模拟电子技术实验指导书 实验四可调直流稳压电源设计 、设计内容 设计并制作一个输出电压为连续可调、具有输出保护功能的直流稳压电源。 二、设计要求 输入电压:220V±10% 输出电压UG:1~15V连续可调 最大输出电流:lom:0.5A 稳压系数:≤0.05 输出纹波电压:≤10mV 具有过流保护功能。 总体设计方案提 直流稳压电源是电子电路和电子系统中不可或缺的重要组成部分。目前,集成稳压 器已在电源设备中得到广泛使用。但是从成本和实用性来看,用集成运算放大器组成的 各种稳压器仍有着广泛应用,况且二者的基本原理差别不大,从教学角度来看,后者更 有利于学生深入掌握其工作原理和培养学生的设计能力, 按工作方式分,稳压电源通常有连续调整式和开关调整式两大类,而开关式稳压电 源因其具有高效率、输出低压及大电流的优点,其应用越来越广泛。 按照输出容量分,有高电压、大电流、低电压和小电流之分,而在大多数稳压电源 中,高电压、小电流和低电压、大电流常是同时成对地出现的。采用集成运算放大器组 成的稳压电源,在该方面具有特别灵活多变、适应性广的优点 1.设计思路 由稳压电路所要求的输入直流电压和直流电流来选择合适的变压器确定整流滤波 电路的形式,选择满足要求的整流桥和滤波元件:由输出电压和输出电流确定稳压电路 的形式,计算各项极限参数来选择稳压电路器件:组装电路,总体调试 2串联反馈型连续调整式稳压电路的设计 该种电路构成的稳压器是目前使用较普遍的一种稳压器,三端式集成稳压电路大都 属于此类型,其原理框图如图2-4-1所示 这种稳压电路各环节的设计原 串联调整电路 则简述如下 保护电路 (1)调整环节 调整电路的核心是调整管,输出 电压电路 电压的稳定通过调整管的调节作用 来实现,调整管的基极受比较放大器 图241直流稳压电源电路框图 的输出电压控制,通过调整管集电极
模拟电子技术实验指导书 实验四 可调直流稳压电源设计 一、设计内容 设计并制作一个输出电压为连续可调、具有输出保护功能的直流稳压电源。 二、设计要求 输入电压:220V±10% 输出电压U0:1～15V连续可调 最大输出电流:I0m: 0.5A 稳压系数:≤0.05 输出纹波电压: ≤10mV 具有过流保护功能。 三、总体设计方案提示 直流稳压电源是电子电路和电子系统中不可或缺的重要组成部分。目前，集成稳压 器已在电源设备中得到广泛使用。但是从成本和实用性来看，用集成运算放大器组成的 各种稳压器仍有着广泛应用，况且二者的基本原理差别不大，从教学角度来看，后者更 有利于学生深入掌握其工作原理和培养学生的设计能力。 按工作方式分，稳压电源通常有连续调整式和开关调整式两大类，而开关式稳压电 源因其具有高效率、输出低压及大电流的优点，其应用越来越广泛。 按照输出容量分，有高电压、大电流、低电压和小电流之分，而在大多数稳压电源 中，高电压、小电流和低电压、大电流常是同时成对地出现的。采用集成运算放大器组 成的稳压电源，在该方面具有特别灵活多变、适应性广的优点。 1.设计思路 由稳压电路所要求的输入直流电压和直流电流来选择合适的变压器，确定整流滤波 电路的形式，选择满足要求的整流桥和滤波元件:由输出电压和输出电流确定稳压电路 的形式，计算各项极限参数来选择稳压电路器件:组装电路，总体调试。 2.串联反馈型连续调整式稳压电路的设计 该种电路构成的稳压器是目前使用较普遍的一种稳压器，三端式集成稳压电路大都 属于此类型，其原理框图如图2-4-1所示。 这种稳压电路各环节的设计原 则简述如下: (1)调整环节 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，调整管的基极受比较放大器 图2-4-1 直流稳压电源电路框图 的输出电压控制，通过调整管集电极
