直流稳压电源的设计

1、 模拟电子技术课程设计题目 直流稳压电源的设计 姓 名： 所在学院： 自动化工程学院 所学专业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气工程 学 号： 指导教师： 完成时间： 2011年06月10日 直流稳压电源课程设计任务书一、设计目的（1）掌握集成稳压电源的工作原理。（2）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1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（1）设计直流稳压电路。（2）要求输出直流电压为±12

2、V，当输出电流当输出电压为12V时电流小于1A，当输出电压为12V时，电流小于500mA。（3）设计稳压电源的短路保护电路（包括整流及稳压部分）（4）画出电路图写出完整的设计报告四、设计步骤（1）确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。（2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。（3）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。（4）总电路图：连接各模块电路。20目录目录0摘要11 引言22 总体设计思路32.1 直流稳压电源的设计思路32.2 直流稳压电源的设计方案32.2.1 并联稳压电路32.2.2 串联稳压电路3

3、2.2.3 集成稳压电路43 各部分电路设计53.1 变压电路设计53.2 整流电路设计53.2.1 半波整流电路53.2.2 全波整流73.2.3 桥式整流93.3 滤波电路设计113.3.1 滤波的基本概念113.3.2 电容滤波电路123.3.3 电感滤波电路123.3.4 复式滤波电路设计133.3.5 各种滤波电路的比较133.4 稳压电路设计143.4.1 稳压要求143.4.2 稳压原理144 直流稳压电路的总体设计方案174.1 ±12V直流稳压电路图174.2 电路中的保护措施174.3 各元器件参数计算和元器件的选择184.3.1 电容的参数计算184.3.2 整

4、流二极管及其保护二极管的参数计算194.3.4 选择合适的元器件195 心得体会20参考文献20摘要当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。电源是各种电子、电气设备工作的动力，是自动化部件不可缺少的组成部分，它广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础。在电源的众多类型中，直流稳压电源应用最为广泛，它与国民经济各个部门息息相关，特别是在实验室、IT业、采矿、小型电器等领域中应用更为广泛。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。目前中小功率设备中广泛

5、采用的稳压电源有串联型稳压电路、并联型稳压电路、集成稳压电路及开关型稳压电路。这里采用集成稳压设计稳压电路，是将220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性

6、高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。1 引言当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路-电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须 在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。通过这套电源系统，超级 计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电 路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的基

7、础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位，广泛用于教学、科研、各种终端设备和通信设备中，其作用是把交流电转换成满足一定性能的直流电供给电子设备的其他部件使用。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所组成。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

8、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。2 总体设计思路2.1 直流稳压电源的设计思路（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。图2.1 基本流程图2.2 直流稳压电源的设计方案2.2.1 并联稳压电路

9、并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因而不能采用此方案。2.2.2 串联稳压电路由稳压管稳压电路和运算放大器组成的调整管稳压电路，称为串联型稳压电路。利用多个三极管以及电容如图所示，主要利用三极管的单向导电性以及负反馈原理实现交流电的转化。但采用多个三极管利用负反馈原理实现交流变直流，存在输入交流不稳定对三极管的危害比较大，且在不稳定情况下容易造成危险事故，不可以作为实际生活中的安全使用。图2.2 使用调整管的串联负反馈稳压电源电路图2.

10、2.3 集成稳压电路稳压部分采用集成稳压器-7800调式稳压器，内部具有过热和过流保护电路，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高。而且性能稳定，可以达到设计目的。综合以上三种电路各自的优缺点比较，方案三比较简单，而且容易实现，在实际中可以安全使用。我们最终选择三端集成稳压电路。为了达到设计要求即当输出电压为+12V时输出电流为1A,当输出电压为-12V时输出电流为100mA。我们选用W7800系列和W79M00系列的三端集成稳压器。3 各部分电路设计3.1 变压电路设计变压电路相对简单，仅有一个单相变压器，变压器将220V市电转化为电

11、路能承担的电压。理想变压器满足I/I=U/U=N/N=1/n,因P=P=UI=UI.变压器副边与原边的功率比为P/P=,式中是变压器的效率，根据电路需要选择。3.2 整流电路设计整流电路是利用二极管的单向导电性，将交流电压转换为直流电压的电路。有半波整流、全波整流以及桥式整流，最常用的是单相桥式整流电路。3.2.1 半波整流电路1、电路组成半波整流电路如图3.2.1（a）所示，变压器的次级绕组与负载相接，中间串联一个整流二极管，就是半波整流电路。利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二管所阻，没有电流。这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的

