集成直流穩(wěn)壓穩(wěn)壓電源設計默認分類 2009-06-24 11:22:50 閱讀791 評論1 字號：大中小 訂閱
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1.IF— 最大平均整流電流。 指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流。該電流由PN結的結面積和散熱條件決定。使用時應注意通過二極管的平均電流不能大于此值，并要滿足散熱條件。例如1N4000系列二極管的IF為1A。 2.VR— 最大反向工作電壓。 指二極管兩端允許施加的最大反向電壓。若大于此值，則反向電流(IR)劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，從而引起反向擊穿。通常取反向擊?a href="http://www./">電壓(VB)的一半作為(VR)。例如1N4001的VR為50V，1N4007的VR為1OOOV 3.IR— 反向電流。 指二極管未擊穿時反向電流值。溫度對IR的影響很大。例如1N4000系列二極管在100°C條件IR應小于500uA;在25°C時IR應小于5uA。 4.VR— 擊穿電壓。 指二極管反向伏安特性曲線急劇彎曲點的電壓值。反向為軟特性時，則指給定反向漏電流條件下的電壓值。
(3)·濾波電路的設計（李胄敉） 整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是含有較大的交流成分，不能適應大多數(shù)電子電路及設備的需要。因此，一般在整流后，還利用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸Ｗ罨镜臑V波元件是電感、電容。其濾波原理是：利用這些電抗元件在整流二極管導通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的作用,使輸出電壓變得比較平滑;或從另一角度來看,電容、電感對交、直流成分反映出來的阻抗不同,把它們合理地安排在電路中,即可達到降低交流成分而保留直流成分的目的,體現(xiàn)出濾波作用。與信號濾波電路相比，直流電源濾波電路的特點是：其為無源電路;理想情況下，濾去所有的交流成分，而只保留直流成分；能輸出較大電流。因為整流管工作在非線性狀態(tài)（即導通或截止故而濾波特性的分析方法也不盡相同。
ⅰ、電容濾波電路
圖表 2單相橋式半波整流電容濾波電路 電容C并聯(lián)于負載 RL的兩端,uL＝uC。在沒有并入電容C之前,整流二極管在u2的正半周導通,負半周截止,輸出電壓uL的波形如圖中紅線所示。并入電容之后,設在 ωt=0時接通電源,則當u2由零逐漸增大時,二極管D導通,除有一電流iL流向負載以外還有一電流iC向電容C充電,充電電壓uC的極性為上正下負。如忽略二極管的內(nèi)阻,則uC 可充到接近u2的峰值u2m。在u2 達到最大值以后開始下降,此時電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當u2＜uc時,D因反偏而截止,于是C以一定的時間常數(shù)通過RL 按指數(shù)規(guī)律放電,uc下降。直到下一個正半周,當u2 ＞uc時,D又導通。如此下去,使輸出電壓的波形如圖中藍線所示。顯然比未并電容C前平滑多了。負載RL未接入（開關S斷開），設電容C兩端的初始電壓為0，接入交流電源后，當U2正半周時，U2通過D1﹑D2向電容器C充電；U2為負半周時，經(jīng)D2﹑D4向電容器C充電，充電時間常數(shù)為 Te=Rint 式中Rint包括變壓器二次繞組的直流電阻和二極管D的正向電阻，由于Rint一般很小，電容器很快就充電到交流電壓U2的最大值√2U2，由于帶你容器C無放電回路，故輸出電壓（即電容器C兩端的電壓Uc）保持在√2U2，輸出為一個恒定的直流電壓。 