实验四可调直流稳压电源设计 与发射极之间的压降变化来抵消输出电压的变化。因此,设计时必须保证调整管工作在 放大区,以实现其调整作用。同时,因调整管与负载是串联的,流过的电流较大,所以 设计电路选择调整管时应满足集电极最大允许电流、最大反向击穿电压和功耗的要求, 以保证调整管在最不利的情况下,仍能正常工作。 (2)比较放大环节 比较放大环节的作用是把输出电压较小的变化进行放大后去控制调整管,以达到稳 定输出电压的目的。将取样电压和基准电压相比较,由基准电压减去取样电压,得到反 映U。变化程度的差值电压,此差值电压加到调整管的基极,调节调接管的基极电流, 使调整管的Lcε作相应的变化。为了提高调节灵敏度,往往把比较后的差值电压加以放 大,比较放大电路的电压放大倍数越大,系统的负反馈作用越强,对调整管的控制作用 越灵敏,输出电压越稳定,电路的稳压系数和输出电阻就越小。因此,要提高L。的稳 定性,关键在于提高比较放大器的增益。同时,还要考虑提高电路的温度稳定性,所以 常选用差动放大电路(分立元件电路)或者集成运算放大器作为比较放大环节 (3)基准环节 为了检测出取样电路取得的l值究竟是升高了还是降低了,升高了多少或是降低了 多少,这就需要把U值与一恒定的电压值比较,此恒电压的作用是作为一种基准 也称基准电压,基准电压一般由稳压管提供一个稳定的直流电压,作为比较放大器的基 准,故应当尽量稳定。为保证基准电压恒定,稳压管必须工作在稳压区,因此要选择合 适的限流电阻R,保证稳压管工作电流最大时,小于其允许电流l2mx工作电流最小时, 大于其最小稳定工作电流/m为了减小温度变化的影响,尽量选用具有零温度系数的稳 压管或具有温度补偿的稳压管。 (4)取样环节 取样电路是检测输出电压U。的变化,把U的全部或部分取出来和基准电压比较并 放大后来控制调整管的调整作用,使输出电压稳定。该环节是由取样电阻串接而成的电 阻分压器。取样电阻应选用材料相同、温度系数较小的金属膜电阻。取样值应根据基准 电压VRH考虑,保证比较放大器工作在放大区。为了使输出电压可调,在分压电阻之间 串接电位器Rp。根据给定的电压调节范围,可定出各电阻的取值。 (5)过载短路保护电路,串联调整型的稳压电源,调整管和负载是串联的,当负载 电流过大或短路时,大的负载电流或短路电流全部流过调接管,此时负载端的压降小, 几乎全部整流电压加在调整管的c和e极间,因此,在过载或短路时,调整管的Ucε、ls 和允许功耗将超过正常值,调整管在此情况下会很快烧坏,所以在过载或短路时应对调 整管采取保护。设计保护电路时,应保证当负载电流在额定值内,保护电路对电源不起 作用,但过载或短路时,保护电路控制调整管使其截止,输出电流为零,对负载和电源 均起保护作用。参考电路见图2-4-2
实验四 可调直流稳压电源设计 与发射极之间的压降变化来抵消输出电压的变化。因此，设计时必须保证调整管工作在 放大区，以实现其调整作用。同时，因调整管与负载是串联的，流过的电流较大，所以 设计电路选择调整管时应满足集电极最大允许电流、最大反向击穿电压和功耗的要求， 以保证调整管在最不利的情况下，仍能正常工作。 (2)比较放大环节 比较放大环节的作用是把输出电压较小的变化进行放大后去控制调整管，以达到稳 定输出电压的目的。将取样电压和基准电压相比较，由基准电压减去取样电压，得到反 映Uo变化程度的差值电压，此差值电压加到调整管的基极，调节调接管的基极电流Ib， 使调整管的UCE作相应的变化。为了提高调节灵敏度，往往把比较后的差值电压加以放 大，比较放大电路的电压放大倍数越大，系统的负反馈作用越强，对调整管的控制作用 越灵敏，输出电压越稳定，电路的稳压系数和输出电阻就越小。因此，要提高U。的稳 定性，关键在于提高比较放大器的增益。同时，还要考虑提高电路的温度稳定性，所以 常选用差动放大电路(分立元件电路)或者集成运算放大器作为比较放大环节。 (3)基准环节 为了检测出取样电路取得的U0值究竟是升高了还是降低了，升高了多少或是降低了 多少，这就需要把Uo值与一恒定的电压值比较，此恒电压的作用是作为一种基准， 也称基准电压，基准电压一般由稳压管提供一个稳定的直流电压，作为比较放大器的基 准，故应当尽量稳定。为保证基准电压恒定，稳压管必须工作在稳压区，因此要选择合 适的限流电阻R，保证稳压管工作电流最大时，小于其允许电流Izmax工作电流最小时， 大于其最小稳定工作电流Izmin为了减小温度变化的影响，尽量选用具有零温度系数的稳 压管或具有温度补偿的稳压管。 (4)取样环节 取样电路是检测输出电压Uo的变化，把Uo的全部或部分取出来和基准电压比较并 放大后来控制调整管的调整作用，使输出电压稳定。该环节是由取样电阻串接而成的电 阻分压器。取样电阻应选用材料相同、温度系数较小的金属膜电阻。取样值应根据基准 电压VREF考虑，保证比较放大器工作在放大区。为了使输出电压可调，在分压电阻之间 串接电位器RP。根据给定的电压调节范围，可定出各电阻的取值。 (5)过载短路保护电路，串联调整型的稳压电源，调整管和负载是串联的，当负载 电流过大或短路时，大的负载电流或短路电流全部流过调接管，此时负载端的压降小， 几乎全部整流电压加在调整管的c和e极间，因此，在过载或短路时，调整管的UCE、IB 和允许功耗将超过正常值，调整管在此情况下会很快烧坏，所以在过载或短路时应对调 整管采取保护。设计保护电路时，应保证当负载电流在额定值内，保护电路对电源不起 作用，但过载或短路时，保护电路控制调整管使其截止，输出电流为零，对负载和电源 均起保护作用。参考电路见图2-4-2
模拟电子技术实验指导书 q+1 406 接比较放大1 1裁流型保护电路 图2-4-2截流型过流保护电路参考图 此外,还需设计相应的过压和过热保护电路,保证电路正常工作而不被损坏。保护 电路类型很多,可参阅有关文献。 串联反馈型连续调整式稳压电路参考电路见图2-4-3,图中U为滤波电路的输出。 训整管 比较放大 取样电路 lke 基准电压电路v 图2-4-3串联型直流稳压电源电路图 2-4-4三端集成稳压器LM317直流稳压电源电路 3.采用三端集成稳压器设计 三端集成稳压电路只有输入端、输出端和公共端三个引端。当外加适当大小的散热 片且整流器能提供足够的输入电流时,稳压器能提供稳定的输出电流。三端集成稳压器 按功能可分为固定式稳压电路(如78XX系列和79XX系列)和可调式稳压电路(如 117/217/317等)。它们因性能稳定、价格低廉、交流噪声小、温度稳定性好、调整简便 等特点而得到广泛的应用。采用三端集成稳压器LM317直流稳压电源电路见图2-4-4。 在图2-4-4中,电阻R和R2构成取样电路,可变电阻R2用于调整改变输出电压的大 小,输出电压为:U=(1+R2/R)×1.25V。为了减小R2上的纹波电压,在其两端并接了 个电容C,当其容量为10μF时,纹波抑制比可提高20dB。但若一旦输出端发生短路, C将通过调整端向稳压器放电而损坏稳压器,为了防止这种情况发生,在R两端并接了 只二极管V,提供一个放电回路。电容C用于抵消集成稳压器离滤波电容较远时输
模拟电子技术实验指导书 图2-4-2 截流型过流保护电路参考图 此外，还需设计相应的过压和过热保护电路，保证电路正常工作而不被损坏。保护 电路类型很多，可参阅有关文献。 串联反馈型连续调整式稳压电路参考电路见图2-4-3，图中Ui为滤波电路的输出。 图 2-4-3 串联型直流稳压电源电路图 2-4-4 三端集成稳压器 LM317 直流稳压电源电路 3.采用三端集成稳压器设计 三端集成稳压电路只有输入端、输出端和公共端三个引端。当外加适当大小的散热 片且整流器能提供足够的输入电流时，稳压器能提供稳定的输出电流。