模拟电子技术课程设计直流稳压电源.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除模拟电子技术课程设计直流稳压电源学院：自动化工程学院 班级：10级02班 姓名：宋振华 学号：201002140439 指导老师：杨春蕖电子技术课程设计任务书目录一、 设计目的二、 进度安排三、 设计要求四、 设计过程1、 各部分的方案选择2、 电路的工作原理图3、 设计中关键问题解决五、 设计报告六、 考核方法题目一：直流稳压电源的设计一、 设计目的（1） 掌握稳压电源的设计、组装与调试方法。（2） 掌握集成稳压电源的工作原理。（3） 掌握稳压电路的性能指标和提高稳压质量的措施。二、 进度安排本设计共安排一周，合计40学时，具体分配如下：实习动员及准备工作： 4学时总体方案选择： 4学时具体电路设计： 18学时撰写设计报告： 6学时总结： 4学时教师辅导： 随时三、 设计要求1、 课程设计的基本要求直流稳压电源课程设计的主要能容包括：（1） 设计直流稳压电路（2） 要求输出直流稳压 12V，输出电流 1.5A。（3） 设计稳压电源的短路保护（包括整流及稳压部分）。（4） 在 12V直流稳压电源的基础上，通过扩展电路实现电源电压绝对值的提高以及电流绝对值的扩大。（5） 画出电路图写出完整的设计报告。 课程设计的最后要求是写出设计报告总结，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论的高度。 2、课程设计的教学要求电子课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班级为单位全班同学集中到设计室进行。做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在试训期间累计旷课达到6节以上，或者迟到、早退累计达到8次以上的学生，该课程考核按不及格处理。在实训期间需要外出查找资料，必须在制定的时间内方可外出。课程设计的任务相对分散，每5名学生组成一个小组，完成一个课题设计。小组成员既有分工，又要协作，同一小组的成员可以相互讨论、协商，可以相互借鉴或参考别人的设计方法和经验。但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考舍按不及格处理。四、 设计过程1、 总体方案选择直流稳压电源的设计方案有很多种方案，例如稳压管稳压电路、串联反馈式稳压电路、三端集成稳压电路，根据设计的具体要求选择稳压电源设计的方案。2、 电路的工作原理设计方案涉及的各个部分呃具体电路，写出工作原理，画出具体的电路原理图，处理各部分中包含的问题，完成直流稳压电源的最终设计。3、 设计中关键问题的分析 设计中关键主要包括稳压电源的短路保护、稳压电源电压的提高及稳压电源电流扩大等问题。分析各个问题，写出具体的解决方法。五、 设计报告设计完成后，必须撰写课程设计报告。设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字（不含图形，程序）不少于2000字，图形规范。设计报告的格式如下：1、封面 2、概述 3、目录 4、正文（1）、设计思路（2）、各部分的方案选择（3）、各部分电路设计及元件选择，含元件明细表（4）、直流稳压电路的拓展（5）、设计原理图（6）、心得体会（7）、参考文献六、 考核方法电子课程设计的考核方法为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格等，分数在90-100分之间的为优秀，80-9分之间的为良好，70-79分之间的中等60-69分之间的为及格，60分以下为不及格。考核分三个方面进行：平时表现20%；设计过程25%；设计报告40%；设计辩搭15%。有以下情形之一者，课程设计考核按不及格处理：1、 设计期间累计迟到、早退达8次；2、 设计期间累计旷课6节；3、 设计报告雷同率超过50%或无设计报告；4、 不能完成设计任务，打不到设计要求。前言直流稳压电源 又称直流稳压器。它的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，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。前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。前者由变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小，但体积大、耗材多，效率低(常低于4060)。后者以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。这类电源功耗小，效率可达85左右。所以，80年代以来发展迅速。从工作方式上可分为：可控整流型。用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。斩波型。输入是不稳定的直流电压，以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流，再经滤波后得到稳定直流电压。变换器型。