接入負載RL（開關S合上），設變壓器二次電壓U2從0開始上升（即正半周開始）時接入負載RL，由于電容器在負載未接入前充了電，故剛接入負載時U2<Uc，二極管受反向電壓作用而截止，帶你容器C經(jīng)RL放電，放電的時間常數(shù)為Td=RLC，因Td一般較大，故電容兩端的電壓Uc按指數(shù)規(guī)律慢慢下降，其輸出電壓UL=Uc,如圖的ab段所示，與此同時，交流電壓U2按正弦規(guī)律上升U2>Uc時二極管D1﹑D3受正向電壓作用而導通，此時U2經(jīng)二極管D1﹑D3一方面向負載RL提供電流，另一方面向電容器C充電，Uc升高將如圖中的bc段，圖中bc段上的陰影部分為電路中的電流在整流電路內(nèi)阻Rint上產(chǎn)生的壓降。Uc隨著交流電壓U2升高到最大值√2U2的附近。然后，U2又按正弦規(guī)律下降。當U2<Uc時，二極管受反向電壓作用而截止，電容器C又經(jīng)RL放電，Uc下降,Uc波形如圖中的cd段。電容器C如此周而復始地進行充放電，負載上便得到如圖所示的一個近似鋸齒波的電壓UL=Uc，使負載電壓的波動大為減小。電路的電壓﹑電流和紋波電壓Ur波形如圖所示。 全波或橋式整流電容濾波的原理與半波整波電容濾波基本相同,濾波波形如圖Z0711 所示。從以上分析可以看出： 1. 加了電容濾波之后,輸出電壓的直流成分提高了,而脈動成分降低了。這都是由于電容的儲能作用造成的。電容在二極管導通時充電（儲能）,截止時放電（將能量釋放給負載）,不但使輸出電壓的平均值增大,而且使其變得比較平滑了。 2．電容的放電時間常數(shù)（τ＝RLC）愈大,放電愈慢,輸出電壓愈高,脈動成分也愈少,即濾波效果愈好。故一般C取值較大,RL也要求較大。實際中常按下式來選取C的值： RLC≥（3～5＞T（半波） GS0714 RLC≥（3～5）T／2（全波、橋式） GS0715 3．電容濾波電路中整流二極管的導電時間縮短了,即導通角小于180°。而且,放電時間常數(shù)越大,導通角越小。因此,整流二極管流過的是一個很大的沖擊電流,對管子的壽命不利,選擇二極管時,必須留有較大余量。 （4）、穩(wěn)壓電路的設計（劉偉） 雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換成較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當電網(wǎng)電壓波動時，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應的波動；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當負載變化時，內(nèi)阻上的電壓將產(chǎn)生變化，于是輸出電壓平均值也將隨之產(chǎn)生相反的變化。如負載電阻減小，則負載電流增大，內(nèi)阻上的電流也就隨之增大，其電壓降必然增大，輸出電壓平均值必將心相應減小。因此，整流濾波電路輸出電壓回隨著電網(wǎng)電壓的波動而波動，歲著負載電阻的變化而變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。 而我們對一個穩(wěn)壓電路的好壞的判斷的依據(jù)是考察其的穩(wěn)壓特性：即對任何穩(wěn)壓電路，⒈設電網(wǎng)電壓波動，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定；⒉設負載變化，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定。 下面對硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路進行說明，其電路如圖： Ⅰ、當輸入電壓變化時如何穩(wěn)壓 輸入電壓VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下： VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO 這里VO減小應理解為，由于輸入電壓VI的增加，在穩(wěn)壓二極管的調(diào)節(jié)下，使VO的增加沒有那么大而已。