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济南能华介绍直流稳压电源课程设计
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济南能华介绍直流稳压电源课程设计

作者:www.nenghua.com.cn   发布日期:2014-08-29 12:05   信息来源:http://www.nenghua-china.com/

1.设计任务

设计一波形直流稳压电源,满足:

(1)当输入电压在220V±10%时,输出直流电压为12V,输出直流电流最大为500mA;

(2)输出纹波电压小于5mV,稳压系数小于5%

2.设计要求

直流稳压电源的基本要求:

在输入电压为220V,50HZ. 电压变化范围为+10%~-10%条件下:

a.输出直流电压为12V;

b.最大输出电流为:Iomax=500mA;

c.纹波电压(峰-峰值) ≤5mV(最低输入电压下,满载);

d.具有过流保护及短路保护功能;

e.画出总体设计框图,以说明直流稳压电源有哪些相对独立的功能模块组成,标出各个模块之间的联系、变化,并以文字对原理作辅助说明。设计各个功能模块的电路图,加上原理说明。

 

3.设计方案的选择与论证

方案一:简单的并联型稳压电源

并联型稳压电源的调整元件与负载并联,因而具有极低的输出电阻,动态特性好,电路简单,并具有自动保护功能;负载短路时调整管截止,可靠性高,但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流,损耗过大,因此在本实验中不适合此方案。

方案二:输出可调的开关电源

开关电源的功能元件工作在开关状态,因而效率高,输出功率大;且容易实现短路保护与过流保护,但是电路比较复杂,设计繁琐,在低输出电压时开关频率低,纹波大,稳定度极差,因此在本实验中不适合此方案。

方案三:由固定式三端稳压器(7812)组成

由固定式三端稳压器(7812)输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+12V,它属于CW78**系列的稳压器,输入端接电容可以进一步滤波,输出端接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路比较稳定。根据实验设计要求,本实验采用方案三。

4.电路的方框图及说明

直流稳压电源一般由电源变压器、整流、滤波电路及稳压电路所组成,基本框图如图4所示。各部分的作用:

(1)电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=η,式中η是变压器的效率。

(2)整流滤波电路:整流电路将交流电压U1变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分,输出纹波较小的直流电压U0。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等

整流桥将交流电压U2变成脉动的直流电压,再经滤波电容C滤波纹波,输出直流电压U0。

(3)电压输出稳压器

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。

5.单元电路的设计

5.1 电源变压器

图 5.1 电源变压器

电源变压器的作用是将交流220V的电压变为所需的电压值,然后通过的电压还随电网电压波动、负载何温度的变化而变化。

电源变压器参数选择

电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=η,式中η是变压器的效率。

一般小型变压器的效率为:

表 5.1 变压器的效率表

副边功率P/W

〈10

10-30

30-80

80-200

效率η

0.6

0.7

0.8

0.85

根据设计的要求,最终要输出12V的直流电压。若从变压器输出的送给整流滤波电路的电压U2为16V,则电容滤波电路的负载电压UC与U2的关系为:

UC =(1.1 ~ 1.2)V2       

UC = (1.2 * 16 )v= 19.2 v

为了稳定直流电压为12V,后面的稳压电路选用集成稳压器:LM7812CT。也就是说U2为16V符合要求。

于是变压器的变比n可以计算:

n = U1/U2 = 220/16 =  13.75

于是可以用变比n为14的功率为8W变压器。

5.2 整流电路

直流稳压电源课程设计0

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                        图5.2  单相桥式整流电路

1)电路组成及工作原理

桥式整流电路由四只二极管组成的一个电桥,电桥的两组相对节点分别接变压器二次绕组和负载。这种电路有三种画法,如图所示。在工作时,D1、D2与D3、D4两两轮流导通。在u2正半周,二极管D1和D2正向导通,而D3、D4反向截止,形成负载电流i0,i0流通路径为:a→D1→RL→D2→b→a,u0=u2;在u2的负半周,二极管D3和D4正向导通,而D1、D2反向截止,形成负载电流i0,i0流通路径为:b→D3→RL→D4→a→b, u0=-u2。由此可见,不论哪两只二极管导通,负载电流的方向都始终保持不变。

2)单相桥式整流电路参数计算

在桥式整流电路中,二级管是两两轮流导通,设计要求中要求最大输出IO为500mA,所以流经每个二极管的电流为:

ID  = 0.5IOMAX =(0.5 * 500)mA = 250 mA

而每个二极管所承受的最大反向电压为:URM  =  = 22.63 v

于是整流桥部分采用的是四个型号为 1N4007GP 的二极管构成。

一般电网电压的波动范围为+%10到-%10之间,实际上选用的二极管的最大整流电流和最高反向电压应该留有大于%10的余量。

 

5.3 滤波电路

1)工作原理

设u2波形如图5.3(b)所示,未接电容时,输出电压如图5.3(b)中的虚线所示。在u2正半周,设u2由零上升,二极管D导通,u0=u2,此时电源对电容充电,由于充电时间常数很小,电容充电很快,所以电容上升的速度完全跟得上电源电压的上升速度,uC=u2。当u2上升到峰值时,电容充电达到1.4u2,二极管D截止,随后u2下降,电容C向负载RL放电,放电时间常数为RLC,其值较大,所以电容电压下降的速度比u2下降到速度慢得多,此时负载电压靠电容C的放电电流来维持,u0=uC。当电容放电到b点时,uc<u2,二极管D又导通,电容又被充电。充电至1.4u2后,又放电。如此重复进行,就得到输出电压的波形如图5.3(b)中实线所示。由图可见,经电容滤波后,负载电压变得平稳,且平均值提高了。

               图5.3 单相桥式整流电容滤波电路及其波形图

2) 滤波电容参数计算

滤波电容C可由下式估算: 

C  = =  (0.01*500/5) mF  =  1 mF

为稳压器纹波电压,t为电容C的放电时间,t = 0.5 T = 0.01 s  IC为电容C的放电电流。

可取Ic = IOMAX ,滤波电容C的耐压值应该大于 。

还有   RLC = 0.5 * T * 4 = 2 T =( 2 *(0.02))s = 0.04 s

若考虑电网电压波动 %10, 则电容器承受的最高电压为:

UCM  =   * 1.1 = (1.4 * 16 * 1.1)v = 24.64 v

滤波电容C取容量为1mF,耐压为25V的电解电容。

5.4 稳压电路

根据课程设计任务书要求:电源输出电压为12V,输入电压为220V,最大输出电流为IO=500mA。因为集成稳压器比较方便,故采用LM7812CT集成稳压器组成稳压电路。

图5.4  LM7812CT集成稳压器

 

6. 直流稳压电源的总电路图及工作原理

直流稳压电源课程设计1

直流稳压电源的工作原理:

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