直流稳压电源设计与调试课件

1线性直流稳压电源的设计与调试线性直流稳压电源的设计与调试应用目标：应用目标：应用目标：应用目标：l l模拟（光电信号放大）电路供电电源模拟（光电信号放大）电路供电电源模拟（光电信号放大）电路供电电源模拟（光电信号放大）电路供电电源l lCCDCCD摄像机供电电源摄像机供电电源摄像机供电电源摄像机供电电源技术指标：技术指标：技术指标：技术指标：l l输入电压：输入电压：输入电压：输入电压：AC220VAC220Vl l输出电压：输出电压：输出电压：输出电压：DC12VDC12Vl l输出电流：输出电流：输出电流：输出电流：250mA250mA电路供电系统设计电路供电系统设计2主要内容主要内容n n1 1 直流稳压电源分类简介直流稳压电源分类简介直流稳压电源分类简介直流稳压电源分类简介n n2 2 技术方案获取思路技术方案获取思路技术方案获取思路技术方案获取思路n n3 3 自顶向下设计自顶向下设计自顶向下设计自顶向下设计线性稳压电源线性稳压电源线性稳压电源线性稳压电源n n工作原理，方案设计与参数计算工作原理，方案设计与参数计算工作原理，方案设计与参数计算工作原理，方案设计与参数计算n n4 4 自底向上设计自底向上设计自底向上设计自底向上设计n n5 5 实验内容与测试步骤实验内容与测试步骤实验内容与测试步骤实验内容与测试步骤31 直流稳压电源分类简介直流稳压电源分类简介线性直流稳压电源线性直流稳压电源：集成线性稳压电源价格便宜，纹：集成线性稳压电源价格便宜，纹波小，使用简单，适用于模拟放大电路。波小，使用简单，适用于模拟放大电路。缺点缺点:重量、体积大效率较低，尤其大电流和低电压输重量、体积大效率较低，尤其大电流和低电压输出的情况，目前通常仅适用出的情况，目前通常仅适用1安培以下电流的需要。安培以下电流的需要。开关直流稳压电源开关直流稳压电源：又可分为：又可分为AC/DC和和DC/DC两类，两类，价格便宜，市售广泛，效率高，体积小，重量轻，适价格便宜，市售广泛，效率高，体积小，重量轻，适用于数字电路，安培级或以上的应用。用于数字电路，安培级或以上的应用。缺点缺点:纹波较大，电路结构相对复杂。纹波较大，电路结构相对复杂。直流电源的主要指标：直流电源的主要指标：输出电压、输出电流、脉动系输出电压、输出电流、脉动系数、效率、噪声特性数、效率、噪声特性等。等。典型直流稳压电源典型直流稳压电源开关电源开关电源大功率线性电源大功率线性电源大功率开关电源大功率开关电源线性电源线性电源电源频域、噪声特性电源频域、噪声特性5开关电源开关电源线性电源线性电源back62 技术方案获取思路技术方案获取思路1、从设计任务开始分析、从设计任务开始分析自顶向下设计自顶向下设计l设计过程从输入输出参数开始，通过查找相关参考电路，设计过程从输入输出参数开始，通过查找相关参考电路，通过设计、计算获得各元器件的组成和具体参数值。通过设计、计算获得各元器件的组成和具体参数值。l可能获得多种技术方案，需选择其中相对最优的一种。可能获得多种技术方案，需选择其中相对最优的一种。2、从关键器件开始分析、从关键器件开始分析自底向上设计自底向上设计l通过已知的通过已知的关键器件关键器件及其典型外部电路获得基本电路，及其典型外部电路获得基本电路，通过结合输入输出的参数补充完成完整电路。通过结合输入输出的参数补充完成完整电路。l设计相对简单，方案也相对唯一，但过分依赖设计相对简单，方案也相对唯一，但过分依赖参考设计参考设计。back73 自顶向下设计自顶向下设计3.1 线性直流稳压电源组成线性直流稳压电源组成经经文献检索：文献检索：AC220V-DC12V的线性稳压电的线性稳压电源基本结构组成框图：源基本结构组成框图：83.2 电路原理与电路原理与设计设计设计项目：设计项目：1.整流元件的参数选择；整流元件的参数选择；2.滤波电容的参数选择；滤波电容的参数选择；3.三端稳压块三端稳压块的参数选择；的参数选择；4.