VO還是要增加一點的，這是一個有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 Ⅱ、當負載電流變化時如何穩(wěn)壓 負載電流IO的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓=VO增加。這一穩(wěn)壓過程可概括如下： IO↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑ 綜上所敘述，在穩(wěn)壓二極管所組成的穩(wěn)壓電路中，利用穩(wěn)壓管所起的電流調(diào)節(jié)作用，通過限流電阻R上電壓或電流的變化進行補償，來達到穩(wěn)壓的目的。限流電阻R是必不可少的元件，它既限制穩(wěn)壓管中的電流使其正常工作，又與穩(wěn)壓管相配合以達到穩(wěn)壓的目的。一般情況下，在電路中如果有穩(wěn)壓管存在，就必然有與之相匹配餓限流電阻。 3.3. 集成直流穩(wěn)壓穩(wěn)壓電源電路的設定（楊文武、李雙華、李胄敉、劉偉） 課題是設計一個滿足以下要求的直流穩(wěn)壓電源： ⑴已知條件: 集成穩(wěn)壓器CW7812、CW7912及CW317，其性能參數(shù)請查閱集成穩(wěn)壓器手冊。 ⑵性能指標要求 : ⅰ、輸出電壓VO=（-12V~+12V） ⅱ、IOMAX=100MA 2.3.1、各電路的設定 ㈠、電源變壓器《楊文武》 電源變壓器電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓U1變換成整流濾波電路所需的交流電壓U2。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/P1=n 式中，n為變壓器的效率。 通過比較選擇副邊功率為10～30VA，效率為0.7的變壓器 性能指標要求得令副邊電壓為＋16V，副邊電流I2≥100mA則令其為0.5A所以副邊功率P2≥8W,又n=0.7,所以原邊功率要大于11.4W. 性能指標要求得令副邊電壓為＋16V，復變電流I2≥300mA,則令其為0.5A，所以復變功率P2≥8W,又n=0.7,所以元變功率要大于11.4W. 由公式可得輸入電壓Ui的范圍為 Uomax+(Ui-Uo)min≤Ui≤Uomin+(Ui-Uo)max 9V+3V≤Ui≤3V+40V 12V≤Ui≤43V 副邊電壓U2≥Uimin/1.1=12/1.1V,取U2=11V，副邊電流I2﹥Iomax=0.8A，取I2=1A，則變壓器副邊輸出功率P2≥I2U2=11w。 由變壓器的效率為0.7，則原邊輸入功率P1≥P2/n=15.7w。 綜合以上三擋的要求選擇功率為20W的電源變壓器。 調(diào)試：
㈡、橋式二極管整流電路 整流濾波電路由四個相同型號的二極管組成的單向橋式整流電路，將交流電壓U2變成脈動的直流電壓，再經(jīng)濾波電容C濾除紋波，輸出直流電壓Ui。Ui與交流電壓U2的有效值的關系為 Ui=(1.1～1.2)U2 每只整流二極管承受的最大反向電壓 URM=√2U2 通過每只二極管的平均電流 ID=IR/2=0.45U2/R 選擇1N4001型的二極管 整流二極管D是1N4001型的，其極限參數(shù)為URM≥50V,IF=1A滿足URM>1.4U2，IF=Iomax的條件。（李雙華） ㈢、電容濾波電路的 濾波電容C可由紋波電壓△Uip-p和穩(wěn)壓系數(shù)SV來確定。 由一擋的指標要求得△Ui=△Uop-pUi/UoSv=1.3V 得濾波電容C=Ict/△Ui=Iomaxt/△Ui=750微法。選擇1000微法的電容即可。 由二擋的指標要求得△Ui=△Uop-pUi/UoSv=3.2V 得濾波電容C=Ict/△Ui=Iomaxt/△Ui=937.5微法。選擇1000微法的電容即可。 