直流稳压电源的制作与调试教学课件PPT.ppt

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1、设计题目:,直流稳压电源 设计要求：输入交流电(220V/50Hz)；输出4路直流电(+5V、+12V、-12V 及+1.25V+14V可调）。各路直流输出电流0.5A纹波电压50mV,设计目的：通过设计能独立完成小功率稳压电源的设计运算、元器件选择、安装调试及技术指标测试。进一步加深对稳压电路工作原理、性能指标实际意义的理解，达到提高工程实践能力的目的。,第一部分 直流稳压电源的组成原件选型及型号参数电路仿真电路板设计电路的安装与调试电路的参数测定,一个完整的小功率直流稳压电路由电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路四部分组成：电源变压器：用来将电网220V的交流电压转换为所需要的电压值

2、送入整流电路；整流电路：将交流电压变成脉动的直流电压。（但此脉动的直流电压含有较大的纹波）滤波电路：把脉动的直流电压的纹波加以滤除，从而得到平滑的直流电压。（但这样的电压还随着电网电压的波动、负载和温度的的变化而变化稳压电路：当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。,综述,一、直流稳压电源组成,变压器：,整流：,滤波：,稳压：,交流降压,滤除脉动,交流变脉动直流,进一步消除纹波，提高电压的稳定性和带载能力,整 流 电 路,滤 波 电 路,稳 压 电 路,一个完整的直流稳压电源由如下四部分组成,交流电压转变为单向脉动的电压。,（一）、整流电路的任务：,（二）、技术指标：,1 衡量

3、整流工作性能的参数,输出电压平均值VO（AV）-反映整流电路将交流电压 转换为直流电压的能力。,脉动系数S-反映整流输出电压中交流成分的大小，用来衡量整流电路输出平滑程度。S=VOr/VO（AV),谐波电压总有效值,直流电压,二、整流电路,（三）、常用单相整流电路分类1、半波整流（1个二极管完成）2、全波整流（2个二极管完成）3、桥式整流（4个二极管完成）,（四）、半波整流电路,二极管导通，忽略二极管正向压降，uo=u2,为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,二极管截止,uo=0,u2 0 时:,u20时:,（1）、工作原理,（2）、单相半波

4、整流电压波形,3、输出电压平均值（Uo）、输出电流平均值（Io),Io=Uo/RL=0.45 U2/RL,4、二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：,二极管上的平均电流：,ID=IO,承受的最高反向电压:,（五）、单相全波整流电路,变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2,当u2正半周时：D1导通，D2截止。,当u2负半周时：D2导通，D1截止。,1、单相全波整流电路工作原理,2、单相全波整流电压波形,+,忽略二极管正向压降,3、输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io),Io=Uo/RL=0.9 U2/RL,4、二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：,二极管上的平均电流：,二极管

5、承受的最高反向电压：,（六）、单相桥式整流电路,电路组成：由四个二极管组成桥路,.工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D1、D3 导通，D2、D4 截止。,.工作波形,.电路结构,1、单相桥式整流电路（正半周）工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 1、3 导通，2、4 截止。,u 负半周，VaVb，二极管 2、4 导通，1、3 截止。,2、单相桥式整流电路（负半周）工作原理,脉动系数,平均整流电流,最大反向电压,3、指标计算,（一）、几种滤波电路,（a）电容滤波电路,（b）电感电容滤波电路（倒L型）,（c）型滤波电路,三、滤波电路,（2）、滤波原理,利用储能元件电容两端的电压(或通过电感

6、中的电流)不能突变的特性（电抗元件的储能作用）,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。,以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。,桥式整流电容滤波电路,（3）、电容滤波电路分析,、RL未接入,充电结束,没有电容时整流的输出波形,（2）接入RL时,u2uC时：二极管截止，CRL放电。,放电,充电,u2 uC时：二极管D1、D3导通，一方面向RL提供电流，另一方面向c充电。,、流过二极管瞬时电流很大。,RLC 越大 Uo越高 负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大,故一般选管时，取,（4）、电容滤波电路的特点,、输出电压 U

7、o与放电时间常数 RLC 有关。,RLC 愈大 电容器放电愈慢 纹波减小V o愈大,以下主要讨论线性串联式稳压电路,电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。,效率较高，目前用的也比较多。,四、稳压电路,（一）、常用稳压电路,晶体管串联型稳压电源原理图,工作原理：,输出电压,输出电压变化量,输入调整因数,电压调整率,稳压系数,输出电阻,温度系数,（二）、稳压电源质量指标,（三）、三端集成稳压器,随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入端、输出端、公共引出端，故称之为集成三端