三端集成稳压器 按功能可分为固定式稳压电路(如78XX系列和79XX系列)和可调式稳压电路(如 117/217/317等)。它们因性能稳定、价格低廉、交流噪声小、温度稳定性好、调整简便 等特点而得到广泛的应用。采用三端集成稳压器LM317直流稳压电源电路见图2-4-4。 在图2-4-4中，电阻Rl和R2构成取样电路，可变电阻R2用于调整改变输出电压的大 小，输出电压为:Uo=(1+R2/Rl)×1.25V。为了减小R2上的纹波电压，在其两端并接了一 个电容C，当其容量为10μF时，纹波抑制比可提高20dB。但若一旦输出端发生短路， C将通过调整端向稳压器放电而损坏稳压器，为了防止这种情况发生，在Rl两端并接了 一只二极管VD1，提供一个放电回路。电容Cl用于抵消集成稳压器离滤波电容较远时输
实验四可调直流稳压电源设计 入线产生的电感效应,以防电路产生自激振荡。电容C2用于消除输出电压中的高频噪 声,还可以改善电源的瞬态响应。但若C2容量较大,集成稳压器的输入端一旦发生短路, C2将从稳压器的输出端向稳压器放电,其放电电流可能损坏稳压器,故在稳压器的输入 端与输出端之间跨接了一只二极管V,起保护作用 四、设计、调试要点 设计高性能、大电流稳压器时,必须注意以下两点: (1)选用足够稳定的基准电压源和取样分压电阻、电位器等。基准电压源和取样分 压电阻、电位器阻值的不稳定常成为输出电压不稳定的主要原因。分压电位器尽量串入 电阻,必要时采用多圈线绕电位器,使调节更加平滑。 (2)实际组装时,要安排好流过大电流导线的路径和各器件的位置。导线无论多短、 多粗也总有一定电阻,这种小电阻上通过大电流时,其压降会达到数毫伏甚至更大,当 这个电压叠加在稳压电源的基准电压上时,就会破坏整个稳压器的性能。同时,各种接 头、插头、插座和接线柱等也存在阻值,尽管这些阻值在讨论电路原理时没有考虑,但 是通过大电流时就不可忽视。实际设计电路结构和组装时,一定要使基准源和相应放大 电路部分形成独立环路,不能有大电流通过该回路的导线 此外,在对电路进行调试时,若发现纹波较大,则可能是滤波电容容量小或损坏 应进行调换:如果输出电庄高而且不可调,需检査调整电路是否开路或调整管是否被击 穿:当输出电流是设计的最大值时,检测此时的功率是否小于调整管最大功耗:当输出短 路超负载20%时,保护电路是否动作等
实验四 可调直流稳压电源设计 入线产生的电感效应，以防电路产生自激振荡。电容C2用于消除输出电压中的高频噪 声，还可以改善电源的瞬态响应。但若C2容量较大，集成稳压器的输入端一旦发生短路， C2将从稳压器的输出端向稳压器放电，其放电电流可能损坏稳压器，故在稳压器的输入 端与输出端之间跨接了一只二极管VD2，起保护作用。 四、设计、调试要点 设计高性能、大电流稳压器时，必须注意以下两点: (1)选用足够稳定的基准电压源和取样分压电阻、电位器等。基准电压源和取样分 压电阻、电位器阻值的不稳定常成为输出电压不稳定的主要原因。分压电位器尽量串入 电阻，必要时采用多圈线绕电位器，使调节更加平滑。 (2)实际组装时，要安排好流过大电流导线的路径和各器件的位置。导线无论多短、 多粗也总有一定电阻，这种小电阻上通过大电流时，其压降会达到数毫伏甚至更大，当 这个电压叠加在稳压电源的基准电压上时，就会破坏整个稳压器的性能。同时，各种接 头、插头、插座和接线柱等也存在阻值，尽管这些阻值在讨论电路原理时没有考虑，但 是通过大电流时就不可忽视。实际设计电路结构和组装时，一定要使基准源和相应放大 电路部分形成独立环路，不能有大电流通过该回路的导线。 此外，在对电路进行调试时，若发现纹波较大，则可能是滤波电容容量小或损坏， 应进行调换:如果输出电庄高而且不可调，需检查调整电路是否开路或调整管是否被击 穿:当输出电流是设计的最大值时，检测此时的功率是否小于调整管最大功耗:当输出短 路超负载20%时，保护电路是否动作等