由三擋的指標要求得 已知，UO=9V，Ui=12V,△Vop-p=5mV,SV=3×10-3,則由式得穩(wěn)壓器的輸入電壓的變化量 △Ui=△Uop-pUi/UoSv=2.2V 由式得濾波電容C=Ict/△Ui=Iomaxt/△Ui=1125微法 電容C的耐壓應大于√2U2=15.4V。故取1只2200微法/25V的電容即可。 綜上可得選擇1只2200微法/25V的電容即可。（李胄敉） ㈣、集成穩(wěn)壓器 選擇的可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW317的特性參數(shù)為U0=+1.2V～+37V,Iomax=1.5A，最小輸入輸出壓差（Ui-UO）min=3V,最大輸入輸出壓差（Ui-UO）max=40V由式UO=1.25(1+RP1/R1)，取R1=240歐姆，UO=+3V～+9V,則RP1min=336歐姆，RP1max=1490歐姆，故取RP1為4700歐姆的精密線繞可調(diào)電位器 選擇的CW7812固定式三端穩(wěn)壓器的特性參數(shù)為：輸入電壓Ui=19V，輸出電壓范圍為UO=11.4～12.6V，最小輸入電壓Uimin=14V，電壓調(diào)整率為+3mV，最大輸出電流為1A。 選擇的CW7912固定式三端穩(wěn)壓器的特性參數(shù)為：輸入電壓Ui=－19V,輸出電壓范圍UO=－11.4～－12.6V，最小輸入電壓為－14V，電壓調(diào)整率為＋3mV，最大輸出電流為1A 調(diào)整管T1與負載電阻RL相串聯(lián)，組成串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。T2與穩(wěn)壓管DZ組成采樣比較放大電路，當穩(wěn)壓器的輸出負載變化時，輸出電壓U0應保持不變，穩(wěn)壓過程如下。 設輸出負載電阻RL變化，使U0↑，則 UB2↑-UC2↓-IB1↓-UCE1↑-U0↓ 選擇CW317三端可調(diào)式穩(wěn)壓器。 一擋的濾波電壓接在一個運放和CW7812的輸入端，運放的輸出接CW7912的輸入端，運放的作用是為了獲得反向的電壓，CW7812輸出＋12V的電壓，而CW7912輸出的是－12V的電壓，從而達到對稱輸出的目的。 二擋的濾波電壓接在CW7812的輸入端，其公共端接一個運放，通過適當選取R1和Rf的值將公共端的電壓成為一個定值，從而使穩(wěn)壓器的輸出與公共端的電壓之差為5V輸出，從而達到目的。 三擋的濾波電壓接在CW317的輸入端，公共端接一個滑線變阻器，通過改變滑線變阻器的阻值來調(diào)節(jié)輸出電壓值，從而達到所要求的性能指標。1、集成穩(wěn)壓器：由輸出電壓±15V的設計要求，本方案的穩(wěn)壓電路采用兩個三端固定穩(wěn)壓器W7812和W7912構成集成穩(wěn)壓器。W7800和W7900系列三端式集成穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的，在使用中不能進行調(diào)整。使用注意，為使調(diào)整管工作在放大區(qū)，應使 |UI| – |UO| ³ 2V，但考慮調(diào)整管功耗，也不宜過大。地端靜態(tài)電流 IQ= 8 mA 。 CW7800系列三端式穩(wěn)壓器輸出正極性電壓，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V 、24V 七個檔次，輸出電流最大可達1.5A（加散熱片）。若要求負極性輸出電壓，則可選用W79xx 系列穩(wěn)壓器。圖2為 W78xx與w79xx系列的外形和接線圖，有三個引出端： 輸入端（不穩(wěn)定電壓輸入端） 標以 “1” 輸出端（穩(wěn)定電壓輸出端） 標以 “3” 公共端 標以 “2”
