12V直流稳压电源的设计要点Word格式文档下载.docx
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它的性能直接影响整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。
电压稳定的方式，由传统的线性稳压发展到今天的非线性稳压，电源电路也由简单变得复杂，电源技术正从过去附属于其他电子设备的状态，逐渐演变成一个独立学科分支。
目前生产的直流稳压电源种类很多，主要分类方法是按调整元件的工作状态分类，其次还可以从其它不同角度来分类：
（1）按稳定方式分，有参数型稳压电源和反馈调整型稳压电源。
参数型稳压电源电路简单，主要是利用电子元件的非线性实现稳压，例如一只电阻和一只稳压二极管即成参数稳压器。
按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。
反馈调整型稳压电源具有负反馈闭环，是闭环自动调整系统，它的优点是技术成熟，性能优良、稳定，设计与制造简单；
缺点是体积大，效率低。
（2）非线性电源主要是指开关电源，开关电源的分类方法多种多样。
按激励方式分，有自激式和它激式
（3）按调制方式分，有保持开头工作频率不变，控制导通脉冲宽度的，称为脉宽调制型（PWM）；
也有保持开头导通时间不变，改变工作频率的称为频率调制型（PFM）；
还有宽度和频率均改变的，称为混合型。
（4）按开关电流工作方式分，有频率调制型分晶体管型和可控制硅型。
2设计规范及任务
2.1设计规范
设计一个±
12V简易直流稳压电源，满足：
1．当输入电压在220V交流时，输出直流电压为±
12V。
2．输出电流为1A，容量为24W。
3．输入端须设上电指示灯，输出端须具备短路和过流保护功能。
2.2设计任务
1.绘制出所设计的直流稳压电源的系统框图，并分析各组成部分的功能及工作原理。
2.设计出每个功能方框图的具体电路图，并根据所提供的技术参数的要求，计算出电路中所用元件的参数值，最后按工程实际确定元件参数的标称值。
具体参数要求：
变压器的额定电压、额定电流、额定容量、电压比；
整流元件的型号；
电阻的阻值和功率；
电容的容值和耐压以及类型；
稳压块型号等。
2.3要求掌握
通过此集成直流稳压电源的设计，要求掌握：
1.选择变压器、整流二极管、滤波电容及三端集成稳压器来设计直流稳压电源。
2.掌握直流稳压电源的调试及主要技术指标的测试方法
3各电路组成的工作原理及设计的采用
3.1指示电路
指示电路为上电输入电源的有电指示，当稳压电源连接到市电AC220V后，有1红色电源指示灯亮。
此稳压电源为简易直流稳压电源，所以要求体积比较小。
如选用指示灯来指示会使得体积增大，所以一般均采用红色发光二极管来指示，这样体积小成本低。
3.2变压电路
通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。
电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。
初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。
通俗的说，电源变压器是一种电→磁→电转换器件。
即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。
次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。
变压器的电路图符号见图1
Tr
图1变压器的电路图符号
3.3整流电路
整流电路的主要作用是由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。
在电流型变频器中整流电路的作用相当于一个直流电流源，而在电压型变频器中整流电路的作用则相当于一个直流电压源。
经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。
在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。
整流电路的种类如下：
1.半波整流电路
半波整流电路只利用电源的正半周，电源的利用效率非常低，所以半波整流电路仅在高电压、小电流等少数情况下使用，一般电源电路中很少使用。
2.全波整流电路
全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。
由于全波整流电路需要特制的变压器，制作起来比较麻烦，所以在实际运用中很少使用。
3.桥式整流电路
桥式整流电路使用普通的变压器，每个整流二极管上流过的电流是负载电流的一半，与全波整流相同。
桥式整流比全波整流多用了两个整流二极管，由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。
通常情况下桥式整流电路见图2
桥式整流电路图
桥式整流电路简化电路图桥式整流电路电压、电流波形图
图2桥式整流电路图
为了克服半波整流和全波整流的缺点，在本设计中整流电路采用最常用的桥式整流电路。
3.4滤波电路
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，对交流阴抗小，所以C应该并联在负载两端。
电感L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。
