直流稳压电源设计

目 录摘 要41 直流稳压电源系统简介与方案论证51.1 直流稳压系统简介与分析51.2 直流稳压系统的特点与分类51.3 直流稳压系统的方案论证62 总体设计82.1 系统模块82.2 功能结构图93 详细设计113.1 电源变压器设计113.2 整流电路设计113.3 滤波电路设计123.4 稳压电路设计124 直流稳压系统功能及调试情况155 总结176 实物图18参考文献22直流稳压电源设计 摘要 【由于集成稳压器的可靠性高，也有利于提高稳压精度、缩小体积、减轻重量等优点，使它在近十多年发展很快，目前已经在国内发展到几百个品种，人们越来越重视对它的研究。本设计是用220V交流电源经过双15V变压器变压后输出双15V交流，再经过以二极管组成的整流桥将交流整流为直流，再经过滤波电容滤波后使输出电压平滑。再以三端固定式集成稳压器LM7805、LM7905、LM7812、LM7912为核心构成的直流稳压电路使输出直流基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性，是输出直流稳定。这类稳压器有输入，输出和公共端三个端口，输出电压固定不变，所以输出稳定性更高更好。本设计就是应用上述原理实现了直流稳压电源的设计。】 关键词 【直流稳压电源 三端稳压器LM7805 三端稳压器LM7812 三端稳压器LM7905 三端稳压器LM7912 双15V变压器 滤波电容 整流二极管 】1 直流稳压电源系统简介与方案论证目的：1. 进一步掌握稳压电源制作的理论知识；2. 了解LM7805、LM7905、LM7812、LM7912这个几个芯片功能；3. 熟悉掌握稳压电路制作原理，包括整流，滤波，稳压三个电路4. 培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。要求：（1）输入电压为交流220V，电源输出电压为125，要求电压误差小于0.2V（2）纹波电压VOP-P5mV （3）稳压系数Sr5%（4）最大输出电流I=1A（5）输出电阻Ro:1.1 直流稳压系统简介与分析所谓直流稳压电路,就是用半导体工艺和薄膜工艺将稳压电路中的二极管、三极管、电阻、电容等元件制作在同一半导体或绝缘基片上,形成具有稳压功能的固体电路.集成稳压器在近十多年内发展很快.按电路的结构方式分,有单片式集成稳压器和组合式集成稳压器.按电路的工作方式分,有线性集成稳压器和开关式集成稳压器.按管脚的连接方式分,有三端式集成稳压器和多端式集成稳压器.按制造工艺分,有半导体集成稳压器,薄膜混合集成稳压器和厚膜混合集成稳压器.集成稳压器是在半导体硅片上使用外延、氧化、光刻、扩散和金属蒸发等工艺制作而成的稳压电路.这种集成稳压器的各种元件在同一工序中制成.1.2 直流稳压系统的特点与分类常用的集成稳压器有下列几种.1 多端可调式集成稳压器这种稳压器取样电阻和保护电路的元件需要外接,它的外接端比较多,便于适应不同的用法。它的输出电压可调，以满足不同输出电压的要求。目前国内生产的这类产品有WB712、WB724、WA705WA724、5G11、5G14、CW611、CW616、BG602、CW200系列。2. 三端固定式集成稳压器这类稳压器有输入、输出和公共端3个端子，输出电压固定不变，CW7800系列的输出电压为5，6，9，12，15，18，24V共7个档次，它们型号的后两位数字即表示输出的电压值，比如CW78M00系列输出电流为0.5A；CW78L00系列，输出电流为0.1A。这类产品具有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，得到了广泛的应用。3. 三端可调式集成稳压器它有三个接线端：输入端、输出端、和调节端。在调节端外接两个电阻可对输出电压做连续的调解。在要求稳压精度较高，且输出电压须在一定范围内做任意调节的场合，可选用这种集成稳压器。目前国内产品有CW117、CW217、CW317、CW137、CW237、CW337等系列。4. 跟踪集成稳压器有很多电路需要正负电源来组成，而用跟踪式集成稳压器更为理想。跟踪稳压器能保证正负输出电压始终是平衡的，它的中点始终为地电位，并有自动跟踪能力，这类稳压器有LMY10、MC1568、MC1468等。1.3 直流稳压系统的方案论证方案一：采用分立式元件图1优点：分立元件结构简单，可用常用分立元器件，容易实现，技术成熟，完全能够达到技术参数的要求，造价成本低。缺点：设计、调试难度太大，周期太长，精确度不是太高。方案二：采用集成稳压器图2优点：集成稳压器件稳压部分需采用一块三端稳压器其他分立元器件，比较放大部分均采用对称性好、温漂小的差动放大电路，以利于提高其质量。元器件先进，技术成熟，完全能达到题目要求，性能较方案一优越一些。缺点：成本较高。综上分析，按照本设计课程的要求，采用分立元件设计电路成本低，易于购置。但是设计、调试难度太大，周期太长，尤其是短时间内手工制作难以保证可以实现，且难得达到设计要求，故采用集成稳压器件设计电路，即采用方案二。2 总体设计电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。图3 直流稳压电源框图直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图10-所示。电网供给的交流电压厂u1（220，50z）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压I。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。2.1 系统模块此系统包括电源变压器、整流电路、滤波电路、和稳压电路三大部分，如图1所示。 直流稳压电源系统电源变压器整流电路滤波电路稳压电路 图42.2 功能结构图各模块功能见表1表1模块电源变压器整流电路滤波电路稳压电路各模块功能电源变压器具有将较大的交流电降压为直流电源所需要的较小的交流电将交流电压变为脉动的直流电压将脉动的直流电压变为平滑的直流电压获得稳定性好的直流电压（1）全波整流电路利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如下图所示的全波整流电路。