CW7812的主要參數(shù)有：輸出直流電壓 U0＝＋12V，最大輸出電流 1A，電壓調(diào)整率 10mV/V，輸出電阻 R0＝0.15Ω，輸入電壓UI的范圍18～20V 。因為一般UI要比 U0大3～5V ，才能保證集成穩(wěn)壓器工作在線性區(qū)。圖3為W7815和W7912組成的正、負雙電壓輸出電路，輸出為±12V。 表格 3正、負雙電壓輸出 由式|UI| – |UO|≥2V，于是取 U1a=18V (1-1) 于是有電源變壓器的副邊上半電壓為： U2a=U1a/1.2=18/1.2=15V (1-2) 7812地端靜態(tài)電流 IQ= 8 mA，7815最大輸出電流1.5A，整流濾波的輸出電流為: I1=1.508A （1-3） 于是整流濾波電路的輸出電阻為： RL1=U1a/I1=18/1.508=12（歐） （1-4） 電路圖中兩0.33uF電容用于抵消輸入長接線的電感效應，防止自激，其容量較小，一般取小于1uF。兩0.1uF電容用于改善負載的瞬態(tài)響應，消除高頻噪聲，可取小于1uF。當負電源輸入斷開時，三端穩(wěn)壓器輸出將承受對地反壓。加保護管后，D6 正偏導通，限制反壓為 0.7 V。同理，D5保護正電源。2、輸出電流擴展及保護電路：由于輸出電流要2A，但W7815，W7915的最大輸出電流得1.5A，所以需要加個輸出電流擴展和保護電路。 T1與三端器件內(nèi)部調(diào)整管并聯(lián)，擴大輸出電流，T1選用三極管3AD30。負載較輕時T1截止；當負載電流↑,IR*R↑，T1導通分流。T2、Rs構成短路保護， T2在正常時截止，過流時導通，T2選用三極管3AX62。導通后Ube2↓，使Ube1↓，Ic1↓，起到限流的作用。由于R中流過W7800的空載電流和部分負載電流，故其阻值不宜增大，一般約幾歐姆，這里取R=3歐姆。其中，3AD30，鍺PNP大功率管，50V 4A 20W ，可以用3AD18 3AD50 3AD53等老國產(chǎn)管替。3AX62，鍺PNP三極管，icm-500mA/50v/0.5MHz/hfe50。 Rs=Ube2/Ic1=Ube2/(Io-Ioxx)=0.3/(2-1.5)=0.6歐 （劉偉） 由上面的設計可以得出總電路圖（李雙華、李胄敉、劉偉、楊文武） (1) 輸出電壓電流測試 輸入電壓由-12V至+12V變化,負載接3.6KΩ/10W電阻,測得輸出電壓為+100.11V,輸出電流為:30.7mA. (2) 電壓調(diào)整率的測試 空載,輸入電壓由-12V至+12V變化,測得最大電壓變化為:0.1V. (3) 負載調(diào)整率的測試 輸入電壓+12V,空載,測得輸出電壓 +100.1V;10KΩ/5W電阻,測得輸出電壓為: +100.0V. (4) 紋波電壓測試 輸入電壓 +9V,接3.6KΩ/10W的電阻,示波置于交流AC/250mV擋,測得紋波電壓.Vpp≈80mV. (5) 效率的測試 輸入電流為:5A,輸入電壓為:11.8V時,測得輸出電壓為100.08V(3.6KΩ的電阻,電流為:27.8mA),計算可得出:η=64.3%. 通過本次設計,讓我們更進一步的了解到直流穩(wěn)壓電源的工作原理以及它的要求和性能指標.也讓我們認識到在此次設計電路中所存在的問題;而通過不斷的努力去解決這些問題.在解決設計問題的同時自己也在其中有所收獲.我們這次設計的這個直流穩(wěn)壓電源電路; 了電路中的穩(wěn)流部分,至于電路的最后一部分(DC-DC變換部分)我們是采用兩片升壓開關調(diào)節(jié)器(MAX770)來實現(xiàn)了電路中的DC-DC變換部分.本次設計在電壓調(diào)整器的電路中,采用了適當?shù)穆?lián)接方法,可以實現(xiàn)電壓”零”伏起調(diào);測試方法與過程也比較充分,同時也實現(xiàn)了電壓的可調(diào).同時我們四個人在設計此電路的時候也付出了不少,我們幾個分工完成了此電路,雖然電路不是很完善,我們已經(jīng)盡力的去把它給做好了;由于時間的關系此電路只有硬件,軟件沒有時間來完成. |
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