直流稳压电源的设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 直流稳压电源的设计设计报告一、设计要求设计一直流稳压电源，具体要求如下：（1）同时输出电压3V(5V、10V)或输出可调任选。（2）输出电流为2A。(3)稳压系数为510 -3 .二、设计的作用、目的 通过设计直流稳压电源，要求掌握：(1)选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源。 (2)掌握直流稳压电源的调试及主要技术指标的测试方法。 通过直流稳压电源的设计，要求学会：（1）进一步加深理解整流电路的工作原理及滤波电路的作用。（2)掌握直流稳压电路的设计方法，合理选择整流二极管、滤波电路及集成稳压器。（3) 掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的调试方法。三、设计的具体实现1 .系统概述直流稳压电源通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等部分组成，其原理框图如图示1.1稳压电路的组成框图1.2稳压电源整流及稳压的过程其各部分的作用如下：1)电源变压器的作用是将电网220V的交流电压转换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui 。变压器的变化由变压器得副边确定，变压器副边与原边的功率比为P2P1= 其中，为变压器的效率。2）整流电路：利用单向导电元件，将50HZ的正弦交流电变换成脉动的直流电。3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分的大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。滤波电路可以滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有半波整流滤波、全波整流滤波、桥式整流滤波等。1.3桥式整流滤波电路a1.3桥式整流滤波电路的波形b4）稳压电路：稳压管稳压电路的工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化就会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。2、单元电路设计与分析1)整流电路的选择：方案一：单相桥式整流电，如图所示2.1单相桥式整流电路图四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。单相桥式整流电路的工作原理为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在 v2 的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管 D1 流向 RL， 再由二极管 D3 流回变压器，所以 D1、D3 正向导通，D2、D4 反偏截止。在负载上产生一 个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图中实线箭头表示。在 v2 的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过 二极管 D2 流向 RL，再由二极管 D4 流回变压器，所以 D1、D3 反偏截止，D2、D4 正向导 通。电流流过 RL 时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图中虚线箭头所示。 综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。2.2单相桥式整流电路简化图结合上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图所示。2.3桥式整流电路的工作波形由图可见，通过负载桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承 受的最大反向 RL 的电流 iL 以及电压 vL 的波形都是单方向的全波脉动波形。电压较低， 同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用， 效率较高。方案二：单相半波整流电路，如图所示2.4单相半波整流电路图2.5半波整流电路的工作波形设变压器副边电压有效值为U2 则其有效值为u2=2U2sint。在u2的正半周，A点为正，B点为负，二极管外加正向电压，因而处于导通状态。电流从A点流出，经过二极管D和负载电阻RL流入B点，u 0=u2=2U2sint(t=0)在u2的负半周，B点为正，A点为负，二极管外加反向电压，因而处于截止状态。u 0 =0(t=2)负载电阻RL 的电压和电流都具有单一方向脉动的特性。方案三：单相全波整流电路，如图所示2.6单相全波整流电路2.7单相全波整流电路的波形全波整流电路原理：一是变压器与半流整流电路相同，但用四个二极管组成桥式电路，将次级线圈的正、负半周都用起来；二是变压器的次级绕组圈数加倍，中间抽头，实际上由两个次级线圈构成。中间抽头接负载一端，另两个端子各串联一个二极管后接负载的另一端。方案一: 单相桥式整流电路: 使用的整流器件较全波整流时多一倍,整流电压脉动与全波整流相同,每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值,变压器利用率较全波整流电路高。方案二: 单相半波整流电路: 单相半波整流简单,使用器件少,它只对交流电的一半波形整流,只要横轴 上面的半波或者只要下面的半波.但由于只利用了交流电的一半波形,所以整流效率不高, 而且整流电压的脉动较大, 无滤波电路时, 整流电压的直流分量较小, Uo=0.45Ui,变压器的利用率低. 方案三: 单相全波整流电路: 使用的整流器件较半波整流时多一倍,整流电压脉动较小,比半波整流小一半.无滤波电路时的输出电压Uo=0.9Ui,变压器的利用率比半波整流时高.变压器二次绕组需中心抽头.整流器件所承受的反向电压较高.