小型稳压电源的设计与制作.doc

济源职业技术学院济源职业技术学院 毕毕 业业 设设 计计 题目 小型稳压电源的设计与制作 系别 机电系 专业 应用电子技术 班级 电技 0801 姓名 王胜卓 学号 08020120 指导教师 魏永峰 日期 2010 年 10 月 济源职业技术学院毕业设计 I 设计任务书 设计题目 设计题目 小型稳压电源的设计与制作小型稳压电源的设计与制作 设计要求 设计要求 设计并制作一个连续可调直流稳压电源 主要技术指标要求 1 输出电压可调 Uo 3V 9V 2 最大输出电流 Iomax 800mA 3 输出电压变化量 Uo 15mV 4 稳压系数 SV 0 003 设计进度要求 设计进度要求 第一周 选定设计题目 第二周 指导老师对设计题目进行详细讲解 第三周 第十周 指导老师对设计内容进行详细的指导 第十一周 查资料 收集信息 设计电路图 第十二周 分发元件 按原理图进行 CAD 原理图以及 PCB 的制作 第十三周 焊接元器件 第十四周 第十五周 写设计论文 第十六周 指导老师对设计报告进行检查 修改 并定稿设计论文 第十七周 熟悉论文 准备答辩 指导教师 签名 指导教师 签名 济源职业技术学院毕业设计 II 摘 要 现代人类社会中 从国防到民生 从工作到生活 再到娱乐 电的应用越 来越普及 电的作用也越来越不可替代 因此 电源渗透到我们人类生活的方 方面面 随着社会的发展 各种稳压电源 开关电源 以及计算机电源相继问 世并不断地发展着 本设计涉及到的就是一种小型的 简单的稳压电源 开 关行稳压电源 该电源总的来说有四部分组成 分别是变压器 整流电路 滤 波电路和稳压电路 四部分相互衔接 组成了安全 可靠 节能的稳压电源 本设计对稳压器进行了详细的描述 包括小型变压器材料的选择 参数的 计算等 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 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 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 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 关键词 关键词 线性稳压 变压 整流 滤波 稳压 济源职业技术学院毕业设计 I 目 录 摘 要 II 1 稳压电源的介绍 1 1 1 引言 1 1 2 线性稳压电源的优缺点 3 2 直流稳压电源变压器部分的设计和制作 5 2 1 变压器的材料 5 2 2 设计与计算步骤 6 2 3 变压器的主要特性 9 2 4 小功率电源变压器的制造 11 3 直流稳压电源整流与滤波电路部分的设计和制作 12 3 1 单相整流电路 12 3 2 滤波电路 17 4 小型稳压电源稳压电路的设计 22 4 1 稳压电路的作用 22 4 2 稳压电路的选择 22 4 3 稳压电源的主要性能指标 26 4 4 电路设计 27 致 谢 29 参考文献 30 济源职业技术学院毕业设计 1 1 稳压电源的介绍 1 11 1 引言引言 1 1 1 稳压电源发展史 1955 年美国的科学家罗那 G H Royer 首先研制成功了利用磁芯的饱和 来进行自激振荡的晶体管直流变换器 此后 利用这一技术的各种形式的精益 求精不断地被研制和涌现出来 从而取代了早期采用的寿命短 可靠性差 转 换效率低的旋转和机械振子示换流设备 由于晶体管直流变换器中的功率晶体 管工作在开关状态 所以由此而制成的稳压电源输出的组数多 极性可变 效 率高 体积小 重量轻 因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备 由于 那时的微电子设备及技术十分落后 不能制作出耐压高 开关速度较高 功率 较大的晶体管 所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入 并且转换的 速度也不能太高 60 年代 由于微电子技术的快速发展 高反压的晶体管出现了 从此直 流变换器就可以直接由市电经整流 滤波后输入 不再需要工频变压器降压 了 从而极大地扩大了它的应用范围 并在此基础上诞生了无工频降压变压 器的开关电源 省掉了工频变压器 又使开关稳压电源的体积和重量大为减 