小型稳压电源的设计与制作.docx
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小型稳压电源的设计与制作
济源职业技术学院
毕业设计
题目
小型稳压电源的设计与制作
系别
机电系
专业
应用电子技术
班级
电技0801
姓名
王胜卓
学号
08020120
指导教师
魏永峰
日期
2010年10月
设计任务书
设计题目：
小型稳压电源的设计与制作
设计要求：
设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求：
1、输出电压可调：
Uo=+3V～+9V；
2、最大输出电流：
Iomax=800mA；
3、输出电压变化量：
ΔUo≤15mV；
4、稳压系数：
SV≤0.003。
设计进度要求：
第一周：
选定设计题目。
第二周：
指导老师对设计题目进行详细讲解。
第三周～第十周：
指导老师对设计内容进行详细的指导。
第十一周：
查资料、收集信息，设计电路图。
第十二周：
分发元件，按原理图进行CAD原理图以及PCB的制作。
第十三周：
焊接元器件。
第十四周～第十五周：
写设计论文。
第十六周：
指导老师对设计报告进行检查、修改，并定稿设计论文。
第十七周：
熟悉论文，准备答辩。
指导教师（签名）：
摘要
现代人类社会中，从国防到民生，从工作到生活，再到娱乐，电的应用越来越普及，电的作用也越来越不可替代。
因此，电源渗透到我们人类生活的方方面面。
随着社会的发展，各种稳压电源，开关电源，以及计算机电源相继问世并不断地发展着。
本设计涉及到的就是一种小型的、简单的稳压电源——开关行稳压电源。
该电源总的来说有四部分组成，分别是变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路。
四部分相互衔接，组成了安全、可靠、节能的稳压电源。
本设计对稳压器进行了详细的描述，包括小型变压器材料的选择、参数的计算等。
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。
关键词：
线性稳压，变压，整流，滤波，稳压
目录
摘要II
1稳压电源的介绍1
1.1引言1
1.2线性稳压电源的优缺点3
2直流稳压电源变压器部分的设计和制作5
2.1变压器的材料5
2.2设计与计算步骤6
2.3变压器的主要特性9
2.4小功率电源变压器的制造11
3直流稳压电源整流与滤波电路部分的设计和制作12
3.1单相整流电路12
3.2滤波电路17
4小型稳压电源稳压电路的设计22
4.1稳压电路的作用22
4.2稳压电路的选择22
4.3稳压电源的主要性能指标26
4.4电路设计27
致谢29
参考文献30
1稳压电源的介绍
1.1引言
1.1.1稳压电源发展史
1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。
此后，利用这一技术的各种形式的精益求精不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。
由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。
由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。
60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。
省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。
70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。
任何电子线路的正常工作都离不开电源，电源有两种：
一种是直流电源（DC既DirectCurrent）；另一种是交流电源（AC既AlternatingCurrent）。
而用大规模集成电路和辅助电子元件（如电阻、电容、二极管）组成的电子线路都要求电压稳定的直流电源供电。
如果直接用干电池作为电源，由于电路电流较大，则需要频繁的更换干电池。
而我们日常所用的电源均为AC220V。
如何将AC220V电源变换为可用的直流电源呢？
下面将给出一种简单实用的电源，小型稳压电源。
它由变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。
稳压器的分类多种多样，根据其主要特性来划分：
按其稳定结果来划分可分为直流稳压器和交流稳压器；按稳压电路的连接方式可分为并联型稳压器和串联型稳压器。
1.1.2稳压电源的分类
稳压电源主要可分为线性型稳压电源和开关型稳压电源两大类。
直流稳压电源又称直流稳压器。
它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。
稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。
前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。
纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。
直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。
前者由工频变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压（或电流）。
这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小，但体积大、耗材多，效率低（常低于40％～60％）。
