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串联型直流稳压电源设计

指导教师（职称）

周旭胜（讲师）

执行时间

2015~2016学年第1学期第12周

学生姓名

学号

承担任务

设计目的

通过做串联直流稳压电源的设计，对电源理论进行学习和研究，并提高动手能力，将所学理论与实际相结合，掌握核心要领。

设计要求

在输入电压220V50HZ电压变化范围±

10%条件下；

（1）输出电压可调范围：

+9~+12V；

（2）最大输出电流：

300mA;

（3）测出设计电路的输出电阻（输入电压变化范围±

10%下,满载）。

（4）测出设计电路的稳压系数（最低输入电压下,满载），并将稳压系数减到最小。

5）Mutisim的电路仿真过程，绘制电路图，进行基本的仿真实验对设计的电路进行性能分析

串联型直流稳压电源的工作原理及性能指标

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。

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。

直流电源的输入为220V的电网电压（即市电），一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。

变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。

电压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。

为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路，使输出电压平滑。

理想情况下，应将交流分量全部滤除掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。

然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。

故仍需接入稳压电路。

交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。

稳压电路的功能是使输出的直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。

整体电路框图如下图1所示：

图1

电路各部分元件的分析

电源变压器

直流电源的输入电压为220V，在本次的设计中，所需要的直流电压和输入的电网电压的有效值相差比较大，因此需要通过电源变压器压降后，再对交流电压处理。

变压器主边电压的有效值为220V，副边电压的有效值根据此次设计的需要，可以选取2到3倍的U0。

因此我们选择20V的变压器，如图2所示：

图2

整流电路

由变压器输出的电压仍旧是正弦波电压，为了将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，还需要通过整流电路。

整流电路分为单向半波整流电路和单向桥式整流电路。

其中，单向半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。

但是由于它只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。

单向桥式整流电路与单向半波整流电路相比，在相同的输入电压下，对二极管的参数要求一样，并且还具有输出电压高，变压器利用率高，脉动系数小等优点。

所以本次设计的电路选用单向桥式整流电路，电路图如图3所示：

图3

整流电路的电阻选择

市电的波动范围为±

10﹪，参照图6，整流二极管的极限参数最高反向工作电压和最大整流平均电流应满足：

URM>

1.1√2U2≈38.89V

IF>

1.1*√2*U2/π/RL≈0.124mA

滤波电路

整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，不能适应大多数的电子电路及设备的需要。

因此，一般在整流后还需要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。

滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹，一般是由一些电抗元件构成，如在负载电阻的两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载之间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。

常用的结构如图4所示：

图4

由于滤波电路中的电抗元件有储能的作用，并联的电容在电源供给的电压升高时，电容充电，储存部分能量使输出的电压增大的速率减小，而当电源供给的电压降低时，电容放电，使输出的电压降低速率减小，最终使负载的电压比较平滑，即电容器有平波作用。

而串联的电感与电容相似亦具有平波的作用。

为了电路简单，此次设计的电路中选用并联电容滤波电路。

稳压电路

虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；

另一方面，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。

为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。

根据要求，此次设计的电路采用串联型稳压电路，结构如图5所示：

图5

在稳压电路中，选择为提供基准电压的稳压管DZ的型号为HM78MXX，其稳定电压为6V，由计算公式知，要达到输出直流9V到12V连续可调，可取R1=200Ω，R2=100Ω，R3=300Ω，此时输出电压范围大致在9V~12V。

主要参数

图6

图6的主要参数如下：

设变压器副边电压u2=√2U2sinωt，U2为其有效值。

图7

图7为单向桥式整流电路的波形图，由图中所示uo的波形可知，输出电压的平均值为：

Uo（AV）=1/π∫0π√2U2sinωtd（ωt）=（2√2U2）/π≈0.9U2

输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值）为：

Io（AV）=Uo（AV）/RL≈（0.9U2）/RL

整流元件参数的计算

在桥式整流电路中，二极管D1、D2和D3、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为：

ID=（1/2）IO（AV）=（0.45U2）/RL=0.1125A

二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压是在u2的正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。

