直流稳压电源的设计

1 直直流流稳稳压压电电源源的的设设计计 摘摘要要 直流稳压电源一般由电源变压器 整流滤波电路及稳压电 路组成 变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电 整 流器把交流电变为直流电 经滤波器后 稳压器再把不稳定的 直流电压变为稳定的直流电压输出 本设计主要采用直流稳压 构成集成稳压电路 通过变压 整流 滤波 稳压过程将 220V 交流电 变为稳定的直流电 并实现电压可在一定范围 内调节 本次课程设计使用了变压器 二极管 三极管 电容 电阻 电位器等元件 关关键键字字 直流 稳压 变压 一一 设设计计目目的的 1 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验 掌握模拟电 路设计的基本方法 设计步骤 培养综合设计与调试能力 2 学会直流稳压电源的实际方法和性能指标测试方法 3 培养实践技能 提高分析和解决实际问题的能力 二二 设设计计任任务务及及要要求求 4 设计并制作黑白 TV 电源 5 输出电压 直流 12V 6 输出电流 1 5A 7 设计电路结构 选择电路元件 计算确定元件参数 画出 2 原理电路图 8 自拟实验方法 步骤 提出测试所需仪器 9 进实验室进行组装 调试 并测试器主要性能参数 三三 设设计计方方案案 稳压电源由电源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路 四个部分组成 构成线性串联稳压电路 如下图 1 所示 a 稳压电源的组成框 b 整流与稳压过程 1 稳压电源的组成框图及整流与稳压过程 四四 根根据据以以上上方方案案设设计计电电路路图图 图图 2 3 通过变压器实现降压 D1 D4 组成的单相桥式整流电路将交变电流 变为直流 再通过 C1 进行滤波 I 部分电路分析部分电路分析 电源变压器电源变压器 电网提供的交流电一般为 220V 或 380V 而各种电子设备所 需要直流电压的幅值却各不相同 因此 常常需要将电网电压先经 过电源变压器 然后将变换以后的二次电压再去整流 滤波 和稳 压 最后得到所需要的直流电压幅值 单相桥式整流电路如下图单相桥式整流电路如下图 3 4 整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件 将正负交 替的正选交流电压整流为单方向的脉动电压 但是 这种单向脉动 电压往往包含着很大的脉动成分 距离理想的直流电压还差的很远 在小功率直流电源中 经常采用单向半波 单向全波和单向桥式整 流电路 在 e2 的正半周期 二极管 D1 D3 导电 D2 D4 截止 电流 iD1 iD2 通过RL 在负载上得到的输出电压极性为上正下负 在 e2 的负半周 D2 D4 导电 D1 D3 截止 iD3 ID4 流过RL是 产生的电压极性也是上正下负 因此在负载上的得到一个单方向 的脉动电压 桥式电路的有关波形图见图 4 每个整流管的最大反响峰值电压URM是指整流管不导电时 在它 两端出现的最大反向电压 选管时应选耐压比这个数值高的管子 以免被击穿 整流二极管承受的最大反向电压就是变压器二次电 压的最大值 即URM e2 2 5 二极管正向平均工作电流 ID AV 在桥式整流电路中 二级管 VD1 VD2和 VD3 VD4轮流导电 由图 3 的波形图可以看出 每个整流二级管的平均电流等于 输出电流平均值的一半 即 ID AV 1 2IO AV 当负载电流平均值已知时 可以根据 IO AV 来选定整流二极管的 ID AV 6 整流电路的输出直流电压UO AV 是输出电压瞬时值在一个周期内 的平均值 由图 4 可见 在桥式整流电路中 UO AV 0 12 2 2 2sin 20 9 