毕业设计（论文）-简单恒压源的设计.doc

简单恒压源的设计摘要：恒压源是模拟集成电路中广泛使用的一种单元电路，在实际中也有着广泛的应用。通过分析典型的恒压源的电路结构，研究了影响恒压源精度的一些关键因素，提出了恒压源的设计方案，给出了具体的电路原理图。而且还较详细的分析了恒压源的工作原理及其应用的特点，并且进行了multisim仿真实验，对电路进行分析，并指出其适用的场合。结果表明：要得到一个高质量的恒压源电路，必须选用精度高和稳定性好的采样电阻，增益大，温漂小，失调小的运放放大器。关键词：稳压源；基准电压；比较放大电路；保护电路；采样电路simple constant pressure source designliuling department of physics, bohai universityabstract: constant pressure source is an unit circuit, which is used widely in analog integrated circuit, and its also widely applied in practical. through analyzing the circuit structure of typical constant pressure source, this paper not only studies the key factors that affect the constant pressure source accuracy, puts forward the design scheme of constant pressure source, but also draws up a specific circuit principle diagram. furthermore, this paper analyzes the working principle of constant pressure source and its applications in detail, conducts the multisim simulation experiments to analyze the circuit, and points out the possible applications of the constant pressure source. the experiment shows that: to get a high-quality constant-voltage source circuit, it should choose the sampling resistance with high precision and good stability, and the op-amp amplifier with large gain, small temperature drift and small detuning. key words: voltage source；benchmark voltage；comparative amplifying circuit；protection circuit；sampling circuit 目 录引言1一、恒压源的分类及发展状况2二、直流稳压电源概述3（一）直流稳压电源的组成3（二）直流稳压电源的主要性能指标 5三、几种恒压源的介绍 6（一）硅稳压管稳压电路 6（二）串联反馈式稳压电路9四、设计方案12（一）基本方案介绍12（二）设计条件及主要参数13（三）电路组成14（四）电路稳压原理分析14结束语 22参考文献 23渤海大学本科毕业论文简单恒压源的设计引言直流稳压电源是应用比较广泛的电源电路，该电路具有输出电压调节范围宽、元器件选择合适、性能指标高等优点。随着电子技术向各个领域的渗透,许多场合,尤其是高精度测控系统需要高精度的电压源与电流源。在许多工程中，为了抗干扰，提高测量精度或者满足特定要求，往往需要恒定的直流电压。直流电源在仪器仪表、电子设备以及高新科学技术中属于一个重要的部件，是各种电子设备的核心，电源系统质量的优劣和可靠性决定着整个电子设备的质量。获得直流电压的方法较多，如使用干电池、蓄电池、直流发电机等。但实际中一般采用对交流电源进行变换来得到直流电源。对各种精密仪器，电源电压变化会导致测量和计算误差，引起自动控制系统工作不稳定，甚至根本不能工作。因而提高直流电源的稳定性就显得十分必要。恒压源是能够向负载提供恒定电压的电源,所以恒压源的应用范围非常广泛。设计一个稳定性好、精确度高的恒压源是十分关键的。本篇文章提出了恒压源的设计方案，给出了具体的电路原理图。而且还较详细的分析了恒压源的工作原理及其应用的特点，并对电路进行分析。一、恒压源的分类及发展状况稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。既然我们谈的是稳压电源的分类，那么首先就应该清楚电源的输出是什么，是输出直流电还是输出交流电。