电容器C如此周而复始地进行充放电,负载上便得到如图2所示的一个近似锯齿波的电压vL=vC,使负载电压的波动大为减小。
总之,电容滤波电路简单,负载直流电压VL较高,纹波也较小,它的缺点是输出特性较差,故适用于负载电压较高,负载变动不大的场合。
3.4稳压电路
滤波以后虽然纹波因数大大减小,但输出电压还不够稳定,主要是当负载电流或电网波动时,输出电压会随之发生变化,为此还需要加稳压措施。
稳压电路的作用是当外界因素(电网电压、负载、环境温度)等发生变化时,使输出直流电压不受影响,而维持稳定的输出。
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成,采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。
集成稳压器的种类很多,在小功率稳压电源中,普遍使用三端稳压器。
目前,电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。
由于它只有输入、输出和公共引出端,故称之为三端式稳压器。
这类集成稳压器的外形图如图6所示。
78××系列输出为正电压,输出电流可达1A,如78L××系列和78M××系列的输出电流分别为0.1A和0.5A。
它们的输出电压分别为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7档。
和78××系列对应的有79××系列,它输出为负电压,如79M12表示输出电压为–12V和输出电流为0.5A。
图6
LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压,不过它只能允许可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;LM337输出为负的可调电压。
采用两个独立的变压器分别和LM317及LM337组装,正输出可调集成稳压器的输出电压范围为:
1.2~3.7V,输出电流可调范围为:
0.1~1.5A。
图7(a)是应用78L××输出固定电压VO的典型电路图。
正常工作时,输入、输出电压差应大于2~3V。
电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿的,可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。
C3是电解电容,以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。
D是保护二极管,当输入端意外短路时,给输出电容器C3一个放电通路,防止C3两端电压作用于调整管的be结,造成调整管be结击穿而损坏。
图7(b)是扩大78L××输出电流的电路,并具有过流保护功能。
电路中加入了功率三极管T1,向输出端提供额外的电流IO1,使输出电流IO增加为IO=IO1+IO2。
其工作原理为:
在电路中存在关系式VBE1=VR1=VCE3。
正常工作时,T2、T3截止,电阻R1上的电流产生压降使T1导通,使输出电流增加。
若IO过流(即超过某个限额),则IO1也增加,电流检测电阻R3上压降增大使T3导通,导致T2趋于饱和,使T1管基-射间电压VBE1降低,限制了功率管T1的电流IC1,保护功率管不致因过流而损坏。
(a)三端稳压器的典型接法
(b)带过流保护的扩流电路
图8所示为三端可调式稳压器的典型应用电路,由LM117和LM137组成正、负输出电压可调的稳压器。
为保证空载情况下输出电压稳定,R1和R'1不宜高于240W,典型值为(120~240)W。
电路中的V31(或V21)=VREF=1.2V,R2和R'2的大小根据输出电压调节范围确定。
该电路输入电压VI分别为±25V,则输出电压可调范围为±(1.2~20)V。
图8
3.5电源指示
发光二极管具有工作电压很低;工作电流很小,可靠性高,寿命长。
由于有这些特点,发光二极管在一些光电控制设备中用作光源,在许多电子设备中用作信号显示器。
4因此,我们电源指示部分将使用发光二极管来实现。
通过给它串联不同的分压电阻并联在变压器输出端以及各路稳压电路的输出端以显示其工作状况。
4电路元件选择
4.1集成稳压器的选择:
4.1.1输出电压固定的集成稳压器的选择
输出电压固定的集成稳压器有正电源LM7800系列稳压器和负电源LM7900系列稳压器。
按LM7800系列输出电压可分为7805(+5V)、7806(+6V)、7809(+9V)、7812(+12V)、7815(+15V)、7818(+18V)、7824(+24V);按输出电流可分为78Lxx表示输出电流100mA、78Mxx表示输出电流500mA、78xx表示输出电流1.5A。
负向集成稳压器与正向类似。
5
由于此次要输出得电压为±12V、±5V,电流要求均为1A,固选择的芯片为LM7805、LM7812、LM7905、LM7912。
4.1.2输出电压可调的集成稳压器的选择
可调输出的集成稳压器是在固定输出集成稳压器的基础上发展起来的,这种集成稳压器,在集成芯片的内部,输入电流几乎全部流到输出端,流到公共端的电流非常小,因此可以用少量的外部元件方便的组成精密可调的稳压电路,应用更为灵活。
正电源系列的基准电压为1.25V,可在1.25V~37V之间连续可调。
其内部设有过流、过电压保护和调整管安全工作区保护电路,使用安全可靠,性能比LM7800系列性能更加,而且它的输出电压输出电流均符合要求,所以此次的可调集成稳压器选择LM317。
4.2电源变压器的选择
此次电源变压器选取了双15V/20W的变压器
4.3集成整流桥及滤波电容的选择
由于Urm=1.414×24=33.936V,I=1A,额定工作电流ID=1A,所以集成整流桥芯片选择KBP307。
I=1A。
T=0.02s,电路中滤波电容承受的最高电压时1.414×24=33.936V所以选择电容的耐压值应该大于34V,所以在可调电压部分选择和固定电压部分都应选择适合的电容
