直流稳压电源电路方案及对策.docx
《直流稳压电源电路方案及对策.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流稳压电源电路方案及对策.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
直流稳压电源电路方案及对策
电路设计方案
培训基地：
项 目 名 称：
项目成员
所在学校
联系电话
E mail
湖南省信息职业技术学院信息工程系
2014年制
串联直流稳压电源电路设计方案
绪论
直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器、电力或电子设备都毫不例外地需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。
不同的电路对电源的要求是不同的。
在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。
电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？
又如何使直流电压（电流）稳定？
这是电子技术的一个基本问题。
解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。
半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。
本次训练主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源。
直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。
本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。
学生通过实训了解相关分立式元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源的工作原理、原理图的设计和参数的计算、元器件的选用、计算机软件实现硬件的仿真、PCB板的设计、电路的安装和调试，最后完成达到技术指标要求的标准产品。
一、需求分析及方案论证
1.1需求分析
（1）串联直流稳压电源设计要求
①输入电源：
单相（AC），220V±10%，50HZ±5%；
②输出电压：
DC：
+3～+12V，连续可调；
③输出电流：
DC：
0～800mA；
④负载效应：
≤5%；
⑤输出纹波噪声电压：
≤10mV（有效值）；
⑥保护性能：
超出最大输出电流20%时立即截流保护；
⑦适应环境：
温度：
0~40℃，湿度：
20%~90%RH；
⑧PCB尺寸：
不大于120mm*90mm。
（2）串联直流稳压电源设计需求分析
电子设备都需要良好稳定的电源，而外部提供的能源大多数为交流电源，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务，转换后的直流电源应具有良好的稳定性，当电网或负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并具有较低的纹波。
我们通常称这种直流电源为稳压电源。
1.2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1所示。
（a）
U1U2UiUI1UI2
（b）
图1（a）、（b）稳压电源的组成框图及整流与稳压过程
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：
由固定式三端稳压器（LM317,7812,7809,7805）组成
由固定式三端稳压器（LM317,7812,7809,7805）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，LM317是可调电压稳压芯片，7805，7809，7812，7905则属于CW78**,CW79**系列的稳压器，输入端接电容可以进一步滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路比较稳定。
但是，在训练过程中，此电路过于简单。
方案三：
简单的串联型稳压电源
串联稳压电源，即利用串联于电路中的调整管Q1进行动态分压而使负载得到稳定电压的电路。
串联型稳压电源的工作原理，是在输入电压存在波动时，输出电压保持恒定的装置，利用稳压二极管两端电压不变的原理，使输出电压保持不变，并用多级三极管组成达令顿复合电路，组成放大器提高稳压精度。
根据实验设计要求，本实验采用方案三。
三、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，基本框图如图所示。
各部分的作用：
图2基本框图
（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全波整流滤波、桥式整流滤波等，如图3所示。
图3桥式整流
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与交流电压输出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发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。
因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。
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。
四、直流稳压电源的参数设计
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、整流桥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。
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
，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。
确定整流桥的正向平均电流ID、整流桥的最大反向电压
和滤波电容的电容值和耐压值。
根据确定的参数选择整流桥和滤波电容。
设计参数如下：
1 选择分立元件复合管，确定电路形式
在此方案中主要选择两种类型三极管：
1、对于VT1管：
集电极一发射极反射击穿电压UBR（CEO）1应为：
UBR（CEO）1＞UC1max=23.76V
VT1集电极最大电流：
ICM1＞（1+20%）*800mA=960mA
VT1集电极耗散功率：
PCM1＞（23.76-3）V*800mA=16.6W
对于VT2管：
UBR（CEO）2应当也有：
UBR（CEO）1＞UC1max=23.76V
VT2集电极最大电流：
VT2集电极耗散功率：
PCM1＞（23.76-3）V*13.3mA=0.28W
所确定的稳压电源电路如图4所示。
图4
⑵选择电源变压器
电源变压器有很多种：