后者以改变调整元件（或开关）的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。
这类电源功耗小，效率可达85％左右，但缺点是纹波大、相互干扰大。
所以，80年代以来发展迅速。
因为线性电源在工作时会以发热的形式损耗大量能量，故线性电源在效率要求不高的应用场合中使用，线性电源广泛用作板载电源，当板上仅需几瓦功率时，电源损耗的功率可通过一个小散热片耗散，如果需要与交流输入电源隔离，可以接一个交流变压器或模块电源。
所以，本文选用线性稳压电源。
稳压器在电网络中的作用，我们用一个框图来形象描绘：
图1.1稳压器简视图
总的来说，在输出功率小于10W的应用场合，线性电源有它的用武之地，10W之上，散热器会变得既大又贵，则开关电源会更有吸引力。
本实验设计的为中小型直流稳压电源，故采用线性的，可以带动录音机、随身听等小家用电器。
1.1.3线性稳压电源概述
所谓线性稳压电源，是指在稳压电源电路中的调整功率管是工作在线性放大区，其工作过程为：
将220V、50HZ的工频电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。
其原理方框如图1.2所示：
图1.2线性稳压电源原理图
1.2线性稳压电源的优缺点
1.2.1线性稳压电源的原理
基本工作原理为：
工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为一稳定的直流电。
电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。
如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。
1.2.2线性稳压电源的优缺点
1.优点：
1）电源稳定度及负载稳定度较高；
2）输出纹波电压小；
3）瞬态响应速度快；
4）线路结构简单，便于维修；
5）没有开关干扰。
2．缺点：
1）功耗大、效率低，其效率一般只有45%；
2）体积大、重量重，不能微小化；
3）必须有较大容量的滤波电容。
另外还有稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路、输出连续可调的成品的优点。
缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。
造成这些缺点的原因是：
在线性稳压电路部分中，调整管V在电源的整个工作过程中，一直是工作在晶体管特性曲线的线性放大区。
调整管本身的功耗与输出电流成正比。
这样调整管V本身的功耗会随电源的输出功耗的增大而增大，使调整管急剧地发热。
为了保证管子能正常工作，除选用功率大的管子，还必须给管子加上较大的散热片。
线性电源使用了50HZ工频降压变压器，通常这种变压器的效率只有80%～90%，这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率。
2直流稳压电源变压器部分的设计和制造
2.1变压器的材料
2.1.1变压器的组成
变压器由绕组、铁芯组成。
一般而言，变压器还有一个外壳，用来起屏蔽和固定作用。
一般的变压器具有一个初级绕组、一个或多个次级绕组，线圈绕在铁芯上。
给初级绕组加上交流电，由于电磁感应的原理，在次级绕组上则有电压输出。
给初级绕组加上交流电后，在次级绕组周围则产生交变磁场，初级绕组通电后产生的磁力线绝大部分由铁芯构成回路（铁芯的磁阻远小于空气的磁阻）。
次级绕组绕在铁芯上，这样它的线圈切割磁力线而产生感应电动势，结果在次级绕组两端有电压输出。
无论在铁芯上绕几个次级绕组，次级线圈上都会切割磁力线而产生感应电动势。
设计与制造整流滤波电路，是根据负载要求的电压和电流来选择电路和参数的，对变压器副线圈上的电流和电压提出要求，然后才能确定电源变压器。
因为变压器是线性稳压电源中不可缺少的设备。
2.1.2变压器的设计方法
下面主要介绍小功率电源变压器，（一般为几百瓦以下）的简单设计方法。
1.硅钢片
用作制造变压器的铁芯，按国标要求剪裁。
常见的铁芯形状有U型、E型等多种形状。
冷轧硅钢片的化学成分：
冷轧硅钢片的化学成分是质量为3%～5%的硅、0.06%的碳、0.25%的硫、0.15%的锰、0.03%的磷。
铝的分量为硅的质量分数的1.7倍，其余为铁。
这些元素在硅钢片的作用是:
1）碳（C）会增大钢板的磁滞损耗，故应尽量减少。
2）硅（Si）可以减弱碳的不良作用，即减少磁滞损耗，同时又可提高磁导率和电阻率，延长因长期使用带来的磁性变坏的老化作用。
3）硫（S）会使硅钢片产生热脆，增加磁滞损耗，同时会导致晶粒细化，降低磁通密度。
4）锰（Mn）能促使钢中产生相变，对脱碳和脱硫不利，因而导致磁通密度降低。
5）钢中存在的杂志元素都是非磁性或弱磁性物质，它们的存在造成晶格歪扭、错位、空位和内应力等，所以有冷轧硅钢片、一般硅钢片、优质硅钢片等等。
2.线圈骨架
用塑料、胶木板、硬质板等绝缘材料做成。
3.导线
用于制作变压器的原副线圈，常用漆包线或纱包线。
4.绝缘纸
用于变压器层间与组间绝缘，有青壳纸、黄蜡绸等。
2.2设计与计算步骤
2.2.1选择变压器参数
1．确定副边电压U2:
根据性能指标要求：
Uomin=3VUomax=9V
又∵Ui-Uomax≥（Ui-Uo）minUi-Uoin≤（Ui-Uo）max
其中：
（Ui-Uoin）min=3V，（Ui-Uo）max=40V
∴12V≤Ui≤43V
此范围中可任选：
Ui=14V=Uo1根据
Uo1=（1.1～1.2）U2（式2.1）
可得变压的副边电压：
2．确定变压器副边电流I2
∵Io1=Io
又副边电流
I2=（1.5～2）IO1（式2.2）
取IO=IOmax=800mA
则I2=1.5×0.8A=1.2A
