直流稳压电源设计

1、电力电子课程设计 指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院电力电子课程设计报告 学 院： 自动化 学 生 姓 名： 魏 波 专 业： 电气工程与自动化 班 级： 0830903 学 号： 2009212715 指 导 教 师： 程安宇 设计时间： 2012 年 5 月重庆邮电大学自动化学院制目录第1章 ：引言3第二章：设计指标、内容及要求3第三章：电路设计及原理3 第四章：电路主要参数测试11 总结：15 参考文献：15 附录：16第一章引言1、 简述 电力电子技术是研究采用电力电子器件实现对电能的换和控制的科学，是20世纪50年代诞生，70年代迅速发展起来的一

2、门多学科互相渗透的综合性技术学科。这些技术包括以节约能源、提高照明质量为目的的绿色照明技术；以节约能源、提高运行可靠性并更好地满足产要求为目的的交流变频调速技术，以提高电力系统运行的稳定性、可控制性为目的，并可有效节能的灵括（柔性）交流输电技术等等。随着电力半导体制造技求、徽电子技术、汁算机技术，以及控制理论的不断进步电力电子技求向着大功率、高频化及智能化方向发展，应用的领域将更加广阔。 电子电路要正常工作，电源必不可少，并且电源性能对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带有感性负载的电路和设备(如电机)中，对电源的性能要求更高。在很多应用直流电机的场合中，要求为电机

3、驱动电路提供1个其输出能连续可调的直流电源，并且要求电源有保护功能。实际上就是要求设计一个具有足够调压范围和带负载能力的直流稳压电源电路。该电路的设计关键在于稳压电路的设计，其要求是输出电压连续可调；所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；输出电压应能够适应所带负载的启动性能。此外，电路还必须简单可靠，能够输出足够大的电流。第二章2、 指标、内容及要求（1） 输出电压0-25V连续可调；（2） 最大电流2A；（3）所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；（4）输出电压应能够适应所带负载的启动性能；（5）电路还必须简单可靠，有过流保护电路，能够输出足够大的电流。第三章三、主电路设

4、计及原理3.1 符合上述要求的电源电路的设计方法有很多种，比较简单的有3种：（1）晶体管串联式直流稳压电路电路框图如图1所示，该电路中输出电压Uo经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压Ui发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压Uo为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从2.5V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从2.5 V开始调节。 图1 串联式稳压电源电路（2）采用三端集成稳压器电路电路框图如图2所示，采用输出电压可调且内部有过载保护

5、的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，可实现输出电压从0V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。 图2 电路结构图（3）用单片机制作的可调直流稳压电源该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317、LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的外围参数，并加上软启动电路，获得1.2524V，0.1 V步长，驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压

6、及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分原理图如图3 所示。图3 用单片机制作的直流稳压可调电源方案一结构简单，成本低，可用常用分离元器件，制作工序也较为简便，而且能够完全实现参数要求，综合各方面因素我们决定采用方案一。3.2 电路的设计与分析3.2.1 降压电路本电路使用的降压电路是单相交流变压器，选用电压和功率依照后级电路的设计需求而定。变压器的功能是交流电压变换部分，作用将电网电压变为所需的交流电压，即将直流电源和交流电网隔离。变压器工作原理电路示意框图如图4 所示。 图4 变压器工作原理电路示意框图3.2.2 整流电路整流电路的主

7、要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向的直流电，但是这种直流电的幅值变化很大。它主要是通过二极管的截止和导通来实现的，其电路原理图及其波形变换如图8所示。常见的整流电路主要有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流电路，而本设计选取单相桥式整流电路实现设计中的整流功能。图5 整流电路波形变换图（1）整流桥电路图：如图6所示，二极管D1、D2、D3、D4四只二极管接成电桥的形式，名称由此而来。（2）工作原理：在V2的正半周,D1、D3导通，D2、D4截止，通过D1、D3给R提供电流，方向由上向下（图中虚线)； 图6 桥式整流电路电路图在V2 的负半周，D2、D4 导通，D1、D3 截

