直流稳压电路设计

课题二 直流稳压电路设计任务三 简单稳压电路【设计要求】已知整流滤波输出电压的波动范围是8～10V ，请设计一个输出电压为5V,输出电流为10～100mA 的简单直流稳压电源。

1、相关知识（1）稳压二极管的基本特性稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型半导体二极管，这种管子的掺杂度高，击穿电压值低，正向特性和普通二极管一样。

当反向电压加到某一定值时，反向电流剧增， 产生反向击穿，反向击穿特性很陡峭。

击穿时通过管子的电流在很大范围内变化，而管子两端的电压却如图2.3.1所示几乎不变，稳压二极管就是利用这一特性来实现稳压的。

可见，稳压管就是工作在反向击穿状态下的硅二极管，因此，在使用时，稳压管必须反向偏置。

（2）稳压二极管的主要参数：1）稳定电压Z U ：Z U 就是稳压管的反向击穿电压。

2）稳压电流Z I ：Z I 是指稳压管维持稳定电压的工作电流。

3）最大稳定电流max Z I ：最大电流是稳压二极管允许通过的最大反向电流。

稳压管工作时的电流应小于这个电流，正常工作时，min Z I ＜I ＜max Z I 。

4）最大耗散功率max Z P ：max Z P 是指稳压管不致因过热而损坏的最大耗散功率。

max max Z Z Z P U I =⨯5）动态电阻z r ：z r 是反映稳压管稳压性能好坏的一个参数。

它等于稳压管两端电压的变化量和对应的电流变化量之比，即：zzz I U r ∆∆=动态电阻越小，说明曲线越陡，稳压管的稳压性能越好。

（3）工作原理稳压管稳压电路如图2.3.2所示，由稳压管D 和限流电阻R 组成，稳压管在电路中应为反向偏置，它与负载电阻RL 并联后，再与限流电阻串联，属于并联型稳压电路。

/V图2.3.2 二极管稳压电路1）负载电阻RL 不变当负载电阻不变，电网电压上升时，将使i U 增加，o U 随之增加，由稳压管的伏安特性可知，稳压管的电流z I 就会显著增加，结果使流过电阻R 的电压增大，从而使增大了的负载电压o U 的数值有所减小，即o i R U U U =-。

如果电阻R 的阻值选择适当，最终可使o U 基同理，如果交流电源电压降低使o U 减小时，电压i U 也减小，因此稳压管的电流z I 显著减小，结果使通过限流电阻R 的电流R I 减小，R I 的减小使R 上的压降减小，结果使负载电压LU 数值有所增加，从而使输出电压基本不变。

2）电源电压不变假设电网电压保持不变，负载电阻L R 减小，L I 增大时， 由于电流在R 上的压降升高，输出电压o U 将下降。

由于稳压管并联在输出端，由伏安特性可看出，当稳压管两端的电压有所下降时，电流L I 将急剧减小，而R Z L I I I =+，所以R I 基本维持不变，R 上的电压也就当负载电阻增大时，稳压过程相反。

2、电路设计 （1）绘制电路图此电路负载电流较小，且稳定度要求不是很高，由二极管组成的简单直流稳压电路基本上能满足设计要求。

采用如图2.10所示的并联型稳压电路。

（2）元件选择 1）稳压管的选择稳压电路中的稳定电压应按负载电压选取，即Z o U U =；如果一个管子的稳压值不够，可以用两个或多个稳压管串联； 稳压管的最大稳定电流max Z I 大致上应该比最大负载电流max L I 大两倍以上，即max Z I ≥2max L I 。

所以，U Z =5V ，I ZMAX =2×100=0.2A 。

功率为P=IU=0.2×5=1W 实际选择：硅稳压管2CW21A 。

2）限流电阻的选择阻值的选择：限流电阻R 的大小应该满足两个条件（两种极端情况）。

当直流输入电压最低（Im in U ）而负载电流最大时，流过稳压管的电流应该大于稳压管的最小稳定电流I ZMin ，即由上式得出当直流输入电压最高（Im ax U ）而负载电流最小时，流过稳压管的电流不应该超过稳压管的最大稳定电流max Z I ，即：ZMinL in I I RU U ≥--max 0Im max0Im L Min Z in I I U U R +-≤max min 0max 1Z L I I RU U ≤-- 所以 0Imax Z max LminU U R I I -≥+或据上式可得即 23.8Ω≤R ≤27.2Ω功率W R U U R U P O IMAX RM 04.124)510()(222≈-=-=≥实际选取为E24系列线绕（或水泥）24Ω电阻。

3、安装调试 （1）实训器材 1）常用电子组装工具。

2）万用表。

3）配套电子元器件见表2.3.1。

（2）操作步骤1）按图2.3.2绘出装配草图。

2）对电路中使用的元器件进行检测与筛选。

3）按照装配草图进行装配，常规工艺按模块一课题二中的任务五要求。

4）装配完成后进行自检，正确无误后才能通电测试。

5）在输入端加8～10V的直流电压，观察VD 两端电压的变化情况。

将测试数据填入表2.3.2中4、实训报告（1）写明实训日期、目的、实训器材及详细实训步骤。

（2）记录实训所测数据，并与理论设计值进行比较。

（3）对电阻R 的作用进行讨论分析。

maxIm min max 0Im L Min Z inL Z ax I I U U R I I U U +-≤≤+-1.001.05801.02.0510+-≤≤+-R任务四 三端集成稳压电路【设计要求】输出+5V 电压、输出电流为1A ；输出纹波电压小于5mV ，稳压系数小于5×10-3；输出内阻小于0.1Ω；加输入保护电路，最大输入电流不超过2A 。

