稳压电流源课程设计Word下载.docx
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一类是能直接供给直流电流或电压的,如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等,本文不做具体介绍;
另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压的,这类变换电路统称为直流稳压电源。
现在所使用的大多数电子设备中,几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作,而最常用的是能将交流电网电压转换为稳定直流电压的直流电源,可见直流稳压电源在电子设备中起着主要作用,为设备能够稳定工作提供保证。
电子设备中都需要稳定的直流电源,功率较小的直流电源大多数都是将50HZ的交流电经过电源变压器,整流,滤波和稳压这四个基本部分后获得。
整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压;
滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分,使之成为平滑的直流电压;
稳压电路的作用是将当输入交流电源电压的波动、负载和温度的变化时,维持输出直流电压的稳定。
由于集成稳压器具有体积小、重量轻、使用方便和工作可靠等优点,应用越来越广泛。
国产的稳压器种类很多,主要分为两大类。
稳压器中的调整元件工作在线性放大状态的称为线性稳压器,调整元件工作在开关状态的称为开关稳压器。
在电子仪器仪表中,经常要求有稳定的直流电源,所以在整流滤波后面,通常需要接直流稳压电路。
本设计是设计的直流稳压电源,是一种将220V交流电转换为稳压输出的直流电源装置,主要是采用一些简单的电子元件即可,它是有电源变压器,整流电路,滤波电路和稳压电路四个部分组成。
通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。
我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法,以及培养了我们团队合作的能力,在讨论设计方案,计算元件参数,购买元件,制作电路板,安装调试方面都体会到了团队的力量。
本次课程设计的课题是直流稳压电源的设计和调试,本课程设计将就直流稳压电源电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路调试等做详细的介绍和说明。
第二章系统设计方案论证及分析
2.1设计目的
1、学习直流稳压电源的设计方法
2、研究直流稳压电源的设计方案。
3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法:
2.2设计指标
设计一波形直流稳压电源,满足:
要求电源输出电压为±
12V(或±
9V/±
5V),输入电压为交流220V,最大输出电流为Iomax=500mA,纹波电压△VOP-P≤5mV,稳压系数Sr≤5%。
2.3设计要求
(1)根据设计要求和技术指标设计好电路,选好元件及参数;
(2)要求绘出原理图,用Protel99画出印制板图;
(3)在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源;
(4)设计一个能输出±
12V/±
9V/±
5V的直流稳压电源;
(5)拟定设计步骤和测试方案;
(6)测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压;
(7)撰写设计报告。
2.4设计方案的选择与论证
小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成,如图2-1所示。
图2-1稳压电源的组成框图和整流与稳压过程
方案一:
简单的并联型稳压电源
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,因此在本实验中不适合此方案。
方案二:
输出可调的开关电源
开关电源的功能元件工作在开关状态,因而效率高,输出功率大;
且容易实现短路保护与过流保护,但是电路比较复杂,在低输出电压时开关频率低,纹波大,稳定度极差,因此在本实验中不适合此方案。
方案三:
可调式三段稳压器能输出连续可调的直流电压
常见产品有CW317,系列稳压器能输出连续可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路。
纹波电压小,根据本设计,选择此方案。
2.5电路原理分析
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流、滤波电路及稳压电路所组成,基本框图如图2-2所示。
各部分的作用:
图2-2
(1)电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η,式中η是变压器的效率。
(2)整流滤波电路:
整流电路将交流电压U1变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的纹波成分,输出纹波较小的直流电压U0。
常用的整流滤波电路有桥式整流滤波,如图2-3所示。
图2-3
整流桥将交流电压U2变成脉动的直流电压,再经滤波电容C滤波纹波,输出直流电压U0。
U0与交流电压U2的有效值u2的关系为
U0=(1.1-1.2)U2
每只整流二极管承受的最大的方向电压Vrm=U2
通过每只二极管的平均电流I=0.5Ir=0.45U2/R
式中,R为整流电路的负载电阻.它为电容C提供放电回路,RC放电时间常数应满足RLC≥(3-5)T/2
式中,T为50HZ交流电压的周期,即20ms。
(3)电压输出稳压器
