直流稳压电源实验报告

直流稳压电源的设计实验报告电子系统设计专题实验一信息24班赵恒伟21205020991/13一、电源稳定问题的提出:各种用电设备对供电质量都有一定要求，这些要求包括供电电源为交流还是直流、电压额定值及其变化范围、最大功率等。这里研究对象是输出为直流的稳压电源。该作用由下图说明：Ui（不稳定）Uo（稳定）R当出入电压Ui变化或负载R变化时，稳压电源的输出都应保持稳定。对于大多数功率较小的直流电源大多数都是将50Hz的交流电经过整流、滤波和稳压后获得。整流电路用来将交流电变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定.在本设计中,可以实现将220v的交流电压经过整流，滤波，稳压最终可实现输出电压+5V的直流稳压电源。本设计的主要内容是围绕着如何设计和实现各个部分而展开的。二、实验原理框图概述通过我们模拟电子技术理论课的学习我们知道，单相交流电要经过电源变压器、整流电路、滤波电路还有稳压电路才能转换成稳定输出的直流电压。它的总体功能方框图和各个电路部分输出电压的波形如下1图和图2所示：50Hzu1u2u3u4u0u1u2u3u4u00t0t0t0t0t（a）(b)(c)(d)(e)（图2，各个电路部分输出电压波形）电源变压器整流电路滤波电路稳压电路～220V直流电压(图1，直流稳压电源总体功能框图）2/13其中，（a）为输入的220V电压波形；（b）为电压器降压后的波形；（c）整流后的电压波形；（d）滤波后的电压波形；（e）最后输出的直流稳压电源波形。我们知道，直流电源的输入为220v的市电，因而需要电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压经过整流电路从交流电压转换为直流电压，为较小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，是输出电压平滑。最后通过稳压电路，使输出直流电压基本不受电网电压波动的影响，不受负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。如果设计正确的话，它的波形应该如上图所示。三、直流稳压电源各部分组成及原理分析1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3/13有效值电流：002022257.122sin21IIItdtIImm二极管电流：2IID00IID反相电压：22UUDRM分析：这种除去半周、图下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整说是以牺牲一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低（计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压Usc=0.45U2）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。流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S，S越小越好。4/13整流电路性能的简单对比性能指标)(AVOU)(AVOIS)(AVDI2maxRU半波整流245.0ULRU245.057.1LRU245.022U桥式整流29.0ULRU29.00.67222U方案选定：鉴于以上分析对比，本设计采用方案二。2滤波电路方案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压，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。LRU245.05/13方案三：电容滤波电路当u2为正半周并且数值大于电容两端电压uc时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。当ucu2，导致D1和D3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，uC按指数规律缓慢下降。当u2为负半周幅值变化到恰好大于uc时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，uc上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL放电，uC按指数规律下降；放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。电容充电时间常数为CRD，因为二极管的DR很小，所以充电时间常数小，充电速度快；’为放电时间常数，因为RL较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因此，滤波效果取决于放电时间常数。电容C愈大，负载电阻RL愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如右上图所示.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。6/133稳压电路方案一：稳压二极管稳压电源利用稳压二极管的反向击穿特性。由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。由电路图：RIVVVVVRIRIZO==输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。方案二：线性集成稳压电路：三端固定集成稳压器在使用时，首先要根据输出电压的正、负选择7800系列或7900系列。