12、脉动成分太大，对滤波电路的要求高。只适用于小电流整流电路。图中T为电源变压，RL为电阻性负载。（a）电路图(b)波形图图3.2.1 单相半波整流电路2工作原理 电路的工作过程是：在u2的正半周（t=0）,二极管因加正向偏压而导通,有电流iL流过负载电阻RL。由于将二极管看作理想器件,故RL上的电压uL与u2的正半周电压基本相同。可画出整流波形如图3.2.1(b)所示3. 直流输出电压Uo与输出电流Io的计算（1）输出平均电压 (3-1)（2）负载上的输出电流与二极管的电流相同，即 (3-2)4. 整流元器件的选择在半波整流电路中，二极管的电流任何时候都等于输出电流.因此在选用二极管时，二极管的

13、最大正向电流IFM不能小于负载电流Io，即IFMIo；二极管的实际承受的最高反向电压就是变压器次级绕组的最大值，因此URM。5. 优缺点优点：结构简单，使用元件少。缺点：只利用了电源的半个周期，输出直流分量较低，且输出电压波动较大，电源变压器的利用率也比较低。3.2.2 全波整流1.电路组成全波整流电路如图3.2.2(a)所示，它是在半波整流电路的基础上加以改进而得到的。它的指导思想是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在正半周和负半周内轮流导电，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。(a)电路图(b)波形图图3.2.2 单相全波整流电路2

14、. 工作原理在u2 的正半周（t = 0）D1正偏导通，D2反偏截止，RL上有自上而下的电流流过，RL上的电压与u21 相同，在u2 的负半周（t =2），D1反偏截止，D2正偏导通，RL上也有自上而下的电流流过，RL上的电压与u22相同。可画出整流波形如图3.2.2(b)所示。可见，负载RL上得到的也是一单向脉动电流和脉动电压。3. 直流输出电压Uo与输出电流Io的计算 （3-3） （3-4）4. 整流元件的选择a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电,即 （3-5）b）二极管的最大反向工作电压U必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即 （3-6）5. 优缺点优点：电

15、源利用率高，输出电压波动小，输出电压比半波整流提高了1倍，且每个管子通过的电流仅为负载电流的1/2。缺点：该电路输出电压的直流成分（较半波）增大；整流二极管需承受的反向电压高，要求管子的耐压值比半波整流的耐压值提高了1倍；且需要个有中心抽头的变压器，工艺复杂，成本高。为此常采用全波整流的另一种形式桥式整流电路。3.2.3 桥式整流1. 电路组成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。桥式整流电路如图3.2.3所示，图

16、中变压器的作用是将交流电网电压 U1 变成整流电路要求的交流电压 ， RL 是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D 1 D 4 接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。图3.2.3 单相桥式整流图2. 工作过程单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。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 、D 4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3.2.3（a）中实线箭头表示。在v2的正半周，电流从变压器副边线

17、圈的上端流出，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3.2.3（b）中虚线箭头所示。a)D1 、D3正向导通b)D2 、D4正向导通图3.2.4 单相桥式整流工作流程图 根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图。由图3.2.5可见，通过负载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。图3.2.5 单相桥式整流波形图3.参数的计算 （3-7） （3-8）4. 整流元件的选择 （3-9） （3-10） a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二

18、极管平均电,即 （3-11） b）二极管的最大反向工作电压U必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即 （3-12） 5.优缺点优点：是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，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。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。缺点：二级管用的较多，但目前市场上已有整流桥推出。3.3 滤波电路设计3.3.1 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

19、负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、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。滤波电路通常有电容滤波电感滤波和复式滤波。3.3.2 电容滤波电路1. 电容滤波电路图3.3.2 电容滤波电路2. 电容滤波电路输出电压波形图3.3.3 电容滤波电路3.电容滤波电路的特点（1）电容滤波电路适用于小电流负载。（2）电容滤波电路的外特性比较软。（3）采用电容滤波时，整流二极管将流过较大的冲击电流3.3.3 电感滤波电路在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>L时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效