3．选择变压器的功率
变压器的输出功率：
Po>I2U2=14.4W（式2.3）
2.2.2铁芯截面的选择
对于我国的工频f=50Hz的电源变压器，用经验公式
Sc=K√PO（式2.4）
j=1.5×√23.75=7.5cm2=7.5×10-4m2
式中的P0=P1+P2∕2=（25+22.5）∕2=23.75W,Sc=bl0,l0是E型铁芯的舌宽，l0的取值为2.5cm；在选择铁芯舌宽时，铁芯的重叠厚度b，b的取值为3cm；硅钢片的厚度d有0.5mm，0.35mm规格。
在由公式N=b∕d（式2.5）
=3cm∕0.5mm=60
算出所需硅钢片片数。
系数K由下表查出。
表2.1功率系数对比表
变压器的功率P0（W）
K
5—10
2—1.75
10—50
1.75—1.5
50—100
1.5—1.35
100—500
1.35—1.25
500—1000
1.25—1.00
2.2.3计算每伏匝数
有磁感应公式可得：
其中f=50Hz，每伏匝数为
U=4.44NSCfC×10-4（式2.6）
其中f=53HZ,每伏匝数为
NO=45∕BSC
=45∕1.6×104×7.5×10-4=3.75（匝/伏）
SC为铁芯的截面积，单位为m
。
B为铁芯的磁感应强度，单位为高斯。
它的数值取法是，冷轧硅钢为16000～18000，优质硅钢片取10000～12000,一般硅钢片取7000～8000。
叠厚`叠厚b
窗高h
图2.1变压器E型铁芯
因为导线有电阻，副边的每伏圈数要提高5～10%，则副边每伏圈数计算为
NO1=（1+5%）NO（式2.7）
=1.05×45∕BSC
=1.05×45∕1.6×104×7.5×10-4
=4匝∕伏
2.2.4计算原副边各个绕组的圈数
原边的圈数
N1=N1U1（式2.8）
那么N1=220N0=220×3.75=825匝∕伏
副边的圈数
N21=N01U21=4×18.4=74匝
N22=N01U22=4×18.4=74匝
N23=N01U23=4×11=44匝
N24=N01U24=4×12=48匝
N25=N01U25=4×4.1=17匝
2.2.5绕组线径的选择
绕组的粗细是通过查表来选择的，但是也可以通过用计算的方法求得。
一般小功率电源变压器的导线电流密度J=2.5～3A/mm2,所以，在知道线圈的电流I时，由I/J就可以计算出导线的截面积。
对于铜线的直径d和面积S有公式
S=πd2∕4（式2.9）
则
d=1.13
当J=2.5A/mm2时
d=0.27
绕组的线径都可以从上式计算得出:
d0=0.27
=0.27
=0.27×（0.3+0.3+1+0.1）=0.0078mm
d1=0.27
=0.27
=0.27×√0.3=0.148mm
d2=0.27
=0.27
=0.27×√0.3=0.148mm
d3=0.27
=0.27
=0.27×√1=0.27mm
d4=0.27
=0.27
=0.27×√0.1=8.53×10-2mm
2.2.6校核变压器的窗口
变压器的窗口面积
S=l1h（式2.10）
S=1.5×3.4=3.91cm2
S1=73×0.0148×2+44×0.027+16×0.00853
+0.0078×852=3.5371cm2﹤S
按线径和匝数就可校验变压器的窗口大小是否合适，窗口大导致变压器体积大，而太小又放不下绕组，以刚好放下绕组而剩余的空隙不大为原则。
如不合适，就得再选铁芯，直到满意为止。
本实验中的S1﹤S，所以合适。
2.3变压器的主要特性
2.3.1电压比（匝变比）
它是次级、初级绕组匝数之比，用N表示。
N=N2/N1=U2/U1（式2.11）
将公式2.11变换一下，得：
U2=U1×（N2/N1）（式2.12）
从公式2.11可知：
当n＞1时，U2＞U1，为升压变压器；
当n＝1时，U2U1，称为1/1变压器（如隔离变压器）；
当n＜1时，U2＜U1，称为降压变压器，这是一种常用的变压器，也是目前我们所用的变压器。
2.3.2电压与电流的关系
为了分析方便,假设变压器是无损耗的,那么初级输入功率等于次级输出功率,即P1＝P2，由P＝UI，得出：
U1×I2＝U2×I1
U2/U1＝I1/I2（式2.13）
从公式2.13可知，当U2＜U1时（即n＜1），有II；当UU时（即n＞1），有II；换句话说在降压变压器中，次级输出小电压大电流，次级输出电流大于初级输出电流，所以这种变压器的次级绕组线径比初级绕组线径大；在升压变压器中，次级输出大电压小电流次级输出电流小于初级输入电流，所以这种变压器的次级绕组的线径比初级绕组线径细。
在现实应用中，变压器是存在损耗的，但电压与电流的关系仍符合以上所述的关系的。
2.3.3阻抗关系
变压器可进行电压交换，在某些场合则是它的阻抗变换特性。
利用欧姆定律，可得：
P＝U2/Z；
P1＝P2；
U12/Z1＝U22/Z2；
根据公式2.11，可得：
Z2/Z1＝U22/U12（式2.14）
＝（U2/U1）2＝（N2/N1）2＝n2
由上式分析可知，Z2,Z1之间的关系与n2有关；
当N2＝N1时，Z2＝Z1，这说明变压器初级的输入阻抗等于次级的负载阻抗，此时变压器无阻抗变换作用；
当N2＜N1时，Z1＝Z2/n2，这说明变压器初级的输入阻抗相当于提高（1/n2）倍的次级负载阻抗；
当N2＞N1时，Z1＝Z2/n2，这说明变压器初级的输入阻抗相当于降低n2倍的次级的负载阻抗；
在放大器的极间耦合电路中，为了能使负载获得最大的激励阻抗，往往采用变压器（阻抗变换器）来进行阻抗的匹配。
因为最佳阻抗匹配的条件是激励信号源内阻等于负载阻抗，此时能使负载获得最大功率。
2.4小功率电源变压器的制造
2.4.1制造方法
1.画图纸
2.制作线圈骨架
根据各绕组的情况，里面的线圈的阴线头是从线圈骨架上打眼引出。
3.绕线