2ewtd wtee 上式说明 在桥式整流电路中 负载上得到的直流电压约为变压器 二次电压的有效值得 90 7 在同样的变压器二次电压之下 桥式整流电路输出电压的波形所包 围的面积是半波整流电路的两倍 因此其平均值也是半波整流电路 的两倍 单相桥式整流电容滤波电路单相桥式整流电容滤波电路 图 5 a 电容滤波电路 b 波形图 电路组成和工作原理 8 将一个大电容C 和负载电阻 RL并联 即可组成电容滤波电路 如图 5 a 所示 由于电容有维持其两端电压不变的特性 因此 将电容与负载并联 将使负载两端的电压波形比较平滑 如果不接电容 u2的正半周时二极管VD1 VD3导电 负半周 时VD2 VD4导电 输出电压的波形如图 5 b 中虚线所示 并联 电容以后 由图 5 a 可见 在u2的正半周 当VD1 VD3导通时 除了有一个电流io流向负载外 同时还有一个电流ic向电容充电 电容电压uc 的极性为上正下负 如果忽略二极管的内阻 则在二级 管导通时 uc uo u2 当u2达到最大值后开始下降 此时电容上的 电压也将由于放电而逐渐下降 当u2 uc时 二极管VD1 VD3被反 向偏置 因而不导电 于是uc以一定的时间常数按指数规律下降 直到下一个半周 当 u2 uc时 二极管VD2 VD4导通 输出电压 uo的波形如图 b 中实线所示 由图 5 b 可以看出 加了电容滤波以后 输出电压的直流成 分提高了 不接电容时 桥式整流电路的输出电压uo为半个正弦波 的形状 如的波形如图 5 b 中的虚线所示 在RL上并联电路以 后 输出电压的波形如图 5 b 中的实线所示 显然uo的波形包围 的面积比原来虚线部分包围的面积增大了 因此 输出电压的平均 值提高了 由图 5 b 还可以看出 加上滤波电容以后 输出电压中的脉 动成分降低了 这是由于电容的储能作用所导致 当二极管导电时 电容被充电 将能量储存起来 然后再逐渐放电 把能量传送给负 9 载 因此输出波形比较平滑 由图 5 b 明显看出 uo的波形与虚 线部分的输出波形相比 脉动成分减少了 波形电容的选择和输出直流电压的估算 根据以上分析可知 在电容滤波电路中 电容放电的时间常数 RLC愈大 放电过程愈慢 则输出直流电压愈高 同时脉动成分 也愈小 即滤波效果愈好 当RLC为无穷大时 输出直流电压UO AV U2 2 脉动系数 S 0 所以应选择大容量的电容作为滤波电容 在实际工作中 为了得到比较好的滤波效果 常常根据下式来 选择滤波电容的容量 在桥式整流情况下 RLC 3 5 T 2 1 式中 T 为电网交流电压的周期 由于电容值比较大 一般为几 十到几千微法 通常可选用电解电容器 电容器的电压应大于U2 2 连线时注意电容的极性不要反接 当滤波电容的溶质满足式 1 时 可以认为输出直流电压近似 为 UO AV 1 2U2 此时脉动系数约为 20 10 左右 电容滤波电路的特点 电容滤波电路的结构简单 因而常常 被采用 电容滤波电路具有以下几个主要特点 1 电容滤波电路适用于小电流负载 已经知道RLC的乘积越大 则滤波效果越好 为此 不仅要选择大容量的滤波电容 而且要求 10 RL也尽量大 因此电容滤波滤波适用于负载电阻比较打大 即负载 电流比较小的场合 2 电容滤波电路的外特性比较软 滤波电路的输出电压UO AV 与 输出电流IO AV 之间的关系曲线称为外特性 如果不考虑电流在二 极管和变压器等效内阻上的降落 UO AV 的变化范围在U2至0 9 2 U2之间 若考虑整流电路的内阻 则Uo AV 值将更低 随着 IO AV 的增加 Vo AV 下降更快 及外特性比较软 所以电容滤 波适用于负载电流变化不大的场合 3 采用电容滤波时 整流二极管中将流过较大的冲击电流 接入 电容后 整流二极管的导电角 180o 而且 RLC 的乘积愈大 