直流稳压电源090525A

多路輸出直流穩壓電源的設計,長江大學電工電子實驗中心熊幫新,2009.05.20,多路输出直流稳压电源的设计,学习目标：学会用集成稳压器或运算放大器构成直流稳压电源，掌握线性稳压电源的工程设计方法；学会用,EDA,软件（,Proteus,）仿真稳压电源的工作状态；掌握稳压电源的安装、实验调试方法；研究提供电源质量指标的技术方案。,一、设计任务与要求,设计由集成稳压器或运算放大器构成的单路输入多路输出直流稳压电源；用,Proteus,软件绘制电原理图，并对所设计的电路进行仿真；实验测试电路的性能指标。,1.,给定条件及具体要求,.,输入交流电压,:U=18V10%(,单路,),.,输出直流电压,:Uo1=15V,Uo2=1.55V,（连续可调）,Uo3=-6V,其中,Uo1,独立输出，,Uo2,和,Uo3,共地输出。,.,输出电流,:Io1=500mA,Io2=100mA,Io3=-100mA.,主要元器件：三端稳压器,7815,、,7812,、,LM317,，运算放大器,LM324(,单电源、四运放,),，,UA741,（双电源、单运放）。大功率三极管,;TIP41C(NON),TIP42(PNP),负载电阻：,100/1W,。,2.,性能指标：,.,稳压系数：,Su=(Uo/Uo)/(UI/UI)0.05,.,具有电流过载保护。,二、课题分析及设计思路,该课题的特点是只有一路交流输入，通过整流滤波后利用集成稳压器可获得单路电压输出。其方案可直接用三端稳压器,7815,如图,1,，也可以用,7812,、,LM317,实现可调输出如图,2,所示。,对于图,2,，其输出电压为,Uo,=U32(1+R2/R1),课题要求,Uo2,和,Uo3,共地输出，通常只须将两电源串联即可，如图,3,所示。但用三端稳压器构成的电源不能直接这样应用，因为它需要两路输入的交流电源。图,4,是用三端稳压器构成的正负电源方案。,由于课题给定一路交流输入，当负载接入（或不同），其电源要流经稳压器基准回路，从而使输出电压不稳。解决问题的关键要将负载地与稳压器的地分离，并为各负载提供电流通路。电位分离技术可利用集成运放的虚短特性，将其接成电压跟随器即可。但由于运放输出电流有限，需要加电流扩展电路，图,5,是实现该思路的一种方案。,在图,4,的基础上，用,6V,稳压二极管代替,7905,后可作为图,5,的基准源（见图,6,）。但其电压稳定性还将受可调电源的影响。为了使输出电压有更好的稳压性能，可将,Uo2,和,Uo3,的基准分离，稳压管采用恒流供电，如图,7,所示。,三、单元电路设计及元器件选择,1.AC/DC,变换器设计,AC/DC,变换器是将交流,220V,电压经变压器降压为所需的低压,U2,，再经整流、滤波后成为稳压器的直流输入电压。电路如图,8,所示。图中输出直流电压,UI,与交流电压,U2,的有效值,U2,之间的关系为,UI=,（,1.1-1.2,）,U2,。,电源变压器通常根据副边输出功率,P2,来选择，一般通过选取,U2UImin/1.1,，,I2Iomax,来确定。整流二极管应根据其反向击穿电压,URM,U2m,，平均电流,IF,Iomax,来选择。滤波电容可由下式估算：,C=,Ict,/UI,式中，,t,为电容,C,的放电时间（,t=T/2=0.01s,），,Ic,为电容,C,放电电流，可取,Ic,=,Iomax,，滤波电容,C,的耐压值应大于,U2m,。,UI,为稳压器输入端的变化量，可由稳压系数,Su,求得：,UI=,UoUI/UoSu,（,1,）选电源变压器,对于,LM317,：,Vomax+(Vi-Vo)minViVomin+(Vi-Vo)max,6V+3VVi3V+40V,，,9VVi43V,副边电压,V2Vimin/1.1=9/1.1V,，取,V2=9V,，,副边电流,I2Iomax,，取,I2=1A,，,则变压器副边输出功率,P2I2V2=9W,，查表可得变压器的效率,=0.6,则原边输入功率,P1P2/=15W,。