直流稳压电源的设计与实现.docx
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直流稳压电源的设计与实现
电子产品设计制作
与故障诊断
学习情境1：
直流稳压电源的设计与实现
《电子产品设计制作与故障诊断》课程建设组
2010年2月
第一版
学习情境1：
直流稳压电源的设计与实现
1.1学习目标
（1）掌握线性直流稳压电源的器件选择和设计制作方法。
（2）掌握直流稳压电路的调试方法。
1.2任务分析
任务名称：
设计制作线性直流稳压电源。
任务背景：
直流稳压电源作为直流能量的提供者，在各种电子设备中，有着极其重要的地位，它的性能良好与否直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。
本次工作任务是为一小型温度测控系统提供直流稳压电源。
任务要求：
（1）完成变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器的选型，实现输入电压为交流220V±10%，输出电压为±12V和5V，输出电流大于0.5A的直流线性稳压电源。
（2）完成电路设计、计算机仿真、绘制电路原理图，制作电路板、安装调试。
（3）撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。
工作任务所需要的设备、工具和材料：
双踪示波器、万用表（模拟或数字），制作电路板的各种工具一套及元器件若干。
1.3任务知识点
1.3.1直流稳压电源的组成
图1.1直流电源的方框图
直流电源的组成如图1.1所示。
其中，整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。
滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。
稳压电路对整流后的直流电压进一步稳压。
1.3.2单相桥式整流电路
1．工作原理
单相半波整流电路（如图1.2所示）是最简单的将交流电转换成直流的电路，输出电压是交流输入电压的0.45倍，效率低，脉动程度较大，在负载电流较小和允许脉动程度较大的场合可以用半波整流。
图1.2单相半波整流电路及波形图
为了克服单相半波整流电路的缺点，一般常采用单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路是最常用的将交流转换为直流的电路，其电路如图1.3所示。
图1.3单相桥式整流电路及波形图
整流电路中的二极管具有单向导电性。
当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。
当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正负半周信号经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压
2．参数计算
输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压为
3．单相桥式整流电路的负载特性曲线
单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线，该曲线如图1.4所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。
图1.4负载特性曲线
问题与思考：
（1）画出单向桥式整流电路一个周期的电流回路示意图。
（2）说明最大值、有效值和平均值的定义；对于正弦量，这三个值之间的换算关系是什么？
。
（3）用数字万用表的交流电压档测量交流电的电压，表上的显示值是最大值、有效值还是平均值？
（4）我们说市电的电压为220V，指的是最大值、有效值还是平均值？
1.3.3滤波电路
1.滤波的基本概念
图1.5单相桥式电容滤波整流电路
滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。
电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。
电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。
经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
2.滤波原理
现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。
电容滤波电路如图1.5所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。
若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。
此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2是正弦形。
图1.6桥式整流、电容滤波时的电压、电流波形
电容滤波过程见图1.6。
当v2到达90°时，v2开始下降。
先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载RL放电。
指数放电起始点的放电速率很大。
在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。
所以刚过90°时二极管仍然导通。
在超过90°后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。
所以，在t1到t2时刻，二极管导电，C充电，vO=vC按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vO=vC按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。
需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见图1.6曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。
显然，当RL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好。
反之，当RL很大，即IL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，所以电容滤波适合输出电流较小的场合。
3.电容滤波的计算
电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多，工程上有详细的曲线可供查阅。
一般常采用以下近似估算法：
一种是用锯齿波近似表示，即
另一种是在RLC=（35）T/2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。
电容滤波要获得较好的效果，工程上通常应满足fRLC≥6~10。
4.外特性
整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图1.7所示。
图1.7纯电阻和电容滤波电路的输出特性
问题与思考：
（1）滤波电容越大滤波效果越好，这种说法对吗？
（2）桥式整流输出的最大值为15V，经过电容滤波后，空载时直流电压值大概是多少？
1.3.4稳压电路
1.稳压管稳压电路
图1.8稳压管稳压电路
稳压管稳压电路如图1.8所示，该电路虽然结构简单，但带负载能力弱，一般用在小负载和电压基准等场合。
为增大输出电流的调节范围可采用图1.9所示的稳压管扩流稳压电路。
图1.9稳压管扩流稳压电路
2.串联型稳压电路
图1.10串联型稳压电路
一般把串联型稳压电路（图1.10）做成78、79系列集成电路，称为直流线性稳压集成电路。
1.3.5器件选型
1．变压器选型
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
变压器结构如图1.11所示。
图1.11变压器结构示意图
（1）变压器分类
按冷却方式分类：
干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。
按防潮方式分类：
开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。
按铁芯或线圈结构分类：
芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。