8、止，通过D2、D4给R提供电流，方向仍然是由上向下（图中虚线）由此得到图示的整流波形。（3）波形图:图7 桥式整流电路波形图本例中的整流电路如下图18所示：图8 本例中的整流电路（4）参数计算：1 输出的直流电压值为：;2 流过负载平均电流：;3 流过整流二极管的平均电流：;整流二极管的最大反向电压：.3.2.3 整流电路尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，仍然不能直接作为电源使用，还需进一步滤波，将其中的交流成份滤掉。在小功率整流滤波电路中，电容滤波是最常用的一种。电容在电路中有储能的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使

9、负载电压比较平滑，效果较好。而且本电路后级是稳压电路，因此可以使用电容滤波电路进行简单滤波。（1）电路组成：电容滤波原理图如图9 所示。图9 电容滤波原理图 （2）工作原理：负载未接入（开关S 断开）时：设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当V为正半周时，V通过D1、D3向电容C 充电；V为负半周时，经D2、D4向电容C充电。充电时间常数为：t=RintC。其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压V的最大值V，由于电容无放电回路，故输出电压（电容C 两端的电压)保持在V不变。、接入负载R（开关S合上）时：设变压器副边电压V从

10、0开始上升时接入R，由于电容已到V，故刚接入负载时，VV，二极管在反向电压作用下而截止，电容C 经R放电，放电时间常数为：t=RLC。因t一般较大，故电容两端电压V(即V)按指数规律慢下降（图中a,b段）。、当V升至V>V时，二极管D1、D3 在正向电压作用下而导通，此时V经D1、D3 一方面向R提供电流，一方面向C充电（接入R后充电时间常数变为t=R/RintCRintC ）。V将如图中b、c 段所示。、当V又降至VV时，二极管又截止，电容C又向R放电，如图中c、d段所示。电容如此周而复始充放电，就得到了一个如图所示的锯齿波电压V= V，由此可见输出电压的波动大大减小。、为了得到平滑的

11、负载电压，一般取t=RLC(3 5)T/2 (T 为交流电周期20ms)此时：V = (1.1 1.2)V.图10电容滤波电路波形图在本例电路中滤波电路有滤波电容C1和C2组成，如下图11示图11本例中滤波电路3.2.4 稳压电路稳压输出电路由晶体管Vl-V3、精密可调稳压集成电路IC、电阻器R2-R8、电位器RP、电容器C3、C4、电压表PV、电流表PA组成，如下图12示：图12本例中稳压电路3.2.5 超载/输出短路保护电路超载/输出短路保护电路由电阻器R8-R1O、晶闸管VT、电容器C5、复位按钮S2组成。如下图13示：图13本例中输出短路保护电路3.2.6 报警电路闪光报警电路由电子开

12、关电路和多谐振荡器两部分组成。其中，电子开关电路由晶体管V4、V5和电阻器Rll-R13组成;多谐振荡器由V6、V7、电阻器R14-R17、电容器C6、C7和发光二极管VL2组成。如下图14示：14图14本例中闪光报警电路3.3.1 完整电路原理图 将上述各版块电路图整合到一起过后得到完整的电路原理图。如图15所示图15 输出电压可调的直流稳压电源电路原理图3.3.2 电路整天工作原理接通电源开关Sl，交流220V电压经T降压为交流24V后分为3路:一路经Rl加至VLl上，将VLl点亮;一路经VDl-VD4整流、Cl和C2滤波后，为闪光报警电路提供工作电源;另一路经Vl-V3、RP和IC等稳压