小 开关稳压电源才真正做到了效率高 体积小 重量轻 70 年代以后 与这种技术有关的高频 高反压的功率晶体管 高频电容 开关二极管 开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来 使无工频 变压器开关稳压电源得到了飞速的发展 并且被广泛地应用于电子计算机 通信 航天 彩色电视机等领域 从而使无工频变压器开关稳压电源成为各 种电源的佼佼者 任何电子线路的正常工作都离不开电源 电源有两种 一种是直流电源 DC 既 Direct Current 另一种是交流电源 AC 既 Alternating Current 而用大规模集成电路和辅助电子元件 如电阻 电容 二极管 组成的电子线路都要求电压稳定的直流电源供电 如果直接用干电池作为电 源 由于电路电流较大 则需要频繁的更换干电池 而我们日常所用的电源 均为 AC220V 如何将 AC220V 电源变换为可用的直流电源呢 下面将给出一 种简单实用的电源 小型稳压电源 它由变压器 整流 滤波和稳压电路等 济源职业技术学院毕业设计 2 四部分组成 稳压器的分类多种多样 根据其主要特性来划分 按其稳定结果来划分可 分为直流稳压器和交流稳压器 按稳压电路的连接方式可分为并联型稳压器和 串联型稳压器 1 1 2 稳压电源的分类 稳压电源主要可分为线性型稳压电源和开关型稳压电源两大类 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 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 前者由工频变压器把 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 40 60 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 但缺点是纹波大 相互干扰大 所以 80 年代以来发展迅速 因为线性电源在工作时会以发热的形式损耗大量能量 故 线性电源在效率要求不高的应用场合中使用 线性电源广泛用作板载电源 当 板上仅需几瓦功率时 电源损耗的功率可通过一个小散热片耗散 如果需要与 交流输入电源隔离 可以接一个交流变压器或模块电源 所以 本文选用线性 稳压电源 稳压器在电网络中的作用 我们用一个框图来形象描绘 图 1 1 稳压器简视图 总的来说 在输出功率小于 10W 的应用场合 线性电源有它的用武之地 稳压器稳压器 输入稳定电压 Ui 输出稳定电压 Uo 济源职业技术学院毕业设计 3 10W 之上 散热器会变得既大又贵 则开关电源会更有吸引力 本实验设计的为中小型直流稳压电源 故采用线性的 可以带动录音机 随身听等小家用电器 1 1 3 线性稳压电源概述 所谓线性稳压电源 是指在稳压电源电路中的调整功率管是工作在线性放 大区 其工作过程为 将 220V 50HZ 的工频电压经过线性变压器降压以后 再 经过整流 滤波和线性稳压 最后输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的 直流电压 其原理方框如图 1 2 所示 1 1 图 1 2 线性稳压电源原理图 1 21 2 线性稳压电源的优缺点线性稳压电源的优缺点 1 2 1 线性稳压电源的原理 基本工作原理为 工频交流电源经过变压器降压 整流 滤波后成为一 稳定的直流电 电源接上负载后 通过采样电路获得输出电压 将此输出电 压与基准电压进行比较 如果输出电压小于基准电压 则将误差值经过放大 电路放大后送入调节器的输入端 通过调节器调节使输出电压增加 直到与 基准值相等 如果输出电压大于基准电压 则通过调节器使输出减小 1 2 2 线性稳压电源的优缺点 1 优点 1 电源稳定度及负载稳定度较高 2 输出纹波电压小 3 瞬态响应速度快 4 线路结构简单 便于维修 5 没有开关干扰 2 缺点 济源职业技术学院毕业设计 4 1 功耗大 效率低 其效率一般只有 45 2 体积大 重量重 不能微小化 3 必须有较大容量的滤波电容 另外还有稳定性高 纹波小 可靠性高 易做成多路 输出连续可调 的成品的优点 缺点是体积大 较笨重 效率相对较低 造成这些缺点的原 因是 在线性稳压电路部分中 调整管 V 在电源的整个工作过程中 一直是工 