综合三种方案的优缺点:决定选用方案一.2）滤波电路的选择：方案一：电容滤波电路，如图所示2.8电容滤波电路2.9桥式整流、电容滤波电路2.10形桥式整流、电容滤波时的电压、电流和纹波电压的波形工作原理：滤波电容容量大，一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极，电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。负载RL未接入（开关S断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当U2为正半周时，U2通过D1、D3向电容器C充电，U2为负半周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为：c =RintC 式中Rint包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压U2的最大值1.414 U2，极性如图所示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压Uc）保持在1.414 U2，输出为一恒定的直流电压，如图中wt0部分所示。接入负载RL（开关S合上）时的情况：设变压器二次电压U2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时U2 Uc , 二极管受反向电压而截至，电容器经RL放电，放电时间常数为d =RLC。因d一般较大，故电容器两端电压U2按指数规律慢慢下降。其输出电压Uo=Uc，如图ab端所示。于此同时，交流电压U2按正弦规律上升。当U2大于Uc时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时U2经二极管D1、D3一方面向负载RL提供电流，另一方面向电容器C充电，U c升高将如图3.4.3中的b c段，图中b c段的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻Rint上产生的压降。U c随着交流电压U2升高到最大值1.414 U2的附近。然后，U2又按正弦规律下降。当U2 U c时，二极管受反向电压而截至，电容C又经过RL放电，U c下降，U c波形如图中的c d段。电容C如此周而复使地进行充放电，负载上便得到如图所示的一个近似锯齿波的电压Uo=Uc，使负载电压的波动大小为减小。方案二：电感滤波电路，如图所示在整流电路的输出端接上一个电感，利用其限制电流变化的特点，能使通过整流管的电流平滑。电感滤波适用于负载较大的场合。2.11电感滤波电路方案三：复合滤波电路LC滤波电路电感与电容组成LC滤波器，可进一步减少输出电压的脉动程度。,如图所示2.12 LC滤波电路RC滤波电路由于电感体积大，在输出电流不很大的场合，常用电阻代替电感，组成RC-形滤波器。2.13 RC滤波电路电容滤波 适应小电流负载 VL1.2V 2 电感滤波 适应大电流负载 VL0.9V2 LC滤波 适应性较强 VL0.9V2 RC或LC型滤波 适应小电流负载 VL1.2V2由于电感的体积和制作成本等原因，采用方案一，其作用是把脉动直流电压U3中的大部分纹波加以虑除，得到较平缓的直流电压 。电容C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。经过滤波电路后，既可以保留直流分量，又可以滤除一部分交流分量，改善了交直流成分是比例，减少电路的脉动系数，改善直流电压的质量。3）稳压器的选择： 方案一: 采用7805三端稳压器电源： 固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo,输入脚Vi 和接地脚GND组成,它的稳压值为+5V,它属于CW78xx系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波, 输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好,只是采用的电容必须要漏电流要小的电容,如果采用电解电容,则电容量要比其它的数值要增加10倍,但是它不可以调整输出的直流电源;所以此方案不易采用. 方案二:采用LM317可调式三端稳压器电源：LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压.不过它只能连续可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路,输出电压为:Vo=1.25(1+RP/R). 由此可见此稳压器的性能和稳压稳定都比上一个三端稳压电源要好,所以此 此方案可选,此电源就选用 LM317三端稳压电源,也就是方案二.4)稳压电路的选择：稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电压及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。稳压系数S:当负载保持不变时，输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即当RL为常数时，S=U0 UIU0 UI 显然，稳压系数越小，稳压效果越好。输出电阻R0 :当输入电压保持不变时，由于负载变化而引起的输出电压变化量与输入电流变化量之比，即当UI为常数时，R0=U0I0纹波电压：在额定的负载条件下，输出电压中所含的交流分量的有效值，一般为毫伏数量级，可用交流电压表或示波器直接来测量。串联型稳压电路的主要特点 :稳定性好 当输入电压Usc（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压 Usc 的变化应该很小一般要求。 UscUsc1由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定指标，常用稳压系数S来表示：S 的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下，S 越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。