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1、小功率直流稳压电源的课程设计 西安科技大学高新学院 机电一体化课程设计报告名称小功率可调直流稳压电源 专业：机械设计制造及自动化 班级：机单0902 组号：第十组 组员：涂杉杉查欢杜照金胡宇晨指导教师：绍小强 实习时间：2022年7月2日至13日 目录 第一章绪论 (3) 1.1电路基本知识 (3) 1.2 电源变压器 (3) 1.2.1电源变压器概述 (3) 1.2.2电源变压器功能 (3) 1.2.3电源变压器的分类 (3) 1.2.4变压器的型式 (4) 1.3整流电路的基本知识 (4) 1.3.1单相桥式整流电路的工作原理 (4) 1.4直流稳压电路工作的原理 (6) 1.4.1串联型
2、稳压电路的工作原理 (6) 1.4.2具有放大环节的串联稳压电路 (7) 第一章绪论 1.1电路基本知识 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电，小功率的稳压电源是由电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路等四部分组成。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电，小功率的稳压电源是由电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路等四部分组成。 1.2 电源变压器 功率较小的直流电源大多数都是将50Hz的交流电经过整流、滤波和稳压后获得。整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是当输入交流
3、电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。 1.2.1电源变压器概述 过整流电路将交流变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。电源变压器的作用是将交流220V 的电压变为所需的电压值，然后同样的电压还随电网电压波动、负载何温度的变化而变化。 1.2.2电源变压器功能 电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。 1.2.3电源变压器的分类 根据传送功率的大小，电源变压器
4、可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA0.5kVA为中功率，0.5kVA25VA为小功率，25VA以下为微功率。 1.2.4变压器的型式 变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。 一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈(Primary coil);而跨于此线圈的电压称之为一次电压.。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈问的匝数比所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。
5、 1.3整流电路的基本知识 1.3.1单相桥式整流电路的工作原理 单相桥式整流电路如图1.3.1(a)所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI变成整流电路要求的交流电压，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。 单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。 在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图1.
6、3.1(a)中实线箭头表示。 在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图1.3.1(a)中虚线箭头所示。 1.3.2单相半波整流电路： 单相半波整流简单，使用器件少，它只对交流电的一半波形整流，只要横轴上面的半波或者只要下面的半波。但由于只利用了交流电的一半波形，所以整流效率不高，而且整流电压的脉动较大，无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，Vo=0.45Vi，变压器的利用率低。 1.3.3单相全波整流
7、电路： 使用的整流器件较半波整流时多一倍，整流电压脉动较小，比半波整流小一半。无滤 波电路时的输出电压Vo=0.9Vi，变压器的利用率比半波整流时高。变压器二次绕组需中心抽头。整流器件所承受的反向电压较高。 综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。 根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如1.3.1(c)。由图可见，通过负载RL的电流iL以及电压vL的波形都是单方向的全波脉动波形。 桥式整流电路的优点是输
8、出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51AG、QL62AL等，其中QL62AL的额定电流为2A，最大反向电压为25V1000V。故单相桥式整流电路常画成图1.3.1(b)所示的简化形式。 图1.3.1(a) 图1.3.1(b) 图1.3.1(c) 1.4直流稳压电路工作的原理 实用的串联型稳压电源至少包含调整管、基准电压电路、取样电路和比较放大电路四个部分组成。此外，为使电路
9、安全工作，还常在电路中加保护电路，如图所示。 图1.4串联型稳压电路方框图 1.4.1串联型稳压电路的工作原理 基本调整管电路： 如下图1.4.1（a）所示为稳压管稳压电路，负载电流最大变化范围等于稳压管的最大稳定电流和最小稳定电流之差，即（IZM-IZ）。 扩大负载电流的最简单方法是：利用晶体管的电流放大作用，将稳压管稳定电路的输出电流放大后，再作为负载电流。电路采用射极输出形式，因而引入了电压负反馈，可以稳定输出电压，如图1.4.1（b）所示，常见画法如图1.4.1（c）所示。 (a)稳压管稳压电路（b）加晶体管扩大负载电流的变化范围（c）常见画法 图1.4.1 基本调整管稳压电路 扩大负