不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电，再经变压、整流、滤波后，从所得新的直流输出电压取样，反馈控制逆变器工作频率，达到稳定输出直流电压的目的。目录1、设计思路12、各部分方案的选择12.1、整流电路12.1.1、单向半波整流电路12.1.2、单项全波整流电路22.1.3、单相桥式整流电路32.2、滤波电路42.2.1、电容滤波电路42.2.2、电感滤波电路52.3、稳压电路62.3.1、并联型稳压电路62.3.2、串联型直流稳压电路72.3.3、集成稳压器73、各部分元器件选择83.1整流电路83.2滤波部分83.3稳压电路集成元件的选择93.4集成电路C1C2C3C4的选择93.5 VT管的选择93.6取样部分103.7放大部分104、元件明细表115、设计原理总图126、心得体会127、参考文献12此文档仅供学习与交流1、设计思路 电网电压电源变压器 整流电路 滤波器 稳压电路 负载 （1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。2、各部分方案的选择2.1、整流电路2.1.1、单向半波整流电路 如图1所示 图1 单相半波整流电路 图2 单相半波整流电路波形图a、 工作原理：在变压器二次电压U2的正半周，二极管导通，电流经过二极管流向负载，在RL上得到一个极性为上正下负的电压。而在U2的负半周，二极管被反向偏置，电流基本等于零。所以，在负责电阻RL两端得到的电压Uo的极性是单方向的。波形图如图2所示。 b、重要性能指标设变压器的副边输出电压有效值为U2,则其瞬时值为：输出电压的平均值为UO(AV)：负载电流的平均值IO(AV)为： 二极管的最大反向电压= c、优缺点 半波整流的优点是，电路结构简单，需要二极管少。缺点是输出脉动大，直流分量小，整流效率低，交流电有一半时间没有利用上。2.1.2、单项全波整流电路 如图3所示图3 单项全波整流电路 图4 单项全波整流电路波形图a、工作原理：全波是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在正、负半周轮流导电，而且二者流过RL的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。正半周内D1导通，D2截止，在负载RL上得到的电压极性为上正下负；负半周内，D1截止，D2导通，在负载上得到的电压仍为上正下负，与正半周相同。波形图如图4所示。b、重要性能指标输出电压的平均值：流过二极管的正向平均电压ID= = = c、优缺点：优点：电流波动幅度较小；缺点是要求变压器次级有一个中心抽头，从而使变压器的制作工艺变得复杂，而且每只整流二极管承受的最大反向电压是变压器各次级绕组电压最大值的两倍，因此要求整流二极管有更高的反向耐压值。2.1.3、单相桥式整流电路 如图5所示 图5单相桥式整流电路 图6 单相桥式整流电路波形图a、工作原理：e2 为正半周时，对D1 、D3 和方向电压，Dl，D3 导通；对D2 、D4 加反向电压，D2 、D4 截止。电路中构成e2 、Dl、Rfz 、D3 通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2 为负半周时，对D2 、D4 加正向电压，D2 、 D4 导通；对D1 、D3 加反向电压，D1 、D3 截止。电路中构成e2 、D2Rfz 、D4 通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。波形图如图8所示。b、重要性能指标桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：C、优缺点：在同样的二次电压下，桥式整流电路与半波整流电路相比，输出直流电压高一倍，而脉动系数较低很多，因此应用比较广泛，但桥式整流电路需要四个二极管。结论：综上所述，在本次直流稳压电源设计中，整流部分选择桥式整流电路。2.2、滤波电路2.2.1、电容滤波电路 如图7所示 图7电容滤波电路 图8电容滤波电路波形图a、工作原理：在二极管导通期间U2向负载电阻RL提供电流的同时，向电容器C充电，一直充到最大值。U2达到最大值以后逐渐下降；而电容器两端电压不能突然变化，仍然保持较高电压。这时，D受反向电压，不能导通，于是Uc便通过负载电阻RL放电。由于C和RL较大，放电速度很慢，在U2下降期间里，电容器C上的电压降得不多。当U2下一个周期来到并升高到大于Uc时，又再次对电容器充电。如此重复，电容器C两端（即负载电阻RL：两端）便保持了一个较平稳的电压。波形图如图8所示。b、重要性能指标：当电容的容量足够大，满足RLC（35）T/2（T为电网电压的周期）时， 对于半波整流电容滤波： U0 U2 对于全波或桥式整流电容滤波： U01.2 U2 滤波电容的选择：为了得到比较好的滤波效果，在实际工作中常根据下式选择滤波电容的容量。 对于半波整流： RLC（35）T 对于全波或桥式整流： RLC（35）T/2 由于电容值比较大，约为几十至几千微法，一般选用电解电容，接入电路时，注意极性不要接反，电容器的耐压值应大于1.4U2 。