电源变压器加工参数；电源变压器加工参数；重点项目：重点项目：确定变压器次级绕组输出电压确定变压器次级绕组输出电压有效值有效值（直接决定了电源的（直接决定了电源的耗耗散功率、温度状况和体积散功率、温度状况和体积大小大小）典型电路原理图典型电路原理图3.3 整流元件整流元件101）整流原理）整流原理n半波整流半波整流原理及参数计算依据原理及参数计算依据n桥式整流桥式整流原理及参数计算依据原理及参数计算依据n二极管整流参数计算二极管整流参数计算l 二极管平均整流电流二极管平均整流电流ID（AV）l 二极管最大反向电压二极管最大反向电压URM112）半波整流原理与参数设计）半波整流原理与参数设计n平均输出电压平均输出电压 U0（AV）n整流管平均整流电流整流管平均整流电流 ID(AV)n整流管最大整流管最大反向峰值电压反向峰值电压URM123）桥式整流原理与参数设计）桥式整流原理与参数设计n平均输出电压平均输出电压 U0（AV）n整流管平均整流电流整流管平均整流电流 ID(AV)n整流管最大反向峰值电压整流管最大反向峰值电压URM133.4 滤波原理滤波原理n途径途径:安装滤波电容安装滤波电容n问题问题:n半波整流半波整流 经过滤波以后二极管的参数选择有什么不同？经过滤波以后二极管的参数选择有什么不同？n桥式整流桥式整流 经过滤波以后输出电压的平均值经过滤波以后输出电压的平均值U0（AV）=？滤波电容滤波电容C参数应如何选择？参数应如何选择？141）半波整流滤波原理）半波整流滤波原理n电容充电使二极管在整个半周内并电容充电使二极管在整个半周内并不不完全导通完全导通，它只在，它只在t3t4内导通；内导通；n最大整流电流（最大整流电流（IF）：若电源在交流：若电源在交流电的正半周任何时刻接通，由于电容电的正半周任何时刻接通，由于电容两端的电压不能发生突变，将有很大两端的电压不能发生突变，将有很大的冲击电流流过，的冲击电流流过，IF一般比额定电流一般比额定电流大大2至至3倍，即：倍，即：n负载开路时负载开路时，电容两端的电压将保持，电容两端的电压将保持在交流电的峰值电压，二极管的反向在交流电的峰值电压，二极管的反向峰值电压峰值电压URM比原来的高出一倍，即：比原来的高出一倍，即：n上述两式同样适合与桥式整流。上述两式同样适合与桥式整流。152）桥式整流滤波原理）桥式整流滤波原理n输出输出直流电压平均值直流电压平均值近似计算：近似计算：n平均电压平均电压U0（AV）：n滤波电容滤波电容C：经验上：经验上：163.5 三端稳压块三端稳压块原理原理n抑制负载电阻变化和电网波动抑制负载电阻变化和电网波动使输使输出电压稳压原理出电压稳压原理:n若调整管处于放大区时，电网电压若调整管处于放大区时，电网电压的波动完全被调整管所吸收。的波动完全被调整管所吸收。n三端稳压集成块输出稳定电压的必三端稳压集成块输出稳定电压的必要条件要条件:n输入端与输出端的电压差必须大输入端与输出端的电压差必须大于调整管的饱和压降于调整管的饱和压降，即变压器，即变压器的输出功率必须有一部分的输出功率必须有一部分被消耗被消耗在调整管上。在调整管上。Uo V-V0 Ue UoUo U-V0 Ue Uo172）调整管输出特性）调整管输出特性在饱和压降范围以内调在饱和压降范围以内调整管工作在线性区，无法整管工作在线性区，无法稳定输出稳定输出;一般器件饱和压降一般器件饱和压降Vces至少至少2.5V；低压降型饱和压降可小低压降型饱和压降可小于于0.3V。在实验中将测试调整管分别工作在放大区和饱和在实验中将测试调整管分别工作在放大区和饱和区时的输出电压特征。区时的输出电压特征。