作在晶体管特性曲线的线性放大区 调整管本身的功耗与输出电流成正比 这 样调整管 V 本身的功耗会随电源的输出功耗的增大而增大 使调整管急剧地发 热 为了保证管子能正常工作 除选用功率大的管子 还必须给管子加上较大 的散热片 线性电源使用了 50HZ 工频降压变压器 通常这种变压器的效率只有 80 90 这样不但增加了电源的体积和重量 而且也大大降低了电源的效率 济源职业技术学院毕业设计 5 2 直流稳压电源变压器部分的设计和制造 2 12 1 变压器的材料变压器的材料 2 1 1 变压器的组成 变压器由绕组 铁芯组成 一般而言 变压器还有一个外壳 用来起屏蔽 和固定作用 一般的变压器具有一个初级绕组 一个或多个次级绕组 线圈绕在铁芯上 给初级绕组加上交流电 由于电磁感应的原理 在次级绕组上则有电压输出 给初级绕组加上交流电后 在次级绕组周围则产生交变磁场 初级绕组通 电后产生的磁力线绝大部分由铁芯构成回路 铁芯的磁阻远小于空气的磁阻 次级绕组绕在铁芯上 这样 它的线圈切割磁力线而产生感应电动势 结果在次 级绕组两端有电压输出 无论在铁芯上绕几个次级绕组 次级线圈上都会切割 磁力线而产生感应电动势 设计与制造整流滤波电路 是根据负载要求的电压和电流来选择电路和参 数的 对变压器副线圈上的电流和电压提出要求 然后才能确定电源变压器 因为变压器是线性稳压电源中不可缺少的设备 2 1 2 变压器的设计方法 下面主要介绍小功率电源变压器 一般为几百瓦以下 的简单设计方法 1 硅钢片 用作制造变压器的铁芯 按国标要求剪裁 常见的铁芯形状有 U 型 E 型 等多种形状 冷轧硅钢片的化学成分 冷轧硅钢片的化学成分是质量为 3 5 的硅 0 06 的碳 0 25 的硫 0 15 的锰 0 03 的磷 铝的分量为硅的质量分数的 1 7 倍 其余为铁 这些元素在硅钢片的作用是 1 碳 C 会增大钢板的磁滞损耗 故应尽量减少 2 硅 Si 可以减弱碳的不良作用 即减少磁滞损耗 同时又可提高磁导 率和电阻率 延长因长期使用带来的磁性变坏的老化作用 3 硫 S 会使硅钢片产生热脆 增加磁滞损耗 同时会导致晶粒细化 降 低磁通密度 4 锰 Mn 能促使钢中产生相变 对脱碳和脱硫不利 因而导致磁通密度 济源职业技术学院毕业设计 6 降低 5 钢中存在的杂志元素都是非磁性或弱磁性物质 它们的存在造成晶格歪 扭 错位 空位和内应力等 所以有冷轧硅钢片 一般硅钢片 优质硅钢片等 等 2 线圈骨架 用塑料 胶木板 硬质板等绝缘材料做成 3 导线 用于制作变压器的原副线圈 常用漆包线或纱包线 4 绝缘纸 用于变压器层间与组间绝缘 有青壳纸 黄蜡绸等 2 22 2 设计与计算步骤设计与计算步骤 2 2 1 选择变压器参数 1 确定副边电压 U2 根据性能指标要求 Uomin 3V Uomax 9V 又 Ui Uomax Ui Uo min Ui Uoin Ui Uo max 其中 Ui Uoin min 3V Ui Uo max 40V 12V Ui 43V 此范围中可任选 Ui 14V Uo1根据 Uo1 1 1 1 2 U2 式 2 1 可得变压的副边电压 V U U O 12 15 1 1 2 2 确定变压器副边电流 I2 Io1 Io 又副边电流 I2 1 5 2 IO1 式 2 2 取 IO IOmax 800mA 则 I2 1 5 0 8A 1 2A 3 选择变压器的功率 变压器的输出功率 济源职业技术学院毕业设计 7 Po I2U2 14 4W 式 2 3 2 2 2 铁芯截面的选择 对于我国的工频 f 50Hz 的电源变压器 用经验公式 Sc K PO 式 2 4 j 1 5 23 75 7 5cm2 7 5 10 4m2 式中的 P0 P1 P2 2 25 22 5 2 23 75W Sc bl0 l0 是 E 型铁芯的舌宽 l0 的取值为 2 5cm 在选择铁芯舌宽时 铁芯的重叠厚度 b b 的取值为 3cm 硅钢片的厚度 d 有 0 5mm 0 35mm 规格 在由公式 N b d 式 2 5 3cm 0 5mm 60 算出所需硅钢片片数 系数 K 由下表查出 表 2 1 功率系数对比表 变压器的功率 P0 W K 5 102 1 75 10 501 75 1 5 50 1001 5 1 35 100 500 1 35 1 25 500 1000 1 25 