其实了解一下我们身边的电子设备会发现实际应用中稳压电源有两个区别很大的种类，一种是各种比较简单的电子设备中广泛使用的线性稳压电源，比如收音机、小型音响等；一种是各种复杂电子设备中广泛使用的开关稳压电源，比如大屏幕彩电、微型计算机等。这样看来第二个层次的分类我们可以根据调整管的工作状态来分类。接下来的第三个层次的分类就是根据稳压电路与负载的连接方式来分类。再往下面细分，由于各种不同的电路特性相差太大，就不好一概而论，应该根据每一个具体类别的特性进行分类区分了。当然这里所谈的分类只是根据直流稳压电源的特点给出一个大致的分类思路。恒压源在电子设备以及高新科学技术中属于一个重要的部件。恒压源是能够向负载提供恒定电压的电源,其输出电压受输入电压的影响几乎可以忽略了，所以恒压源的应用范围非常广泛。各种恒压源的出现，使恒压源成为人们生活中不可缺少的一部分。伴随着电力技术和电子技术的发展，恒压源的许多新的控制技术也随之发展和完善。当然，在当今社会产品价格、各种性能指标以及使用寿命一直是广大用户最关心的问题。国内知名电源厂商以及世界顶级电源供应商同样都面对这样的压力，由于恒压源能够提供恒定的电压，因此恒压源这种高效的产品就成为广大厂商追求的目标。电子电路中，一般需要直流电源供电。这些电源虽然可以考虑直接使用电池，但考虑到经济实用的问题，还是选择采用电网提供的交流电经过变换而得到直流电的方法。因此，设计一个稳定性好、精确度高的恒压源是十分必要的。二、直流稳压电源概述（一）直流稳压电源的组成电子系统(如电视接收机、vcd机、组合音响等)都要求用稳定的直流电源，而日常生活中使用的都是220v交流电源。因此，需要将交流电变换成直流电。将交流电压变换成直流电压并使之稳定的设备就是直流稳压电源。直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成的，其组成框图如图2.1.1所示。工作过程是：先由电源变压器将电网电源提供的220v交流电压变换为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压转变为单方向脉动的直流电压，单方向脉动的直流电压中含有较大的纹波，需要经过滤波电路加以滤除，才能得到比较平滑的直流电压。但该直流电压还会随着电网电压波动（一般为10左右的波动）、负载和温度的变化而变化，为此还应加有稳压电路来维持输出直流电压恒定。电源变压 器整 流电 路滤波 电 路稳 压 电 路电网电 压uiu1u2u3uo负载tttttu1u2u3uo图2.1.1 直流稳压电源组成框图ui1.电源变压器直流电源的输入一般为220v的电网电压（即市电），因而各种电子设备所需的直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大。电源变压器的作用就是将电网电压降压到适当的数值从其副边输出，变压器副边电压的有效值决定于后面电路的需要。目前降压也可以不用变压器而用其他的方法。2.整流电路整流电路利用具有单向导电性能的整流元件，将变压器副边正弦交流电压整流成为单一方向的脉动电压。这种单一方向的脉动电压包含有较大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远。3.滤波电路滤波电路由电容、电感等储能元件组成。其作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压变成比较平滑的直流电压。但是，滤波电路输出的直流电压会因电网电压或负载电流的变化而变化，对要求较高的电子设备，其后需加稳压电路。4.稳压电路稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。此篇文章主要研究稳压电路部分，将滤波电路的输出电压作为稳压电路的输入电压来研究。（二）直流稳压电源的主要性能指标直流稳压电源性能的好坏主要是由它的质量指标来衡量的，它的质量指标主要如下。1.稳压系数稳压系数的定义是在负载固定时稳压电路的输出电压的相对变化量与输入电压相对变化量之比，即上式中的稳压电路输入电压是指整流滤波电路的输出直流电压。稳压系数反映了电网电压波动对输出电压的影响，由于工程上常常把电网电压波动10作为极限条件，因此有时也采用电压调整率作为衡量指标，电压调整率是指在固定负载下，输入电压变化10时，输出电压的相对变化量。2.输出电阻输出电阻是指在保持输入电压不变的情况下，稳压电路的输出电压变化量与输出电流变化量之比，即它表示稳压电路受负载变化的影响程度，越小，说明负载变化时对稳压电路输出电压的影响越小。3.温度系数温度系数是指在电网电压和负载都不变的情况下，输出电压的变化量与温度的变化量之比，即4.输出纹波电压输出纹波电压是指稳压电路输出电压中的交流成分，通常用有效值或峰值表示，一般为毫伏数量级，它表示输出电压的微小波动。三、几种恒压源的介绍（一）硅稳压管稳压电路+_+_图3.1.1 稳压二极管稳压电路1.稳压原理（1）设输入电压不变，负载电阻减小使增大，此时增大，使增大，使降低，变小，使减小，故输出电压基本不变。