从图中可见，正负半周都有电流流过负载，提高了整流效率。全波整流的特点：输出电压V高；脉动小；正负半周都有电流供给负载，因而变压器得到充分利用，效率较高。主要参数：图5（2）滤波电路从上面的分析可以看出，整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。在此我们选用的是电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出波形比较平滑，脉动成分降低输出电压的平均值增大。电容放电的时间=RLC越大,放电过程越慢，输出电压中脉动（纹波）成分越少，滤波效果越好。一般取（35）T/2，T为电源交流电压的周期。 图6(3)稳压电路在稳压电路中我们使用三端集成稳压器，三端集成稳压器如图7所示图7（4）电源变压器 在此设计中使用双15V输出变压器，如图8所示 图83 详细设计3.1电源变压器设计图9电源变压器具有将较大的交流电降压为直流电源所需要的较小的交流电。一般地，电网供给有效值为220V的交流电，此设计只需要双15V输出交流电，所以经电源变压器降压后便可得到所需要的交流电压。3.2整流电路设计整流的作用：将交流电变为脉动的直流。由于单相半波整流变压器输出利用率低，故采用单相全波整流，即单相桥式整流。整流电路和经整流后的波形图分别如图16和图17所示：设电阻两端的电压有效值为Uo(AV)，则图103.3滤波电路设计整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。在此我们选用的是电容滤波电路。图11是经过桥式整流电容滤波电路后的波形。1：由于电容的储能作用，使得输出波形比较平滑，脉动成分降低输出电压的平均值增大。2：在短暂的导电时间内流过二极管很大的冲击电流，所以必须选择较大容量的二极管。3：电容放电的时间越大,放电过程越慢，输出电压中脉动（纹波）成分越少，滤波效果越好。一般取（35）T/2，T为电源交流电压的周期。图113.4稳压电路设计直流稳压电路使输出直流基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性，是输出直流稳定。这类稳压器有输入，输出和公共端三个端口，输出电压固定不变，所以输出稳定性更高更好。此次设计我们使用了三种三端稳压器，LM7805、LM7812、LM7905、LM7912。三端稳压器结构图如图12所示，整流后如图13所示图12 图13LM78XX：LM79XX：元件列表元件名称标称值与型号引脚数/只元件个数/个电源变压器双15V输出，TRAN-2P3S51整流二极管IN400228电解电容3300uF24三端稳压器790531三端稳压器780521三端稳压器781221三端稳压器791221电解电容220uF44瓷片电容0.1uF28电路仿真图如图14图14电路原理图如图15图154 作品功能及调试情况表一名称 UoIoUi纹波电压标称值测试值+12V12.14V11.89V12.12V9.4mA8.9mA9.2mA15V15.2V2.4mV+5V5.00V4.99V4.98V9.1mA8.8mA8.9mA2.4mV-5V-5.14V-4.98V-4.97V-8.4mA-8.0mA-8.1mA2mV-12V-11.92V-11.87V-11.86V-8.2mA-7.9mA-8.0mA1.9mV数据分析：稳压系数： 输出电阻：Sr=4.53%纹波电压：根据测试结果，125的纹波电压均小于3mV，符合设计要求。稳压系数小于5%，满足设计要求。最大输出电流I=1A，满足设计要求。空载时输出电压分别为+4.99V,+12.14V,-11.94V,-5.03V。误差较小，满足设计要求。5 总结主要实现了基于LM7805、LM7905、LM7812、LM7912稳压直流电源的硬件设计。本文的主要工作内容由三个主要方面组成，一部分是变压器及整流电路的设计，一部分是滤波电路的设计，另一部分是三端稳压器稳压电路的设计。其中主要的工作内容如下：1) 学习主要芯片的功能及其应用；2) 完成稳压直流电源的硬件总体设计方案；3) 用Protel画出原理图；4） 用Proteus画出电路图及仿真5) 进行电路板焊接和调试。本设计中存在的问题有如下几个：1) 电路板设计存在一些不规范的问题；2) 没有实现直流稳压电源各输出的精确输出；3) 没有对电路进行完全保护的设计。由以上存在的问题出发，我们将在以后的设计工作中对电路进行优化，尽量将电路设计更加紧凑和合理，同时将利用所学的知识实现对电路的检测和保护功能的设计。通过这次设计，我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标，让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题，通过不断的努力去解决这些问题，解决设计问题的同时自己也在其中有所收获。实物的制作也提升了我们的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了我们对模拟电路设计方面的兴趣。理论与实践得到了很好的结合。6 实物图图16：图17：图18：图19：图20：参考文献1 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础（第四版）M. 北京：高等教育出版社，2006.5第四版2彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，1997.10第一版3夏路易，石宗义.电路原理图与电路板设计教程M.北京：北京希望电子出版社，2002.6第一版4罗小华，朱旗.电子技术工艺实习M.武昌：华中科技大学出版社，2003.9第一版5孟祥印，肖世德. 基于先进集成电路多输出线性直流稳压电源设计J. 微计算机信息，2005（1）：154-155+1806黄天戍,詹恩奇,任清珍,陈健,肖虎,陈向阳.实用直流电源分析与设计J.微计算机信息，2000（1）:80-82