双路可调直流稳压电源设计与制作.docx

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双路可调直流稳压电源设计与制作

双路可调直流稳压电源设计和制作

一、设计题目

1.双路可调直流稳压电源设计和制作

2．设计指标：

1）.输出电压

在0～±12V之间连续可调；

2）.最大输出电流1A；

3）.纹波电压（峰-峰值）<5mV（在电压为5V，带负载状况下）；

4）.效率≥50%（输出电压为+5V，输入电压为220V下，满载）。

二、基本原理

1.变压部分可通过变压器来实现。

2.整流电路一般采纳桥式是整流，可采纳4个整流二极管接成桥式，也可采纳二极管整流桥堆。

3.滤波电路在输出电流不大的状况下，一般选用电容滤波即可。

4.稳压电路可采纳集成稳压电路，详细技术要求可参考《模拟电子技术》。

调整电路比例电阻的选择，其中电阻R1和电位器R2组成输出电压调整器。

R1一般取120－240欧姆，输出端和调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V），输出电压Uo的表达式为：

Uo＝1.25（1＋R2/R1）

5.爱护电路可采纳防过流冲击电路。

三、设计步骤

1．电路图设计

（1）确定目标：

设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。

（2）系统分析：

依据系统功能，选择各模块所用电路形式。

（3）参数选择：

依据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。

（4）总电路图：

连接各模块电路。

2.设计思想

（1）电网供电电压沟通220V（有效值）频率为50Hz，要获得低压直流输出，首先必需采纳电源变压器将电网电压降低获得所须要沟通电压。

（2）降压后的沟通电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度改变大（即脉动大）。

（3）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，即将沟通成份滤掉，保留其直流成份。

（4）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，供应负载RL。

四、电路设计

（一）直流稳压电源的基本组成

直流稳压电源是将频率为50Hz、有效值为220V的单相沟通电压转换为幅值稳定、输出电流为几十安以下的直流电源，其基本组成如图

（1）所示：

T

整

流

滤

波

稳

压

负

载

图

（1）直流稳压电源的方框图

直流稳压电源的输入为220V的电网电压，一般状况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而须要通过电源变压器降压后，再对沟通电压进行处理。

变压器副边电压有效值确定于后面电路的须要。

变压器副边电压通过整流电路从沟通电压转换为直流电压，即正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图所示。

可以看出，他们均含有较大的沟通重量，会影响负载电路的正常工作。

为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。

志向状况下，应将沟通重量全部滤掉，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。

对于稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。

沟通电压通过整流、滤波后虽然变为沟通重量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载改变时，其平均值也将随之改变。

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

（二）各电路的选择

1.电源变压器

电源变压器T的作用是将电网220V的沟通电压变换成整流滤波电路所须要的沟通电压Ui。

事实上，志向变压器满意I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。

变压器副边和原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。

依据输出电压的范围，可以令变压器副边电压为22V，即变压系数为0.1。

2.整流电路

（1）半波整流

图

（2）半波整流电路图（3）半波整流电路的波形图

整流电路如图

（2）所示，其输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值Uo（AV）。

从图（3）所示波形图可知，当ωt=0～π时，Uo=

U2sinωt;当ωt=π～2π时，Uo=0。

所以，求解Uo的平均值Uo（AV），就是将0～π的电压平均在0～2π时间间隔之中，如图（3）所示，写成表达式为:

Uo（AV）=1/2πU2sinωtd（ωt）

解得:

Uo（AV）=

U2/π≈0.45U2

负载电流的平均值:

Io（AV）=Uo（AV）/RL

半波整流电路中的二极管平安工作条件为：

a）二极管的最大整流电流必需大于实际流过二极管平均电流，即IF＞IDO=ULO/RL=0.45U2/RL

b）二极管的最大反向工作电压UR必需大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=

U2

单相半波整流电路简洁易行，所用二极管数量少。

但是由于它只是利用了沟通电压的半个周期，所以输出电压低，沟通重量大，效率低。

因此，这种电路仅适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。

（2）全波桥式整流电路

为了克服单相半波整流电路的特点，在运用电路中多采纳单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。

如图（4）所示

图（4）全波桥式整流电路

设变压器次级电压U2=U2msinωt=

U2sinωt，其中U2m为其幅值，U2为有效值，负载电阻为100Ω。

在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。

U2和UL的波形如图（5）所示，明显，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压和输入电压的幅值基本相等。

由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流重量为

图（5）全波整流电路的波形

UOL=2U2m/π=

U2≈0.9U2=0.9×22≈20V

全波整流电路中的二极管平安工作条件为：

a）二极管的最大整流电流必需大于实际流过二极管平均电。

由于4个二极管是两两轮番导通的，因此有IF＞IDO=0.5ULO/RL=0.45U2/RL=0.45×20/100≈90mA

b）二极管的最大反向工作电压UR必需大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=

U2=1.4×20=28V

单相桥式整流电路和半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用高、脉动小等优点，因此得到广泛的应用。