20、果愈好。 另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。其电路图3.3.4如下： 图3.3.4 单相桥式电感滤波电路电路图3.3.4 复式滤波电路设计由于复式滤波器具有良好的滤波性能，其带负载能力强，二极管导通角大，整流管的冲击电流小。它是电容滤波电路和电感滤波电路的结合。其电路图3.3.5 所示： 图3.3.5 复式滤波电路图3.3.5 各种滤波电路的比较类型输出电压二极管冲击电流带负载能力特点电容滤波大差电路简单，适合小电流场合。电感滤波小强电感比较笨重，成本高，适应低电压、大电流场合。复式滤波小强脉动

21、成分小，适应性较强。表3.3.4 各种滤波电路的比较表综上比较，我们选电容滤波电路。3.4 稳压电路设计3.4.1 稳压要求经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性是比较差的。其原因主要有以下几个方面：1.由于输入电压（市电）不稳定（通常交流电网允许有10的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定；2.当负载RL变化（即负载电流IL变化时，由于整流滤波电路存在一定的内阻，使得输出直流电压发生变化；3.当环境温度发生变化时，引起电路元件（特别是半导体器件）参数发生变化，导致输出电压发生变化。 所以，经整流滤波后的直流电压，必须采取一定的稳压措施，才能适合电子设备的需要。常用的

22、稳压电路有并联型和串联型稳压电路两种类型。 3.4.2 稳压原理 1. 稳压管稳压 稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但

23、如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。 有稳压二极管DZ和限流电阻R所组成的稳压电路是一种最简单的稳压电路。其具体图3.4.2如下： 图3.4.2 稳压管稳压电路2. 串联型直流稳压电路三极管BG 在电路申是调整元件，它很有“见机行事”的本领，每当由于供电或用电发生变化，电路输出电压波动欲起的时候，它都能及时地加以调节，使输出电压保持基本稳定，因此它被称做调整管口因为在电路中作为调整元件的三极管是与负载相串联的，所以这种电路叫串联型稳压电路。稳压管DW为调整管提供基准电压，使调整管基极电位不变。R1是DW的保护电阻，限制通过DW的电流，起保护稳压

24、管的作用。Rfz，是负载电阻，是BG 的直流通路。BG 和DW配合“默契”，保证电路格出稳定的用压。电路稳压过程是这佯的：如果输人电压Usr增大，使输出电压Usc 。增大时，由于UbUw固定不变，调整管基棗射间电压Ube 。=Ub-Usc 将减小，基流Ib随之减小，而管压降Uce，随之增大，从而抵消了Usc 增大的部分，使Usc ，基本稳定。如果负载电流Isc 增大，使输出电压Usc 减小时，由于Ub固定，Ube 将增大，使人增大，Uce减小，也同样地使Usc 基本稳定。从上面分析中可以看到，调整管既象是一个自动的可变电阻：当输出电压增大时，它的“阻值”就增大，分担了大出来的电压；当输出电压减

25、小时，它的“阻值”就减小，补足了小下去的电压。无论是哪种情况，都使电路保持输出一个稳定的电压。“指挥”调整管变化的是输出电压的变化量？Usc ；正是Usc 控制调整管的基极电流Ib，才使得调整管随着Usc 变化。换句话说，是不稳定的输出电压，驱动调整管去稳定输出电压。图3.4.3 串联稳压电路3. 三端固定式集成稳压器 三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而得到广泛应用。三端式稳压器有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器；另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。图3

26、.4.4 三端固定式集成稳压器稳压电路4 直流稳压电路的总体设计方案4.1 ±12V直流稳压电路图 由以上对比可以得出，本直流稳压电源由单相桥式整流、电容稳压、三端集成稳压。 总体设计电路图4.1.1如下所示：（a）（b）图4.1.1 ±12V直流稳压电路图4.2 电路中的保护措施稳压器两端的二极管的作用：保护稳压管里的调整管免受击穿，当输出端短路时，输出电容通过VD放电防止通过三端稳压放电，VD1串联在稳压器工脚与地之间可使输出电压U2得到一定提高，VD2是输出保护二极管，一旦输出电压低于稳压值时；VD2导通，将输出电流旁路保护输出极不被损坏，从而达到保护电路的效果。 VD3 、VD4 作用：这两个二极管是反极性保护二极管，当过载后输出极性反转时保护二极管，启动或短路时对输出端输出反极性电压进行钳制。 桥式整流电路二极管两端并联的电容的作用：保护二极管被反向击穿，还有防干扰的作用。4.3 各元器件参数计算和元