有降压的、有升压的，在这次的设计中我们用的是降压变压器，它的作用是将来自电网的220V交流电压u1变
为整流电路所需要的交流电压u2。
，其中：
是变压器副边的功率，
是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表1所示：
表1小型变压器的效率
副边功率
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
因此，当算出了副边功率
后，就可以根据上表算出原边功率
。
输入电压Vi的范围为Vomax+（Vi-Vo）min≤Vi≤Vomin+（Vi-Vo）max,Vomax为最大输出电压，Vomin为最小输出电压，（Vi-Vo）min为稳压器最小输入、输出差，（Vi-Vo）max为稳压管最大输入、输出差，故Vi≥12+3=15V，考虑电网电压10%的波动，最终取Vi=16.7V,由V2=Vi/1.1=15.18V,但在实际过程中，由于没有这种生产标准，所以选购了输出为24V的。
（3）用整流桥和滤波电容
整流桥：
实测V2=33V
整流输出电压平值
Vi=（1.1-1.2）V2=36.3V
二极管平均电流
=0.327A
二极管最大反向压
=23.3V
故整流桥选用1N4001（1A,50V）
保护二极管选IN4148（1A,50V）
滤波电容：
RLC≥（3-5）T/2,则C1=5T/2RL,式中T为交流电源周期，T=20ms，RL为C1右边的等效电阻，应取最小值，由于Imax=500mA,因此RL=U1/Imax=33,所以C1=C2=1515μf,可见C1的容量较大，应选电解电容，受规格限制，电容的耐压要≥25V,故滤波电容C取容量为2200uF，耐压为25V的电解电容。
五、单元电路的设计
5.1电源变压器
电源变压器的作用是将交流电网220V的交流电压变换为所需的交流电压。
变压器的副边与原边的功率比定义为变压器的效率。
5.2整流电路
整流电路的任务是将交流电变为直流电，完成这一任务主要靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。
在小功率整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波，全波，桥式和被压整流电路。
本设计中采用的是单相桥式整流电路。
在桥式整流电路中，二极管D1，D3和D2，D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为:
（3-2-1）
每只整流二极管承受的最大反向电压为：
（3-2-2）
一般电网电压波动范围为±10%。
实际上选用的二极管的最大整流电流和最高反向电压应留有大于10%的余量。
桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正，负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。
5.3滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。
滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式和电感输入式。
前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中。
所以本设计中采用电容输入式滤波电路。
在表达式（3-2-2）中电阻R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电回路，RC放电时间常数应满足
RC>（3～5）Tˊ/2（3-3-1）
式中Tˊ为50HZ交流电压的周期，及20ms。
5.4稳压电路
稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。
电路采用误差放大电路方案，电路原理图如图5所示。
其中R3、R4及可调为取样电路，Q3为误差放大管，R2与D5构成基准电路。
当输出电压升高时，B点电压上升，C点电压升高，而D点电压下降，使Q1、Q2电流减少，分压增加，从而使输出降低。
图5
5.5过流保护电路
过流保护电路是当输出电流超过一定数值时，则保护电路开始工作，使调整管处于不完全截止状态，输出电流和输出电压都相应下降，达到保护电源的目的。
这种保护电路比较简单，而且当输出过载或短路被排除后，稳压电路便自动地恢复工作。
5.6过压保护电路
串联直流稳压电源中的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。
如果电网的电压突然过高,将导致此稳压电源不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此该串联直流稳压电源中有必要使用输入过电压保护电路。
图7晶体管和稳压二极管所组成的保护电路,在该电路中,当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时,稳压管击穿,有电流流过电阻R4,使晶体管Q5导通,三极管Q2、Q1截止,切断输入。
从而起到保护电路的作用。
图7过压保护电路图
六、电路仿真与检测
6.1Multisim仿真电路绘制
6.2Multisim仿真仪器仪表的应用
6.3稳压电源各项性能指标的测试与分析
在本次设计中，测试了稳压电源的主要性能指标，稳压系数，内阻，纹波电压等。
其方法如下：
测量稳压系数：
在负载电流为最大时，分别测得输入交流比220V增大和减小10%的输出△Vo，并将其中最大一个代入公式计算Sr，当负载不变时，Sr=△VoVi/△ViVo。
测量内阻：
在输入交流为220v,分别测得负载电流为0及最大值时的△Vo，则ro=△Vo/△Il
测量纹波电压：
叠加在输出电压上的交流分量，一般为mv级。
可将其放大后，用示波器观察其峰-峰值△Vop-p，也可用交流毫伏表测量其有效值△Vo,由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定误差。
6.3.1电路的调试与检测
1）静态调试
当连好电路板的线路时，先不要急着通电，而因该从以下几个方面进行检测：
A、对照原理图，用万用表一检查线路的各个接口是否接通，是否有短路、断路或漏接的现象，如果有，因该及时改好电路连线。
B、对照原理图，检查各元件是否接正确。
2）动态调试
接通220V的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到正电源可调档的调节范围是：
1.26-17.51v，12v端口输出电压是12.13V，9v输出端口电压是8.97v，5v输出端口电压是5.06v，负电源-5v端口输出电压是-4.67V。
3）技术指标测量及误差分析
6.3.2技术指标测量
⑴、测量稳压系数，先调节自藕变压器使输入的电压增加10%，即Vi=242V,测量此时对应的输出电压Vo1；再调节自藕变压器使输入减少10%，即Vi=198,测量此时对应的输出电压Vo2,然后测量出Vi=220V时对应的输出电压Vo,则稳压系数
Sv=（△Vo/Vi）/（△Vi/Vi）=
.