它的主要缺点是所需二极管的数量比较多，由于事实上二极管的正向电阻不为零，必定使得整流电路内阻较大，当然损耗也就比较大。

3．滤波电路

电容滤波电路是最常见的也是最简洁的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路，如图（6）所示：

图（6）单相桥式整流电容滤波电路

该电路工作原理：

设U2=U2msinωt=

U2sinωt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面对RL供电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很快充溢电荷，使电容两端电压UC基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。

现假设某一时刻U2的正半周期由零起先上升，因为此时电容上电压UC基本接近U2m，因此U2＜UC，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过RL放电，由于放电时常数τd=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，UC下降很少。

和此同时，U2仍按

U2sinωt的规律上升，一旦当U2＞UC时，D1、D3导通，U2对C充电。

然后，U2又按

U2sinωt的规律下降，当U2＜UC时，二极管均截止，故C又经RL放电。

同样，在U2的负半周期也会出现和上述基本相同的结果。

这样在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压UL=UC，使负载电压的纹波大为减小。

由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：

a）RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为了得到平滑的负载电压，一般取RLC≥（3～5）T/2式中，T为沟通电源电压的周期。

由上式可以解得C=（3～5）T/2RL≈400μF

b）RL越小输出电压越小。

若C值肯定，当RL→∞，即空载时有ULO=

U2≈1.4U2。

当C=0，即无电容时有ULO≈0.9U2。

当整流电路的内阻不太大（几Ω）和电阻RL电容C取值满意上式时，有ULO≈（1.1～1.2）U2

总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载改变不大的场合

4.稳压电路

虽然整流滤波电路能将正弦沟通电压变换为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，当负载改变时，内阻上的电压将产生相反的改变，于是输出电压平均值也将随之产生相反的改变。

因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的改变而改变。

为了获得稳定性好的直流电压，必需实行稳压措施。

（1）简洁稳压电源

稳压二极管组成的稳压电路如图（7）所示：

图（7）稳压二极管组成的稳压电路

稳压管稳压的原理事实上是利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基本不变的特点而实现的。

当输入电压改变时，输入电流将随之改变，稳压管中的电流也将随之同步改变，结果输出电压基本不变；当负载电阻改变时，输出电流将随之改变，但稳压管中的电流却随之作反向改变，结果仍是输出电压基本不变。

明显，稳压管反向击穿特性曲线越陡峭，稳压特性越好。

下面探讨R的取值范围。

参见图（7），设为保证稳压作用的所需的流过稳压二极管的最小电流为Izmin，为防止电流过大从而造成损坏所容许的流过稳压二极管的最大电流为Izmax，即要求Izmin＜Iz＜I2max。

当UI最大和RL开路时，流过稳压二极管的电流最大，此时应有；当UI最小（不小于Uz）和RL最小（不允许短路）时，流过稳压二极管的电流最小，此时应有。

即

一般来说，在稳压二极管平安工作的条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。

稳压管稳压电路的优点是电路简洁，所用元器件少；但是，因为受稳压管自身参数的限制，其输出电流较小，输出电压不行调，因此只适用于负载电流较小，负载电压不变的场合。

（2）三端集成稳压器电路

集成稳压器和简洁稳压电路相比其电路结构简洁，它可以通过外接元件使输出电压得到很宽的调整范围。

并且内部有过热爱护、过流爱护等爱护电路，可以很平安的爱护电路的正常工作。

图（8）时由LM317组成的基准电压源电路，电容Co用于消退输出电压中的高频噪音，可取小于1μF的电容。

输入端和调整端之间的电压时特别稳定的电压，其值为1.25V。

输出电流可达1.5A。

图（8）由LM317组成的稳压电路

由于调整端的电流可忽视不计，输出电压为

Uo=（1+R2/R）×1.25V

为了削减R2上的纹波电压，可在其上并联一个10μF电容C。

但是，在输出开路时，C将向稳压器调整管放射结反偏，为了爱护稳压器，可加二极管D2，供应一个放电回路，D1,D2起爱护作用。

如图（9）所示：

图（9）LM317的外加爱护电路

由于设计要求电压从零起先调起，LM317集成稳压器不能干脆满意要求，须要设计一个电压补偿电路来抵消LM317的1.25V最小输出电压，如图（10）所示，电压补偿电路由R3和二极管D组成，其输出电压Uo=U-UD,其中，U为LM317的输出端电压，UD为二极管D的正向压降。

UD即为补偿电压。

其值略大于LM317的基准电压（1.25V），这里用两只串联的硅材料整流二极管的导通压降来实现。

当调整R2削减,使U3达到和UD相等时,输出电压即为0V。

之后,当调整R2渐渐增大时,U0