经过渺小滤波电路后，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。
滤波电路的种类如下：
1.电容滤波电路
电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。
在脉动直流波形的上升段，电容充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；
在脉动直流波形的下降段，电容放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。
在电容还没有完全放电时再次开始进行充电。
这样通过电容的反复充放电实现了滤波作用。
桥式整流电路电容滤波电路电压、电流波形见图3
当
时：
为有限值时：
通常取
RC越大
越大
为获得良好滤波效果，一般取：
（T为输入交流电压的周期）
图3桥式整流电路电容滤波电路电压、电流波形图
2.电感滤波电路
电感滤波电路是利用储能元件电感器L的电磁感应使电流不能突变的性质，把电感L与整流电路的负载串联，也可以起到滤波的作用。
3.复式滤波电路
当单独使用电容或电感进行滤波，效果仍不理想时，可采用复式滤波电路。
复式滤波电路常用的有三种类型，（17页）它们的电路组成原则是，把对交流阻抗大的元件（如电感、电阻）与负载串联，以降落较大的纹波电压，而把对交流阻抗小的元件（如电容）与负载并联，以旁路较大的纹波电流。
其滤波原理与电容、电感波类似。
本设计为简易直流稳压电源，综上所述，采用结构简单、价格低廉的电容滤波电路。
3.5稳压电路
由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。
因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能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所组成。
采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。
3.5.1结构与符号
将串联稳压电源和保护电路集成在一个器件上，这个器件就是集成稳压器。
早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个：
输入端、输出端和公共端，称为三端集成稳压器。
它的电路符号见图4，外形如图5所示。
图4电路符号图5三端集成稳压器外形
3.5.2线性三端集成稳压器的分类及型号
1.三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78--/CW78M--/CW78L--
2.三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79--/CW79M--/CW79L—
3.三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117--/CW117M--/CW117L--
CW217--/CW217M--/CW217L—
CW317--/CW317M--/CW317L--
4.三端可调负输出集成稳压器，国标型号为CW137--/CW137M--/CW137L—
CW237--/CW237M--CW237L—
CW337--/CW337M--/CW337L—
5.三端低压差集成稳压器
6.大电流三端集成稳压器
三端集成稳压器型号中数字含义：
1---为军品级；
2---为工业品级；
3---为民品级。
军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55℃～150℃；
工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25℃～150℃;
民品级多为塑料封装，工作温度范围0℃～125℃。
3.5.3三端集成稳压器的工作原理
现以具有正电压输出的CW78×
×
系列为例介绍它的工作原理。
图6是CW7800的电路原理图。
这个电路大体上可分成几个组成部分，其框图如图7所示，与典型的串联型稳压电路相比，多了保护电路和启动电路。
图6CW7800集成稳压电路原理图
图7CW7800集成稳压电路原理框图
1.调整管
由V16和V17组成复合调整管，采用复合结构可以用小电流推动较大的输出电流，并有很高的输入阻抗。
2.放大电路
由V3、V4及V9组成，为了提高放大器的输入阻抗，V3、V4管接成达林顿形式，为了增加放大器的增益，用V8、V9管组成的电流源作为集电极的有源负载，反馈电压Uk通过V6（V2作为有源负载）送到V3管的基极，放大管V4的集电极输出推动V16、V17，这样整个放大器具有很高的增益。
3.基准电路
由V1、V2、V5、V6、及R2等组成，我们知道稳压电源的输出电压与基准电压成一定比例关系，因此基准电压的稳定程度是决定稳压电源性能的关键。
这个稳压器的基准电压电路是与放大电路重合在一起的，由V6提供电流，这是一种零漂移基准源，它不仅克服了稳压管基准源的温漂，而且避免了齐纳管热噪声的影响。
从图中可以得出基准电压为
如果V3~V6管性能相同，则上式可表示为
根据V1、V2和V7组成的镜像电流源电路可得
式中UT为温度电压当量，常温下UT=26mV。
此式中前一项的温度系数是负值，后一项的温度系数是正值，选择合适的电阻值就可以使这两项的温度系数相互抵消，得到零温漂的基准电压，按图中标注的数值可得
此时输出电压
4.取样电路