先绕原线圈，绕完后加裹绝缘纸，然后再绕各个副线圈。
4.测试
给绕好的线圈加上铁芯，加电后测量各个副边的电压是否合适。
如不合适，就需要进行调整副边的圈数。
5.预烘干浸302绝缘漆
6.再烘干
3直流稳压电源整流与滤波电路部分的设计和制造
3.1几种单相整流电路
3.1.1单相桥式整流电路电路
整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。
滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。
稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。
3.1单相桥式整流电路
1.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3.1（a）所示：
（a）整流电路
（b）波形图
图3.1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3.1（a）的电路图可知：
当正半周时D1、D3二极管导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。
当负半周时D2、D4二极管导通，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相脉动电压。
单相桥式整流电路的波形图见图3.1（b）。
2．参数计算
根据图3.1（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：
VO=VL=1/π∫π0
V2sinωtd（ωt）（式3.1）
=2/
πV2=0.9V2
=10.8V
流过负载的平均电流为：
IL=2
V2/πRL
=0.9V2/RL
=10.8V/RL
流过二极管的平均电流为：
ID=IL/2=
V2/πRL=0.45V2/RL=5.4V/RL
二极管所承受的最大反向电压为：
VRmax=
V2=17V
桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：
A
查手册选整流二极管IN4001，其参数为：
反向击穿电压UBR=50V>17V
最大整流电流IF=1A>0.4A
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。
U0=
V2（2/π-4/3πcosωt-4/15πcos4ωt+…）
S=（4
V2/3π）/（2
V2/π）=2/3=0.67
3.1.3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输出电压与负载电流之间的关系曲线VO=f（IO）该曲线如图3.2所示。
曲线的斜率代表了整流电路的内阻。
图3.2负载特性曲线
3.1.2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3.3（a）所示，波形图如图3.3（b）所示：
图3.3单相半波整流电路
根据3.3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：
VO=VL=1/2π∫π0
V2sinωtd（ωt）（式3.2）
=
/πV2=0.45V2=5.4V
流过负载和二极管的平均电流为：
ID=IL=
V2/πRL=0.45V2/RL
二极管所承受的最大反向电压为：
VRmax=
V2=17V
3.1.3单相全波整流电路
单相全波整流电路如图3.4（a）所示，波形图如图3.4（b）所示：
（a）整流电路图
（b）波形图
图3.4单相全波整流电路
根据图3.4（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：
VO=VL=1/π∫π0
U2sinωtd（ωt）（式3.3）
=2
/πU2=0.9U2=10.8V
流过负载的平均电流为：
IO=IL=2
V2/πRL=0.9U2/RL
二极管所承受的最大反向电压为：
VRmax=2
U2=34V
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。
S=（4
V2/3π）/（2
V2/π）=2/3=0.67
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，在相同的功率容量条件下，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做为开关运用的。
整流电路既有交流量，又有直流量，通常有如下要求：
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。
考虑到成本与性能，我们一般采取桥式整流的方式。
它相对半波、全波整流而言，具有二极管反向耐压值较小，通过二极管的电流较小，同时能量的利用率高等特点。
3.2滤波电路
3.2.1电容滤波电路
1．滤波的基本概念
滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。
电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。
电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。
经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
2．电容滤波电路
现以单相桥式电容滤波电路为例来说明
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