13、调整后输出。调节RP的阻值，可改变IC控制端电压，从而改变输出电压的高低；在负载电路工作正常时，R8两端的电压降低于0.6V，VT处于截止状态，V4导通、V5截止，多谐振荡器不工作，VL2不发光；当电源负载过重、引起工作电流增大时，R8上的电压降也会随之增大，当该电压降达到0.6V时，VT受触发而导通，使Vl-V3截止，输出电压消失;同时V4截止，V5导通，多谐振荡器振荡工作，VL2闪烁发光，发出超载保护报警信号；当负载短路时，R8上的电压降远大于0.6V，VT将迅速导通，使输出电压为零；当短路故障排除后，只要按一下复位按钮S2，使VT截止，稳压输出电路即可恢复工作，同时V4导通、V5截止，多

14、谐振荡器停振，VL2熄灭。第四章4.1电路主要参数测试4.1.1 输出电压调整率 输出电压调整率 是指被测电源负载不变（及负载电流不变）的条件下，交流电源电压变化，其输出直流电压变化的相对值，即 （1）其中，时的输出直流电压值，（为额定值和零值两点必测），调节分别测出取其最大值，由式（1）得出。的大小反映了待测电源输入电压发生变化时，输出电压维持稳定的能力，越小电源的稳定性越好。常用的测试方法采用电压表、电流表、滑线变阻器等仪器设备来进行，测试图如图（16）所示。图（16）该测试项目由于实验条件有限考虑到安全问题且无法得到调压器所以我们在课程设计的过程中没有进行该项测试。4.1.2 输出电阻

15、输出电阻 是指输入电压不变时，由负载电流变化而引起的变化，它等于输出电压变化量和对应的输出电流变化量之比。即 （2）测试时通过调节负载电阻，使负载电流在额定值和零值之间变化，分别测出 、 由式（2）计算得，通常取等于额定电流值，为零即空载，然后分别读出 再由式（2）计算得。15.92.016.10输出电阻为=0.14.2.3 负载调整率 负载调整率（）是指输出电压（常为220V）不变时，负载电流变化引起的变化。计算公式为 （3）其中，为等于额定值时的输出直流电压值，为空载时的输出电流电压值。输出电阻、负载调整率都反映了电源电路在负载变动时，输出电压维持稳定的能力，他们的值越小电源稳定性越好。

16、（负载调整率）15.916.10.01269.39.380.00607.017.050.00574.074.180.02702.642.720.03034.2.4 直流稳压电源在空载和带感性负载时相关参数的测试 测试工具为示波器 档位为5.0V是否带负载压降3.202.803.00400否103.202.802.99400是4.403.804.00600否604.203.803.94400是5.204.805.00400否905.204.804.91400是6.205.806.00400否506.205.605.95600是7.206.807.00400否307.206.806.97400是8

17、.407.808.00600否408.207.807.96400是9.208.809.00400否209.208.608.88600是3.09.752.92.8%5.014.84.950.9%7.019.756.91.3%9.024.228.72.7%4.2参数测试方法中存在的弊端（1） 在测输出电压调整率时若负载电阻用固定值，输出电压变化时负载电流必然作相应的变化，若要保持不变就需要不断的调节负载电阻（即不断调节滑线变阻器），这样做既增加了测量难度由难保证测量精度。（2） 在测量输出电阻、负载调整率时，滑线变阻器温度系数较大，随着通电时间的增长，温度不断上升，其阻值也会不断发生变化，读出的和

18、难保证一一对应，若要按预先的取值要求进行测试就同样需要不断调节滑线变阻器，但是这样就容易形成系统误差。（3） 对于输出端无过载保护的稳压电源来说，在调节滑线变阻器时可能会造成短路，引起待测元件的损坏。（4） 针对上述问题比较好的解决办法是将滑线变阻器换为电子负载器，但是由于实验条件有限，我们在测试过程中还是采用了前面的办法，在测试过程中尽可能的注意以上问题，以求将测试过程中产生的系统误差降到最小。总结在电路设计过程中，我了解了稳压直流电源的组成部分和各部分的具体的作用，并且通过专研和实际的调试、测试，掌握了各级输出级的电压值的具体测量方法和误差分析。学会了电路各部分元件参数的计算和确定，以及通过对实验参数指标的要求和各部分电路各个元件之间