1 00 2 2 3 计算每伏匝数 有磁感应公式可得 其中 f 50Hz 每伏匝数为 U 4 44 N SC fC 10 4 式 2 6 其中 f 53HZ 每伏匝数为 NO 45 B SC 45 1 6 104 7 5 10 4 3 75 匝 伏 SC 为铁芯的截面积 单位为 m 2 B 为铁芯的磁感应强度 单位为高斯 它的数值取法是 冷轧硅钢为 济源职业技术学院毕业设计 8 16000 18000 优质硅钢片取 10000 12000 一般硅钢片取 7000 8000 叠厚 叠厚 b 窗高 h 图 2 1 变压器 E 型铁芯 因为导线有电阻 副边的每伏圈数要提高 5 10 则副边每伏圈数计算为 NO1 1 5 NO 式 2 7 1 05 45 B SC 1 05 45 1 6 104 7 5 10 4 4 匝 伏 2 2 4 计算原副边各个绕组的圈数 原边的圈数 N1 N1U1 式 2 8 那么 N1 220N0 220 3 75 825 匝 伏 副边的圈数 N21 N01U21 4 18 4 74 匝 N22 N01U22 4 18 4 74 匝 N23 N01U23 4 11 44 匝 N24 N01U24 4 12 48 匝 舌宽 lo 窗宽 l1 济源职业技术学院毕业设计 9 N25 N01U25 4 4 1 17 匝 2 2 5 绕组线径的选择 绕组的粗细是通过查表来选择的 但是也可以通过用计算的方法求得 一 般小功率电源变压器的导线电流密度 J 2 5 3A mm2 所以 在知道线圈的电流 I 时 由 I J 就可以计算出导线的截面积 对于铜线的直径 d 和面积 S 有公式 S d2 4 式 2 9 则 d 1 13JI 当 J 2 5A mm2时 d 0 27 I 绕组的线径都可以从上式计算得出 d0 0 27 0 27 0 27 0 3 0 3 1 0 1 0 0078mmI o I d1 0 27 0 27 0 27 0 3 0 148mmI 1 I d2 0 27 0 27 0 27 0 3 0 148 mmI 2 I d3 0 27 0 27 0 27 1 0 27 mmI 3 I d4 0 27 0 27 0 27 0 1 8 53 10 2mm I 4 I 2 2 6 校核变压器的窗口 变压器的窗口面积 S l1 h 式 2 10 S 1 5 3 4 3 91cm2 S1 73 0 0148 2 44 0 027 16 0 00853 0 0078 852 3 5371 cm2 S 按线径和匝数就可校验变压器的窗口大小是否合适 窗口大导致变压器体 积大 而太小又放不下绕组 以刚好放下绕组而剩余的空隙不大为原则 如不 合适 就得再选铁芯 直到满意为止 本实验中的 S1 S 所以合适 2 32 3 变压器的主要特性变压器的主要特性 2 3 1 电压比 匝变比 济源职业技术学院毕业设计 10 它是次级 初级绕组匝数之比 用 N 表示 N N2 N1 U2 U1 式 2 11 将公式 2 11 变换一下 得 U2 U1 N2 N1 式 2 12 从公式 2 11 可知 当 n 1 时 U2 U1 为升压变压器 当 n 1 时 U2U1 称为 1 1 变压器 如隔离变压器 当 n 1 时 U2 U1 称为降压变压器 这是一种常用的变压器 也是目前 我们所用的变压器 2 3 2 电压与电流的关系 为了分析方便 假设变压器是无损耗的 那么初级输入功率等于次级输出功 率 即 P1 P2 由 P UI 得出 U1 I2 U2 I1 U2 U1 I1 I2 式 2 13 从公式 2 13 可知 当 U2 U1时 即 n 1 有 II 当 UU 时 即 n 1 有 II 换句话说在降压变压器中 次级输出小电压大电流 次级输出电流大于 初级输出电流 所以这种变压器的次级绕组线径比初级绕组线径大 在升压变 压器中 次级输出大电压小电流次级输出电流小于初级输入电流 所以这种变 压器的次级绕组的线径比初级绕组线径细 在现实应用中 变压器是存在损耗的 但电压与电流的关系仍符合以上所 述的关系的 2 3 3 阻抗关系 变压器可进行电压交换 在某些场合则是它的阻抗变换特性 利用欧姆定律 可得 P U2 Z P1 P2 U12 Z1 U22 Z2 济源职业技术学院毕业设计 11 根据公式 2 11 可得 Z2 Z1 U22 U12 式 2 14 