C、优缺点：电容滤波电路结构简单，适用于小电流负载，其外特性较软，滤波后输出电压中直流分量提高了，交流分量降低了，采用电容滤波时，整个二级管中将流过较大的冲击电路。负载两端电压比较平滑。2.2.2、电感滤波电路 如图9所示 图9 电感滤波电路a、工作原理：根据电感的通高频阻低频的特性，当输出电流发生变化时，电感中将感应出一个反电动势，其方向将阻止电流变化。对直流分量：=0相当于短路，电压大部分将在上；对谐波分量：f越高，越大，电压大部分将在上。因此在输出端得到比较平滑的直流电源。b、优缺点：wl越大，RL越小，则滤波效果越好。适用于大电流负载。CC2RC2C1LLC12.2.3、复式滤波电路 如图10所示（a） LC型滤波器 （b）LC滤波器 （c）RC型滤波器图10 常见复式滤波电路图10（a）所示为型滤波电路，这种电路的缺点是在R上有压降，因而需要提高变压器次级电压；同时，整流管的冲击电流仍然较大，这种电路知识和小电流负载的场合。（b）所示为型滤波电路，这种滤波电路的优点是：简单经济，能兼起限制浪涌电流的作用，滤波效果较好。其缺点是带负载能力差，滤波电路有功率损耗。它适合负载电流小，纹波系数小的场合。（c）所示为倒L型滤波电路，整流后输出的脉动直流经过电感，交流成分被削弱，再经过C滤波后，可在负载上获得更加平滑的直流电压。这种滤波电路的优点是：滤波效果好，几乎没有直流损耗。其缺点是低频时电感体积大，成本高。结论：综上所述，电容滤波电路比较适用2.3、稳压电路2.3.1、并联型稳压电路 如图11所示 图11并联型稳压电路 a、工作原理：图11就是并联型稳压电路，又称硅稳压管稳压电路，因其稳压管DZ与负载电阻RL并联而得名。引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化。而稳压管能够稳压的原理在于稳压管具有很强的电流控制能力。当保持负载RL不变，Ui因交流电源电压增加而增加时，负载电压Uo也要增加，稳压管的电流IZ急剧增大，因此电阻R上的压降急剧增加，以抵偿Ui的增加，从而使负载电压Uo保持近似不变。相反，Ui因交流电源电压降低而降低时，稳压过程与上述过程相反。如果保持电源电压不变，负载电流I0增大时，电阻R上的压降也增大，负载电压Uo因而下降，稳压管电流IZ急剧减小，从而补偿了I0的增加，使得通过电阻R的电流和电阻上的压降保持近似不变，因此负载电压Uo也就近似稳定不变。当负载电流减小时，稳压过程相反。 b、优缺点：在输出电压不需要调节负载电流小时效果好。缺点，输出电压由稳压管型号决定，不可随意调节。电网电压和负载电流变化范围较大时，电路不适应。UBTUREFUFR1取样R2UoRL调整基准电压源比较放大-+Ui-+ 2.3.2、串联型直流稳压电路 如图12所示 图12 串联型直流稳压电路 a、工作原理：图中UI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大器，UREF为基准电压，R1与R2组成反馈网络用来反映输出电压的变化(取样)。这种稳压电路的主回路是工作于线性状态的调整管T与负载串联， 故称为串联型稳压电路。 输出电压的变化量由反馈网络取样经放大器放大后去控制调整管T的ce极间的电压降，从而达到稳定输出电压UO的目的。稳压原理可简述如下：当输入电压UI增加(或负载电流IO减小)时，导致输出电压UO增加，随之反馈电压UF= R2UO/(R1+R2) = FUUO也增加(FU为反馈系数)。UF与基准电压UREF相比较，其差值电压经比较放大器放大后使UB和IC减小，调整管T的ce极间的电压UCE增大，使UO下降，从而维持UO基本恒定。同理，当输入电压UI减小(或负载电流IO增加)时，亦将使输出电压基本保持不变。 2.3.3、集成稳压器 如图13所示 图13 集成稳压器 a、三端成稳压器的组成调整管在W7800系列三端集成稳压电路中，调整管为有两个三极管组成的复合管。用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流，而且调整管的输出电阻。（1） 放大电路在W7800系列三端集成稳压器中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并采用有源负载，可以获得较高的电压放大倍数。（2） 基准电源串联型直流稳压电路的输出电压U0与基准电压Uz成正比，因此，基准电压的稳定性将直接影响稳压电路输出电压的稳定性。在W7800系列三端集成稳压器中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具有低噪声、低温漂的特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛应用。（3） 采样电路在W7800三端集成稳压器中，采样电阻由两个分压电阻组成，它对输出电压进行采样，并送到放大电路的输入端。（4） 启动电路启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等部分建立起各自的工作电流。当稳压电路正常工作后，启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。