则 导电角愈小 由于加了电容滤波后 输出电流的平均值比原来提高 了 二导电角却减小了 因此 整流管在短暂的导电时间内将流过 一个很大的冲击电流 对管子的寿命带来不利的影响 所以必须选 用较大容量的整流二极管 11 4 硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路 硅稳压管稳压电路的原理图如图所示 整流滤波后得到的直流电压作 为稳压电路的输入电压 稳压管与负载电阻并联 为了保证工作在反向 击穿区 稳压管作为一个二极管 要处于反向接法 极性如图所示 限流 电阻 R 也是稳压电路中必不可少的组成原件 当电网电压波动或负 载电流变化时 通过调节 R 上的压降来保持输出电压的基本不变 电路的稳压原理电路的稳压原理 1 首先介绍稳压管的一些性质 稳压管也是一种二极管 但是 12 通常工作在反向击穿区 稳压管的主要参数有以下几项 1 稳定电压 UZ UZ是稳压管工 作在反向击穿区是的工作电压 稳定电压 UZ 是挑选稳压管的主要 依据之一 由于稳压电路随着工作电流的不同而略有辩护而 所以 测试 UZ 时应使稳压管的电流为规定值 不同型号的稳压管 其稳 定电压的值不同 对于同一型号的稳压管 由于制造工艺的分散性 各个不同的管子的 UZ值也有些差别 例如稳压管2DW7C 其 UZ 6 1 6 5V 表示型号同为2DW7C 的不同的稳压管 其稳定电压 有的可能为6 1V 等 但并不意味着同一个管子得稳定电压会有如此 之大的变化范围 2 稳定电流 IZ IZ 是使稳压管正常工作时的 参考电流 若工作电流低于 IZ 则管子的稳压性能变差 如工作 电流高于 IZ 只要不超过额定功率 稳压管可以正常工作 而且 一般来说 工作电流较大时稳压性能较好 使用稳压管组成稳压电路时 需要注意几个问题 首先 应使 外加电源的正极接管子的 N 区 电源的负极接 P 区 以保证稳压管 在 反向击穿区 如图所示 其次 稳压管应与负载电阻并联 由于稳 13 压管两端的电压变化量很小 因而使输出电压比较稳定 第三 必须限 制流过稳压管的电流 使其不超过规定值 以免因过热而烧毁管子 但 IZ的值也不能太小 若小于临界值 IZmin 则稳压管将失去稳压作 用 因此稳压管电路中必须接入一个限流电阻 R 它的作用就是调 节稳压管的电流 IZ大小 2 假设稳压电路的输入电压保持不变 当负载电阻减小 负载电流 增大时 由于电流在电阻 R 上的压降升高 输出电压将下降 而稳 压管并联在输出端 由图中稳压管两端的电压有一个很小的下降时 稳压管的电流将减小很多 此时 IR 也有减小的趋势 实际上利用 IZ的减小来补偿流过负载的电流的增大 使 IR基本保持不变 从而 使输出电压也保持基本稳定 3 假设负载电阻保持不变 由于电网电压升高而使电容两端电压 升高时 自输出电压也将随之上升 但是 由于稳压管的伏安特性 课件 此时稳压管的电流将急剧增加 于是电阻 R 上的压降增大 以此抵消电容两端电压的升高 从而使输出电压基本保持稳定 稳压电路中限流电阻的选择稳压电路中限流电阻的选择 在硅稳压管稳压电路中 如限流电阻 R 的阻值太大 则流过 R 的 电流很小 当增大时 稳压管的电流可能减小到临界值以下 IRIL 失去稳压作用 如 R 的阻值太小 则很大 当很大或开路时 IRRL 都流向稳压管 可以超过其允许定额而造成损坏 IR 14 设稳压管允许的最小工作电流为 最大工作电流为 IZ min 电网电压最高时的整流输出电压为 最低时为 负 IZ maxVaxImVinIm 载电流的最小值为 最大值为 则要是稳压管能正常工作 ILminILmax 必须满足下列关系 1 当电网电压最高和负载电流最小时 的值 IZ 最大 此时不应超过允许的最大值 即 IZ 或 II VV ZL Zax R maxmin