直流稳压电源设计.docx
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直流稳压电源设计
目录
前言…………………………………………………………………………………1
1.总体设计方案介绍…………………………………………………………2
1.1整流滤波电路部分………………………………………………………2
1.2稳压电路部分……………………………………………………………2
2.单元模块设计………………………………………………………………3
2.1整流滤波电路设计………………………………………………………3
2.2稳压电路设计……………………………………………………………4
2.2.1稳压电路的基本设计方案及参数…………………………………4
2.2.2比较放大器………………………………………………………6
2.2.3取样电路…………………………………………………………8
2.2.4整机电路参考图及仿真波形图……………………………………9
3．稳压电路试验测定的技术指标………………………………………10
4.系统功能……………………………………………………………………12
5.设计总结……………………………………………………………………12
6.参考文献……………………………………………………………………12
前言
当今社会发展迅速，很多的精密仪器和家用电器中，都需要稳压的直流电压，但是经过整流滤波后的电压还会随着电网电压、负载及温度的变化而变化，因此，在整流滤波电路之后，还要需要稳压电路。
我们为适应高校课程活动的需要，本次所做的课程设计就是直流稳压电源功一个电子产品,讲述了电路各部分的设计原理及所能实现的功能,它要求要对变压器、整流器、滤波器、稳压器的熟悉掌握，并能加以运用。
直流稳压电源的产品已经非常的多，对于自己设计的这个电子产品也自知有许多的不足，但能首次设计自己的产品，并能在实现相同功能的基础上节约成本也是非常有意义的，还有助于提高自己的动手能力，丰富课余生活。
1.总体设计方案介绍
1.1整流滤波电路部分
图1-1整流滤波电路框图
所谓整流，就是利用二极管的单向导电特性，将具有正负两个极性的交流电能变换成只有一个极性的电能。
整流后的单极性电能不仅包含有用的直流分量，还有有害的交流分量，通常称为纹波。
我们利用滤波电路滤去交流分量，取出直流分量，就得到比较平滑的直流电。
由于采用滤波器的目的是为了得到一个平滑的直流，故滤波器又称为平滑滤波器。
（1）电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
1.2稳压电路部分
++
Ui
RLUO
--
图1-2稳压电路部分框图
稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
（1）基准电压源
基准电压源的电压值是决定集成稳压器输出电压的重要部分，要求其内阻小，稳定性高。
（2）比较放大器
比较放大器将取样电压和基准电压的差值放大后，去控制调整电路的输出电压，要求具有高增益、低噪声和低温度漂。
（3）调整电路
调整电路受比较控制来调整输出的电压，要求有足够的电流和承受较大的耗散功率。
（4）取样电路
取样电路取出输出的电压的一部分送至比较放大器。
2.单元模块设计
2.1整流滤波电路设计
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。
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）。
脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
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。
图2-1整流滤波电路
根据要求额定指标：
输入直流电压Vi=7～10v，输出电压Vo=3～5v，输出电流IO<0.5A。
整流滤波电路部分设计采用桥式整流，电容滤波电路，如图2-1所示。
（1）确定电源变压器参数。
次级线圈电压:
V2=Vi/（1.1～1.2）
次级线圈电流：
I2≈（1.0～1.1）I0
（2）确定整流二极管。
额定的整流电流：
Idm>0.5I0
最高反向工作电压：
Vrm>1.414V2
（3）确定滤波电容。
容量:
C1≥（3～5）T/2R1
式中，T=20ms（输入交流电流的周期），R1=Vi/I0（整流滤波电路的负载）。
耐压：
V≈1.5Vi和C1的容量耐压均应取标称值。
2.2稳压电路的设计
2.2.1稳压电路的基本设计方案及参数
图2—2稳压电源原理图
1）稳压电路的设计
（1）稳压电路采用带有限流型保护电路的晶体管串联型稳压电路，电路设计基本方案如下：
1由于稳压电路输出电流I0>100mA，因此调整管应采用复合管。
2通常提供基准电压的稳压管可以用发光二极管LED代替（一般工作电压约为2V），兼作电源指示灯。
3由于Vo为3V、6V两挡固定值，且不要求调整，因此可将取样电路的上取样电阻设计为两个合适的值，用1×2波段开关进行转换。
4输出端用2×2波段开关实现正、负极性选择。