（5） 保护电路在W7800系列三端集成稳压器中，芯片内部集成了三种保护电路，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。 b、主要参数 W7800和W7900三端成稳压器的输出电压值主要有正负5V、正负6V、正负9V、正负12V、正负15V、正负18V和正负24V。输出电流主要有1.5A、500mA以及100mA. 结论：综上所述，选择三端集成稳压器。 3、各部分元器件选择3.1整流电路显然采用整流桥，设计要求中要求最大输出IL为1.5A 于是：最大允许流经每个二极管的 ID = 0.5 IL = 0.5 * 1.5 = 0.75A而每个二极管所承受的最大反向电压为： VRM = = 22.63 v于是整流桥部分采用的是四个型号为 2CZ55 B的二极管构成。3.2滤波部分滤波电容C可由下式估算： C = 为稳压器纹波电压，t为电容c的放电时间，t = 0.5 T = 0.01 s Ic为电容c的放电电流。可取Ic = Iomax ， 滤波电容c的耐压值应该大于。还有 RLC = 0.5 * T * 4 = 2 T = 2 * （0.02） = 0.04 s若考虑电网电压波动%10, 则电容器承受的最高电压为：VCM = * 1.1 = 1.4 * 16 * 1.1 = 24.64v C=0.04/8=5000F 可以选用C = 5000F，耐压值为50V的电解电容器。3.3稳压电路集成元件的选择根据设计要求 输出12V 1.5A须选用W7812 W79123.4集成电路C1C2C3C4的选择稳压器W7812 W7912作为固定输出电压的典型应用。正常工作时，输入、输出电压差23V。C1为输入稳定电容，其作用是减小纹波、消振、抑制高频和脉冲干扰，C1 C2一般为0.33f。C2为输出稳定电容，其作用是改善负载的瞬态响应， C3C4一般为0.1F。使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则是不能工作到额定电流。3.5 VT管的选择调整部分主要是计算调整管T1和T2的集电极发射极反向击穿电压（BVT1）CEO，最大允许集电极电流（IT1）CM，最大允许集电极耗散功率（PT1）CM。在最不利的情况下，市电上升10，同时负载断路，整流滤波后的出电压全部加到调整管T1上，这时调整管T1的集电极发射极反向击穿电压（BVT1）CEO为：（BVT1）CEO（UB1）OMAX20.35V，考虑到留有一定余量，可取（BVT1）CEO为25V。 当负载电流最大时最大允许集电极电流（IT1）CM为：（IT1）CMIO1.5A 考虑到放大取样电路需要消耗少量电流，同时留有一定余量，可取（IT1）CM为1.6A。 这样大允许集电极耗散功率（PT1）CM为：（PT1）CM（UB1）OMAXUOMIN）（IT1）CM（PT1）CM（20.35V-6V）600mA8.61W 考虑到留有一定余量，可取（PT1）CM为10W。查询晶体管参数手册后选择3DD155A作为调整管T1。该管参数为：PCM20W，ICM1A，BVCEO50V，完全可以满足要求。如果实在无法找到3DD155A也可以考虑用3DD15A代替，该管参数为：PCM50W，ICM5A，BVCEO60V。3.6取样部分 取样部分主要计算取样电阻R3、R4、R5的阻值。输出电压：Ub3MAX =（R2R3）（R1R2R3）UO UOMIN =（R1R2R3）（R2R3）Ub3MAX Ub3MIN = R3（R1R2R3）UO UOMAX =（R1R2R3）R3 Ub3MIN其中Ub3 = UD5（UT3）BE ，即可根据电阻的取值求出UO 的范围。电路同时接入T3的基极，为避免T3基极电流IT3B对取样电路分压比产生影响，需要让IT3BIR3。另外为了保证稳压电源空载时调整管能够工作在放大区，需要让IR3大于调整管T1的最小工作电流（IT1）CEMIN。由于3DD155A最小工作电流（IT1）CEMIN为1mA，因此取IR3MIN10mA。则可得：（1）当输出电压的档位为38V时，UD5 =2V，变压器B1次级输出电压即UIMIN 应该是：UIMIN = （UD5（UT3）BE + UOMAX ）1.2=（2V+3V+8V）1.2=10VR1R2R3UOMINIR3MIN R1R2R33V10mA300 当输出电压UO3V时：UD5（UT3）BE（R2R3）（R1R2R3）UO（R2R3）（UD5（UT3）BE）（R1R2R3）UO（R2R3）（2V0.7V）3003V270 当输出电压UO8V时：UD5（UT3）BER3（R1R2R3）UOR3（UD5（UT3）BE）（R1R2R3）UOR3（2V0.7V）3008V100 实际选择时可取R3为470。R1为430。但实际选择时可取R1为220。(2)当输出电压的档位为815V时，UD5 =6.2V，变压器B1次级输出电压即UIMIN 应该是：UIMIN = （UD5（UT3）BE + UOMAX ）1.2=（2V+3V+15V）1.2 =17V，同理可计算出R1=120，R3=2403.7放大部分 放大部分主要是计算限流电阻R1和比较放大管T2的参数。由于这部分电路的电流比较小，主要考虑T2的放大倍数和集电极发射极反向击穿电压（BVT1）CEO。 这里需要T2工作在放大区，可通过控制T