Im 为稳压管的标称稳压值 II VV LZ Zax R minmax Im VZ 2 当电网电压最低和负载电流最大时 的值 IZ 最小 此时不应超过允许的最小值 即 IZ 或 II VV ZL Zin R minmax Im II VV LZ Zin R maxmin Im II 电路组成电路组成 电路包括四部分 采样电阻 放大电路 基准电压 调整管 采样电阻 由电阻 和组成 当输出电压发生变化时 采样 R1R2RW 电阻对变化量进行采样 并传送到放大电路的基极 放大电路 15 比较放大器的作用是将采样电阻送来的变化量进行放 T3 大 然后传送到调整管的基极 基准电压 基准电压由稳压管提供 接在比较放大器的发射极 VDz 调整管 在电路中调整管由和共同构成 调整管 T 接在输入 T1T2 直流电压 与输出端得负载电阻之间 当输出电压发生波 VIRLV0 动时 调整管的集电极电压产生相应的变化 使输出电 压基本保持稳定 III 串联型直流稳压电路的稳压原理串联型直流稳压电路的稳压原理 假设增大或减小而导致输出电压增大 则 VIILV0 通过采样以后反馈到比较放大器的基极电压也按比例地增 Vb3 大 则 减小 引起减小 增大 也就是增大 VC3VB2Ve2Vb1 所以减小 也就引起减小 最后使基本保持不变 Ve1V0V0 以上稳压过程课建明表示如下 IL V 0 V b3 ib3 ic3 V c3 V b2 ib2 ie1 V 0 由此看出 串联型直流稳压电路稳压的过程 实质上是通过 电压负反馈是输出电压基本保持不变 四 四 参数选择参数选择 变压器的选择 16 通常使 VCE 3 8 V 保证调整管工作在放大状态 C1两端电压 VI VO VCE 设计中要求 VO为 12V 又 VO 可调 取 VI足够大 为 24V 又 VI 1 2u2 所以 u2 24 1 2 V 20V 电网提供的交流电 一般为 220V 交流 对于变压器电压之比等于匝数之比即 u1 u2 N1 N2 220V 20V 11 因为负载的功率为 18W 而串联型直流 稳压电路的效率最大为 50 所以要求变压器的效率 40W 2 D1 D4 的选择 二极管正向平均电流 电桥中 和 轮 IDVD1VD2VD3VD4 流导电 其中为负载电流的最大值 一般取值 ID ILMILM 为 1 5A 二极管最大反向峰值电压 每个整流管的最大反向峰值 URM 电压是指整流管不导电时 在它两端出现的最大反向电压 URM 选管时应该选择耐压比这个数值高的管子 以免被击穿 在电 桥中 所以 D 的承受压 URM 2U 2 2U 2 3 的选择 C1 容量 根据常识 每 0 1A 的电流对应 200F 的电容 因 为输出电流为 1 5A 所以 200 3000F C1 1 0 5 1 在电容滤波电路中 电容放电的时间常数 RC 愈 大 放电过程愈慢 则输出直流电压愈高 同时脉 动成分也愈小 即滤波效果愈好 所以应该选择大 容量的电容作为滤波电容 在实际工作中 在桥式 整流情况下 通常选用 3 5 来选择容量 R 2 T 17 R 16 又 C 3 5 T 2R 其中 RL A V 5 1 24 T 20ms 所以 C 2875 3125 F 取 C 3000 F 耐压应大于 2VI 即 48V 4 VO的取值范围 设采样电阻 RW 100 R2 100 RW 100 取 VZ 5 3V 又 7 0 22 21 V V RR RRR V Z W W O 则当 RW的滑动端调至最上端时 RW2 0 RW2 RW VO达到最 小值 此时 VVV V RR RRR V Z W W o 9 7 03 5 100100 100100100 7 0 2 21 min 而当 RW的滑动端调至最下端时 RWI RW RW2 0 VO达到 最大值 可得 