出电滤及电压调节范围;另一类是质量指标,反映一个稳压电源的优劣,包括稳定度、等效内阻(输出电阻)、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能,主要有以下四个万面的要求:

1.稳定性好

  当输入电压Usr(整流、滤波的输出电压)在规定范围内变动时,输出电压Usc的变化应该很小一般要求 简易直流稳压电源的设计
 

  由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度,称为稳定度指标,常用稳压系数S 来表示:

S的大小,反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下,S越小,输出电压的变化越小,电源的稳定度越高。通常S约为。
 

2.输出电阻小

  负载变化时(从空载到满载),输出电压Usc,应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。

输出电阻(又叫等效内阻)用rn 表示,它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。

 

  rn 反映负载变动时,输出电压维持恒定的能力,rn 越小,则Ifz   变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源,输出电阻可小到1欧,甚至0.01欧。

3.电压温度系数小

当环境温度变化时,会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源,应在环境温度变化时,有效地抑制输出电压的漂移,保持输出电压稳定,输出电压的漂移用温度系数KT来表示:    

  

4.输出电压纹波小

  所谓纹波电压,是指输出电压中50赫或100赫的交流分量,通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用,可以使整流滤波后的纹波电压大大降低,降低的倍数反比于稳压系数S 

  串联型稳压电路,用做一种简单的稳压电源,可以满足一般无线电爱好者的需要。但是,这种电源还有许多“天生的”缺陷,要提高对性能的要求,就必须再做一些改进。从以下四个右面对它的性能加以改善,便可做成一台有实用价值的稳压电源了。这就是:增加放大环节,提高稳定性,使输出电压可调;用复合管做调整管,使输出电流增大;增加保护电路,使电源工作安全可靠。

  三﹑ 系统设计

稳定直流源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器,再通过整流网络,然后经过滤波网络最后经过稳压网络。方案1.我们可以采用以桥式整理电路实现整流的目的,以大电容作为滤波电路,然后接负载。但是这样做有以下不足之处,如负载的影响很大,电压不可调以及没有保护电路等一下列问题。我们采用某些芯片,可以解决以上的问题。方案2.以全波整流电路作为整流网络,以极性电容作为滤波网络,采用固定式三端集成稳压电路7805和7905设计制作连续可调的双极型直流稳压电源。如下图所示,220V(幅值311V)50Hz市电经变压器220:25输出两组独立的25V交流,经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7805C与LM7905C作用得到±5V的直流输出。

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成,如图1所示。

 简易直流稳压电源的设计
 

    图1 直流电源系统方框图

电源变压器:将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。

整流电路:利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。

滤波电路:利用储能元件(电感或电容)把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。

稳压电路:利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。

具体电路如下:

简易直流稳压电源的设计
 

    输入电容C1、C2用于抑制纹波电压,输出电容C3、C4用于消振,缓冲冲击性负载,保证电路工作稳定。同时由于输出电容C3、C4的存在,容易发生电容放电而损坏稳压器,RV1和RV2是滑动变阻器,可以调节输出的电压。R1和R2是限流电阻,防止线路电流太大。

    瞬态分析:

 

1.稳压三极管选择:

    主要特点:

LM7805集成稳压三极管输出电流可达1A,输出电压5V,过热保护,过流保护,输出晶体管SOL保护。

VI——输入电压(VO=5~18V)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 35V

RθJC——热阻(结到壳)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5℃/W 

RθJA——热阻(结到空气)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 65℃/W 

TOPR——工作结温范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 0~125℃ 

TSTG——贮存温度范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ -65~150℃

表1    LM7805的主要参数表

电压调整率

电流调整率

工作温度

静态电流

耗散功率

最大输出电流

输出电压

偏差

输出电压

360mV

360mV

0~125

8MA

1.2W

1A

0.692~0.748V

17.3~
18.7V(T(j)↓=25℃)

 

LM7905集成稳压三极管输出电压-5V.

