實驗九直流穩(wěn)壓電源的設計一．實驗目的1．學習小功率直流穩(wěn)壓電源的設計與調試方法。2．掌握小功率直流穩(wěn)壓電源有關參數(shù)的測試方法。二．預習要求1．根據(jù)直流穩(wěn)壓電源的技術指標要求，按照教材中介紹的方法，設計出滿足技術指標要求的穩(wěn)壓電源。根據(jù)設計與計算的結果，寫出設計報告。2．制定出實驗方案，選擇實驗用的儀器設備，三．實驗原理小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，如圖1所示。圖1穩(wěn)壓電源的組成框圖與整流與穩(wěn)壓過程1．電源變壓器電源變壓器的作用是將來自電網的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。電源變壓器的效率為：P—2P1其中：P2是變壓器副邊的功率，P］是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1所示：表1小型變壓器的效率副邊功率P2<10VA10?30VA30?80VA80?200VA效率耳0.60.70.80.85因此，當算出了副邊功率P2后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率P］。2．整流和濾波電路在穩(wěn)壓電源中一般用四個二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓u2變換成脈動的直流電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流電壓u3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U［。U］與交流電壓U2的有效值u2的關系為：U=（1.1?1.2）UI2在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：U=J1UTOC\o"1-5"\h\zRM 2流過每只二極管的平均電流為：I 0.45U\o"CurrentDocument"I=R= 2d2R其中：R為整流濾波電路的負載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時間常數(shù)RC應滿足：RC〉□￡2其中：T=20ms是50Hz交流電壓的周期。3．穩(wěn)壓電路由于輸入電壓u1發(fā)生波動、負載和溫度發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓UI會隨著變化。因此，為了維持輸出電壓UI穩(wěn)定不變，還需加一級穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當外界因素〔電網電壓、負載、環(huán)境溫度〕發(fā)生變化時，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。采用集成穩(wěn)壓器設計的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結構簡單等優(yōu)點。集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調式，此外又可分為正電壓輸出或負電壓輸出兩種類型。（1）固定電壓輸出穩(wěn)壓器常見的有CW78xx〔LM78xx〕系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79xx〔LM79xx〕系列三端固定式負電壓輸出集成穩(wěn)壓器。三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個接地端子。型號中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓的穩(wěn)定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。穩(wěn)壓器使用時，要求輸入電壓U］與輸出電壓U。的電壓差UI-U°22V。穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流I=8mA。當U=5?18V時，的最大值UI=35V；當U=18?24V時，UIo o I Imax o I的最大值UImax=40V。它們的引腳功能與組成的典型穩(wěn)壓電路見附錄圖A所示?！?〕可調式三端集成穩(wěn)壓器可調式三端集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可以連續(xù)調節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317系列〔LM317〕三端穩(wěn)壓器；有輸出負電壓的CW337系列〔LM337〕三端穩(wěn)壓器。