7800系列是正稳压器，7900系列是负稳压器，它们的输出电压分别是+5V～+24V和-5V～-24V。输出电流有0.1A、0.5A和1.5A。以W7800三端稳压器为例：W7800为固定式稳压电路，其输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等档级。最后两位数表示输出电压值。三端集成稳压器的输出电流有大、中、小之分，并分别有不同符号表示。输出为小电流，代号“L”。例如，78L××，最大输出电流为0.1A。输出为中电流，代号“M”。例如，78M××，最大输出电流为0.5A。输出为大电流，代号“S”。例如，78S××，最大输出电流为2A。在根据稳定电压值选择稳压器的型号时，要求经整流滤波后的电压要高于三端集成稳压器的输出电压2～3V（输出负电压时要低2～3V），但不宜过大。固定输出三端集成稳压器的外形固定输出三端集成稳压器基本应用电路三端集成稳压器内部构造：7/13典型应用电路：1端:输入端2端:公共端3端:输出端8/13C1小滤波电容，也可抵消输入长接线的电感效应，防止自激。C3输出滤波电容。应满足：UI–Uo2.5~3V方案三：开关型稳压电路功耗小，效率高，稳压范围宽，目前使用较普遍，但它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。这里不选用。综上选择方案二线性集成稳压电路，并选择具有输出+5V、最大电流1.5A的LM7805。四、电路绘制、参数计算、原件选择根据以上分析绘制整理电路图：参数计算选择：目标：输出+5V，600mA的直流电源，功率P=3W电压的计算：Uo=5V，集成稳压器两端电压差：3V~2.5U-UUoinD5，故选择，V3UD5集成稳压器输入电压：，8V5VV3UUU0D5in考虑到电网波动10%，期间影响10%等最坏情况下：V87.99.09.0V8%10%10UUininmax由于2inmaxu）4.11.1（U，故变压器输出电压：V22.82.1V87.9u2T1220/??D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1??UF/??VC4??UF/??VC20.1UFC30.1UFR1??12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM78059/13整流二极管承受最大电压：V36.11u2U2DRM电流的计算：AIIADF)96.057.0(57.1）5.19．0＝（５）Ｉ＝（３ＩＡ3.＝０Ｉ２１＝ＩＡ6.＝０＝ＩＩＤＯＤ　ｉｎＤ００ｉｎ输入滤波电容的计算：FCIURssTTRCFinF)62503125(16)32.1728.10()1.005.0(01.0,)105(11稳压管前后小滤波电容C1、C2：主要目的是滤除高频干扰，电解电容的高频特性较差，小容量的无极性电容高频特性好，起到互补作用。也有利于改善动态特性。（0.01μF~0.33μF）F1.0C2C1输出滤波电容：参考输出电流取值100mA500mA1A1.5A3A5A47μF100μF220μF470μF1000μF2200μF因为输出600mA，故F100C4泄放电阻：给稳压器的漏电流提供泻放回路，防止空载电压高于正常输出电压。soIUR，Is一般在微安数量级。所以，R=500K根据实验室原件实际情况列出电子器件清单：元器件标号元器件名称型号参数数量T1变压器自制1D1D2D3D4整流二极管1N40074C1电解电容3300uF1C2C3独石电容0.1uF2C4电解电容100uF110/13U1集成三端稳压器LM78051R1电阻500K1负载滑动变阻器100欧姆万用表2单相调压器0-250V1五、实验过程1.在面包板上搭建电路2.将单相调压器至220V，滑动变阻器调至9欧姆，如图接入万用表，测量输出电阻：U=4.921V，I=0.604A=604mA输出电阻：15.8604.0921.4RIURoo3.测量该稳压电路稳压系数：模拟电网电压（V）负载（欧姆）输出电压（V）输出电流（A）1988.54.9180.5972428.54.9200.600稳压系数：00IIOOO//TIVVVV,带入可得：310032.24.利用示波器测量11/13输出纹波电压：示波器交流耦合下的纹波电压大约17-28mV。六、实验电路输出技术指标分析1.根据实验结果，输出电压输出电流不能同时满足设计指标：当输出5V时，负载需调整为80欧姆，输出电流0.062A；当输出0.604A时，负载需调整为9欧姆，输出电压4.921V综合电压和电流要求，要求负载为小电阻。2.稳压系数310032.2，非常小，说明稳压电路工作环境发生改变时，输出电压受到的影响较小，仍能正常工作。3.纹波电压：是稳压直流输出呈现交流成分的分量，在该试验中，输出纹波与噪声没有明确区分。4.纹波电压大约17-28mV。在输出电压的0.34%-0.056%范围内，最大不超过1%，认为纹波很小。总的评价，该直流稳压电源性能较好，电路简单，成本低。七、实验拓展与创新1.输出正负可调集成稳压直流电源：12/13八、实验体会与总结通过这一次的学习与实践，熟悉了常用元器件；掌握了通过理论计算选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器的方法来设计直流稳压电源，掌握了对直流稳压电源简单调试与主要技术指标的测试。实验设计时，小组成员担心难以完成多种功能电路复杂的稳压电源，故选择了较为简单实用集成稳压电源进行设计。通过合作计算讨论确定电路结构、原件参数类型。其实完全有能力设计输出可调的稳压电源。该实验的难点，在于参数计算。因为实际参数选择的依据和理论公式并不完全符合。而且选择范围较宽泛，难以确定哪一种选择为最佳。搭面包板、实验测量考察了我们的基本功。本实验虽然简单，却整合了大量电子电路的基本知识，受益匪浅。