因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布,易引起自激振荡,形成高频干扰。
所以稳压器的输入端并入瓷质小容量电容来抵消电解电容的电感效应和线路的杂波,抑制高频干扰。
固在稳压芯片前并入电容,在其后并入电容。
为了更好的消除纹波,在输出端前再并入电解电容。
5整体电路图
6.选用仪器清单及其型号
名称
型号
数量
备注
变压器
/20W/±15V
1
二极管
1N4007
5
整流桥
1
电容
330uf
2
0.1uf
4
电解电容
50V/4700uF
2
16V/220uF
2
50V/1000uF
5
50V/47uF
1
稳压集成器
Lm317
1
7805和7905
各1
7812和7912
各1
电阻
240Ω和330Ω
各1
电位器
5kΩ
1
散热片
5
导热膏
1
7.电路模拟与仿真
7.1Proteus简介
7.1.1Proteus软件简介
Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件,提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。
Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。
此外,Proteus还提供图形显示功能,可以将线路上变化的信号,以图形的方式实时地显示出来。
这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标,例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗,尽可能减少仪器对测量结果的影响,Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能,同时可以仿真单片机和周边设备,可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU,并提供周边设备的仿真,例如373、led、示波器等。
Proteus提供了大量的元件库,有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件,编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。
一台计算机、一套电子仿真软件,在加上一本虚拟实验教程,就可相当于一个设备先进的实验室。
以虚代实、以软代硬,就建立一个完善的虚拟实验室。
在计算机上学习电工基础,模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程,并进行电路设计、仿真、调试等。
7.1.2基本操作步骤
1.打开PROTEUS操作界面。
2.选择“P”,从元件库中提取需要的元器件(选中双击),选择完点OK。
3.在编辑区画电路图,修改元件参数。
4进行电路仿真。
7.2ProteusISIS原理图设计
1新建设计文件
2设定图纸的大小
3添加元件
4摆放元件
5放置电源、地
6布线
7设置、修改元件属性
8建立网络表
9电气检测
10存盘及输出报表
7.3仿真过程及记录
利用ProteusVSM虚拟系统模型进行虚拟仿真和图形分析。
1.添加220V/50Hz交流电源,执行菜单命令“Library”“PickDevice”,在弹出的对话框中查找“ALTERNATOR”,并设置参数。
2.在工具箱中单击“虚拟仪器”按钮,在弹出的“Instruments”窗口中选择“DCVOLTMETER(直流电压表)”,测量输出端的电压。
利用仿真旋钮进行仿真,仿真结果如下图所示:
(a)3~18V的最高电压
(b)3~18V的最低电压
(c)±5V输出端的示数
(d)±12V输出端的示数
图1
2.在工具箱中单击“虚拟仪器”按钮,在弹出的“Instruments”窗口中选择“OSCILLOSCOPE(示波器)”,用来观察电路的输出波形,利用仿真旋钮进行仿真。
A.整流波形:
图2整流波形
B.滤波波形:
图3滤波波形
C.±12V输出波形:
图4±12V输出波形
D.±5V输出波形:
图5±5V输出波形
E.3~18V的输出波形如下图所示:
图63~18V的输出波形如下图所示
7.4仿真结果分析
7.4.1参数测试分析
由直流电压表的示数可知:
可调输出端的输出电压最低为2.99V,最高为18.0V,可以输出3~18V的电压,符合要求;
±5V输出端的输出电压分别为+5.01V、-5.02V,符合要求;
±12V输出端的输出电压分别为+12.0V、-12.0V,符合要求。
7.4.2波形分析
由示波器的输出波形可知:
±5V和±12V输出端的输出电压比较稳定,3~18V输出端的输出电压也相对较稳定,他们均接近于直线。
图片可能无法显示出真实情况,在电脑上测试时,波形还是有小量的纹波。
而整流波形和滤波波形也与理论波形相近
8.电路实物的安装与调试
8.1电路安装
1按照元件清单购买电路所需元件以及电路板、焊锡丝、插头、导线等。
2将所有元件安装在电路板上,调整整体布局。
3按照规划好的布局焊接元件。
先焊电阻、二极管和电位器,接着是电容,最后是稳压集成器,先将稳压集成器和散热片固定在一起再焊接在电路板上。
4按照电路图布线。
5将变压器接入电路,并将变压器和插头连接在一起
实物图:
8.2电路调试
1检查电路是否连接正确,是否有短路、断路现象。
2在地线中接入一个保险丝,防止电路有问题而损坏变压器。
3连接电源,在确认电路没有问题(电容不发热、保险丝没有断等)后,用万用表测量输出端的输出电压。
8.3参数测量
(1)+5V输出端测量:
5.06V
(2)-5V输出端:
-5.02V(3)+12V输出端:
11.88V
(4)-12V输出端:
-11.96V
(5)3~18V输出端:
最低为3.0V,最高为18.0V。
9.设计小结
9.1各参数分析
±5V输出端实际输出为5.06V