183）集成线性稳压器）集成线性稳压器三端稳压器种类：三端稳压器种类：正输出固定电压：正输出固定电压：78XX负输出固定电压：负输出固定电压：79XXXX：05、06、08、09、10、12、15、18、24按电流大小表示：按电流大小表示：78H12 对应电流为对应电流为5A 7812 对应电流为对应电流为1A 78M12 对应电流为对应电流为0.5A 78L12 对应电流为对应电流为0.1A194）三端稳压器的引脚）三端稳压器的引脚78XX的管脚：的管脚：1 输入，入，2地，地，3输出出79XX的管脚：的管脚：1 地，地，2输入，入，3输出出不同封装管脚不一，不同封装管脚不一，详见数据手册数据手册根据使用功率的不同根据使用功率的不同选择不同不同的散的散热器，以螺器，以螺丝固定与散固定与散热器，安装于板上器，安装于板上203.6 参数计算参数计算n n确定三端稳压集成块的输入直流电压确定三端稳压集成块的输入直流电压确定三端稳压集成块的输入直流电压确定三端稳压集成块的输入直流电压U UI I；n n确定变压器次级绕组电压有效值确定变压器次级绕组电压有效值确定变压器次级绕组电压有效值确定变压器次级绕组电压有效值U U2 2；n n计算滤波电容计算滤波电容计算滤波电容计算滤波电容C C；n n计算整流二极管参数计算整流二极管参数计算整流二极管参数计算整流二极管参数 I IF F和和和和U URMRM确定二极管；确定二极管；确定二极管；确定二极管；n n最终可确定各器件的型号和技术要求最终可确定各器件的型号和技术要求最终可确定各器件的型号和技术要求最终可确定各器件的型号和技术要求 211）三端稳压块的输入直流电压三端稳压块的输入直流电压UIU和和UI可查数据手册确定，也可由实验测定。可查数据手册确定，也可由实验测定。来自来自78系系列数据手列数据手册册222）变压器次级绕组输出电压变压器次级绕组输出电压U2nUI既是整流输出的平均电压，也是三端稳压集成既是整流输出的平均电压，也是三端稳压集成块的输入电压：块的输入电压：n变压器参数：变压器参数：n变比，副方电流变比，副方电流：n功率功率：在考虑一定的：在考虑一定的电压和功率冗余电压和功率冗余后通常按照后通常按照副方电压和功率采购：典型的如副方电压和功率采购：典型的如15V/5W。233）计算滤波电容）计算滤波电容Cn放电时间常数大一些更为理想，但过大价格高放电时间常数大一些更为理想，但过大价格高n其中其中RL为三端稳压集成块的输入等效电阻为三端稳压集成块的输入等效电阻n负载大小决定了放电时间，最小电阻时负载大小决定了放电时间，最小电阻时n电容的耐压范围：电容的耐压范围：n考虑到市电的波动也能可靠使用，电容耐压值不小考虑到市电的波动也能可靠使用，电容耐压值不小于于25V（25，40，50V均可）。均可）。244）整流二极管参数计算）整流二极管参数计算最大整流电流最大整流电流IF:最大反向峰值电压最大反向峰值电压URM:确定二极管型号为确定二极管型号为1N4001（1A/50V）。）。4 自底向上自底向上设计方法方法n自底向上思路自底向上思路n由关由关键器件确定其外器件确定其外围电路；路；n根据根据+Vi的要求的要求设计前前级电路；路；n选择变压、整流、整流、滤波波电路，路，设计过程同前。程同前。back线性稳压电源在光电线性稳压电源在光电仪器中的应用仪器中的应用变压器变压器稳压块稳压块5 实验内容与测试步骤实验内容与测试步骤n实验目的：目的：n1、电路元器件参数路元器件参数对输出出电压的影响的影响n测试半波整流半波整流/全波整流条件下，不同全波整流条件下，不同电容容值，不同，不同负载条条件下的三端件下的三端稳压块的的输入和入和输出波形和有效出波形和有效值。n*不同不同电容容值和不同的和不同的负载决定不同的放决定不同的放电时间。n2、确定确定U2、U的最佳有效值的最佳有效值n通通过改改变市市电电压U1等效改等效改变U2，观察三端察三端稳压器的器的稳压情况，并情况，并测试三端三端稳压器的器的Un*改改变输入等同于改入等同于改变U1和和U2的的变比。比。285.1 实验调试电路实验调试电路J1整流选择整流选择1与与2连接为半波整流连接为半波整流2与与3连接为桥式整流连接为桥式整流J2电容选择电容选择1与与2连接为连接为1100F2与与3连接为连接为100 FJ3负载选择负载选择1与与2 连接为连接为502与与3连接为连接为100 295.2 实验步骤实验步骤1.