由R19和R20组成，输出电压变化量与基准电压比较后送入误差放大器V3、V4的基极，由于V3、V4本身的b、e极PN结电压是基准电压的组成部分，所以误差放大器的工作状态受温度影响不大，工作稳定性好，假设由于负载变化引起输出电压增加，其变化量由电阻R19、R20取样后反馈到误差放大V3基极，使其电位提高，从而V3、V4集电极电流增大，其集电极电位下降，即调整管基极电位下降，输出管V17压差变大，输出电压降低，抵消了原来输出电压增大的变化，使输出电压保持稳定。
5.保护电路
CW7800中有3种保护：
过流保护、安全区保护和过流保护。
a、过流保护：
由R11和V15完成，R11串联在调整管V17的发射极和输出端之间，当输出电流超过额定值时（即R11上压降超过0.7V时），V15管由截止变为导通，使V16管基极电位降低，减少注入电流，从而限制了输出电流。
b、安全区保护：
由R13、V19、R12和V15管组成调整管安全工作区保护电路，在容许的工作电流下，V17管的基-射极压差限制在一定范围内（约0.7V），超过这个范围时，R13、V19支路将有电流通过，其中一部分注入V15管的基极，限制V17管的输出电流，V17管基射极压差越大，V15管基极注入电流也就越大，V17集电极电流就减少得越多，使V17的工作电压、电流都保持在安全工作区内。
c、热保护电路：
由R7和V14组成，R7是正温度系数的扩散电阻，V14管的b、e结电压具有负的温度系数，V14管的集电极接在V16管的基极上，温度较低时，R7上的压降不足以激励V14导通，对调整管没有影响，当芯片温度达到临界时，R7上的压降升高，V14管导通，集电极电位降低，从而减小V16、V17的输出电流，减小芯片的功耗，降低芯片的温度，达到过热保护的目的。
6.启动电路
由电阻R4、R5、R6稳压管V18、晶体管V12、V13组成，从图中可以看出前述放大、基准源和调整电路都是由V8和V9的电流源提供静态电流的，但V8和V9本身却未构成基流通路，因此在接入Ui后将因电流源状态未建立而使稳压电源无法工作，启动电路的作用就是要解决这个问题。
它的工作原理：
接通电源后，输入电压Ui使电阻R4和稳压管V18支路流过电流，此时V18有7V的稳定电压，从而使V12导通，约有1mA的恒定电流流过电阻R5、R6、R7，这时V13的基极电压Ub13约为
Ub13大于Ube13+Ube7+Ube1≈2.1V,所以V13及V7、V1晶体管均导通，从而有电流通过V1、V7、R1支路，V13的集电极与V8、V9的基极连接在一起，这样V8、V9有了基流，也导通了，建立了电路的工作点。
在整个电路正常工作后，Ue13约为UR-Ube6-Ube5≈3.4V，高于Ub13，因此V13管截止，将启动电路与基准电路的联系切断，避免了它对稳压性能的影响。
3.5.4三端集成稳压器的基本应用电路
基本应用电路如下图8所示。
由于输出电压决定于集成稳压器，所以输出电压为12V，最大输出电流为1.5A。
为使电路正常工作，要求输入电压UI比输出电压UO至少大2.5～3V。
输入端电容C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰。
一般取0.1～1μF。
输出端电容C2、C3用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。
D是保护二极管，用来防止在输入端短路时输出电容C3所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。
CW7900系列的接线与CW7800系列基本相同。
图8CW7800集成稳压器基本应用电路
由题目±
12V简易直流稳压电源的设计可知，本设计应采用CW7809和CW7909两只三端稳压器相结合并装设相关外围元件而成。
综合上面对CW7800和CW7900三端稳压器的简介可知，这样电路不仅满足了±
12V的电源输出，还能够满足了要求的输出电流1A、输出端具备短路和过流保护功能。
4基本原理
4.1电路的基本组成
一般直流稳压电源都使用AC220V市电作为电源，经过变压、整流、滤波后输送给稳压电路进行稳压，最终成为稳定的直流电源。
这个过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作直流稳压电源的基础电路，没有这些电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。
因设计任务中要求输入端须设上电指示灯，所以本次设计的小功率稳压电源由上电指示电路、变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路五个部分组成，如图9所示。
+上电+变压+整流+滤波+稳压+
u1指示u2u3u4uIU0
_电路_电路_电路_电路_电路_
（a）稳压电源的组成框图
u1u2u3u4uIU0
0t0t0t0t0t0t
（b）稳压电源各单元电压波形图
图9稳压电源的组成框图及电压波形图
4.2组成部件的功能
1.上电指示电路：
输入电源有电指示，接入电网220V交流电后指示灯亮。
2.变压电路：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
3.整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。
4.滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