在可調式三端集成穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的三個端是指輸入端、輸出端和調節(jié)端。穩(wěn)壓器輸出電壓的可調X圍為U=1.2?37V，最大輸出電流I=1.5A。輸入電壓與輸出電壓差的允許X圍為：o omaxU［-U°=3?40V。三端可調式集成穩(wěn)壓器的引腳與其應用電路見附錄圖B。三．穩(wěn)壓電源的設計方法：穩(wěn)壓電源的設計，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓AUo o op-p等性能指標要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。穩(wěn)壓電源的設計可以分為以下三個步驟：1）根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓U、最大輸出電流I，確定穩(wěn)壓器的型號與電路形式。o omax2） 根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓U廠確定電源變壓器副邊電壓u2的有效值U2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流I0max，確定流過電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓器副邊的功率P2；根據(jù)p2,從表1查出變壓器的效率n,從而確定電源變壓器原邊的功率P］。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。3） 確定整流二極管的正向平均電流ID、整流二極管的最大反向電壓U和濾波電容DRM的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流二極管和濾波電容。設計舉例：設計一個直流穩(wěn)壓電源，性能指標要求為：U=+3V?+9V,I 二800mA,o omax紋波電壓的有效值AU<5mV,穩(wěn)壓系數(shù)S<3x10-3ov設計步驟：1）選擇集成穩(wěn)壓器，確定電路形式TOC\o"1-5"\h\z集成穩(wěn)壓器選用CW317，其輸出電壓X圍為：U二1.2?37V，最大輸出電流I 為o omax1.5A。所確定的穩(wěn)壓電源電路如圖2所示。在圖2電路中，R和R組成輸出電壓調節(jié)電路，輸出電壓U沁1.25（1+RR）,1 w o w1R取120?2400，流過R的電流為5?10mA。取川=24oQ，則由U二1.25（1+R/R）,1 1 1 o w1可求得：R 二2100,R二9300，故取R為2k0的精密線繞電位器。wmin wmax w2）選擇電源變壓器

由于CW317的輸入電壓與輸出電壓差的最小值S-U)二3V，輸入電壓與輸出電Iomin壓差的最大值S-U)二40V，故CW317的輸入電壓X圍為：IomaxU+(U—U) <U<U+(U—U)omaxIominI omin Iomax即 9V+3V<U<3V+40VI12V<U<43VIU>UImin=12=11V,取U=12V21.11.12變壓器副邊電流：I>I=0.8A，取I=1A，2omax 2因此，變壓器副邊輸出功率：P>IU=12W222由于變壓器的效率n=由于變壓器的效率n=0.7，所以變壓器原邊輸入功率p>為留有余地，選用功率為20W的變壓器。3）選用整流二極管和濾波電容=0.8A。0max由于：U>42u=、遼X12==0.8A。0maxTOC\o"1-5"\h\zRM 2IN4001的反向擊穿電壓U >50V，額定工作電流I=1A>I ，故整流二極管RM D 0max選用IN4001。根據(jù)U=9V,U=12V,AU =5mV,S=3x10-3，0I0p—pv和公式c AU/AU°=常數(shù) 1-v U/U0?I-=常數(shù)AUU0.005x12可求得：AU= op—_L=2.2VI US9x3x10-30v所以，濾波電容：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"T11I-- 0.8x x-C=—c-=^^2= =0.003636F=3636uF\o"CurrentDocument"AUAU 2.2II電容的耐壓要大于v2U=\2X12=17V，故濾波電容C取容量為4700卩F，耐壓2為25V的電解電容。

