电子技术课程设计-直流稳压电源的制作.doc

直流稳压电源的制作-目录1 直流稳压电源设计任务31.1 设计任务31.2 设计指标31.3题目评析32 方案设计与论证33 系统硬件设计53.1关于整流电路的选取53.2滤波电路的选取103.3稳压电路的选取113.4差动放大电路介绍114 系统仿真分析124.1原理图分析124.2MULTISIM仿真结果图134.3设计的优势所在145 系统的硬件调试组装156 总结166.1个人感悟166.2不足和改进之处16直流稳压电源的制作全套设计加扣3012250582 摘 要：电源电路在工业控制设备、自动化设备以及家电电器等方面应用十分广泛。而生活中许多设备都是采用直流供电方式工作，最常用最经济实用的方法将电网的交流电转换为直流电以便驱动设备，转换出来的直流电源质量直接影响设备的使用和寿命等。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。当电网电压出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在2%以内。通过本次课程设计，我了解到了稳压电源的有关知识以及其设计有关的一些常见电路，本次设计采用了桥氏整流电路，差放电路等模拟电子技术中所接触的一些知识，对于模拟电子技术中的有关知识有了更深一步的了解与学习。关键词：稳压器；单相桥氏整流电路；滤波电路；差动放大；负反馈1 直流稳压电源设计任务1.1 设计任务 设计直流稳压电源，满足的要求：（1）当输入电压在220V，输出电压为5V（2）输出纹波电压下于5mV1.2 设计指标使得输出电压稳定在某一值，且随着输入或者负载变化而保持恒定。其中稳压的大小和稳压管的型号有关。 输入电压为220V/50HZ交流电； 输出电压5.5V 输出纹波电压56mV；1.3题目评析本次设计旨在设计一个稳压电源，设计的重点是整流、滤波以及稳压，难点是设计稳压电路的设计，由于温度的对三极管工作稳定性的影响因素，所以创新之处是稳压的同时，还克服了三极管的零点漂移，这对稳压电路的性能来说有了很大提高。2 方案设计与论证方案一：半导体直流稳压电源设计直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。其电路基本框图如图2-1。变压器把220V交流电变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流电变为直流电；整流后的直流电中仍会含有交流成分，可以通过滤波电路将交流成分滤除；经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。整流与稳压过程波形图如图2-2所示。 滤 波电 路+电 源变压器+整流电 路稳 压电 路 图2-1 稳压电源的组成框图图2-2 整流与稳压过程图中各部分功能介绍如下：电源变压器：将交流电网提供的220V的电压变换为符合整流需要的交流电压。整流电路：利用具有单向导电性的原件如二极管，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向脉动的直流电压。滤波电路：利用电感、电容等储能元件，尽可能的将单向脉动的电压中的脉动成分滤掉，使之输出比较平滑的直流电源。稳压电路：采用某种措施，使输出的直流电压或负载电流波动时保持稳定。方案二：开关式直流稳压电源的设计 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压。开关电源的原理图如图2-3所示：是将交流电先整流成直流电，在将直流逆变成交流电，在整流输出成所需要的直流电压。图2-3 开关电源原理图3 系统硬件设计3.1关于整流电路的选取关于二极管整流电路有如下五种基本形式（省略后面两种，可以查阅相关资料）：（1）半波整流电路半波整流电路见图3-1。其中B1是电源变压器，D1是整流二极管，R1是负载。B1次级是一个方向和大小随时间变化的正弦波电压，波形如图3-2（a）所示。0期间是这个电压的正半周，这时B1次级上端为正下端为负，二极管D1正向导通，电源电压加到负载R1上，负载R1中有电流通过；2期间是这个电压的负半周，这时B1次级上端为负下端为正，二极管D1反向截止，没有电压加到负载R1上，负载R1中没有电流通过。在23、34等后续周期中重复上述过程，这样电源负半周的波形被“削”掉，得到一个单一方向的电压，波形如图3-2（b）所示。由于这样得到的电压波形大小还是随时间变化，我们称其为脉动直流。