上述稳压过程用循环调节过程表示，即（2）设不变，输入增大，使增大，则增大，使增大，以此来抵消的增大，故使输出不变化。用循环调节过程表示如下：以上两种情况说明，不论是变化还是变化，靠稳压管两端电压微小变化调整其电流变化，使其输出电压维持稳定，这就是硅稳压管稳压电路稳定电压的原理。 2.估算稳压系数和输出电阻图3.1.2 交流通路将图3.1.1电路改画成只考虑交流等效电路如图3.1.2所示，由图可求出稳压系数和输出电阻。图3.1.2 等效电路（1）稳压系数由定义有由图3.1.2可求,即式中为稳压管内阻（很小），当时，上式简化为故(2)输出电阻由定义可得3.限流电阻的估算稳压管正常工作时，其工作点处的应满足：条件，选择合适的限流电阻可满足这一条件，分两种情况估算。（1）当输入电压最高和负载电流最小时，应最大，但，即改写为（2）当输入电压最低和负载电流最大时，应最小，但，即改写为则按上式选择限流电阻即可。（二）串联反馈式稳压电路1.组成框图及各部分介绍下图是串联反馈式稳压电路的一般结构图，它由调整、比较放大、取样和基准电压四部分组成。图中是整流滤波电路的输出电压，起调整作用的晶体管与负载串联，故称为串联式稳压电路。图3.2.1 串联型稳压电路基本框图采样电路调整管比较放大基准电压（1）取样环节取样环节由分压电阻、组成，它取出输出电压的一部分作为取样电压，并反馈给比较放大器。为保持分压比不随温度而变化，分压电阻宜选用温度系数小的电阻。(2)基准环节基准环节的作用是提供一个稳定度很高的基准电压,它由稳压管与限流电阻串联构成的简单稳压电路获得。稳压管的稳压值的温度系数应当尽量小。(3)放大环节放大环节是一个高增益的直流比较放大器，其输入信号为取样电压与基准电压之差，其输出作为调整管的控制信号。比较放大器的增益越高，为了完成调整所需要的比较信号越小。这样，输出电压的微小变化能马上被检测出来，并使调整管进行相应的调整，电路的稳压性能就越好。(4)调整环节调整环节就是调整管，它与负载串联，调整管两端电压受比较放大器输出信号的控制，自动的减小或增大，以保证输出电压的稳定。为了使调整管能有效地起到调整作用，必须保证它在任何情况下都工作在放大区。2.工作原理电路原理图如下所示。在图3.2.2中，假设由于增大或减小而导致输出电压增大，则通过采样以后反馈到放大电路反向输入端的电压也按比例地增大，但其同相输入端的电压即基准电压保持不变，比较放大器的差模输入电压将减小，因此比较放大器的输出电压减小，使调整管的基极输入电压减小，调a+图3.2.2 串联反馈式稳压电路一般结构图整管的集电极电流随之减小，同时集电极电压增大，结果使下降，起初增大趋势得到抑制，输出电压保持基本不变。上述稳压过程可以描述如下：由此可以看出，串联型直流稳压电路稳压的过程，实质上是通过电压负反馈使输出电压保持基本稳定的过程。调整管连接成电压跟随器，因而可得 (1)式中a是比较放大电路的电压增益,为反馈系数，即取样电路分压比，当比较放大电路的电压增益足够大时，电路的输出电压 (2)式（2）表明，输出电压与基准电压近似成正比，与反馈系数成反比。当一定时，改变可调节输出电压；当也确定时，输出电压也就确定了。因此式（2）是设计稳压电路的基本形式。3.输出电压调节范围在图3.2.2电路中，设,则改写为当调整阻值时，可调整的大小，由上式可知，当时（动点上滑至上端），为,故可调整输出电压范围。四、设计方案（一）基本方案介绍几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源，因此直流稳压电源的应用非常广泛。直流稳压电源的电路形式有很多种,有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏）。但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的。输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之变化。电子设备电源电压的不稳定,将会引起很多问题。设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。因此,直流稳压电源的研究就颇为重要。目前设计直流稳压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法，另一种是数字方法。本篇文章中运用模拟方法设计一种串联型直流稳压电源。本设计电路分为降压电路、整流电路、滤波电路和调压稳压电路四大部分，稳压电路部分又由基准电压源、输出电压采样电路、电压比较放大电路、过流保护电路和输出电压调整电路组成。本篇文章主要设计稳压电路部分。串联型线性稳压电路的本质是一个具有深度负反馈的电压反馈型功率放大器，一般由基准电压源、输出电压采样电路、电压比较放大电路、过流保护电路和输出电压调整电路组成。（二）设计条件及主要参数直流稳压电源是常用的电子设备，它能保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压。