5过载保护电路采用二极管限流型保护电路，且二极管用发光二极管LED代替，兼作过流指示灯使用。
（2）稳压电路原理图如图2—2所示。
电路参数计算和元件的选择如下：
①确定输入电压Vi（整流滤波电路的输出电压）。
当忽略检查电阻R2上的电压时，有
Vi=Vo’َ=Vomax+Vce1=6+Vce1（2-1）
式（2-1）中，调整管管压降Vce1，一般在3V～8V间选取，以保证VT1能够工作放大器。
当市电电网电压波动不大时，Vce1可选取得小一些，此时调整管和电源变压器的功耗也可以小一些。
②确定晶体管。
估计出晶体管的Icmax、Vcemax和Pcmax值，再根据晶体管的极限参数Icm、V（BR）CEO和Pcm来选择晶体管。
Icmax≈Io=150mA（2-2）
Vcemax=Vi-Vomin=Vi-3（2-3）
Pcmax=IcmaxVcemax（2-4）
查晶体管手册，只要Icm、V（BR）CEO、Pcm大于上述计算值的晶体管都可以作为调整管VT1使用。
VT2、VT3由于电流电压都不大，功耗也小，因此不需要计算其值，一般可选用小功率管。
③确定基准电压。
由Vo=1/n*（Vz+Vbe3）
有Vz=nVo-Vbe3
Vz式（2-5）中，n为取样电路的取样比（分压比），且n≤1.所以Vz应小于Vomin（3V）.LED的工作电压约为1.8～2.4V，且正向特性曲线较陡，因此它可以代替稳压管提供基准电压。
④限流电阻的计算。
图2-3基准电压限流稳压电路
限流电路如图2-3所示。
ID=IR3+Ie3=（Vo-Vz）/R3+Ie3（2-6）
式（2-6）中，Vz为LED的工作电压，其值可取为2V；ID为LED的工作电流，在2～10mA间取值；Ie3为VT3的工作电流，可在0.5～2mA间取值。
当选定Ie3的值后，为保证LED能完全可靠地工作，R3的取值应满足条件：
2mA当Vo=Vomin+3V时，ID最小，即
ID=（Vomin-Vz）/R3+Ie3=（3-Vz）/R3+Ie3>2mA（2-7）
得R3<（3-Vz）/（2-Ie3）（2-8）
当Vo=Vomin=6V时，ID最大，即
ID=（Vomax-Vz）/R3+Ie3=（6-Vz）/R3+Ie3<10mA（2-9）
得R3>（6-Vz）/（10-Ie3）（2-10）
因此有（6-Vz）/（10-Ie3）在取值范围内，R3应尽量取大一些，这样有利于Vz的稳定。
另外，计算的电阻值还应该选取标称职。
同时，相关的功率计算如下：
PR3=[（Vomax-Vz）×（Vomax-Vz）]/R3=[（6-Vz）×（6-Vz）]/R3（2-12）
需要注意的是，计算出的电阻功率应该选取标称职。
2.2.2比较放大器
（1）计算比较放大器集电极电阻R1。
比较放大器如图2-4所示。
R1的值取决于稳压电源的Vo和Io，有此可得
IR1=（Vi-Vb2）/R1=Ib2+Ib3
式中，Vb2=Vo+Vb1+Vb2≈Vo+1.4
Ib2≈Io/（β1×β2）
若R1的值太大，则IR1的值变小，Ib2也会变小，因此不能提供额定电流Io；若R1的值太小，则比较放大器增益变低，会造成稳压性能不好。
图2-4比较放大电路
当Vo=Vomax=6V时，R1的值应满足条件
（Vi-7.4）/R1≈Ib2+Ic3
R1≈（Vi-7.4）/（Ib2+Ic3）
式中，Ib2由Ib2≈Io/（β1β2）确定（Io=150mA）。
其中，β1的取值范围在20～50之间（大功率管取20，中功率管取50）；
β2的取值范围在50～100之间。
Ic3可用前面计算R3时已选定的值Ie3。
R1的功耗估算为
PR1=[Vi-（Vomax+1.40）]×[Vi-（Vomax+1.40）]/R1
需要注意的是，阻值和功率应取标称
图2-5限流保护电路
（2）为了进一步完善电路，设计了限流保护电路如图2-5所示，限流保护电路参数的计算。
检查电阻R2的计算方法如下：
因为VD=2Vbe+Iomax×R2
所以R2=（VD-2Vbe）/Iomax≈（2-1.4）/Iomax
式中，VD取2V，Vbe取7V,最大输出电流Iomax取500mA。
电阻功耗的估算为
PR2=Iomax×Iomax×R2
同样，阻值和功率应取标称值。
2.2.3取样电路
图2-6取样电路
取样电路的参数计算∶
首先，确定取样电路的工作电流I1（流过取样电阻的电流）。
若I1取得过大，取样电路的功耗也大；若I1取得过小，取样比n会因VT3的基极电流变化而不稳定，同时也会造成Vo不稳定。
实际应用中，一般取I1=（0.05~0.1）×Io，然后计算取样电阻。
当Vo=3V时，取样电路如图2-6所示
由I1×（R4+R6）=3V
得取样电路的总电阻为R=R4+R6=3/I1
又由于（R/R6）（Vz+Vbe3）=3V
所以R6=R（Vz+Vbe3）/3
R4=R-R6
当Vo=6V时，应将图2-6中的电阻R4换成R4换成R5，计算方法与Vo=3V时相同。
取样电路的总电阻为
R=R5+R6=6/I1
R5=R-R6
此时，计算出的电阻值应取标称值，然后利用公式Vo=（R/R6）（VZ+Vbe3）计算Vo，并测量Vo是否满足设计指标的要求，否则应重新取值计算。
