直流稳压电源的设计 2.docx

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直流稳压电源的设计2

毕业设计

专业：

电气自动化

班级学号：

11321-19

姓名：

段超超

指导教师：

杜润宏

直流稳压电源的设计

一、设计任务和要求

本节的设计任务就是采用分立元器件设计一台串联型稳压电源。

其功能和技术指标如下：

1、输出电压在0—24V之间可任意可调，输出电流最大3A

2、输出电压设定值稳定度为

1%

3、出电压中文波小于10mV

二、基本工作原理

1.直流稳压电源的组成

直流稳压电源包括变压器，整流，滤波，稳压电路，负载组成。

其框图如下

稳压

电路

+

+

_

+

-

-

+

U1U2U3UIUo

（a）稳压电源的组成框图

t

三、设计方案

稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。

稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：

1、根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。

2、根据稳压器的输入电压

，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。

然后根据所确定的参数，选择电源变压器。

3、确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压

和滤波电容的电容值和耐压值。

根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。

设计举例：

设计一个直流稳压电源，性能指标要求为：

U0=+3V～+9V,I0max=800mA

纹波电压的有效值△

U0≤

5mV

稳压系数SV≤3×10-3

1、整流电路

交流电压转变成单向脉动直流电

1）、单相桥式整流电路

A、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1所示。

I0

RL

wt

wt

wt

wt

wt

wt

（a）整流电路

（b）波形图

图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10.1.2（a）的电路图可知：

当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。

当负半周时二极管D2、D4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向脉动电压。

单相桥式整流电路的波形图见图2（b）。

B、参数计算

根据图2（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

流过负载的平均电流为

流过二极管的平均电流为

二极管承受的最大反向电压

VRmax=2V2

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。

C、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指输出电压与负载电流之间的关系曲线该曲线如图10.1.3所示。

曲线的斜率代表了整流电路的内阻。

V0

图3负载特性曲线

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2（a）所示，波形图如图2（b）所示。

RL

I0

（a）电路图

其波形图如下：

wt

wt

wt

wt

（b）波形图

图2单相半波整流电路

根据图2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

流过负载和二极管的平均电流为

0.45V2

2V2

RL

∏RL

ID=IL==

二极管所承受的最大反向电压为

VRmax=2V2

3）、单相全波整流电路

单相全波整流电路如图3（a）所示，波形图如图3（b）所示。

（a）电路图（b）波形图

图3单相全波整流电路

根据图3（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

流过负载的平均电流为

二极管所承受的最大反向电压

VRmax=2√2

V2

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。

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，在同样的功率容量条件下，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作为开关运用的。

整流电路既有交流量，又有直流量，通常对:

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。

2、滤波电路

1）、电容滤波电路

A、电容滤波电路

现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。

电容滤波电路如图4所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。

D4D1

D3D2

C

I0

RL

+

V0

－

+

V2

－

+

V1

－

图4单相桥式电容滤波整流电路

B、滤波原理

若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压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v2，是正弦形。

图5桥式整流、电容滤波时的电压、电流波形

当v2到达90°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90°时，正弦曲线下降的速率很慢。

所以刚过90°时二极管仍然导通。

在超过90°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，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。

电容滤波过程见上图5。

V2

0

V0=Vc

0

ID

0

图6RLC不同时VO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，导通角减小，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6

滤波曲线中的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3。

所以电容滤波适合输出电流较小的场合。

C、电容滤波的计算

电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。

工程上有详细的曲线可供查阅。

一般常采用以下近似估算法：

一种是用锯齿波近似表示，即

另一种是在RLC=（35）T/2的条件下，近似认为VL=VO=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。

）

D、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7所示

电阻负载

图7纯电阻和电容滤波电路的输出特性

RL=∞,V0=√2V2

C=0,V0=0.9V2

t=RLC（3～5）T／2

V0≈1.2V2

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

√2

V2

0.45V2

√2

V2

IL

全波整流

电容滤波

√2V2

1.2V2

2√2

V2

0.5IL

桥式整流

电容滤波

√2

V2

1.2V2

√2

V2

0.5IL

桥式整流

电感滤波

√2

V2

0.9V2

√2

V2

0.5IL

2）、电感滤波电路

利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。

由纯电感电路中欧姆定律的表达式I=U／（XL）和线圈的感抗公式XL=2πfL可知，感抗跟通过的电流的频率有关电感L越大，频率f越高，感抗就越大，电流就越小，所以电感线圈在电路中有“通直流，阻交流”的说法，所以电感有滤波作用

电感滤波电路如图8所示。

电感滤波的波形图如图9所示。

图8电感滤波电路

电感滤波的波形图如下

V0

0

图9电感滤波的波形图

当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。

当负半周时，

电感中的电流将经由D2、D4提供。

因桥式电路的对称性，和电感中电流的

连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导通角都是180°。

3、稳压电路

1）、稳压电路概述

A、引起输出电压不稳定的原因

引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图10。

即

R

Rs

负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。

稳压电路

图10输出电压变化原因示意图

2）、稳压电路的技术指标

用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。

VI和IO引起的VO可用下式表示

A、稳压系数Sr

有时稳压系数也用下式定义

B、电压调整率SV（一般特指ΔVi/Vi=±10%时的Sr）

C、输出电阻Ro

D、电流调整率SI

当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。

E、纹波抑制比Srip输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。

F、输出电压的温度系数ST

如果考虑温度对输出电压的影响,则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数

A、当输入电压变化时如何稳压

根据电路图12可知

V0=VZ=V1-VR=VI-IR

IR=IL+IZ

输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。

这一稳压过程可概括如下：

VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓

这里VO减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。

电压V0还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。

如下图所示

+VR-

IR

R

图12输入电压变化的稳压过程分析

B、当负载电流变化时如何稳压

负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。

IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。

这一稳压过程可概括如下：

IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑

RIZ

图13负载电流变化的稳压过程分析

4）、线性串联型稳压电源

A、线性串联型稳压电路的工作原理

稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。

线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。

目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。

线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大，效率低。

B、线性串联型稳压电源的构成

线性串联稳压电源的工作原理可用图14来说明。

+

V0

-

R

图14线性串联稳压电源的工作原理

显然，VO=VI-VR，当VI增加时，R受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。

若负载电流IL增加，R受控制而减小，使VR减小，从而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。

在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。

要想输出电压稳定，必须按电压

VREF

不稳定的直流电压V1

负载

VREF

基准电压源

R1

取

样

电

路

R3

A+

图15串联型稳压电路

负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。

典型的串联型稳压电路如图15所示。

它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源几个部分组成。

保护的方法

反馈保护型温度保护型

截流型限流型利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器。

当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。

（1）截流型

Iom

当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零。

截流特性见图16。

V0

Io

0

图16截流特性

（2）限流型

0

Vo

是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，输出电流得以限制。

限流特性见图17。

六、参考文献

胡宴如主编.模拟电子技术.北京.高等教育出版社，2000

童诗白主编．模拟电子技术基础（第四版）．北京：

高教出版社，2006

康华光主编.电子技术基础—模拟部分（第四版）。

华中理工大学电子学教研室编，高等教育出版社，1998

七、谢辞

在这次的设计中，我得到了指导老师王刚老师的悉心指导，在王老师的指导下，我快速并高质量的完成了这次设计，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着王刚老师的心血和汗水，在我的毕业设计期间，王刚老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，王老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动在此，我深深的感谢王老师对我的指导，在他的悉心指导下，我才能够运用掌握的知识在设计中驾轻就熟，并得以顺利完成论文。