课程设计—稳压直流电源设计.docx

南昌工程学院本科课程设计目录第一章 引言1引言1第二章 直流稳压电路基本原理分析12.1 直流稳压电源的组成12.2 整流电路22.2.1 单相半波整流电路22.2.2 单相全波整流电路32.2.3 整流电路的主要参数42.3 滤波电路62.3.1 电容滤波电路62.3.2 电感滤波电路72.4稳压电路82.4.1 串联型稳压电路82.4.2集成稳压电路9第三章 主电路的设计及元件选择113.1 主电路设计113.2 元件参数设计123.2.1电容参数设计123.2.1变压器参数设计12结语13参考文献13南昌工程学院本科课程设计第一章 引言引言由于不同的电子产品需要不同电压的直流电源，因此我们需要设计不同电压大小的稳定直流电源，从而使电子产品能正常工作，使它的工作效率达到最高。电源的优劣将会决定电子产品的使用寿命。电网220v/50hz的交流电压通过电源变压器将变为需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还是会随电网电压波动、负载和温度等的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还须接稳压电路，保证输出的直流电压稳定。直流稳压电源又称直流稳压器。它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。本课程设计，以输出5v稳定电压为例，设计了一个简单的电力电子装置稳压直流电源。第二章 直流稳压电路基本原理分析2.1 直流稳压电源的组成一般的简单直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路4个部分组成。其框图及各部分的输出波形如图2.1所示。下面简要介绍各部分的功能。+ 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 +u1 u2 u3 u0_ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _（a）稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 ui u0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t （b）整流与稳压过程图2.1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程1. 电源变压器通常采用降压变压器，作用是将输入的交流电压变换成符合整流电路输入需要的电压。2. 整流电路利用单向导电的整流器件，将变压器的交流电压变换为单向脉动的直流电压。3. 滤波电路滤除整流电路输出的脉动直流电压的交流成分，输出比较平缓的直流电压。4. 稳压电路当交流电源电压或负载波动时，利用该电路的自我调节功能，使输出的直流电压保持稳定。2.2 整流电路整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由具有单向导电性整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称单向脉动性直流电压。在小功率的直流电源中，整流电路的主要形式有单相半波整流电路、单相全波整流电路以及单相桥式整流电路。其中单相桥式整流电路用的最为普遍。2.2.1 单相半波整流电路单相半波整流电路如图2.2(a)所示，它是最简单的整流电路，由变压器、二极管和负载电阻组成。是变压器初级线圈的输入电压，通常有效值为220v，频率为50hz，是变压器次级的输出电压（也称副边电压）。一般有的波形如图2.2（b）所示。设v为整流二极管，令它为理想二极管，在的正半周，二极管d正好正偏导通，电流经二极管流向负载，在上就得到一个上正下负的电压；在的负半周，二极管d反偏截止，流过负载的电流为0,因而上的电压为0。这样一来，在信号的一个周期内，上就只有半个周期有电流流过，结果在来的两端得到的电压输出就是单方向的，且近似为半个周期的正弦波，所以叫“半波整流电路”。半波整流电路中各段电压、电流的波形如图2.2（b）所示。半波整流电路虽然简单，但负载两端电压有较大的脉动分量，因此在实际中很少使用。 （a）电路 （b）波形图2.2 单相半波整流电路 2.2.2 单相全波整流电路工程中较为常用的是桥式整流电路，如图2.3(a)所示。电路中采用了四只二极管，并且接成电桥形式，因此得名。