按电源相数分类：
单相变压器、三相变压器、多相变压器。
按用途分类：
电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。
（2）电源变压器的特性参数
工作频率
变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。
额定功率
在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。
额定电压
指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。
电压比
指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。
空载电流
变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。
空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。
对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。
空载损耗
指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。
主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。
效率
指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。
通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。
绝缘电阻
表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。
绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。
（3）变压器选型
工作频率
作为电源变压器应根据电网频率选择，通常电网频率有50Hz和60Hz两种。
额定功率
通常选择变压器的功率应稍大于负载的额定功率。
额定电压
作为电源变压器应根据电网的电压选择。
电压比
根据负载电压要求选择变压器的变比。
问题与思考：
（1）单相桥式整流和电容滤波电路要求得到15V电压，变压器（220V输入）的变比应如何选择？
2.整流二极管选型
（1）二极管分类
根据所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）
②根据结构分类：
点接触型二极管、面接触型二极管、平面型二极管等。
*点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。
由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。
*面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。
*平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。
③根据用途分类：
可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管等。
（2）二极管的导电特性
二极管最重要的特性就是单方向导电性。
在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。
下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。
①正向特性
在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。
必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。
只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。
导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。
②反向特性
在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。
二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。
当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。
（3）二极管的主要参数
用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。
不同类型的二极管有不同的特性参数。
对初学者而言，必须了解以下几个主要参数：
①额定正向工作电流
是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。
因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。
所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。
例如，常用的1N4001－4007型硅二极管的额定正向工作电流为1A。
②最高反向工作电压
加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。
为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。
例如，1N4001二极管反向耐压为50V，1N4007反向耐压为1000V。
③反向电流 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。
反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。
值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。
例如2AP1型锗二极管，在25时反向电流若为250uA，温度升高到35，反向电流将上升到500uA，依此类推，在75时，它的反向电流已达8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。
又如，2CP10型硅二极管，25时反向电流仅为5uA，温度升高到75时，反向电流也不过160uA。
故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。
（4）整流二极管的选择
普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。
（5）关于发光二极管
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发光，碳化硅二极管发黄光。
发光二极管工作时正向饱和压降1.6～2V，电流一般为5--20mA。
通常与限流电阻串联使用。
例如：
一个发光二极管用作直流24V电源的指示灯，希望发光二极管的电流为10mA（电流决定了它的亮度，电流越大，亮度越高，反之亦反然，但不能过小或过大），则与其串接的限流电阻应这样选择：
（24-2）V/10mA=2.2KΩ，功率为2.2K*10mA*10mA=2.2mW,取1/4W。
问题与思考：
（1）上网查询“常用整流二极管参数表”。
（2）如果使用LED作为+12V、-12V、+5V直流电源指示灯，画出电路图，计算限流电阻的阻值和功率，并选择型号。
3.滤波电容选型
（1）电容的分类
电容的分类如图1.12所示。
涤纶电容独石电容
瓷介电容铝电解电容
云母电容钽电解电容
图1.12电容的分类
（2）电容的标识
①容量单位：
微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF）。
例如:
1p2表示1.2pF1n表示1000pF
10n表示0.01μF2μ2表示2.2μF
简略方式：
9999≥有效数字≥1时，容量单位为pF；
有效数字＜1时，容量单位为μF。
②额定电压：
6.3V、10V、16V、25V、32V、50V、63V、100V、160V、250V、400V、450V、500V、630V、1000V。
