直流稳压电源设计说明

1、1、总体设计思路1.1直流稳压电源的设计思路在电子电路及设备中一般都需要稳定的直流电源供电。 这次设计的直流电源 为单相小功率电源，它将频率为 50Hz、有效值为220V的单向交流电压转换为幅 值稳压、输出电流为几十安以下的直流电压。单相交流电经过电源变压器、 整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的 直流电压。其基本设计思路如下：（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

2、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=基本流程图1.2直流稳压电源基本原理直流稳压电源是一种将 220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装 置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。变压环节由于直流电压源输入电压为 220V电网电压，一般情况下，所需直流电压的 数值远小于电网电压，因此需通过电源变压器降压后，再对小幅交流电压进行处 理。变压器的电压比及副边电压有效值取决于电路设计和实际需要。整流环节变压器变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转

3、换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如 上图所画。可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作； 例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放电， 甚至在放大电路的输出端所混 入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。 应当 指出，图中整流电路输出端所画波形是未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。本设计采用单相桥式整流电路，这种整流电路克服了单项半波整流电路输出 电压低，交流分量大（即脉冲大），效率低等缺点。滤波环节为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑理想情况 下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的

4、输出电压仅为直流电压。 对于稳定性 不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。本设计采用LC滤波电路，这种电路具有较强适应性，带负载能力较强。二极管的导通角 较大，整流管的冲击电流较小。稳压环节虽然整流滤波电路能将交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输入电压平均值取决于变压器副边电压的有效值，所以电网电压波动时，输出电压平均值也随之产生；另一方面，由于整流电路阻存在，当负载变化时，阻 上的电压将产生变化。因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波 动，随着负载电阻的变化而变化。 为了获得稳定性好的直流电压，必须采用稳压 措施。2各部分电路设计2.1变压电路

5、设计变压电路相对简单，仅有一个单相变压器，变压器将220V市电转化为电路能承担的电压。理想变压器满足I 1 /I 2=U 2 /U 1 =N 2 /N 1 =1/n,因此Pi =P2 =UiI 2=U2I 1.变压器副边与原边的功率比为P2/P1,式中是变压器的效率。根据电路需要选择适当的单相变压器。2.2整流电路设计220V>、50Hz?'2u2整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。有半波整流和全波整流，最常用的是单相桥式整流电路。本设计也采用了单相桥式整流电路， 所谓桥式整流 电路，就是用二极管组成一个整流电桥。当输入电压处于交流电压正半周时，二极管Di、负载电阻RL、D

6、3构成一个回路输出电压Uo=ui-UDi-UD3。输入电压处于交流电压负半周时，二极管D2、负载电阻RL D4构成一个回路，输出电压 Uo=ui-UD2 -UD4。-220 V50 HzA-220 V50 H/八6r丄+/j 十1-<单项桥式整流电路设变压器的副边电压有效值为 U 2 ,则其瞬时值u2 八2 U 2 sin 31。 当u 2为正半周时，电流由A点流出，经D 1、Rl、D 3流入B点，因而 负载电阻R L上的电压等于变压器副边电压，即 u o = u 2，D 2和D 4管 承受的反向电压为-u 2。当u 2为副半周时，电流由B点流出，经D 2、Rl 、D 4流入A点，负载电

7、阻Rl上的电压等于-u 2，即u 0 =- u 2，D 1、D 3承受的反向电压为u 2。由于D 1、D 3和D 2、D 4两对 二极管交替导通，致使负载电阻 R L上在u 2的整个周期都有电流通过，而且 方向不变，输出电压u 0 =| / U 2 sin 3 t | 。单项桥式整流电路的波形图通过上述分析，可以得到桥式整流电路的基本特点如下：（1）桥式整流输出的是一个直流脉动电压。（2）桥式整流电路的交流利用率为 100%（3） 电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍的交流峰值电 压（电容输出时电压叠加）。（4）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。（5）实际电路中，

8、桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的 要求。2.3滤波电路设计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。2.3.2 LC滤波电路设计由于LC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

9、合。 其电路图如下：LC滤波是传统的谐波补偿手段，即 LC滤波器，也称为无源滤波器。2.4稳压电路设计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 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。常用的稳压

10、电路有并联型和串联型稳压电路两种类型。稳压原理对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性，一是电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。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围变化时，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，电流虽然在很大围变化，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

11、 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，但如果反向电流超过允许围，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。其具体图如下：出 叩兔稳压管稳压电路稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调，不能满足很多场合下的应 用。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础， 利用晶体管的放大作用，增大负 载电流；在电路中引入深度负反馈是输出电压稳定； 并且通过改变反馈网络参数 是输出电压可调。o基本调整管稳压电路在上图稳压管稳压电路中，负载电流变化围等于稳压管的最大稳定