8、稳压器。本节主要介绍常用的W7800(W7900)系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。电路内部附有短路和过热保护环节。,.外形及引脚功能,W7800系列稳压器外形,W7900系列稳压器外形,塑料封装,.性能特点（7800、7900系列）,输出电流超过 1.5 A（加散热器）不需要外接元件内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为 4%,输出电压额定值有:（5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V）等。,注：型号后XX两位数字代表输出电压值,输出额定电压值有如下系列:,5V、9V、12V、15V、18V、24V等。,.固定集成三端稳压器,.集成三端

9、稳压器分类,输出为固定正电压时的接法,输入与输出之间的电压不得低于3V！,0.11F,1F,用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。即用以改善波形。,为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。,.可调集成三端稳压器：,正CW117-/CW117M-/CW117L电CW217-/CW217M-CW217L压CW317-/CW317M-/CW317L,负CW137-/CW137M-/CW137L电CW237-/CW237M-CW237L压CW337-/CW337M-/CW337L,1为军品级；2为工业品级；3为民品级,第二部分 直流稳压电源的组成

10、原件选型及型号参数电路仿真电路板设计电路的安装与调试电路的参数测定,1、变压器选择根据设计要求：（1）4路直流电压输出（+5V、12V、以及+1.25V+14V可调）。（2）各路直流输出电流0.5A最大输出电压为14V，根据第一节计算公式，加滤波电容后，直流输出电压UO 1.2 U2，所以要选择双端输出变压器，并且变压器副边输出电压为(14+3)/1.4=12.14V。结合输出电流要求，电源变压电路选择I/P 220V50Hz,O/P 12V2，600mA的变压器。,2、整流电路选择由理论可知，全波整流和桥式整流的效率均为UO=0.9U2,全波整流的二极管最大反向耐压值为2.82U2。管子导通

11、电流为0.5IO=250mA。查手册可知，常用整流二极管1N4007最大反向耐压为1000V，最大正向平均整流电流为1A，完全可以满足本设计要求。因此采用1N4007搭成单相全波整流电路作为直流电源的整流电路。,3、滤波电路选择由于输出最大电压为14V，电流最小0.5A，所以，RL=28。采取简单的电容滤波，为获得较为平滑的负载电压，一般时间常数=RLC（35）T/2.取RLC=5 T/2，得C=1786F,考虑电网电压波动10%，则电容所能承受的最高电压为1.1 U2 1.414=18.67V，所以采用2200F/25V的电解电容作为滤波电容。,4、稳压电路的选择根据输出要求可知，有固定输出

12、和可调输出两种。由于集成稳压器具有稳定性高以及完善的内部保护措施，并且使用方便、价格低廉，所以决定采用7812、7912、7805作为固定稳压器，纹波电压均可在50mV以下，输出电流可达到1.5A。采用LM317作为可调稳压器，纹波电压均可在50mV以下；输出电流方面，317系列TO220封装也可达到1.5A。完全满足设计要求。故采用上述器件作为整个电源的稳压部分。,第三部分 直流稳压电源的组成原件选型及型号参数电路仿真电路板设计电路的安装与调试电路的参数测定,计算机辅助电路分析 Multisim仿真,Multisim 基础,Electronics Workbench(EWB)是加拿大IIT公

13、司于八十年代末、九十年代初推出的用于电路仿真与设计的EDA软件，又称为“虚拟电子工作台”。IIT公司从EWB6.0版本开始，将专用于电路仿真与设计模块更名为MultiSim，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的仿真元件数量，使仿真设计更精确、可靠。Multisim意为“万能仿真”,Multisim 基础,加拿大IIT公司EWB4.0EWB5.0EWB6.0Multisim2001Multisim 7Multisim 8美国国家仪器（NI）有限公司Multisim 9Multisim 10Multisim 11Multisim 12,Multisim 基础,Multisim1

14、2 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的EDA软件，专门用于电子电路仿真与设计，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。目前在各高校教学中普遍使用Multisim10，官方最新版Multisim12，操作更简单明了，器件模型更精确、可靠。电子通信类其它常用的仿真软件System view-数字通信系统的仿真Proteus单片机及ARM仿真LabEW虚拟仪器原理及仿真,直流工作点分析交流分析暂态分析傅立叶分析噪声分析失真分析直流扫描灵敏度分析,Multisim主要功能,参数扫描温度扫描零-极点分析传输函数分析最坏情况分析,Multisim界面介绍,仪器仪表栏,启动/停止按钮,电路窗口,信息输出窗

15、口,工具栏,菜单栏,元器件栏,Multisim 元件库,电源库（Sources）基本元件库（Basic）二极管库（Diodes Components）晶体管库（Transistors Components）模拟元件库（Analog Components）TTL元件库（TTL）CMOS元件库（CMOS）其他数字元件库（Misc Digital Components）混合芯片库（Mixed Components）指示器件库（Indicators Components）功率元器件库（Power Components）其他元器件库（Misc Components）控制器件库（Control Compo