3-1 半波整流电路图3-2 半波整流波形图设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：整流二极管D1承受的反向峰值电压为：由于半波整流电路只利用电源的正半周，电源的利用效率非常低，所以半波整流电路仅在高电压、小电流等少数情况下使用，一般电源电路中很少使用。（2）全波整流电路由于半波整流电路的效率较低，于是人们很自然的想到将电源的负半周也利用起来，这样就有了全波整流电路。全波整流电路图见图3-3。相对半波整流电路，全波整流电路多用了一个整流二极管D2，变压器B1的次级也增加了一个中心抽头。这个电路实质上是将两个半波整流电路组合到一起。在0期间B1次级上端为正下端为负，D1正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压上端为正下端为负，其波形如图3-4(b)所示，其电流流向如图238所示；在2期间B1次级上端为负下端为正，D2正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压还是上端为正下端为负，其波形如图3-4（c）所示，其电流流向如图239所示。在23、34等后续周期中重复上述过程，这样电源正负两个半周的电压经过D1、D2整流后分别加到R1两端，R1上得到的电压总是上正下负，其波形如图3-4（d）所示，其原理分析图如图3-5以及3-6。图3-3 全波整流电路图图3-4 全波整流波形3-5 全波整流电路原理分析13-6 全波整流电路原理分析2设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出： 整流二极管D1和D2承受的反向峰值电压为：全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。（3）桥式整流电路由于全波整流电路需要特制的变压器，制作起来比较麻烦，于是出现了一种桥式整流电路。这种整流电路使用普通的变压器，但是比全波整流多用了两个整流二极管。由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路（如图3-7）。图3-7 桥式整流电路图 由图3-8可以看出在电源正半周时，B1次级上端为正，下端为负，整流二极管D4和D2导通，电流由变压器B1次级上端经过D4、R1、D2回到变压器B1次级下端；由图3-9可以看出在电源负半周时，B1次级下端为正，上端为负，整流二极管D1和D3导通，电流由变压器B1次级下端经过D1、R1、D3回到变压器B1次级上端。R1两端的电压始终是上正下负，其波形与全波整流时一致。图3-8 桥式整流电路原理分析1图3-9 桥式整流电路原理分析2 设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出： 整流二极管D1和D2承受的反向峰值电压为：桥式整流电路每个整流二极管上流过的电流是负载电流的一半，与全波整流相同。 通常情况下桥式整流电路都简化成图3-10的形式。图3-10 桥式整流电路简化形式本次设计我们主要采取的是单相桥式镇流电路（电路仿真图如图 3-11），相比其他几种它的优点是电路无需变压器的中心抽头，变压器利用率高，对整流原件的耐压性要求不高，但原件数量较多：图3-11 桥式整流电路仿真图镇流之后的波形图如图 3-11：图3-12 桥式整流电路波形图3.2滤波电路的选取流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源。滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。电容滤波电路： 电容滤波电路图见图3-13，电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。在脉动直流波形的上升段，电容C1充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；在脉动直流波形的下降段，电容C1放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。在C1还没有完全放电时再次开始进行充电。这样通过电容C1的反复充放电实现了滤波作用。滤波电容C1两端的电压波形见图3-14图3-13 电容滤波电路图图3-14 电容滤波电路波形图选择滤波电容时需要满足下式的条件：3.3稳压电路的选取常见的稳压点路有很多种，本次设计了一种具有更高稳压性能的电路具有两级差动放大环节的稳压电源。这种稳压电路主要采用了串联型晶体管稳压电源，其大致工作原理如下图3-15： 基准环节采样环节负载输入调整环节比较环节图3-15串联型晶体管稳压电源原理图当电网电压或者负载发生变化而引起负载电压波动时，由取样环节的取样电压与基准电压比较之后，其差值经比较放大器放大后，通过改变调整管两端的电压来抵偿负载电压的变化而稳定。