5.稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
5各电路组成的元件选择与参数确定
5.1指示电路
普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。
它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。
普通红色发光二极管不能直接接到市电AC220V电路中。
由实践所得,普通红色发光二极管只要串接一只阻值为150kΩ、功率为1/4W的限流电阻后再接到市电AC220V电路中，便可作为上电指示电路。
5.2变压电路
由于CW7812最高输入电压为35V，输入电压UI比输出电压UO至少大2.5V，故CW7812的输入电压范围为：
即：
根据我国的220V电网的电压波动基本在10%左右，这里设计取
变压器变比：
变压器副边电流：
，取
，
因此，变压器每组副边输出功率：
变压器总的副边输出功率：
由于小型变压器副边功率在10~30V时的效率为
，所以变压器原边输入功率
，为留有余地，选用功率为50W的变压器。
5.3整流电路
流过整流二极管的平均电流为：
整流二极管承受的最高反向电压为：
1N4001的反向击穿电压
，额定工作电流
，故整流二极管选用1N4001。
5.4滤波电路
滤波电容大小可由纹波电压和稳压系数来确定。
因设计要求中对这两个参数没作要求，所以按正常范围选择滤波电容：
1000μF
滤波电容的耐压应
。
所以滤波电容选择1000μF/35V的电解电容即可。
5.5稳压电路
选择三端固定式集成稳压器CW7812的特性参数为输出电压
，最大输出电流
，最小输入输出压差
，均在上述计算范围内。
选择三端固定式集成稳压器CW7912的特性参数为输出电压
，均在计算范围内。
输入端电容C5、C6用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰，取0.47μF的。
输出端电容C7、C8用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用，C7、C8取0.1μF。
为了减小输出纹波电压，在输出端并联大容量电解电容C3、C4，C3、C4耐压应
，选取470μF/25V的电解电容。
取D5、D6是保护二极管，用来防止在输入端短路时输出电容C3、C4所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。
5.6稳压电源的保护电路
保护电路的主要作用是由微处理器对检测电路得到的各种信号进行算法处理，以判断为频器本身或系统是否出现了异常。
当检测到变频器或系统的异常时，则进行各种心要的处理，包括停止变频器的输出，以对变频器和系统提供保护。
为保护整个稳压电源，在上电指示电路前串接一只保险丝。
整个稳压电源的总电流略大于电源变压器的原边绕组的电流
考虑到电源变压器的瞬时冲击电流和留有余地，选用0.5A的保险丝。
6电路图及电路的工作原理
6.1±
12V简易直流稳压电源电路图
完整电路图如下见图10
图10±
6.2±
12V简易直流稳压电源电路的工作原理
输入市网电压AC220V、50Hz的交流信号后，通过0.5A保险丝FU送到上电指示电路和变压器的原边绕组，上电指示电路由1只普通红色发光二极管串接1只150kΩ、功率1/4W的限流电阻而成。
通过电源变压器得到较低的副边电压U2并送到整流电路。
整流电路由4个1N4001二极管组成桥式整流电路，当正弦交流电压为正的时候，D1、D3导通，当交流电压为负的时候D2、D4导通，是输出的电压周期变为原来的一半，且电压总为正，从而初步达到变交流电压为直流电压。
经过整流以后的电压Ui经过滤波电容C1、C2的滤波作用将整流以后的电压里的交流成分即纹波电压滤除。
当滤波电容不接负载时由于电容没有放电回路，所以输出的是一个恒定的电压量；
当滤波电容接负载的时候由于有了放电回路，而电容的放电时间常数为一定值，使放电的时间被控制在一定的范围，从而达到滤波的目的。
选用1000μF的电解电容作滤波电容。
每个稳压器输入和输出端接入的电容C5、C6、C7、C8是实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。
选用漏电流小的0.47μF的钽电容作为稳压器输入端的电容C5、C6；
0.1μF的钽电容作为稳压器输出端的电容C7、C8。
为了减小输出纹波电压，在输出端并联大容量470μF的电解电容作为C3、C4。
防止在输入端短路时输出电容C3、C4所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件，取D5、D6两只1N4001二极管如图跨接在稳压器的输入与输出端之间。
7主要元器件清单
元件表
符号
元器件名称
型号
数量
主要参数
FU
保险丝
1
0.5A
LED
发光二极管
红色
R1
限流电阻
150kΩ、1/4W
T
电源变压器
220V/2*13.8V，50W
D1~D6
二极管
1N4001
6
ID＝1A，URDM≥50V
C1、C2
电解电容
2
1000μF，35V
C3、C4
470μF，25V
C5、C6
电容
0.47μF
C7、C8
0.1μF
CW7812
稳压器
+12V，1A
CW7912
-12V，1A
参考文献
[1]李国锋，王宁会.电源技术.模拟部分（第四版）.大连理工
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