通常S约为10-2 10-4. 输出电阻小负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc，应基本保持不变。稳压电 源这方面的性能可用输出电阻表征。 输出电阻（又叫等效内阻）用rn表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。rn=UscIfzrn 反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn越小,则变化Ifz时,输出电压的变化也越小。 性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧,甚至 0.01 欧。电压温度系数小 当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示. 输出电压纹波小 所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用,可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S.3、单元电路的选择和设计1）集成三端稳压器LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压高得多的纹波抑制比。可调整输出电压低到1.2V，保证1.5A 输出电流，典型线性调整率0.01%，80dB 纹波抑制比，输出短路保护，过流、过热保护，调整管安全工作区保护，标准三极管封装。LM317其特性参数：可调范围为 1.25V-7V 最大输出电流为 1.5A 输入与输出工作压差为U = Ui Uo ：3V-40V。输出表达式为： Uo = (1 + R2R1 )U REF R1 其中，UREF 是集成稳压器件的输出电压，为1.25V。 如图所示3.1 LM317电路图改变R2的值，Uo的值即可改变。当 R2 短路时，Uo 最小，为UREF 即1.25V；当 R2 大于零时，Uo都大于UREF ，最大可达37V。2)选择电源变压器确定副边电压U2 :根据性能指标要求：Uomin=3V Uo max =10V又因为 Ui - Uo max（Ui -Uo）min Ui - Uo min(Ui - Uo ) max其中：(Ui -Uo max) min = 3V , (Ui - Uo min) max = 30 V 所以，8VUi30V此范围可任选： Ui =8V =Uo根据 Uo1 =(1 .1 1 .2 )U2 可得变压的副边电压：U2 = Uo1 1.15=8 V 确定副边电流I2 ：因为Io1 = Io 又副边电流 I2 = (1 .5 2 ) Io1 取Io =I0max=2A ，则I2 =1.52=3A选择变压器的功率 变压器的输出功率： Po I2U2 =24W 3）选择整流电路中的二极管因为变压器的伏变电压 U2 =8V 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：1.41U2 = 11.3V 桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：I02=1A查手册选整流二极管IN4001,其参数为：反向击穿电 UBR =1000 V11.3V 最大整流电流IF =1.5A1A4)滤波电路中滤波电容的选择求Ui根据稳压电路的稳压系数的定义：SV=U0 UiUi U0设计要求Sv510-5 Ui=8v 一般，小型变压器的效率如下表所示因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1 .设计要求的电源变压器为15V25W.原边输入功率为P1=25W.副边输出功率为P2I2U2=25=10W.因为所选电源变压器为双15V25W,由表中数据可知，则P1=P2=00.7=14W,所选25W符合要求。电源变压器的实际功率为=P2P1=1025100=404、PCB版电路制作按 PCB 图所示，制作好电路板。安装时，先安装比较小的原件，所以先安装整流电路，在安装稳压电路，最后再装上电容。应该要注意的是二极管和电解电容的极性不要接反。检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用万用表检查整流后输出 LM317 输入端电压 Ui 的极性，若 Ui 的极性 为负，则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路，就会损坏集成稳压器。然后接通电源，调节 Rw 的值，若输出电压满足设计指标，说明稳压电源中各级 电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标的测试。电位器 RV1 取最大时，Uo=8.95V 电位器 RV1 滑到最小时，Uo=2.94V 电位器在 0 到1K之间，输出电压连续可调：约为3V9V。四、心得体会及建议经过几星期的学习与实践，终于把课程设计报告完成了。通过这一次的学习与实践，我对模电知识有了进一步得了解，对模电课程中的直流稳压电源这一章所涉及的部分元件有了进一步的认识；掌握了选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源，学会了用软件对直流稳压电源进行调试及各部件主要技术指标的测试。从选题到画图这个过程并没有发费我太多的时间，因为这学期我才学过 Ptotel画电路和PCB版电路的制作，其中老师也教过我们如何画原件封装，所以，这个过程没有给我造成困难。但是画PCB版电路图关系到之后的印版，所以画PCB版电路图的时候我特意向在行的同学寻求帮助，问她们哪些地方需要改进的。但是仍然存在不足，就是容值较大的电容与稳压管的距离靠得太近， 导致散热片不能正常接上去，影响了稳压管的散热性能。硬件的制作按流程操作并不是很难，我只用了一个晚上的时间,测得的输出电压为2.71V9.04V。减少了误差。电桥滤波学过，但在设计时并不能及时反映过来，而是通过参考书才理解，而对于二极管的使用，我连正反向都不清楚，我感觉我们学的东西是白学的。 在参照参考书设计电路到完成实物中，遇到了许多问题，也学到了许多东西，知道选器件时，要注意电容