U2 U1 2 N2 N1 2 n2 由上式分析可知 Z2 Z1之间的关系与 n2有关 当 N2 N1时 Z2 Z1 这说明变压器初级的输入阻抗等于次级的负载阻抗 此时变压器无阻抗变换作用 当 N2 N1时 Z1 Z2 n2 这说明变压器初级的输入阻抗相当于提高 1 n2 倍的次级负载阻抗 当 N2 N1时 Z1 Z2 n2 这说明变压器初级的输入阻抗相当于降低 n2倍 的次级的负载阻抗 在放大器的极间耦合电路中 为了能使负载获得最大的激励阻抗 往往采 用变压器 阻抗变换器 来进行阻抗的匹配 因为最佳阻抗匹配的条件是激励 信号源内阻等于负载阻抗 此时能使负载获得最大功率 2 42 4 小功率电源变压器的制造小功率电源变压器的制造 2 4 1 制造方法 1 画图纸 2 制作线圈骨架 根据各绕组的情况 里面的线圈的阴线头是从线圈骨架上打眼引出 3 绕线 先绕原线圈 绕完后加裹绝缘纸 然后再绕各个副线圈 4 测试 给绕好的线圈加上铁芯 加电后测量各个副边的电压是否合适 如不合适 就需要进行调整副边的圈数 5 预烘干浸 302 绝缘漆 6 再烘干 济源职业技术学院毕业设计 12 3 直流稳压电源整流与滤波电路部分的设计和制造 3 13 1 几种单相整流电路几种单相整流电路 3 1 1 单相桥式整流电路电路 整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电 滤波电路是 将脉动直流中的交流成分滤除 减少交流成分 增加直流成分 稳压电路对整 流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压 3 1 单相桥式整流电路 1 工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路 其电路如图 3 1 a 所示 a 整流电路 济源职业技术学院毕业设计 13 b 波形图 图 3 1 单相桥式整流电路 在分析整流电路工作原理时 整流电路中的二极管是作为开关运用 具有 单向导电性 根据图 3 1 a 的电路图可知 当正半周时 D1 D3二极管导通 在负载电阻上得到正弦波的正半周 当负半周时 D2 D4二极管导通 在负载电阻上得到正弦波的负半周 在负载电阻上正负半周经过合成 得到的是同一个方向的单相脉动电压 单相桥式整流电路的波形图见图 3 1 b 2 参数计算 根据图 3 1 b 可知 输出电压是单相脉动电压 通常用它的平均值与直 流电压等效 输出平均电压为 VO VL 1 0V2sin td t 式 3 1 2 2U2 2 3 4 t 0 2 3 4 t 0 2U2 t i 0 t i 0 t 0 RL 2U2 t 0 2U2 2U2 RL 2U2 RL D2D2 D1D1 iO O U2U2 2 D1D1V V U0U0 济源职业技术学院毕业设计 14 2 V2 0 9V22 10 8V 流过负载的平均电流为 IL 2V2 RL2 0 9V2 RL 10 8V RL 流过二极管的平均电流为 ID IL 2 V2 RL 0 45V2 RL 5 4V RL2 二极管所承受的最大反向电压为 VRmax V2 17V 2 桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为 A4 0 2 8 0 2 o I 查手册选整流二极管 IN4001 其参数为 反向击穿电压 UBR 50V 17V 最大整流电流 IF 1A 0 4A 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量 可将脉动电压做傅里 叶分析 此时谐波分量中的二次谐波幅度最大 最低次谐波的幅值与平均值的 比值称为脉动系数 S U0 V2 2 4 3 cos t 4 15 cos4 t 2 S 4V2 3 2V2 2 3 0 6722 3 1 3 单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是输出电压与负载电流之间的关系曲线 VO f IO 该曲线如图 3 2 所示 曲线的斜率代表了整流电路的内阻 图 3 2 负载特性曲线 0 UO IO 0 9U2 济源职业技术学院毕业设计 15 3 1 2 单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外 