3.4差动放大电路介绍从电路结构上说，差动放大电路由两个完全对称的单管放大电路组成（如图3-16）。由于电路具有许多突出优点，因而成为集成运算放大器的基本组成单元。最简单的差动放大电路如图所示，它由两个完全对称的单管放大电路拼接而成。在该电路中，晶体管T1、T2型号一样、特性相同，RB1为输入回路限流电阻，RB2为基极偏流电阻，RC为集电极负载电阻。输入信号电压由两管的基极输入，输出电压从两管的集电极之间提取(也称双端输出)，由于电路的对称性，在理想情况下，它们的静态工作点必然一一对应相等图3-16 差动放大电路4 系统仿真分析 图4-1 直流稳压电源系统仿真图4.1原理图分析系统仿真图如图4-1，图中是带有两个差动放大器的稳压电源原理图实例：电网电压经过变压器降压之后得到低压的正弦电波U1,U1经过其后的整流电路（由D3,D4，D5，D6）得到单方向的脉动电压。脉动电压经过电容器C1得到比较平滑的直流电压U2.图中最右侧的稳压管D2产生基准电压,差动放大电路VT6得到一个固定的基准电压，其基级电位保持不变。取样是通过两个差放电路左侧两个电阻分压(R5和R6,R10和R12)，桥氏整流电路右侧的又两个二极管(VT1,VT2)和电阻构成了调整环节。具体的过程是：当电网电压降低或者负载电流增大而使输出电压（即R16）两端的电压降低时，各取样点的电位降低，使得三极管VT5，VT3的基级电压下降，单由于VT4，VT6的基级电压不变，所以经过差动放大，流过电阻R8，R11的电流减小使得VT5，VT3集电极的电压提高，调整管的基级电压提高，其管压降减小，通过这种反馈调节，可以使得输出端的电压回升，从而达到稳压的目的。4.2MULTISIM仿真结果图通过MULTISIM仿真之后的输出波形图如图4-2：图4-2（1） 输出波形图图4-2（2） 输出波形图图4-2（3） 输出波形图说明：最终电压稳定在5.465V，几乎没有波动。4.3设计的优势所在对于三级管的使用，由于温度对三级管的工作影响很大，所以利用一般电路做成的稳压电源，都会在工作一段时间后，由于发热，稳压性能有很大下降。由于差动放大电路对零点漂移的抑制作用，所以电源有良好的温度稳定性，因此，为了减少稳压管的电流变化和放大环节的零点漂移，电路采用了具有差动放大环节的稳压电源，其特点是取样信号在VT3(VT5)管上，基准电源接在VT4(VT6)上面由于VT4(VT6)上的基级电流很小，所以基准电流很稳定。5 系统的硬件调试组装Protel99se介绍：Protel99SE是 Prokl Technology公司基于Windows环境下开发的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。Protel99SE 由两大部分组成：电路原理图设计（Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（Schematic Library）。如图是利用Protel99se做出来的版图（如图5-1）：图5-1 直流稳压电源PCB图PCD板的3D图（如图5-2）：图5-2直流稳压电源PCB图（3D）。6 总结6.1个人感悟通过本次课程设计，我了解到了有关稳压电源的有关知识以及其设计有关的一些常见电路，本次设计采用了桥氏整流电路，差放电路等模拟电子技术中所接触的一些知识，对于模你电子技术中的有关知识有了更深一步的了解与学习。此外，还查询了一些相关书籍，了解到了大量关于电源设计一些方法和电路，对以后进一步的学习打下了一定的基础，但是由于水平有限，只能对一些简单的原理图加以分析了解，对于较为复杂的东西还待进一步的提高。此外，对于本次课设，我对一些电子设计软件有一定的接触和了解，如Multisim和Protel99se,作为一个新手，难免会有些许生疏和略显笨拙，但是我相信通过以后更多的接触和学习会有一个质的飞跃。6.2不足和改进之处首先，我得对自己这次设计予以充分的肯定，因为毕竟是自己第一次接触这方面的设计，虽然做的很简单，而且效果也不是很理想，但水平有限，我想可以通过如下几个方面予以考虑加以提高：1加入辅助电源由于VT3 (VT5)的集电极接在R7 ( R13)上，变化电压较大，因此输入电压的波动将直接通过R7(R14)传递到调整管的基级上面，从而使电源的输出电压也跟着波动。针对上述不足，在稳压更好地稳压电源中，常常引入辅助电源，把R7(R13)接到稳定的辅助电源E0上。2加入过流保护电路由于二极管三极管比较脆弱，对于电路进行有效的过流保护也是必要的。参考文献：1