10、载电流的最简单方法是：利用晶体管的电流放大作用，将稳压管稳定电路的输出电流放大后，再作为负载电流。电路采用射极输出形式，因而引入了电压负反馈，可以稳定输出电压，如图（b）所示，常见画法如图（c）所示。 调整管：晶体管的调节作用使UO稳定，晶体管称为调整管。 要使调整管起到调整作用，必须使它工作在放大状态。 串联稳压电源：由于调整管与负载相串联，故称这类电路为串联型稳压电源。 线性稳压电源：由于调整管工作在线性区，故称这类电路为线性稳压电源。 1.4.2具有放大环节的串联稳压电路 电路构成 基本调整管稳压电路的输出电压不可调，且输出电压因UBE的变化而变，稳定性较差。为了使输出电压可调，加深电压
11、负反馈，可在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。 电路如下图所示，由调整管、基准电压电路、取样电路和比较放大电路组成。 图1.4.2具有放大环节的串联稳压电路 稳压原理 当电网电压波动（或负载电阻的变化）使输出电压UO上升时，取样电压UN增大，由于稳压管的电压UZ不变，运放的输入电压UNP(=UN-UP=UN-UZ)增大，使A的输出减小（即调整管的基极电位降低），而使调整管T的c-e压降低增大，从而调节输出电压UO （=UI-Uce）减小。使输出电压得到稳定。 可见，电路是靠引入深度电压负反馈来稳定输出电压 输出电压的可调范围 当电位器R2的滑动端在最上端时，输出电压最小为 当电位器R2的
12、滑动端在最下端时，输出电压最大为 若R1=R2=R3=300，UZ=6V，则输出电压9VUO18V。 2.1.5 集成稳压器选用时的注意事项 在选择集成稳压器时，应该兼顾性能、使用和价格几个方面。性能指标主要根据 负载电压电流的大小、调整率的高低以及工作稳定范围的宽窄来选。 对电源精度要求较高的电子产品（例如通信设备、航空设备、高档仪器仪表等） 的稳压电源电路及使用电池供电的稳压电路，可选用低压差、低功耗的集成稳压器。 对输出电压需要关断控制的稳压电源电路，应选用多端可控式集成稳压器，五端集成稳压器。对需要同时生产+5V输出电压和复位电压的电源电路，可选用L78LR05、L78MR05等集成稳
13、压器。对需要多组不同输出电压的电源电路，可选用八端集成稳压器。 选择集成稳压器的主要参数确定集成稳压器的类型后，还应根据负载电路选择集成 稳压器的主要参数，包括输入电压、输出电压、输出电流、压差、电压调整率、电流调整率等。所选集成稳压器的输入电压应与整流滤波电路的输出电压（或电池的电压）相适应，其输出电压应与负载电路的工作电压值相同，其输出电流应大于负载电路的最大工作电流（要留有一定的功率余量）。要根据应用电路的电压极性选择正确的输出电压，即集成稳压器的输出电压极性应与应用电路的的电压极性相同。 第二章设计方案 一设计目的 1学习小功率直流稳压电源的设计与调试方法。 2掌握小功率直流稳压电源有
14、关参数的测试方法。 二设计任务及要求 1. 性能指标要求：V0=+5v 2. 技术指标：波纹电压5mv 3. 电压调整率k u3% 电流调整率：Ki1% 1.2.2、相关技术的介绍 集成稳压器的原理与分立晶体管稳压器基本相同，也是由调整元件、误差放大器、基准电压、比较取样等几个主要部分组成。但是集成稳压器充分利用了集成技术的优点，在线路结构和制造工艺上都采用了很多基本的模拟集成电路的方法。诸如偏置电路、电流源电路、基准电压源电路、各种形式的误差放大器和集成稳压器所特有的启动电路、保护电路等。与分立元件稳压器相比，集成稳压器具有体积小，成本低，使用方便，性能指标高的优点，这使得它的应用日趋广泛。
15、 1.3方案选择 方案一：运用基于LM317K可调式的稳压器电源 使用LM317K可调式稳压器，可连续输 出可调的直流正电压。稳压器内部含有过流，过热保护电路，该电路由电阻R 和可变电位器RP组成输出调节电压电路，其特点是输出电压连续可调，调节范围较宽，可达到1.2V37V，其负载调整率电压调整率等指标显然均优于固定式三点稳压器。但由于本次设计指标要求输出电压为+5V的直流稳定电压，故此可调式稳压器不宜采用。 方案二：运用基于LM7805固定式三端稳压器 使用LM7805三端稳压器，输入端接电 容可以进一步滤波，而输出端接电容还可以改 善负载的瞬间影响。此电路的稳定性比可调式 三端稳压器要好。
16、不仅如此，该固定式三端稳压电路的稳压值为+5V，恰好合适我们本次设计输出电压的要求。因此，综合考虑起来，应该选择方案二比较合适。 三实验原理 小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图1所示。 + 电源+ 整流+ 滤波+ 稳压+ u1u2 u3 u I U0 _ 变压器_ 电路_ 电路_ 电路_ （a）稳压电源的组成框图 u u u3 b 图1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程 电源变压器：将交流电网所提供的50Hz 220V电压变换成符合整流需要的交流电压； 整流电路：利用具有单向导电性的元件如二极管，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向脉动的直流电压； 滤波电路：利用电感电容等储能元件，尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使之输出比较平滑的直流电压； 稳压电路：采用某种措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流波动是保持稳定。本次设计采用LM7805三端固定式集成稳压器。 1.3.2详细原理设计 .1 原理图 2 LM7805固定式三端稳压器应用电路 图为LM7805基本应用电路。图 中C2用于抑制芯片的自激振荡，应尽 量靠近稳压器的管脚。C3用于限制芯