一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着重要的实际应用价值。本设计给出的稳压电源的输出电压范围为6v12 v，额定工作电流为0.5 a，并且纹波不大于10 mv，稳压系数不大于0.1，电源内阻不大于0.5，具有过载电流保护功能，本设计使用分立元件设计串联型稳压电源。稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围；一种是质量指标，包括稳压系数，电源内阻及纹波电压等。（三）电路组成电路的组成框图如图4.1.1所示。启动电路基准电路调整管放大电路保护电路采样电路图4.1.1 电路组成框图从电路的组成框图可见，它是在串联型稳压电路的基础上增加了启动电路和保护电路，这样使它的应用更加安全可靠。该电路中有恒流源存在，刚接通电压时，它们难以自行导通。启动电路的作用是在刚接通电压时能建立起各自的工作电流，使稳压电路能迅速正常工作。稳压电路一旦工作，启动电路就自行断开。保护电路的作用是当输出过载或短路时，能保护调整管免受损害。电路各部分的具体功能在分析其原理时还会做更加细致的说明。其他各环节电路的作用和前述串联型稳压电路均相同。（四）电路稳压原理分析1.基本原理 前面我们已经介绍了几种稳压电路，对其组成结构和稳压原理已经有了初步的了解。下面这个电路是利用集成运算放大器作为放大环节而构成的稳压电路。由于集成运放具有高增益，低温漂和高共模抑制比等特点，该稳压电源的稳定度很高。接下来我们就一起来研究一下下面这个电路是如何达到稳压效果的。图4.1.2 电路原理图、构成启动电路。当加上输入电压时，被击穿，左端电压为，电流经流向的基极，从而达到启动电路的目的，整个电路开始工作。与此同时，齐纳管被击穿，右端电压也为，两端电位相同，截止，启动过程完成。、构成零温度系数基准电压源，图4.1.2与图4.1.3中的连接方法是等效的。这是一种广泛应用的基准电压源。的击穿电压为，它具有正温度系数， 大小为。三极管的温度系数约为。m点电压随温度升高而升高。而晶体管的和二极管正向压降随温度变化，使的温度系图4.1.3 基准电压源电路基准 电压mab数为，同理正向压降随温度变化使的温度系数为。这样在a、b之间串联电阻中的某一点电压的温度系数应为零。找出零温漂点，作基准电压,因不受温度影响，故相当稳定。设的击穿电压为，则由图可知当时，上式化简为设置电阻比值满足则的温度系数可补偿到。将的温度系数带入上式得到所以 调整管通常采用功率管，可以输出较大的电流。不过功率管的放大倍数一般都不大，如果要获得较大的输出电流，就要求有足够大的基极驱动电流。实用上为了减小驱动电流，调整管常采用复合管结构。原理图中的和管构成复合调整管，它的电流放大系数为，要求的基极驱动电流很小，可以用比较放大器直接进行驱动。放大电路由集成运算放大器构成，基准电压加在其正输入端，采样电压由其负输入端流入，作为反馈电压，采样电路由、和组成。集成运算放大器将两个输入信号加以比较，可将电压的微小变化放大，由输出端输出，输出到由和构成的复合调整管。假设由于输入电压增大或负载电流减小（即负载增大）而导致输出电压增大，则通过采样以后反馈到放大电路反向输入端的反馈电压也按比例地增大，但其同相输入端的电压即基准电压保持不变，比较放大器的差模输入电压将减小，因此比较放大器的输出电压减小，使调整管的基极输入电压减小，调整管的集电极电流随之减小，同时集电极电压增大，结果使输出电压下降，起初增大趋势得到抑制，输出电压保持基本不变。该电路就是根据（电位器触头将电位器全阻值分为两部分，上部分电阻值为，下部分电阻值为）来设计的。由上式可以看出，恒定，稳定。实际上该电路能够实现稳压是负反馈调整的结果，分析如下：设,升高，升高，则增大，与比较，使集成运算放大器输出误差电压减小，故减小，增大，以抵消的升高，使不变。可用循环调节过程表示，一目了然。设增大，使减小，则减小，与比较，使集成运算放大器输出误差电压增大，故增大，增大，减小，在不变时，增大，故经过负反馈调节，使恒定，调节过程如下所示。通过分析，串联调整稳压器能够稳压是由闭环误差自动调整系统来实现的，调整管的调整作用是由误差信号来控制，与有差则调整，使输出电压维持基本不变。因调整管与负载串联连接，当负载电流过大，特别是在输出短路情况下，输入的直流电压几乎全部降落在它的两端。这种过载现象即使时间很短，也会损坏调整管，必须采用快速动作的电子电路自行进行保护。和组成过流保护电路，保证复合调整管的安全。当负载电流处于正常工作范围之内时截止，保护电路不起作用。而当负载电流过大，超过稳压电路所能容许的最大输出电流时，导通，其集电极电位减小，复合调整管的驱动电流减小，使输出电压下降，输出电流受到限制，从而保护调整管。2.参数分析（1）输出电压调节范围该电路的输出电压可调，通过调节电位器的触头可改变输出电压的大小。故 当触头位于电位器的最上端时，输出电压有最小值，当触头位于电位器的最下端时，输出电压有最大值，输出电压的调节范围为即由于本设计给出的稳压