当为正半周时，、两个二极管导通，、截止；当为负半周时，、导通，、截止，即在的一个周期内，负载上均能得到直流脉动电压，故称为全波整流电路。所有波形图如图2.3(c)所示。桥式整流电路还有其他画法，如图5.3(b)所示。显然全波整流因为在整个周期里均有电流流过负载，所以它的输出电压要大于半波整流电路电压。并且脉动程度也小于半波整流电路。整流后的电压虽然方向不变，但大小仍然在变，因此通常还不能作为直流电压直接使用。 (a)电路 (b)简化电路 (c)波形图2.3 单相桥式整流电路2.2.3 整流电路的主要参数本课程设计以应用较为广泛的单相桥式整流电路为整流电路，下面对各基本电路进行分析。1. 输出电压的平均值输出直流电压是整流电路的输出瞬时值在一个周期内的平均值，即由图2.3(c)可见，在桥式整流电路中上式说明，在桥式整流电路中，负载上得到的直流电压约变为次级电压的有效值的90%，而半波整流是仅为0.45。2. 脉动系数s输出电压的脉动系数s表示输出的脉动程度，定义为输出电压基波的最大值与其平均值之比，即若用傅里叶级数将全波整流输出的电压波形展开，可推出基波最大值为因此全波整流输出电压的脉动系数为同理可求出，半波整流输出电路电压的脉动系数为1.57。3. 二极管正向平均电流在桥式整流电路中，二极管、和、轮流导通，由图2.3（d）所示波形图可以看出，每个整流二极管的平均电流等于输出电流平均值的一半，即半波整流时，二极管的正向平均电流等于输出电流，即。4. 二极管最大反向峰值电压每个整流二极管的最大反向峰值电压是指整流管不导电时，在它两端出现的最大反向电压。由图2.3(c)波形容易看出，整流二极管承受的最大反向电压就是变压器副边电压的最大值，即2.3 滤波电路滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器c，或与负载串联电感器l，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。滤波电路形式有很多，有电容滤波电路、电感滤波电路、型rc滤波电路、lc滤波电路和型lc滤波电路等。2.3.1 电容滤波电路如图2.4（a）所示为单相桥式整流带你电容滤波电路。其中与负载并联的电容c成为滤波电容。如图2.4（b）所示为滤波电路的工作波形图。 (a)电路 (b)波形图2.4桥式整流电容滤波电路及波形电容滤波的原理就是利用电容的充放电特性。没有接入电容时，就是前面介绍的桥式整流电路，图2.4（b）中的点划线是它的输出电压波形。接入滤波电容后，在正半周里，和导通，和截止，上升，导通电流分成两路，除向负载供电外，还向电容充电，极性是上正下负。电容电压最高的峰值。下降，放电而下降。当大于时，和反向截止，按指数规律向负载放电。在负半周里，整流电路输出大于，二极管和导通，对电容重新充电，重复刚才过程。因此负载上的电压就是滤波电容不断充电和放电的电压。图2.4（b）中实线是滤波输出电压的工作波形。电容c的充电放电时间常数,越大，c放电过程越慢，滤波效果也越好。在实际电路中，通常采用大容量额点解电容，其容量一般选为式中，t为输入交流电压的周期。要注意电容器的耐压应大于。2.3.2 电感滤波电路由于电容具有通高频、阻低频的特性，因此用电容滤波时电容时并联与负载上的。二电感具有通低频、阻高频的特性，因而用电感滤波时，必须将电感串联与负载电路中，利用电感阻止电流变化的特点实现滤波。电感滤波电路如图2.5所示。图2.5 电感滤波电路 图2.6 lc滤波电路图 图2.7 型lc滤波电路为了取得更好的滤波效果，可以用lc滤波电路和型lc滤波电路，如图2.6和图2.7所示。2.4稳压电路经整流和滤波后的输出电压，虽然脉动的交流成分很小，但在交流输入电压或负载发生变化时仍有波动。只有通过稳压环节或稳压电路，才能使输出电压更加稳定。稳压管稳压电路的优点是电路简单，稳压性能较好，内阻较小（一般为几欧至几十欧），适合于负载电流较小的场合。其缺点是输出电压仅取决于稳压二极管的型号，不能随意调节，只能用在负载电流变化不大的电路中。下面介绍目前较为通用的串联型稳压电路。2.4.1 串联型稳压电路1.电路组成图5.8所示是串联型稳压电路的结构图。它由基准电压源、比较放大电路、调整电路和图2.8 串联型直流稳压电源采样电路4部分组成。三极管t接成射极输出器形式，主要起调整作用。因为它与负载rl相串联，所以这种电路称为串联型直流稳压电源。稳压管dz和限流电阻r组成基准电压源，提供基准电压觇。电阻、和组成采样电路。当输出电压变化时，采样电阻将其变化量的一部分送到比较放大电路。运算放大器a组成比较放大电路。