四．穩(wěn)壓電源的安裝與調試按圖3所示安裝集成穩(wěn)壓電路，然后從穩(wěn)壓器的輸入端加入直流電壓U/<12V，調節(jié)RW，按圖3所示安裝集成穩(wěn)壓電路，然后從穩(wěn)壓器輸出電壓也跟著發(fā)生變化，說明穩(wěn)壓電路工作正常。用萬用表測量整流二極管的正、反向電阻，正1r確判斷出二極管的極性后，按圖4所示先在變壓器U[的副邊接上額定電流為1A的保險絲，然后安裝整C-流濾波電路。安裝時要注意，二極管和電解電容的極性不要接反。經檢查無誤后，才將電源變壓器與整流濾波電路連接，通電后，用示波器或萬用表圖3穩(wěn)壓電路檢查整流后輸出電壓U[的極性，若U[的極性為負，〔其中：D5、D6為IN4001型二極管,則說明整流電路沒有接對，此時若接入穩(wěn)壓電路，C]=0.1卩F,C2=10gF，C0=1卩F輸出電壓也跟著發(fā)生變化，說明穩(wěn)壓電路工作正常。用萬用表測量整流二極管的正、反向電阻，正1r就會損壞集成穩(wěn)壓器。因此確定UI的極性為正后，斷開電源，按圖2所示將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路連接起來。0 然后接通電源，調節(jié)Rw的值，若輸出 u1電壓滿足設計指標，說明穩(wěn)壓電源中各~220V級電路都能正常工作，此時就可以進行各項指標的測試。圖4整流濾波五．穩(wěn)壓電源各項性能指標的測試1．輸出電壓與最大輸出電流的測試測試電路如圖1．輸出電壓與最大輸出電流的測試測試電路如圖5所示。一般情自耦變壓器電流1要小于最大輸出電流1 , ~o omaxI。電流表V電取10二0.5A，可算出Rl=18Q，電路工作時R上消耗的功率為：I。電流表V電LP二UI二9x0.5二4.5WL oo故R取額定功率為5W,阻值為圖5穩(wěn)壓電源性能指標的測試電路L18Q的電位器。測試時，先使R二18。，交流輸入電壓為220V,用數(shù)字電壓表測量的電壓值就是U。Lo

然后慢慢調小R，直到u的值下降5%,此時流經R的電流就是I ，記下I后,LoLomax omax要馬上調大R的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。L2．穩(wěn)壓系數(shù)的測量按圖5所示連接電路，在U二220V時，測出穩(wěn)壓電源的輸出電壓U。然后調節(jié)自耦1o變壓器使輸入電壓Ui二242V，測出穩(wěn)壓電源對應的輸出電壓uoi；再調節(jié)自耦變壓器使輸入電壓U二198V，測出穩(wěn)壓電源的輸出電壓U2。則穩(wěn)壓系數(shù)為:1 o21220242-1220242-198U-U—o1 o2Uo3．輸出電阻的測量按圖5所示連接電路，保持穩(wěn)壓電源的輸入電壓U1二220V，在不接負載Rl時測出開路電壓Uo1，此時Io1=0，然后接上負載rl,測出輸出電壓U°2和輸出電流Io2，則輸出電阻為:U-UU-UTOC\o"1-5"\h\zR=——o1 o2=—o1 o2\o"CurrentDocument"oI—I Io1o2 o24．紋波電壓的測試用示波器觀察U的峰峰值，〔此時Y通道輸入信號采用交流耦合AC〕，測量AUo op-p的值〔約幾mV〕。5．紋波因數(shù)的測量用交流毫伏表測出穩(wěn)壓電源輸出電壓交流分量的有效值，用萬用表〔或數(shù)字萬用表的直流電壓檔測量穩(wěn)壓電源輸出電壓的直流分量。則紋波因數(shù)為:輸出電壓交流分量的有效值Y=輸出電壓的直流分量六．實驗內容:1．設計一個輸出電壓連續(xù)可調的穩(wěn)壓電源，性能指標為:輸出電壓U0=〔+3?+12V〕；最大輸出電流I =100mA0 0max負載電流I二80mA0紋波電壓AU <5mVop—p穩(wěn)壓系數(shù)S<5x10-3v2．按照教材中所介紹的方法，設計滿足以上性能指標的穩(wěn)壓電源，計算出穩(wěn)壓電源中

各元件的參數(shù)，安裝和調試電路。在保證電路正常工作后，測出穩(wěn)壓電源的性能參數(shù)U 、U、I、S、0min0max0maxvR、AU和丫。0 op-p七.實驗報告要求列出設計題目和技術指標要求。列出設計步驟和電路中各參數(shù)的計算結果。畫出標有元件值的電路圖。列出性能指標的測試過程整理實驗數(shù)據(jù)，并與理論值進行比較。附錄：1.固定式三端穩(wěn)壓器的引腳圖與典型應用電路〔a〕CW78xx系列的引腳圖與應用電路〔b〕CW79xx系列的引腳圖與應用電路〔其中：C〔a〕CW78xx系列的引腳圖與應用電路〔b〕CW79xx系列的引腳圖與應用電路〔其中：C1=0.33yF,Co=0.1gF，C「〔其中：C1=2.2yF,CO=1嚇〕Co采用漏電流小的鉭電容〕圖A固定式三端穩(wěn)壓器的引腳圖與應用電路說明：穩(wěn)壓器輸入端的電容C1用來進一步消除紋波，此外，輸出端的電容Co與C1起到了頻率補償?shù)淖饔?，能防止自激振蕩，從而使電路穩(wěn)定工作。2.可調式三端穩(wěn)壓器的引腳圖與其典型應用電路在圖B(a)中，比與Rw組成輸出電壓3CW317討調節(jié)電路，輸出電壓Uo~1.25(1+Rw/RJ,Cw317i1Io w1R1的值為120?240Q，流經R1的泄放電 1』3流為5?10mA。R為精密可調電位器。電RW CwW2容C]可以進一步消除紋波，電容C1與C°arjUoUi還能起到相位補償作用，以防止電路產生〔a〕CW317系列引腳圖與應用電路自激振蕩。電容C2與Rw并聯(lián)組成濾波電其中：C1=0.01gF,C2=10gF，CO=1gF,路，電位器Rw兩端的紋波電壓通過電容C2R]=200Q,RW=3kQ,D5用IN4001旁路掉，以減小輸出電壓中的紋波。二極管D5的作用是防止輸出端與地短路時，因