,对于,78,、,79,系列：,15+(35)VVi15V+35V,副边电压,V2Vimin/1.1=18/1.1V,，取,V2=17V,，,副边电流,I2Iomax,，取,I2=1A,，,则变压器副边输出功率,P2I2*V2=17W,，查表可得变压器的效率,=0.7,P1P2/=24W,综上两路考虑，为留有余地，选功率为,30W,的电源变压器,（,2,）滤波电容的选择,滤波电容,C,可由纹波电压,VOP-P,和稳压系数,SV,确定,已知,VO=15V,，,Vi=18V,，,VOP-P=5mV,，,SV 510,，,由式,Sv=(Vo/Vo)/(Vi/Vi),Vi=VoppVi/VoSv=1.2V,得电容,C=Ict/Vi=833uF,取,C=1000uF,t,为电容,C,的放电时间，,t=T/2=0.05S,为电容,C,的放电电流，可取,滤波电容的耐压值应大于,同理对于,317,，,C=1333uF,，可取,1000uF,与,470uF,并联,耐压值大于,2V2=91.414=12.75V,4.,选择整流二极管及滤波电容,整流二极管,D,选,1N4001,或,1N4002,其极限参数为,:VRM50V,，,IF=1A,满足,VRM,2V2 IF,Iomax,的条件,如果负载变动频繁，在,7815,输出也可接,-10100,的电解容,2.DC/DC,变换器（稳压电路）设计,一般稳压电路通常选用三端集成稳压器，常用的产品有固定正电压输出,78XX,系列，负电压输出,79XX,系列；输出连续可调的有,LM317(,正,),、,LM337(,负,),系列。应用该类稳压器时，其输入,UI,与输出电压,Uo,之间的压差不低于,3,5V,。,LM317,、,LM337,的最小输出电压,U32=1.25V,，,R1,中的电流一般为,5,10mA,，,R1,的取值可取,120,240,。其封装见图,9.,若采用图,7,和图,5,实现正负电源时，,LM317,的输入电压应大于,Uo2+Uo3+3=5+6+3=14V,集成运放应选用单电源运放如,LM324,6V,基准电源可采用温度特性好的稳压管，恒流源的设计要使,Uo2,在整个调节范围内，其电流保持不变，因此利用,+15V,稳压器的输出作为恒流管的偏置和电源。在图,7,中，设恒流源的电流,Ic,=,Iw,，则,Uo2,的最大调节范围为,Uo2=IwR2=Uo2-1.25,选定稳压管工作电流,Iw,后就可以确定,R2,的值。而,Iw,可由偏置电阻,R3,设定。,在图,5,中，,Q3,、,Q4,和,RI,构成限流保护电路。取样电阻,RI,可由,Ube/1.2Iomax=R,来确定。可取,Ube=0.5V,作为限流保护电路的初始值。功放管,Q1,、,Q2,的选择按照功率放大器的设计原则进行。即功放管的最大功率,PCM,0.2Pom,，最大电流,ICM,Iomax,。管子,的选择应使运放有足够的驱动能力。即,Iomax/Ioh,，式中,Ioh,为运放的额定输出电流。本课题给定的功放管,TIP41C(NPN),、,TIP42C(PNP),，其相关参数如下：,30,，,ICM=6A,PCM=2W(,如加散热片,PCM=65W),VCEO=100V,。,功率放大器的偏置电阻,R3,的选择对电源的稳定性有重要影响，当,Uo2,在最低电压输出，且为,RL2,提供最大电流,Iomax,时，,R3,的电压为,UR3=Uo2min-Ube-URI=1.5-0.7-0.5=0.3V,因此，,R3,的选择应有足够的电流保证,Q1,的驱动和,D2,的正常偏置，即：,R3UR3min/(IB3+ID2);,但在,Uo2max,最大时，,ID2,将过大。为保证,ID2,不受,Uo2,影响，可将,R3,、,Q1,接入,+15V,。为了提高电源的稳定性，运放的电源最好也采用,+15V,的稳压电源供电。