表2  LM7905的主要参数表

电压调整率

电流调整率

工作温度

静态电流

耗散功率

最大输出电流

输出电压

偏差

输出电压

360mV

360mV

0~125

8MA

1.2W

1A

0.692~0.748V

-17.3~
-18.7V(T(j)↓=25℃)

 

2.整流桥堆:

  整流桥堆产品是由四只整流硅芯片作桥式连接,外用绝缘朔料封装而成,大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封,增强散热。整流桥品种多:有扁形、圆形、方形、板凳形(分直插与贴片)等,有GPP与O/J结构之分。最大整流电流从0.5A到100A,最高反向峰值电压从50V到1600V。

  半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起,用两个半桥可组成一个桥式整流电路,一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路, 

  选择整流桥要考虑整流电路和工作电压.优质的厂家有广州国信电子科技有限公司(文斯特电子)的G系列整流桥堆,进口品牌有ST、IR,台系的SEP、GD等。整流桥堆一般用在全波整流电路中,它又分为全桥与半桥。 

  全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的,图是其外形。 

  全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A等多种规格,耐压值(最高反向电压)有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。

3. 变压器的选择:

变压器容量计算公式变压器的功率是决定于负载的,既:
P2=U2II2I+U2III2II+......+U2nI2In(VA),P1=P2/η(VA)
式中:
P2变压器次级功率计算值
P1变压器的初级功率计算值
U2I和U2II......变压器次级各绕组电压(V),其值由负载决定.
I2I和I2II......变压器次级各绕组电流(A),其值由负载决定.
η为效率
变压器容量1KVA以下的变压器容量小,效率较低,变压器容量在100VA以下的,η选小值;变压器容量在100VA到1000VA者选大值.硅钢片质量差的η可选0.7
I1=P1/U1(1.1到1.2)(A)
式中:U1为初级电压(V)
1.1到1.2为考虑到空载激磁电流的经验系数
变压器容量计算出来后就计算硅钢片铁芯的截面积S等参数 

4.电容的选择:

经过整流桥以后的是脉动直流,波动范围很大。后面一般用大小两个电容大电容用来稳定输出,众所周知电容两端电压不能突变,因此可以使输出平滑小电容是用来滤除高频干扰的,使输出电压纯净电容越小,谐振频率越高,可滤除的干扰频率越高大体的原则:

(1)大电容,负载越重,吸收电流的能力越强,这个大电容的容量就要越大;

(2)小电容,凭经验,一般104即可。

表3   电容参数

I0

2A左右

1A左右

0.5~1A

0.1~0.5A

50~100MA

《50MA

电容容量

4000

2000

1000

500

200~500

200

要确定电容的耐压值,耐压值选小了,会因过压而击穿,选大了会增加体积和成本,可按下式确定电容C的耐压值Uc:

 

 

  结  论  

通过这次设计,完成了基本要求的全部设计要求,也完成了大部分发挥部分要求的设计。通过这次设计,使我学到了更多的有关电路方面的知识。本电路简单高效,失真小,输出稳定,达到了设计目的和要求,但在电路的整个设计过程中存在很多问题,在使用电容时更要小心因为电容的串联与并联正好与电阻的相反。如果不多加小心也许会走很多弯路。

致谢:在本次设计,调试以及制板的过程中,受到了老师的悉心指导和许多同学大力帮助,可以这样说没有他们的帮助,我的学年论文是很难完成的,这里对他们致以我最真诚的谢意。同时也对系里为我们做学年论文提供了实验室,试验设备表示同样的感谢。

参考文献

主要参考文献:

(1)<<集成电路音响放大器>> 徐治邦 编著 新时代出版社 1984.1

(2)〈模拟电子技术基础>>  主编:童诗白 华成英  高等教育出版社 

(3)〈〈基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真〉周润景 张丽娜  

北京航空航天大学出版社

(4)〈〈实用电路300例〉〉 武义伟 汪河 编著 电子工业出版社 1983.9

(5)〈〈实用电路手册〉〉 杨宝清 编著  机械工业出版社  1985.6

(6)〈〈高稳定度电源〉〉 倪本来 编著 人民邮电出版社 1982.12

(7)〈〈模拟集成电路设计〉〉 (加)David A.Johns & Ken Martin著 

(曾朝阳 赵阳 方顺 等译) 机械工业出版社2005.11

(8)〈〈新编线性直流稳压电源〉〉王增福 李昶 魏永明 编著 电子工业出版社 2004.11

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