还有单相半波和全波两种形式 单相半 波整流电路如图 3 3 a 所示 波形图如图 3 3 b 所示 图 3 3 单相半波整流电路 根据 3 3 可知 输出电压在一个工频周期内 只是正半周导电 在负载上 得到的是半个正弦波 负载上输出平均电压为 VO VL 1 2 0V2sin td t 式 3 2 2 V2 0 45V2 5 4V2 流过负载和二极管的平均电流为 a 电路图 b 波形图 2U2 2 3 4 t U2 0 2 3 4 t 0 2U2 t i 0 t i 0 R L 2U2 R L 2U2 R L D D1 iO UO UD 济源职业技术学院毕业设计 16 ID IL V2 RL 0 45V2 RL2 二极管所承受的最大反向电压为 VRmax V2 17V2 3 1 3 单相全波整流电路 单相全波整流电路如图 3 4 a 所示 波形图如图 3 4 b 所示 a 整流电路图 2U2 2 3 4 t U2 0 t 0 2U2 t 0 t v 0 R L t 0 2U2 2U2 R L D1 t 0 2 2U2 R L 2U2 vO iO iD2 iD1 b 波形图 图 3 4 单相全波整流电路 济源职业技术学院毕业设计 17 根据图 3 4 b 可知 全波整流电路的输出 与桥式整流电路的输出相 同 输出平均电压为 VO VL 1 0U2sin td t 式 3 3 2 2 U2 0 9U2 10 8V2 流过负载的平均电流为 IO IL 2V2 RL 0 9U2 RL2 二极管所承受的最大反向电压为 VRmax 2U2 34V2 单相全波整流电路的脉动系数 S 与单相桥式整流电路相同 S 4V2 3 2V2 2 3 0 67 22 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过 而半波和全波整流电路 中均有直流分量流过 所以单相桥式整流电路的变压器效率较高 在相同的功 率容量条件下 体积可以小一些 单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波 和全波整流电路 故广泛应用于直流电源之中 注意 整流电路中的二极管是做为开关运用的 整流电路既有交流量 又 有直流量 通常有如下要求 输入 交流 用有效值或最大值 输出 交直流 用平均值 整流管正向电流 用平均值 整流管反向电压 用最大值 考虑到成本与性能 我们一般采取桥式整流的方式 它相对半波 全波整 流而言 具有二极管反向耐压值较小 通过二极管的电流较小 同时能量的利 用率高等特点 3 23 2 滤波电路滤波电路 3 2 1 电容滤波电路 1 滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交 直流阻抗的不同 实现滤波 电容器 C 对 直流开路 对交流阻抗小 所以 C 应该并联在负载两端 电感器 L 对直流阻抗 小 对交流阻抗大 因此 L 应与负载串联 经过滤波电路后 既可保留直流分 济源职业技术学院毕业设计 18 量 又可滤掉一部分交流分量 改变了交直流成分的比例 减小了电路的脉动 系数 改善了直流电压的质量 2 电容滤波电路 现以单相桥式电容滤波电路为例来说明 电容滤波电路如图 3 5 所示 负载电阻上并联了一个滤波电容 C 图 3 5 单相桥式电容滤波整流电路 3 滤波原理 假如电路处于正半周 二极管 D1D3导通 变压器次级端电压 V2给电容器 C 充电 此时 C 相当于并联在 V2上 所以输出波形同 U2 是正弦波 图 3 6 桥式整流 电容滤波时的电压 电流波形 济源职业技术学院毕业设计 19 当 U2到达 900时 V2开始下降 先假设二极管关断 电容 C 就要以指数规 律向负载 RL放电 指数放电起始点的放电速率很大 在刚过 900时 正弦曲线 下降的速率很慢 刚过 900时二极管仍然导通 在超过 900后的某个点 正弦曲 线下降的速率越来越快 当刚超过指数曲线起始放电速率时 二极管关断 所 以 在 t1到 t2时刻 二极管导电 C 充电 Uc Ut按正弦规律变化 t2到 t3时 刻二极管关断 Uc Ut按指数曲线下降 放电时间常数为 RLC 电容滤波过程见 上图 3 6 图 3 7 RLC 不同时 V0 的波形 需要指出的是 当放电时间常数 