由于输入电压U1发生发生变化时,滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。
为了维持输出电压UI稳定不变,需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素发生变化时,输出直流电压不受影响,维持稳定的输出。
采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。
2.6直流稳压电源的参数设计方法
稳压电源的设计,是根据电源的输出电压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、整流桥和滤波电路中所用元器件的参数,从而合理的选择这些器件。
直流稳压电源的参数设计可以分为以下三个步骤:
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。
根据稳压器的输入电压u1,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Iomax,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和效率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。
确定整流桥的正向平均电流ID、整流桥的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。
根据所确定的参数,选择整流桥和滤波电容。
第三章单元电路设计及参数选择
3.1电源变压器过整流电路将交流变为脉动的直流电压。
由于此脉动的直流压含有较的纹波,必须通过滤波电路加以滤波,从而得到平滑的直流电压。
电源变压器的作用是将交流220V的电压变为所需的电压值,然后通过的电压还随电网电压波动、负载何温度的变化而变化。
因而在整流、滤波电路之后,还需接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动、负载何温度变化时,维持输出直流电压稳定。
设计参数如下:
小型变压器的效率:
副边功率
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
输入电压Vi的X围为
Vomax+(Vi-Vo)min≤Vi≤Vomin+(Vi-Vo)max
12V+3V≤Vi≤3V+40V
15V≤Vi≤43V
副边电压U2≥Vimin/1.1=15/1.1=13.64V
副边电流I2>
0.5A
因为I2=(1.5~2)Iomax
故取I2=0.8A
则变压器副边输出功率P2≥I2×
U2=11.2W
又因为变压器效率等于0.7
则原边输入功率P1=P2/0.7=16W
所以电源变压器功率选20W,副边电压输出为24V。
3.2整流电路利用二极管的单向导电性,将交流电压(电流)变成单向脉动电压(电流)的电路,称为整流电路。
交流电分为三相交流电和单相交流电,在小功率电路中一般采用单相半波、全波、桥式整流电路和倍压整流电路。
这里应用单相桥式整流电路。
为简化分析,假定二极管是理想器件,即当二极管承受正向电压时,将其作为短路处理;
当承受反向电压时,将其作为开路处理。
单相桥式整流电路,其电路图如3-1所示
图3-1单相桥式整流电路
1)电路组成及工作原理
桥式整流电路由四只二极管组成的一个电桥,电桥的两组相对节点分别接变压器二次绕组和负载。
在工作时,D1、D2与D3、D4两两轮流导通。
在u2正半周,二极管D1和D2正向导通,而D3、D4反向截止,形成负载电流i0,i0流通路径为:
a→D1→RL→D2→b→a,u0=u2;
在u2的负半周,二极管D3和D4正向导通,而D1、D2反向截止,形成负载电流i0,i0流通路径为:
b→D3→RL→D4→a→b,u0=-u2。
由此可见,不论哪两只二极管导通,负载电流的方向都始终保持不变。
电路各处电压、电流波形如图3.2所示。
图3.2单相桥式整流电路的波形图
2)输出电流电压U0
由桥式整流电路的波形可知,其输出电压及流过二极管的电流与全波整流的波形相同:
U0=0.9U2
3)整流二极管的选择
整流二极管D选IN4001,其极限参数Vrm≥50V,If=1A。
满足Vrm≥1.41U2
If>
0.8A的条件。
3.3滤波电路
(1)工作原理
设u2波形如图3-3(b)所示,未接电容时,输出电压如图3-3(b)中的虚线所示。
在u2正半周,设u2由零上升,二极管D导通,u0=u2,此时电源对电容充电,由于充电时间常数很小,电容充电很快,所以电容上升的速度完全跟得上电源电压的上升速度,uC=u2。
当u2上升到峰值时,电容充电达到1.4U2,二极管D截止,随后u2下降,电容C向负载RL放电,放电时间常数为RLC,其值较大,所以电容电压下降的速度比u2下降到速度慢得多,此时负载电压靠电容C的放电电流来维持,u0=uC。
当电容放电到b点时,uC<u2,二极管D又导通,电容又被充电。
充电至1.4U2后,又放电。
如此重复进行,就得到输出电压的波形如图3-3(b)中实线所示。
由图可见,经电容滤波后,负载电压变得平稳,且平均值提高了。
其电路和波形如图3-3所示。
图3.3单相桥式整流电容滤波电路及其波形图
(2)输出直流电压
在有滤波电容的整流电路中,要对其输出直流电压进行准确的计算是很困难的,工程上一般按下列经验公式进行估算。
当电容的容量足够大,满足RLC≥(3-5)T/2(T为电网电压的周期)时
对于全波或桥式整流电容滤波:
U0=1.2U2
(3)滤波电容的选择
为了得到比较好的滤波效果,在实际工作中常根据下式选择滤波电容的容量。
对于全波或桥式整流:
RLC≥(3-5)T/2
由于电容值比较大,约为几十至几千微法,一般选用电解电容,接入电路时,注意极性不要接反,电容器的耐压值应大