12、电流和最小稳压电流之差(I Z max lZmin)。将稳压管电路输出电流作为晶体管的基极电 流，而晶体管发射极电流作为负载电流，电路采用射极输出形式。电路引入的是电压负反馈，能够稳定输出电压。但它们与一般共集放大电路有着明显区别：在 工作电源U l不稳定，“输出电压”为稳定电压U Z，并且要求输出电压U O在U变化或负载电阻R变化时基本不变当电网电压波动引起U l增大，负载电阻Rl增大时，输出电压U。将随之 增大，极晶体管发射极电位 UE升高；稳压管端电压基本不变，即晶体管基基点 位U B基本不变；故晶体管的U be (=U B- U E)减小，导致IB ( IE)减少，从而使U O减小；因

13、此可以保持UO基本不变。当U l减小或负载电阻Rl减小时,变化与上述过程相反。可见，晶体管的调节作用使 U。稳定，所以晶体管为为调 整管。根据稳压管稳压电路输出电流的分析已知,晶体管基极的最大电流为1 Z maxIzmin)，因此，最大负载电流为:1 L max(1)(lZ maxlz iZ min这也就大大提高了负载电流的调节围。输出电压为Uo = Uz-Ube从上述稳压过程可知，想要是调整管起到调整作用，必须使工作在放大状态，因 此其管压降应大于饱和管压降 U CES ；电路应满足U l > = U O +U CES的条件。由于 调整管与负载相串联，故称这类电路为串联型稳压电源；由于

14、调整管工作在线性 区，故称这类电路为线性稳压电源。243可调稳压电路实用设计电路往往要求输出电压可调， 增加稳定性，所以在基本调整管稳压 电路的基础上引入放大环节。构成具有放大环节的串联型稳压电路， 其电路图如下：在理想运放条件下， 时，输出电压最小，为Un Up Uz 0所以，当电位器R滑动到最上端O minRR3R4 ?uR3R4' Z输出电压可调围:OmaxRR4R4?U若 R R R 300 ，U调整管的选择：调整管的最大集电极电流I C maxI L max调整管承受的最大管压降6V，则输出电压9V<UO<18V.U CE maxIm axU Omin当电位器R3

15、的滑动端在最下端是，输出电压最大，为调整管的最大功率损耗PC maxC maxC max在选择T管时，应保证其最大集电极电流、集电极和发射极之间的反向击穿电压和集电极最大耗散功率满足I CM1 L maxU（BR）CEOIm axO min1 L maxIm axU O min3、总电路设计3.1总电路图CU3.2电路工作原理变压电路将220V市电经过电源变压器降压后，变成15V左右的低幅交流电。 再通过整流电路将交流电流整流， 将正弦波电压变成单一方向的脉动电压。然后通过LC滤波电路滤波，是输出电压平缓。最后通过稳压电路稳定输出电压，采 用具有放大环节的串联型稳压电路稳定输出电压，该电路可调

16、节输出电压，集成运放工作在深度负反馈，输出电阻趋于零，因而电压相当稳定。4、直流稳压电源的相关参数对于直流稳压电源的设计，要考虑到其中几项重要参数，如输出电压，输 出电流的平均值，以及脉动稳定系数等。 对于输入电压，稳压管和限流电阻的选 择也是不可忽视的。在此章节对其进行相关计算和总结。1).输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值 U O ( AV )。1O(AV ) = 2 nU 2 sin 3 td( 31)推导计算得_ V2u 2U O ( AV )=n0.45 U 2负载电流的平均值I_UO ( AV )=O ( AV )Rl0.45URl将整流输出电压的基波峰值U 01 M与输出电

17、压平均值U o(AV )之比定义为整流输出电压的脉动系数S，即可得出：S=U 01 M / U O ( AV )则单项桥式整流电路，输出电压的平均值2 V2u 23 t)=-3 td(1 nU o ( av ) = _2 U 2 sinn 0由此推出输出电流的平均值O ( AVU)=O ( AV )0.9U 2 RlRl1)3)对于任何稳压电路,均可用稳压系数S r和输出电阻R0来描述其稳压2)滤波电路输出电压平均值4 RlC )由此可推出脉动系数性能。Sr定义为负载一定时稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对 变化量之比，即Sr U o /U U I /U|RlU 1 ? AU oU o

18、 ' AU i|Rl常数Sr表示电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈小。式中U I为整流滤波后的电流电压。 稳压电路输入电压U I的选择一般选取U I =（ 23） U 0Ro为输出电阻，是稳定电路输入电压输入一定时输出电压变化量与输出电流变化量之比，即Ro U 0 IoRo表示负载电阻对稳定性能的影响。5、稳压电源的质量指标稳压电源的质量指标是指稳压系数、输出电阻、最大纹波电压与纹波抑制 比和温度系数。1）稳压系数负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，即S=（AU o / U o ）当输入电压Ui在规定围变动时，输出电压U o的变化应该很小，一般要求2）输出电阻负载变化