RLC 增加时 t1点要右移 t2点要左移 二极管关断时间加长 导通角减少 见曲线 3 反之 RLC 减少时 导通角增加 显然 当 RL很小 即 IL很大时 电容滤波的效果不好 见图 3 7 滤波曲线中曲 线 2 反之 当 RL很大 即 IL很小时 尽管 C 较小 RLC 仍很大 电容滤波的 效果也很好 见滤波曲线中的曲线 3 所以电容滤波适合输出电流较小的场合 4 电容滤波的计算 电容滤波的计算比较麻烦 因此决定输出电压的因素较多 工程上有详细 的曲线可供查询 一般常采用以下近似估算法 一种是用锯齿波近似表示 即 济源职业技术学院毕业设计 20 VL VO V2 1 T 4RLC 式 3 4 2 另一种是在 RLC 3 5 T 2 的条件下 近似认为 VL V0 1 2V2 或者 电 容滤波要获得较好的效果 工程上也通常应满足 RLC 6 10 滤波电路中滤波电容的选择 滤波电容的大小可用式 式 3 5 求得 1 求 Ui 根据稳压电路的的稳压系数的定义 式 3 6 设计要求 Uo 15mV SV 0 003 Uo 3V 9V Ui 14V 代入上式 则可求得 Ui 2 滤波电容 C 设定 Io Iomax 0 8A t 0 01S 则可求得 C 电路中滤波电容承受的最高电压为 17V 所以所选电容器的耐压应U2 大于 17V 5 外特性 整流滤波电路中 输出直流电压 VL随负载电流 IO的变化关系曲线如图 3 8 所示 i o U tI C i i o o V U U U U S 济源职业技术学院毕业设计 21 0 UO IO 0 9U2 2U2容容容容 容容容容 图 3 8 纯电阻和电容滤波电路的输出特性 表 3 1 几种整流滤波电路的特性 名称 VL 空载 VL 带载 二极管反 向最大电压 每管平均电流 半波整流V22 0 45V2V22IL 全波整流 电容滤波 V221 2V22V220 5IL 桥式整流 电容滤波 V221 2V2V220 5IL 全波整流 电感滤波 V220 9V2V220 5IL RL V0 V22 C 0 V0 0 9V2 Dd RLC 3 5 T 2 V0 1 2V2 济源职业技术学院毕业设计 22 4 小型稳压电源稳压电路的设计 4 14 1 稳压电路的作用稳压电路的作用 交流电整流再经滤波后就能得到直流了 但这样的直流输出电压 还会随 交流电网电压的波动或负载的波动而变化 在对直流供电要求较高的场合 还 需要使用稳压电路 稳压电路的功能就在于 使变化的电压通过电路的调节作用输出变化很小 的电压 以保证直流电压更加稳定 4 24 2 稳压电路的选择稳压电路的选择 目前 在小功率设备中广泛采用三种稳压电路 一种是用硅稳压管的稳压 电路 其特点是电路构成简单 所用的元件少 在负载变化较小时可达到较高 的电源稳压度 但因输出电流受到稳压管电流的限制不易做到很大 而且输出 的电压受稳压管管型的限制不能调节 另一种是由晶体管组成的串联型晶体管 稳压电路 输出电压稳压度很高 而且电压可以调节 又可输出较大的电流 第三种就是集成稳压器 由于集成稳压器具有体积小 外接线路简单 使用方 便 工作可靠和通用性强等优点 由此在各种电子设备中应用十分普遍 基本 上取代了由分立元件构成的稳压电路 下面我们以选择串联型集成稳压器作为 设计对象进行叙述 4 1 1 串联型稳压电路的组成 图 4 1 是由分立元件组成的串联型稳压电源的电路图 因调整管 T1 3DA1A 与负载是串联关系而得名 其整流部分为单相桥式整流 电容滤波电 济源职业技术学院毕业设计 23 路 稳压部分为串联型稳压电源 它由调整元件 晶体管 T1 比较放大器 T2 3DG4 R4 取样电路 R1 R2 RW 基准电压 DW R3组成 稳压原理 整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统 其稳压过程为 当 电网波动或负载变化引起输出电压发生变化时 取样电路取出输出电压的一部 分送入比较放大器 并与基准电压进行比较 产生的误差信号经 T2 放大后送至 调整管 T1 基极 使调整管改变其管压降 以补偿输出电压的变化 从而达到稳 定输出电压的目的 T1 3D A1A T2 3D G4 Rw Dw 2CW 5 R3R4R1 RL R2 C2 C1 Ew I IL 1 T1 3D A1A T2 3D G4 