16、nents）射频器件库（RF Components）机电类器件库（Elector-Mechanical Components）,连接器库MCU器件库子电路模块总线,Multisim 仪器仪表库,数字万用表函数信号发生器瓦特表示波器4通道示波器波特图仪计数器字信号发生器逻辑转换仪逻辑分析仪IV分析仪失真分析仪,光谱分析仪网络分析仪AG函数发生器AG万用表AG示波器TK示波器探针测量LABVIE虚拟仪器NI 仪器电流探针,直流稳压电源仿真图,直流稳压电源分成四个部分仿真,变压电路仿真 整流电路仿真 滤波电路仿真 稳压电路仿真,变压电路元器件清单,直流稳压电源仿真图-变压电路,N1:N2=220:1

17、2=18.33,220V市电,变压器副边电压,变压器原边和副边波形,变压器两个副边波形,直流稳压电源分成四个部分仿真：,变压电路仿真 整流电路仿真 滤波电路仿真 稳压电路仿真,直流稳压电源仿真图-整流电路,常用单相整流电路分类1、半波整流2、全波整流3、桥式整流,单相半波整流,整流电路元器件清单,直流稳压电源仿真图-半波整流电路,半波整流系数0.45，故理论上半波整流电压为：UzL=0.4512=5.4V,变压器副边波形与半波整流波形,单相全波整流,+,直流稳压电源仿真图-全波整流电路,全波整流系数0.9，故理论上半波整流电压为：UzL=0.912V=10.8V,变压器副边波形与全波整流波形,

18、单相桥式整流电路,直流稳压电源仿真图-桥式整流电路,全波整流系数0.9，故理论上半波整流电压为：UzL=0.912=10.8V,变压器副边波形与桥式整流波形,直流稳压电源分成四个部分仿真：,变压电路仿真 整流电路仿真 滤波电路仿真 稳压电路仿真,电容滤波电路,RL接入,RL未接入,Uo=1.2U2,Uo=1.414U2,滤波电路元器件清单,直流稳压电源仿真图-滤波电路,负载开路系数1.414，理论上滤波电压为：UzL=1.41412=16.97V,变压器副边波形与滤波波形,(负载开路),直流稳压电源仿真图-滤波电路,负载闭合系数1.2，理论上滤波电压为：UzL=1.212=14.4V,变压器副

19、边波形与滤波波形,(负载闭合),直流稳压电源仿真图-滤波电路,负载闭合，减小电容C1，滤波电压进一步降低。,变压器副边波形与滤波波形,(负载闭合),C减小，放电时间减小，放电波形下降明显。,直流稳压电源分成四个部分仿真,变压电路仿真 整流电路仿真 滤波电路仿真 稳压电路仿真,输入与输出之间的电压不得低于3V！,稳压电路,0.11F,1F,稳压电路元器件清单,稳压电路元器件清单,直流稳压电源仿真图-稳压电路,78系列输出稳定正电压，79系列输出负电压，317输出可调电压。,刚上电，纹波较大，稳定后纹波减小,示波器观察纹波（交流）,示波器观察纹波（交流）,直流稳压电源仿真图,第四部分 直流稳压电源

20、的组成原件选型及型号参数电路仿真电路板设计电路的安装与调试电路的参数测定,在原理确定，器件选型结束后，可以开始制作PCB。具体步骤如下：1、原理图的绘制 按照第一部分所述原理，利用Altium Desginer 软件进行绘制。注意：（1）元器件管脚要正确连接，如7812,7912的管脚使用区别。（2）原件标识直观明了（3）原理图层次清晰,原理图,直流稳压电源原理图,直流稳压电源原理图,2、建立元器件封装库根据所选原件型号，仔细查阅数据手册。根据手册中器件尺寸图，使用正确的器件封装。注意：（1）遇到库中不存在的器件封装，如散热片，手动绘制封装时，需要仔细测量其尺寸。,3、PCB的绘制要求：布局合

21、理，布线清晰。注意：（1）散热片与电解电容距离要适中，防止电容受热老化（2）使用覆铜作为地平面（地线）。,插入pcb图,第五部分 直流稳压电源的组成原件选型及型号参数电路仿真电路板设计电路的安装与调试电路的参数测定,拿到PCB板后，就可以进行焊接、装配与调试工作：1、元器件检查与整形 检查PCB是否有断线、短路、破损等情况；检查元件型号、数量是否与清单一致；对主要元器件（如变压器、整流二极管等）进行参数测定。使用工具对相关元件按照相关技术规范进行整形。（严禁粗暴整形）,2、焊接焊接要按元器件从低到高的顺序，依次进行。焊点要有光滑整齐的外观，足够的机械强度以及可靠的电气连接。3、装配首先需测量变