VVV V R RRR V Z W o 18 7 03 5 100 100100100 7 0 2 21 max 5 各电压的关系 VI 1 2u2 VI 24V 2 VOu N N u 2 2 1 1 各管脚的电压 首先求出 则 VE1 V VO 12 V VV IC 24 1 12 7V 24V V VV EB 7 0 11 VV CC12 V VV BE 7 12 12 VV VV EB 4 137 0 22 V VV BC 4 13 23 V VV ZE 3 5 3 V VV EB 7 0 33 6 各电流关系 18 为了确定各电流的关系首先应确定和 R 的值 RC3 若取 IZmin 5mV 因为 I VV Z ZO R min 1 34K 所以取 R 1K IE1 IL 1 5A 取共射 I VV z zO R min 5 3 512 直流电流放大倍数 50 IE2 IB1 IC1 1 5 50 30mA 同理 IB2 IC2 IE2 30mA 50 0 6mA IRC3 IB2 Rc3 R VV c BI 3 2 R VV c BI 3 2 17 7K 所以取 RC3 17K 可以求得 mA V 6 0 4 1324 IRC3 0 62mA 则 Ic3 IR2 IB2 0 02mA IDW R VV c BI 3 2 k V 17 4 1324 Ic3 0 02mA 6 72mA RV V zo K V 1 3 512 7 功率关系 输出功率 Po Vo IO Vo IL 12 1 5 18W 输入功率 PI VI II VI IL 24 1 5 36W 调整管的功率 PT PI Po 36 18 W 18W 五 五 实验室实验室 1 对图 没有采用复合管 19 2 对图查元件 对图查元件 查二极管查二极管 D 测试测试 用数字表测量时 将红表笔插入 V 孔 黑表笔插 入 COM 孔 选用 二极管专用档来测量 若有示数时 红表笔对应 的是正极 黑表笔对应的是负极 若用指针表测量时 红表笔插入 孔内 黑表笔插入 孔内 选用电阻挡来测量 若有示数 时 红表笔对应的负极 黑表笔对应的是正极 二者正好相反 对于普通二极管数值 用数字表 二极管档 正向数值约 0 7V 反向数值为无穷 1 对于发光二极管数值 用数字表 二极管档 正向数值约 1 9V 反向数值为无穷 1 极性判别 对于大多数的二极管 用一个不同颜色的环来表示 负极 发光二极管内部的两个电极大小不一 一般情况下发光二极 管的正极电极较小 负极的电极较大 若是新的发光管 管脚较长 的一个是正极 20 二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线 结果 二极管良好 查三极管查三极管 T 三极管管脚的识别与测量 根据管脚排列规律进行识别 1 等腰三角形排列 识别时管脚朝上 使三角形正好在上半圆内 从左角起 按顺序时针分别是 e b c 2 在管壳外延上有一个突出部 由此突出部顺时针方向为 e b c 3 管脚为等距一字形排列 从外壳色标志点起 按顺序为 c b e 4 管脚为非等距一字形排列 从管脚之间距离较远的第一只脚为 c 接下来是 b e 5 若外壳为半圆形状 管脚一字形排列 则切面向上 管脚向里 从左到右依次为 e b c 6 个别超高频管为 4 脚 从突出部顺时针方向为 e b c d d 与管壳相通 供高频屏蔽用 21 利用万用表进行识别 1 基极与管型的判别 对于小功率三极管 万用表使用 R 100档或 R 1k档 以 PNP 型为例 先假定某一管脚为基极 将红表笔接上 黑表笔 分别接另外两管脚 如果测得电阻均很小 约 1k 时 将红 黑表笔对调 重复测量一遍 如果阻值均很大 200 k以上 那么假定正确 当不明确三极管是 PNP 型还是 