Rw Dw 2CW 5 R3R4R1 RL R2 C2 C1 Ew I IL 1 图 4 1 串联型稳压电源实验电路 4 1 2 集成稳压器的介绍 随着半导体工艺的发展 稳压电路也制成了集成器件 由于集成稳压器具 有体积小 外界线路简单 工作可靠和通用性强等优点 因此在各种电子设备 中应用十分普遍 基本上取代了有分立元件构成的稳压电路 集成稳压器的种 类很多 应根据设备对直流电源的要求来进行选择 对于大多数电子仪器 设 备和电子电路来说 通常是选用串联线性集成稳压器 而在这种类型的器件中 又以三端式集成稳压器应用最为广泛 W78 W79 系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的 在使用中 不能进行调整 W78 系列三端式集成稳压器输出正极性电压 一般有 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 七个档次 输出电流最大可达 1 5A 加散热 片 同类型 78M 系列稳压器的输出电流为 0 5A 78L 系列稳压器的输出电流为 R L U O 济源职业技术学院毕业设计 24 0 1A 若要求负极性输出电压 则可选用 W79 系列稳压器 图 4 2 为 W78 W79 系列的外形和接线图 图 4 2 三端集成稳压器 图 4 3 三端固定输出集成稳压器的基本应用电路 它们都有三个引出端 输入端 不稳定电压输出端 输出端 稳定电压输出 端 公共端 使用时应注意 W78 和 W79 系列产品是哪个引出端的功 能不同 不可错接 除固定输出三端稳压器外 还有可调式三端稳压器 后者可通过外接元件 对输出电压进行调整 以适应不停地需要 图 4 3 为三端固定输出集成稳压器的基本应用电路 图中输入端电容 Ci用 以抵消输入端较长接线的电感效应 以防止产生自激振荡 一版取值为 0 33 F 输出端 CO用以改善负载的瞬态响应 减少高频噪声 其典型值为 1 F 为了使稳压器正常工作 其输入电压 Ui数值至少比输出电压 UO高出 2 3V 图 4 4 为同时输出正 负双电压的稳压电路 由于采用了两片稳压数值相 等 极性相反的三端集成稳压器 W7815 和 W7915 在输出端同时获得了对称的 济源职业技术学院毕业设计 25 稳定输出电压 这种对称直流电源在很多电子电路中得到应用 图 4 4 输出正 负双电源的稳压电路 LM317 系列和 lM337 系列的引脚功能相同 管脚图和典型电路如图 4 5 和 图 4 6 图 4 5 LM317 图 4 6 典型电路图 输出电压表达式为 式 4 1 1 1 125 1 R RP Uo 式中 电压是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压 此电压 REF V 加于给定电阻两端 将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器 电 1 R1RP 济源职业技术学院毕业设计 26 阻常取值 一般使用精密电位器 与其并联的电容器 C 可 1 R 240 1201RP 进一步减小输出电压的纹波 图中加入了二极管 D 用于防止输出端短路时 10 F 大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏 LM317 其特性参数 输出电压可调范围 1 2V 37V 输出负载电流 1 5A 输入与输出工作压差 U Ui Uo 3 40V 能满足设计要求 故选用 LM317 组成稳压电路 可调式集成稳压器 常见主要有 CW317 CW337 LM317 LM337 317 系列 稳压器输出连续可调的正电压 337 系列稳压器输出连可调的负电压 可调范 围为 1 2V 37V 最大输出电流为 1 5A 稳压内部含有过流 过热保护电 maxO I 路 具有安全可靠 性能优良 不易损坏 使用方便等优点 其电压调整率和 电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源 LM317 系列和 lM337 系列的引脚功能相同 4 34 3 稳压电源的主要性能指标稳压电源的主要性能指标 4 3 1 参数计算 1 输出电压 UO和输出电压调节范围 Uo R1 RW R2 R2 RW UZ