最后还应对所取值电阻进行功率计算，并取其标称值。
2.2.4整机电路参考图及仿真波形图
图2-7直流稳压电源主体电路
图2-8第一次输出输入波形
图2-9第二次输出输入波形
3.稳压电路试验测定的技术指标
1、特性指标
特性指标指表明稳压电源工作特性的参数，例如，输入、输出电压及输出电压及输出电流，电压的可调范围等。
2、质量指标
质量指标是指衡量稳压电源稳定性能状况的参数，如稳压系数、输出电阻、纹波电压及温度系数等。
具体含义简述如下：
（1）稳压系数S：
指通过负载的电流和环境温度保持不变时，稳压电路输入
压的相对变化量之比与输出电压的相对变化量,S的值越大，稳压性能越好。
经试验测得：
当负载R0=100Ω时，输出的电压u0=3.116V，此时输入电压ui=10.277V；当负载R0ˊ=20Ω时，输出的电压u0ˊ=3.105V，此时输入电压uiˊ=9.093V；易知道Δu0=0.011V，Δui=1.184V；即有：
（2）输出电阻R0体现了负载变化对输出的影响，R0越小，稳压性能越好。
经试验测得：
当负载R0=100Ω时，输出的电压u0=3.116V，此时输出电流iL=u0/R0；当负载R0ˊ=20Ω时，输出的电压u0ˊ=3.105V,此时输出电流iLˊ=u0/R0；易知道Δu0=0.011V，ΔiL=0.1241A；即有：
（3）输出纹波电压。
输出纹波电压是指电源输出端的交流电压的分量。
它的大小主要取决于滤波和稳压电路的质量，也与整流电路的形式有关系。
3、此电路的误差分析
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
①测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;
②电流表内阻串入回路造成的误差;
③测得纹波电压时示波器造成的误差;
④示波器,万用表本身的准确度而造成的系统误差;
可以通过以下的方法去改进此电路:
①减小接触点的微小电阻;
②根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正;
③测得纹波时示波器采用手动同步;
④采用更高精确度的仪器去检测;
4、稳压的必要性
大部分电子设备的机内电源的功能都是通过单向导电性元器件将交流变换为直流，并用储能元器件组成的各种滤波电路滤除直流中的脉动成分，但这些功能仍不能满足一些电子设备对直流电源的要求，主要原因有二：
其一，当负载变化时，整流滤波的输出电压将要随之而变；其二，当市电电压变化（变化+10％）时，输出电压也要随之而变。
这样会对电子设备的工作造成不良影响，其影响有以下几方面：
（1）电压不稳定的影响。
例如，示波器的电源必须稳定，以保证光点的偏转灵敏度、扫描时间等的准确；又如，数字电压表十要求内部有极精确的稳定电源，以保证电压／数字的转换精度。
（2）输入电压范围的影响。
当输入电压过高时，会使某些元器件所加电压过高或消耗功率过大而损坏，当输入电压过低时，又会使某些元器什性能下降，甚至不能工作。
（3）电源噪声的影响。
例如，电源噪声对通信质量影响很大，在通话中出现交流声的干扰，防碍远距离通话的清晰度，又如，扩音机中哼声、电视机图像上的黑色横道、图像线条不直等，直接影响视听效果。
4.系统功能
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。
变压器把城市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压可在3-5V可调。
5.设计总结
经过几个星期的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路分析，此次的设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种电子知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路，这是非常可贵的一点。
通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题;而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获.我们这次设计的这个直流稳压电源电路;采用了整流器、滤波器、稳压电路构成了此直流稳压电源。
6.参考文献
[1]<<电子线路基础>>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社。
[2]<<电子技术基础>>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。
[3]<<电子线路设计>>,（第二版）华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社。
[4]<<模拟电子线路基础>>，傅丰林主编，西安电子科技大学出版社。
[5]<<电子技术试验>>，编者：
赵淑范、王宪伟，清华大学出版社。
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