,LM317,中,R1,和,RW,的选取：为保证稳压器空载时也能正常工作，要求流过,R1,的电流不能太小，一般可取,IR1=5,10mA,，故,R=VREF/IR1=120240,取,R1=240,，输出电压,Vo=1.25(1+Rw/R1),，因最大输出电压为,6V,，所以,RW,取,1K,可调即可，电路中,Ci,的作用，抵消线路的电感效应，防止自激 一般为,0.1uF0.33uF.CO,的作用,滤除输出端的高频信号,改善负载的瞬态响应,一般为,0.1uF-1uF,四、电路仿真,用,Proteus,软件绘制电源理图，并对所设计的电路进行仿真，模拟电路的实际工作状态。通过仿真测试，了解所设计的电路是否满足各项性能指标要求。,仿真内容主要有以下几个方面：,1.,测试主要元器件的静态电流和电压；,2.,测试,Uo2,和,Uo3,额定,(Uo2=5V;Uo6=-6V),时的稳压系数,Su,（,RL=100,）,;,3.,测试,Uo2,和,Uo3,的限流（,RL=50,）,;,4.,仿真分析整流电路的输入、输出波形及电源的输出纹波。,电路通过仿真后，确定实验前的元件参数。,五、调试步骤,1.,电源电路由于元件少，线路简单，所以应力求保证连线正确,(1),整流桥，要分清交流输入端和直流输出，否则会引起变压器短路。,(2),三端稳压器要检查三个脚不能接错。,78,系列和,790,系列,1,，,2,脚连线刚好相反，切忌弄错。,(3),滤波电解电容一定要分清正负极性，否则会产生爆炸。一般是正端接高电位，负载接低电位。,2.,接通电源后，首先静态几分钟，如无异常，无怪味，方可进入正常测试。否则应断开,220V,电源，排除故障。,3.,电路无故障，测量相应点波形，一般为变压器输出或整流桥输入交流波形及大小，整流滤波输出或稳压器 输入波形及电压大小，最后输出电压大小及纹波电压大小，测量时在额载荷下进行，速度要快。,4.,若要观察滤波电容变化对输出影响，可在断开电源后更换,.,5.,如果负载变动频繁，在各输出也可接,-,个,10100,的电解容,六、测试内容,1,.,变压器交流电压的测量,(,单独测量,),1,),测量,21-22,的电压,V12,。,2),测量,22-23,的电压,V23,。,3,),测量,31-32,的电压,V32,。,2,.,整流滤波电路测试,(,用第三绕组,8V),1,),取,RL,100,，不加滤波电容，测量直流输出电压,VL,及纹波电压,UL,并用示波器观察,u2,和,uL,波形，,2,),取,RL,100,，,C,470f,，重复内容,1),的要求,3,),取,RL,，,C,470f,，重复内容,1),的要求,C1,470uF,RL,100,22,23,21,31,32,11,12,U2,UL,VL,空载,21-22,22-23,31-32,VL,UL,R=100,R=100C=470uF,C=470uF,V,为直流，,U,为交流。,U2,和,UL,的波形用示波器观察,3.,测量三路稳压电源的输出电压,测试方法：测量输出端时分别接,100,负载电阻。测量,3-6V,时，分别测量对应的电位器的阻值。再调节电位器,RW,，测量输出电压可调范围,V0min,V0max,。验证 公式,VO,1.25(1+Rw/R1),+15V,-15V,3-6V(5V,时,),Io,0,0,0,Vo,Ro,4.,测量输出电阻,R0,输出电阻,R0,：当输入电压,Vi,（指稳压电路输入电压）保持不变，负载电流由空载变化到额定电流时,而引起的输出电压变化，即,Ro=,Vo/Io,+15V,-15V,设计值,+15V,-15V,测量值,3V,6V,Vomin,Vomax,测量值,可调电阻值,5.,测量输出纹波电压,输出纹波电压是指在额定负载条件下，输出电压中所含交流分量的有效值或峰峰值,测量方法,:,第一路,+15V:,取,Uo,15V,，,Io,150mA,，用示波器测量输出电压,U0,纹波的峰峰值及波形,第二路,-15V:,取,U