采样电压和基准电压分别送至运算放大器a的反相输入端和同相输入端，进行比较放大，其输出端与调整管的基极相接，以控制调整管的基极电位。2.工作原理当电网电压的波动使升高或者负载变动使减小时，应随之升高，采样坼也升高,因基准电压观基本不变，它与比较放大后，使调整管基极电位降低，调整管的集电极电流减小，集电极发射极之间电压增大，从而使输出电压基本不变。同理，当下降或者增大时，uo应随之下降，采样电压也减小，它与基准电压比较放大后，使调整管基极电位升高，调整管的集电极电流增大，c-e间电压减小，从而使输出电压uo保持基本不变。由此可见，电路的稳压实质上是通过负反馈使输出电压维持稳定的过程。3.输出电压的调节范围改变采样电路中间电位器rp抽头的位置，可以调节输出电压的大小。当电位器抽头调至rp的最上端时，r=r，此时输出电压最小。即当电位器抽头调至rp的最下端时，r=o，此时输出电压最大。即故该稳压电路输出电压的范围为，且可通过连续调节。2.4.2集成稳压电路集成稳压电路的工作原理与分立元件的稳压电路是相同的。它的内部结构同样包括基准电压源、比较放大器、调整电路、采样电路和保护电路等部分。它是通过各种工艺将元器件集中制作在一块小硅片上，封装后把整个稳压电路变成了一个部件，即集成电路。它以一个单体的形式参与电路工作，因此使用起来灵活方便。集成稳压电路的类型很多。按其内部的工作方式可分为串联型、并联型、开关型；按其外部特性可分为三端固定式、三端可调式、多端固定式、多端可调式、正电压输出式、负电压输出式。现主要介绍三端集成稳压电路。3个端子分别是输入端、稳定输出端和公共接地端。三端集成稳压电路的通用产品有lm78xx系列（正电压输出）和lm79xx系列（负电压输出）。具体型号后面的两位数字代表输出电压值，可为5v、6v、8v、12v、15v、8v和24 v七个等级。这个系列的产品，输出的最大电流可达1.5 a。例如，lm7805表示输出电压为+5v，输出电流为1.5a；lm7905表示输出电压为-5v，输出电流为0.5a o三端固定lm78xx系列稳压器属于一种串联型稳压器，其应用电路有以下几种。1.固定输出电压电路图5.9(a)所示电路是lm78xx系列作为固定输出时的典型接线图。为了保证稳压器正常工作，最小输入输出电压差至少为23 v；输入端的电容一般取0.11f，其作用是在输入线较长时抵消其感应效应，防止产生自激振荡；输出端的是为了消除电路的高频噪声，改善负载瞬态响应，一般取o.1f。如果需要负电源时，可采用图2.9(b)所示的应用电路。 （a）lm78xx系列典型应用 （b）lm79xx系列典型应用图2.9 固定输出电路2.提高输出电压电路目前，二端稳压器的最高输出电压是24 v。当需要大于24 v的输出电压时，可采用图2.10所示的电路提高输出电压。图中是三端稳压器的标称输出电压；是组件的稳态电流，约为数ma；外接电阻上的电压是;接在稳压器公共端和电源公共端之间。 图2.10 提高输出电压电路按图示接法的输出电压为3具有正负电压输出的稳压电源 当需要正负电压同时输出时，可用一块lm78xx正压单片稳压器和一块lm79xx负压单片稳压器连接成图2.11所示的电路。这两块稳压器有一个公共接地端，并共用整流电路。图2.11 具有正负输出的稳压电源 第三章 主电路的设计及元件选择3.1 主电路设计因所要设计的直流稳压电源是固定式输出，且输出既有正电压也有负电压，故可选择三端固定式集成稳压器（如lm78xx系列或lm79xx系列）。通过查阅手册可知lm7805集成稳压器可输出+5 v直流电压、lm7905集成稳压器可输出5 v直流电压，因此选用lm7805、lm7905作为电路的稳压元件，设计总电路图如3.1所示。图3.1 总电路3.2 元件参数设计3.2.1电容参数设计图中、为滤波电容，选择大小为2200f电容；输入端电容、主要用来改善输入电压的纹波，一般为零点几微法，可选0.33f；输出端电容、主要用来消除电路中可能存在的高频噪声，即改善负载的瞬态响应，可选0.1f。3.2.1变压器参数设计lm7805的输入电压为730 v，lm7905的输入电压为-7-25 v，可以均按输入电压大小为12 v设计。交流输入电压(220 v/50 hz)经降压、整流、滤波后，分别供给12 v大小的电压，该电压是变压器副边总电压平均值的一半，即由此可选择变压器变压比。结语本课程设计通过查阅书籍、技术手册等资料，对电力电子中的相关知识以及直流稳压电源的相关知识进行分析，并根据对直流稳压电源原理的分析，设计了一个具有5v稳定电压输出的直流稳压电源。该电源主电路采用的是