NPN 型时 红表笔接假定的基 极 黑表笔接另两极 如果阻值均很小 则为 PNP 型 否则为 NPN 型 2 集电极和发射极的判别 将万用表置于 R 100档或 R 1k档 如果被测的是 PNP 型 那么红表笔接基极 黑表笔依次接另外两个管脚 两次测得阻 值不同 一次阻值大 一次阻值小 阻值小的一次黑表笔所接为集 电极 如果被测的为 NPN 型 只要把表笔对调即可 另一种方法就是将表笔分别接在除基极以外的另外两个极上 用手蘸点水 用拇指和食指把红表笔所接的那个极与基极捏住 但 不能相碰 记在此时万用表欧姆档读数 然后调换万用表表笔 以 同样的方法再测一次 两次测量中 阻值小的一次 红表笔所接的 管脚为集电极 如果是 NPN 型 正好相反 数字万用表对三极管放大倍数的测量 22 利用数字万用表的档 将量程开关拨到 NPN 档 如测定 hFE 3DG 3DK 等 NPN 型晶体管 将三极管插入对应插孔中 注意管脚 与插孔旁的 b c e 对应 再将电源开关拨到 ON 位置 数字万用 表显示屏就显示出直流放大倍数值 如果测试 3AX 类等 PNP 型三 极管 就要注意将量程开关拨到 PNP 档 再插入待测三极管 查电阻查电阻 R 电阻的测量电阻的测量 1 万用表测量电阻 测量时 首先将万用表进行调零 即将红黑表笔短接 调节调零 按钮 使指示阻值为零 然后 再用表笔接被测电阻两端进行测量 根据指示偏转的指示值求出被测电阻值 在测量过程中需要注意的是只要换挡 就必须重新进香调零 否则将产生较大的测量误差 同时 应注意拿电阻的手不要触碰电 阻的两根引出端 以免手指电阻与被测电阻并联 影响测量精度 另外 在常温下熔断电阻的阻值是正常的 2 数字万用表测量电阻 用数字万用表测量电阻 无需调零 测得的阻值更为精确 测 试方法为 将数字万用表的红表笔插入 V孔 黑表笔插入 COM 孔 将量程开关置于电阻档 根据阻值确定 电源开关拨到 ON 位 置 将红黑表笔分别与电阻的两个引脚相接 显示屏上便能显示出 电阻的阻值 如果测得的阻值为无穷大 显示屏左端显示 1 或者 1 这时应选择稍大量程再进行测试 23 应该注意 欧姆档量程选得是否合适 将直接影响测量精度 如测量 20 电阻时 应选用 R 1 档 如选用 R 1k 档 读数 精度极差 因此 要认真选择量程 这是提高测量精度的重要环节 被测电阻阻值为几欧到几十欧时 可选用 R 1 档 被测电阻阻值 为几十欧到几百欧时 可选用 R 10 档 被测电阻阻值为几百欧 到几千欧时 可选用 R 100 档 被测电阻阻值为几千欧到几十千 欧时 可选用 R 1k 档 被测电阻阻值为几十千欧以上时 可选 用档 kR 10 色环电阻的标识色环电阻的标识 就是在电阻器上用不同颜色的环来表示电阻的 规格 有的用 4 个色环表示 有的用 5 个 4 环电阻 一般是碳膜 电阻 用 3 个色环来表示阻值 用 1 个色环表示误差 5 环电阻一 般是金属膜电阻 为更好地表示精度 用 4 个色环表示阻值 另一 个色环也是表示误差 色别第二色环最 大一位数字 第二色环最 大一位数字 第三色环应 乘的数字 第四色环误 差 棕1110 1 红22100 2 橙331000 3 黄4410 4 4 绿5510 5 蓝6610 6 紫7710 7 24 灰8810 8 白9910 9 黑001 20 金0 1 5 银0 01 10 对于 4 色环电阻 其阻值计算方法位 阻值 第 1 色环数值 10 第 2 色环数值 第 3 位色环代表之所乘 数 对于 5 色环电阻 其阻值计算方法位 阻值 第 1 色环数值 100 第 2 色环数值 10 第 3 位色环数值 第 4 位色环代表之所乘数 实验室所用电阻 电阻名称理论阻值实际阻值 色环颜色 R1240 239 棕 黑 黑 黄 棕 R21 k 998 4 棕