在实际应用中，加在电解电容两端的电压不能超过其允许工作电压，在设计实际电路时应根据具体情况留有一定的余量，在设计稳压电源的滤波电容时，如果交流电源电压为220V时，变压器次级的整流电压达到22V，此时选择耐压为25V的电解电容一般可以满足要求．但是，假如交流电源电压波动很大且有可能上升到250V以上时，则电容可能被击穿，此时最好选择耐压30V以上的电解电容。
③数码标注法：
单位pF，前两位数码为电容量的有效数字，第三位为倍乘数，但倍乘数是9时表示×101。
例如：
101表示10×101=100pF104表示10×104=0.1μF
223表示22×103=0.022μF159表示15×10-1=1.5pF
（3）电容选型参考
名称
聚酯（涤纶）电容（CL）
聚苯乙烯电容（CB）
聚丙烯电容（CBB）
云母电容（CY）
高频瓷介电容（CC）
低频瓷介电容（CT）
玻璃釉电容（CI）
电容量
40p~4μ
10p~1μ
1000p~10μ
10p~0.1μ
1~6800p
10p~4.7μ
10p~0.1μ
额定电压
63~630V
100V~30KV
63~2000V
100V~7kV
63~500V
50V~100V
63~400V
主要特点
小体积，大容量，耐热耐湿，稳定性差
稳定，低损耗，体积较大
性能与聚苯相似但体积小，稳定性略差
高稳定性，高可靠性，温度系数小
高频损耗小，稳定性好
体积小，价廉，损耗大，稳定性差
稳定性较好，损耗小，耐高温（200度）
应用
对稳定性和损耗要求不高的低频电路
对稳定性和损耗要求较高的电路
代替大部分聚苯或云母电容，用于要求较高的电路
高频振荡，脉冲等要求较高的电路
高频电路
要求不高的低频电路
脉冲、耦合、旁路等电路
名称
铝电解电容
钽电解电容（CA）铌电解电容（CN）
空气介质可变电容器
薄膜介质可变电容器
薄膜介质微调电容器
陶瓷介质微调电容器
独石电容
电容量
0.4710000μ
0.11000μ
1001500p
15550p
129p
0.322p
0.5p1μ
额定电压
6.3450V
6.3125V
二倍额定电压
主要特点
体积小，容量大，损耗大，漏电大
损耗、漏电小于铝电解电容
损耗小，效率高；可根据要求制成直线式、直线波长式、直线频率式及对数式等
体积小，重量轻；损耗比空气介质的大
损耗较大，体积小
损耗较小，体积较小
电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定，耐高温耐湿性好等。
应用
电源滤波，低频耦合，去耦，旁路等
在要求高的电路中代替铝电解电容
电子仪器，广播电视设备等
通讯，广播接收机等
收录机，电子仪器等电路作电路补偿
精密调谐的高频振荡回路
小型电子设备作谐振、耦合、滤波、旁路
4.三端稳压器件选型
电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
有TO-220的标准封装，也有TO-92封装和TO-3封装。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件很少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
有时在数字78或79后面还有一个L、M或H。
如78M12或79L24，用来区别输出电流和封装形式等。
79系列除了输出电压为负，引出脚排列不同以外，命名方法、外形等均与78系列的相同。
78、79系列三端线性稳压器（以78为例）按输出电流分4个系列：
78L055V100mA
78M055V500mA
78055V1.5A
78H055V3.0A
其中78H05为TO-3铁封装；7805,78M05为TO-220封装；78L05为TO-92封装。
因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用，可以用来改装分立元件的稳压电源，也经常用作电子设备的工作电源，电路如图1.13所示。
注意：
三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。
一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4~5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。
在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。
当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
在78xx、79xx系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。
这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如图1.13和图1.14所示。
图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的，这样标注便于记忆。
引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。
从图中可以看出，不论正压还是负压，②脚均为输出端。
对于78xx正压系列，输入是最高电位，自然是①脚，地端为最低电位，即③脚，如附图所示。
对与79xx负压系列，输入为最低电位，自然是③脚，而地端为最高电位，即①脚，如附图所示。
此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第③脚相连。
这样在78xx系列中，散热片和地相连接，而在79xx系列中，散热片却和输入端相连接。
图1.13三端稳压器
TO-92封装TO-3金属封装
图1.14三端稳压器的封装
5.保险丝管的选型：
a）确定安全标志：
根据产品将销售的市场要求，选定保险丝管的安全认证标志及安全标准（UL标准或IEC标准保险丝管）。
b）确定外型尺寸：
根据安装空间和确定的安全认证标志及安全标准，选定保险丝管的外型尺寸。
c）确定型号：
根据被保护回路的电流特性，选定保险丝管的型号。
例如，被保护回路的电流特性为恒定电流，则选用快速熔断型。
d）确定额定电压：
根据被保护回路的输入电压及使用要求，确定保险丝管的额定电压。
例如，被保护回路的输入电压为220V，则须选用额定电压220V以上的保险丝管，可选250V、300V、350V等；但考虑成本因素，不必选用过高的额定电压。
e）确定最小额定电流：
根据被保护回路的稳态工作电流及相关的使用折损系数，初步确定保险丝管的额定电流。
例如，被保护回路的稳太工作电流为1A，选用UL标准延时保险丝管，工作环境温度约80℃，则保险丝管的额定电流最小选：
1A×1.25÷0.5=2.5A。
f）确定保险丝管的最小I2T：
根据被保护回路的浪涌I2T，确定保险丝管的I2T。
例如，被保护回路的浪涌I2T为1（A2S），为保证保险丝管能承受10万次以上的冲击，保险丝管的I2T应大于：
1÷0.2=5（A2S）。
g）确定保险丝管的额定电流：
根据最小额定电流和最小I2T值，查产品目录中对应型号规格，取既大于最小额定电流值且其I2T值也大于最小I2T值的初级额定电流规格为选用保险丝管的额定电流。
例如，依据以上最小值，
（1）如额定电流2.5A的I2T为4.3A2S，3A的I2T为5.4A2S，则取3A为选用保险丝管的额定电流；
（2）如额定电流2A的I2T为5.3A2S，2.5A的I2T为7.6A2S，则取2.5A为选用保险丝管的额定电流。
1.4任务实施
1.用Protel设计电路原理图，并对设计方案作出说明
典型案例：
2.选择元器件型号，并说明元器件的选择依据，同时填写下表进行成本核算。
序号
元件名称
参数
数量
单价（元）
合计（元）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
总计：
3.用workbench软件对电路进行仿真，记录并分析仿真结果。
①交流电压源：
220V/50Hz；变压器：
220V/15V；整流桥：
理想二极管；负载电阻：
1Mohm
计算：
A，B，C点理论电压值。
测试并记录：
*A，B，C点的实际电压值（想一想测得的是最大值，平均值还是有效值？
）。
*C点波形.
*并分析C点实际电压值的测试结果。
②上述电路不变，将整流桥二极管改为1N4007；
测试并记录：
*C点实际电压值。
*C点波形.
*并分析C点实际电压值的测试结果
③整流桥二极管仍为1N4007，在负载电阻旁并联滤波电容（2200
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