22、压器原、副边线圈的直流电阻。变压器原、副边抽头需要从PCB板的洞穿过在要接到地线上。第二需测量220V电源线通断情况。220V电源线与变压器原边接线需要绞紧后再焊接，并且要有热缩管保护，防止触电短路。,4、测量（1）检查电源插头是否短路（测量电源插头处的直流电阻大约为1.2K）。（2）各输出对地是否短路。若上述两步均可通过，即可进行通电检查。逐级测量各点参数是否符合设计要求。,5、常见问题处理,变压器副边无输出 断电后检查副边线圈电阻，若电阻为无穷大，更换新的变压器。整流电路输出电压不达标 整流二极管方向是否正确；滤波电容发热 电容极性及整流二极管方向是否正确；电源指示灯不亮 发光二级管极性是

23、否正确，限流电阻是否焊接正确。稳压输出电压不正常 是否正确安装稳压器；电压调整电路是否焊接正常。,第六部分 直流稳压电源的组成原件选型及型号参数电路仿真电路板设计电路的安装与调试电路的参数测定,实物调试好后，进行参数测量：1、电压输出测量用万用表直流电压档测量各路输出。2、最大输出电流测量外加可调大功率电阻，搭建电流测量电路，由大到小调整电阻，记录输出电流。当电压突然出现跌落时，说明已超过其最大输出电流，应及时断开测量回路。此时对应的电流即为最大输出电流。3、纹波电压测量使用数字示波器，切换至交流输入型，此时采入的波形即为纹波电压，如后图所示，放大波形，读取峰峰值即可。,输出电压波形,纹波电压

24、波形,纹波电压:指的是一个直流电压中的交流成分。产生的原因是：1、滤波不干净2、负载 的波动,纹波电压FFT分析,由图可知：纹波电压小于 10mV，满足设计要求。经过FFT分析，可知全波整流后，100Hz处有最大幅值存在，符合电路幅频特性。,第七部分-论文撰写,（1）封皮（2）设计任务书（3）论文目录（4）论文摘要（5）论文内容,主要内容：晶体管串联型稳压电源电路原理图；电路框图；简述整流、滤波、稳压部分的电路组成、元器件作用、参数计算、工作原理、电路波形。固定输出稳压电源 电路原理图；电路组成；工作原理；参数计算；电路波形。可调输出稳压电源 电路原理图；简述电路组成；工作原理；电路参数计算；

25、电路波形。,第七部分-论文撰写,（1）封皮（2）任务书（3）目录（4）摘要（5）关键词（6）内容,主要内容：晶体管串联型稳压电源电路原理图；电路框图；简述整流、滤波、稳压部分的电路组成、元器件作用、参数计算、工作原理、电路波形。固定输出稳压电源 电路原理图；电路组成；工作原理；参数计算；电路波形。,可调输出稳压电源 电路原理图；简述电路组成；工作原理；电路参数计算；电路波形。元件清单 参考资料 稳压电源实物照片 实际焊接过程中遇到的问题及解决方案 实践小结（收获、体会及建议）,论文格式,目（空格）录1（空一格）（章名称）1.1（四号黑体）1.2（四号黑体）1.2.1（小四号宋体，加粗）2（另起

26、页）2.1（四号黑体）正文段落格式：1.各级标题：行间距18磅，段前段后间距=0.5行。2.正文：行间距18磅，段前段后间距=0 行。1（空一格）（章名称：小三号、黑体、居中）1.1（四号黑体）（内容小四号宋体）,1.2（四号黑体）（内容小四号宋体）1.2.1（小四号宋体，加粗）（内容小四号宋体）2.1（四号黑体）参考文献（四号、黑体、顶格）（举例如下）12（另起页）附录（四号、黑体、顶格）附录1：附录2：,附录1-1、晶体管串联型稳压电源框图,串联型稳压电源组成：1.调整电路：（调整电路的核心是调整管，输出电压的稳定通过调整管的调节作 用来实现，当电网电压波动及负载变化时，调整管电压降相应改

27、变，使输出电压保持稳定。由于调整管与负载是串联：，V0稳压过程相反。2.取样电路：-原理自行补充 3.基准电压电路：4.比较放大电路：5.过载保护电路：,附录1-2、晶体管串联型稳压电源原理图,主要技术指标：1.输入电压：AC:220V2.K1输出电压选择开关，K2输出电压极性选择开关。3.输出直流稳压：DC：3V、4.5V、6V三档。4.输出直流电流：额定值150mA，最大值 300mA。5.具有过载，短路保护，故障消除后自动恢复。,附录1-3、晶体管串联型稳压电源元件清单,附录2-1、固定输出稳压电源原理（仿真）图,附录2-2、固定输出稳压电源原理图,附录2-3、固定输出稳压电源PCB板图,附录2-4、固定输出稳压电源元器件清单,祝大家顺利完成任务！,