此时D2、D4所承受到的最大反向电压均为u2的最大值，即，

URM=√2U2=35.35V

同理，在u2的负半周，D1、D3也承受同样大小的反向电压。

因为电网电压波动范围为±

10﹪，所以选用的二极管的最大整流电流IDM和最高反向电压Vm应留有大于10﹪的余量。

滤波元件参数的计算

图8

设U0（AV）≈1.2U2，根据需求，要输出电压平均值U0（AV）=30V，负载电流平均值I0（AV）=0.3A，即，电容C的取值满足

RLC=（3～5）T/2

RL=U0（AV）/I0（AV）=30/0.3Ω=100Ω

电容的电容量为：

C=（3～5）*（1/50）/2/100F=（300～500）uF

变压器副边电压有效值为：

U2≈U0（AV）/1.2=30/1.2V=25V

电容的耐压值为：

U>

1.1√2U2=1.1*√2*25V=11.385V

即，选取容量为450uF、耐压为15V的电容做本电路的滤波电容。

稳压电路输出电压及调节范围

如图8所示，晶体管T为调整管，电阻R与稳压管DZ构成基准电压电路。

电阻R1、R2和R3为输出电压的采样电路，集成运放作为比较放大电路，如图中所标注。

当由于某种原因使输出电压U0升高（降低）时，采样电路将这一变化趋势送到A的反相输入端，并于同相输入端电位UZ进行比较放大；

A的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高），从而使U0得到稳定。

可简述如下：

U0↑→UN↑→UB↓→U0↓

或

U0↓→UN↓→UB↑→U0↑

可见，电路是靠引入深度电压负反馈来稳定输出电压的。

在理想的运放条件下，UN=UP=UZ。

所以，当电位器R2的滑动端在最上端时，输出电压最小，为：

U0min=（R1+R2+R3）/（R2+R3）*UZ

当电位器R2的滑动端在最下端时，输出电压最大，为：

U0max=（R1+R2+R3）/R3*UZ

即，（R1+R2+R3）/（R2+R3）*UZ<

U<

（R1+R2+R3）/R3*UZ

调整管的选择

调整管常为大功率关管，主要考虑其极限参数ICM、U（BR）CEO和PCM。

由图8所示的电路可知调整管T的发射极电流

IE=IR1+IL

IR1为采样电阻R1中的电流；

IL为负载电流；

T的管压降UCE=UI-U0

UI为输入电压；

U0为输出电压；

当负载电流最大时（ILmax=300mA），此时，流过T管发射极电流最大，即

IEmax=IR1+ILmax

通常，R1上的电流可以忽略不计，且IEmax≈ICmax

所以调整管的最大集电极电流

ICmax≈ILmax=300mA

当市电最高（即输入电压最高UImax=24.75V），同时输出电压最低（U0min=9V）时，调整管承受的管压降最大，即

UCEmax=UImax-U0min=15.75V

当晶体管的集电极（发射极）电流最大（即满载），且管压降最大时，调整管的功率损耗最大，即

PCmax=ICmaxUCEmax=4.725W

故，所选调整管T要满足

ICM>

ILmax=0.3（V）

U（BR）CEO>

UImax-U0min=15.75V

PCM>

ILmax（UImax-U0min）=4.75W

电阻R上的电流

IRmax=1.1*√2*0.9*U2/R<

IDZmax=1A

即，

R>

35Ω，故设计电路中电阻R选择阻值为40Ω的定值电阻。

3、目录

4、正文

5、参考文献

6、附录

7、答辩记录及评分表

答辩教师（职称）

吴慧（讲师）、周旭胜（讲师）

答辩时间

答

辩

记

录

张山：

…………………….？

答：

………………………..。

李四：

评分表

评分

一、课程设计撰写的内容与要求

设计内容必须正确，概念清楚，思路清晰，符合逻辑；

论文所有文字、图、表、公式、符号等都必须符合国家

1、题目：

题目要求用最恰当、简明的词语逼真的反映论文的特定内容以及所研究的范围和深度，做到一目了然。

中文题目字数要适当，不宜超过15个字，可设副标题。

2、目录：

目录应包括论文中全部的二级以上标题及页码。

目录要求层次清晰，目录中的序号、标题应与正文中的序号标题一致。

3、摘要：

要求作者同时用中、外文不加注释和评论地简要陈述研究的内容，独到见解和主要论点，摘要应用三段式分别说明：

（1）本课题的意义和完成的主要工作；

（2）获得了什么重要结论和有何独到见解；

（3）有价值的理论观点、方法及其前景。

5、正文（包括绪论或概述）：

正文应主要是对研究问题的论述及系统分析、比较研究、模型或方案设计、案例论证或实证分析、模型运行的结果分析或建议、改进措施等。

要求结构合理，层次清楚，突出重点，文字简练、通顺、图表清晰。

6、结论：

结论部分要简明扼要，内容一般包括：

本课题所做的工作；

本课题的创新之处；

本课题存在的不足及其完善的可能方向；

本课题继续开展工作的价值。

结论应单独作为一章或一个独立部分编写，但不加章号或编号。

7、参考文献：

参考文献是毕业论文不可缺少的组成部分，要求作者将课题中参考过的主要文献列出，以示