电源变压器的输入插头直接与电网电压电源变压器的输入插头直接与电网电压220V连接，连接，按表格中按表格中J1、J2、J3的不同设置的不同设置，观察，观察UA和和UB的波的波形并测量它们的电压，试比较它们的特点。形并测量它们的电压，试比较它们的特点。2.电源变压器的输入插头与电源变压器的输入插头与自耦变压器（调压器）自耦变压器（调压器）连连接，由接，由220V开始减小调压器的输出电压，即开始减小调压器的输出电压，即减小减小电电源变压器的输出电压的源变压器的输出电压的有效值有效值U2，同时观察，同时观察A点和点和B点的电压波形变化，记录典型波形，并记录输出电点的电压波形变化，记录典型波形，并记录输出电压可恒定（压可恒定（12V）时最小压差）时最小压差 。3.要求要求:合理使用万用表和示波器。合理使用万用表和示波器。305.2 实验实验1 电路结构参数对输出电压的影响电路结构参数对输出电压的影响 100F 1100F 100F 1100F整流方式电容容量 负载电阻输入电压输出电压50100501005010050100 半 波 整 流 桥 式 整 流315.3 实验实验2 确定确定U2、的最佳有效值的最佳有效值 桥式下桥式下改改变调压器的器的输出出电压，可，可获得不同的得不同的电压波形：波形：l红线为三端三端稳压集成集成块的的输入入电压（UA）l蓝线为三端三端稳压集成集成块的的输出出电压（UB）n 调整管功耗较大调整管功耗较大 调整管功耗处于调整管功耗处于 调整管部分进入调整管部分进入 调整管完全进入调整管完全进入 最小状态最小状态 饱和状态饱和状态 饱和状态饱和状态back大于大于2.4V略大于略大于2.4V略小于略小于2.4V小于小于2.4V32思考题思考题n n1 1、在半波与全波整流时，、在半波与全波整流时，、在半波与全波整流时，、在半波与全波整流时，A A点波形有何区别？为什么半点波形有何区别？为什么半点波形有何区别？为什么半点波形有何区别？为什么半波整流比全波整流效率高？波整流比全波整流效率高？波整流比全波整流效率高？波整流比全波整流效率高？n n2 2、稳压电压在满载情况下（、稳压电压在满载情况下（、稳压电压在满载情况下（、稳压电压在满载情况下（5050），使用自耦变压器改），使用自耦变压器改），使用自耦变压器改），使用自耦变压器改变交流输入电压，确定电源变压器次级绕组交流有效值变交流输入电压，确定电源变压器次级绕组交流有效值变交流输入电压，确定电源变压器次级绕组交流有效值变交流输入电压，确定电源变压器次级绕组交流有效值为何值时效率最高，且工作正常。在实用系统中是否可为何值时效率最高，且工作正常。在实用系统中是否可为何值时效率最高，且工作正常。在实用系统中是否可为何值时效率最高，且工作正常。在实用系统中是否可以采用输出电压稳定时所对应的最小有效值以采用输出电压稳定时所对应的最小有效值以采用输出电压稳定时所对应的最小有效值以采用输出电压稳定时所对应的最小有效值U U2 2？n n3 3、设计一个、设计一个、设计一个、设计一个DC-DC-5 5V V/1A/1A的线性电源，其与的线性电源，其与的线性电源，其与的线性电源，其与DC12VDC12V的差异的差异的差异的差异在于？给出框图和主要设计参数及计算依据？在于？给出框图和主要设计参数及计算依据？在于？给出框图和主要设计参数及计算依据？在于？给出框图和主要设计参数及计算依据？back33下周实验内容下周实验内容2.1 运算放大器在波形变换中的应用运算放大器在波形变换中的应用n技术指标技术指标l 运用集成运放运用集成运放产生三角波和方波生三角波和方波l 频率范率范围：0.52kHzn 输出幅度：出幅度：6Vn要求：要求：n按分析成熟按分析成熟电路的路的6个步个步骤分析分析参考参考电路；路；n进行行电路仿真路仿真预习，给出基本的元件参数。出基本的元件参数。n初步初步设想面包板上想面包板上连线和器件布局方法，列出和器件布局方法，列出实验调试步步骤；实验电路原理图实验电路原理图 该电路的功能是路的功能是产生三角波和方波生三角波和方波 V01输出三角波；出三角波；V02输出方波出方波；