其中电源变压器只作理论设计，保护电路拟采用限流型。

1、相关知识 （1）整流滤波电路直流稳压电源一般由电源变压器T 、整流滤波电路及稳压电路组成，如图2.4.1所示。

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u i 。

变压器副边与原边的功率比为21P P η=式中η为变压器的效率；P2为副边功率；P1为原边功率。

整流电路将交流电压u i 变换成脉动的直流电压。

再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压U i 。

整流滤波电路通常采用桥式整流滤波，如图2.4.2所示。

滤波电容C 满足：1(3~5)2L TR C = 式中T 为输入交流信号周期；R L1为整流滤波电路的等效负载电阻。

（2）稳压电路集成稳压器都具有输出电压稳定的功能。

其本身不能产生功率，只是将输入端功率取出传给负载，通过控制该功率的大小使输出电压不变。

固定三端集成稳压器分正压和负压两个系列，两系列除输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点相同。

三端稳压器的三端是输入端子U I 、输出端子Uo 和公共端子COM ，使用时公共端子COM 通常接地。

正压系列以78XX 系列为代表，输出电压有5、6、8、10、12、15、18、20、24V 等品种，输出电压精度基本上为4%。

该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载损坏。

一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。

78XX系列又分三图2.4.1 直流稳压电源基本组成框图图2.4.2 桥式整流滤波电路 图2.4.3 78XX 系列集成稳压器封装形式个子系列：78XX 、78MXX 和78LXX ，其差别只在输出电流和外形，78XX 输出电流为1A ，78MXX 输出电流为0.5A ，78LXX 输出电流为0.1A 。

封装形式如图2.4.3所示。

典型的应用电路如图2.4.4所示。

图中电容C1、用来实现频率补偿，C2用来抑制稳压电路的自激振荡，C1一般为0.33μF ， C2一般为0.1μF 。

2、电路设计 （1）电路形式综上所述，将图2.4.2电路中的R L1用LM7805等效可得满足设计要求为输出+5V 电压的三端集成稳压器电路。

如图2.4.5所示。

（2）设计思路①由输出电压Uo 、电流Io 确定稳压电路形式，通过计算极限参数（电压、电流和功率）选择器件。

②由稳压电路所要求的直流输入电压U i 、直流电流I i 确定整流滤波电路形式，选择整流二极管及滤波电容，并确定变压器的副边电压u i 的有效值、电流i i 的有效值及变压器功率η；③由电路的最大功耗及工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。

图2.12为集成稳压电源LM7805的典型电路。

其主要器件有变压器T 、整流二极管、滤波电容、集成稳压器。

（3）器件选择 1）集成稳压器稳压电路输入电压U i 的确定：为保证稳压器在电网电压低时仍处于稳压状态，要求U i ≥ U omax +（U i －U o ）min式中（U i －U o ）min 是最小输入输出电压差，典型值为3V 。

按一般电源指标的要求，当输入交流电压220V 变化±10％时，电源应稳压。

因此，稳压电路的最低输入电压为U imin ≈[U omax +（U i －U o ）min ]/0.9另一方面，为保证稳压器安全工作，要求：U i ≤ U omin +（U i －U o ）max式中（U i －U o ）max 是稳压器允许的最大输入输出电压差，典型值为35V 。

2）电源变压器确定整流滤波电路形式之后，由稳压器的最低输入直流电压U i min 计算出变压器的副边整流后的电压U i 、电流I i 。

（4）参数计算图2.4.4 78XX 系列集成稳压器典型应用电路图2.4.5 集成稳压电源的典型电路1）确定稳压电路的最低输入直流电压U i minU imin ≈[U omax +（U i －U o ）min ]/0.9代入各指标，计算得U imin ≈[5+3]/0.9 = 8.89V根据经验，可取电压值9V 。

2）确定变压器副边整流后的电压、电流及功率U imin ≥ U imax /1.1I i ≥I imax根据经验，可取I i 为1.1A 。

U imin ≥ 9 /1.1 = 8.2V变压器副边功率为P 2 ≥ U imin ×I i≥ 8.89×1≥ 8.89根据经验，可取P 2 =10W 。

设变压器的效率η=0.7，则原边功率P 1为P 1 ≥ P 2 /η≥ 10 / 0.7≥ 14.3由上分析，可选购副边电压为9V ，输出1.1A ，功率20W 的变压器。

3）确定整流二极管及滤波电容选择电路形式为桥式整流方式，可通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。

已知整流二极管1N5401，其极限参数为U RM = 50V ，I D = 5A 。

滤波电容C 1为uF U I T R T C i i L )6111~3666(91.12102)5~3(2)5~3(2)5~3(4min max 1=⨯⨯=⨯==式中 T = 2×104μs 。