下表为在实验室中测得的数据并通过计算得出的稳压系数结果：
输出电压
Vo（220v）
Vo1（242v）
Vo2（198v）
稳压系数
12v
12.297v
12.767v
11.185v
0.38
9v
9.008v
9.112v
8.882v
0.115
6v
6.385v
6.463v
6.178v
0.122
（2）．纹波电压的测试
用示波器观察Uo的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量ΔUop-p的值（约4mV）。
下表为在实验室测得的纹波电压实验数据：
输出电压（v）
纹波电压（mv）
9.7
9.07
6.6
2.41
3
1.796
（3）输入输出电压波形
（4）过流保护测试
采用了1A的直流保险，如果电流超过了1A就会熔断，起到电流的过载保护作用。
（5）过压保护测试
输入电压（V）
电位器的调节（%）
220
21
242
17
243
16
七、设计总结
本课程设计运用了模拟电路的基本知识，通过变压，整流，滤波、稳压等步骤，输出理论可变范围为3—12V，而实际可调范围为的正负直流稳压电源。
这次课程设计我们小组做了一个串联直流稳压电源，不仅在后面的课程实训中会用到，而且在平时也是一个很好的电源工具。
这次我们做的直流稳压电源具带负载能力强，最大带负载能力电流可达800mA左右，在这次课程设计中，我们学到了很多关于设计的东西，这些在书本中无法学到。
在我们的课程设置中，需要对每个电子元器件十分熟悉，这就要求我们自己要多查资料，自学他们的相关特性，知道他们的相关参数。
虽然有一些元器件我们相对来说比较熟悉，但是在实际应用中还是存在一些问题，主要是我们缺乏实践经验所致，只有经常参与实践，把自己学到的东西更好的应用于实践中去，实现理论与实践的结合，才能真正实现学以致用。
最后，感谢信息学院给予我们这次学习的机会。
参考文献：
[1]童诗白.模拟电子技术基础（第三版）[M].北京:
高等教育出版社,2001.01.
[2]BrianW.KernighanDennisM.RitchieEdition.TheCProgrammingLanguage（SecondEdition）[M].MachineryIndustryPress,2004.10.
[3]童诗白、徐振英.现代电子学及应用[M].高等教育出版社,1994.
[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京高等教育出版社,2001.
附录A：
主要器材
序号
元件
标号
大小
封装
序号
元件
标号
大小
封装
1
C1
3.3mF
3300
11
Q2,Q3,Q4
9013
TO-226-AA
2
C2,C3,C4
330pF
RAD-0.1
12
R1
1.5k
AXIAL-0.4
3
C5
470uF
470
13
R2
2K
AXIAL-0.4
4
D1,D2,D3,D4,D5
4001
DO-41
14
R9
150
AXIAL-0.4
5
D6
8.2V
DO-41
15
R4
3.3K
AXIAL-0.4
6
FU1
1A
FU
16
R6、R3,
1K
AXIAL-0.4
7
JP1
PW~18V
PW1X2
17
R8
330
AXIAL-0.4
8
JP2
PW_OUT（+3~12V）
PW1X2
18
RP1
10K
RP
9
LED1
LED1
LED-1
19
RP2
1K
RP
10
Q1
BD237
D880-P
20
附录B：
电路原理图
电路原理图
附录C：
PCB图
PCB图
附录C：
实物图
实物图
升级会员 