直流稳压电源设计报告佟裕

直流稳压电源设计报告院（系）：专业：班级：姓名：摘要：由于各种电子设备都需要直流电源供电，而市电提供的是220V50Hz的交流电，因此需要将交流电变换成直流电。直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，本设计采用电源变压器将电网电压降低获得所需交流电压，通过全波桥式整流电路使交流电压变成单向直流电，采用电容滤波电路滤除纹波成分，再采用可调式集成稳压器LM317稳压电路使输出电压稳定，并从0～15V连续可调。通过测试，本设计在输出电压5V时测试结果：空载电压5.01V，负载电压5.01V,纹波电压1.03mV，由于电网电压存在±10%（198V至242V）的波动，当电网电压为198V时，输出电压为5.00V，当电网电压为242V时，输出电压为5.01V。在输出电压12V时测试结果：空载电压12.03V，负载电压12.02V,纹波电压1.33mV，当电网电压为198V时，输出电压为12.01V，当电网电压为242V时，输出电压为12.03V。经计算分析各项指标均符合要求，是理想的可调直流稳压电源。关键字：稳压整流可调电容滤波纹波电压指标一.方案设计与论证1.总体设计思想由于各种电子设备都需要直流电源供电，而市电提供的是220V50Hz的交流电，因此，需要将交流电变换成直流电。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。直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如图1所示。图1直流稳压电源的原理框图电源变压器：将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到隔离直流电源与电网的作用。整流电路：利用具有单向导电性的整流元件，将大小、方向变化的正弦交流电变换成单向脉动的直流电。滤波电路：将整流后的单向脉动直流电压中的纹波成分尽可能滤除掉，使其变成平滑的直流电。稳压电路：采取某些措施，使输出的直流电压在市电电压或负载电流发生变化时保持稳定。2.方案设计与论证（1）整流电路的选择与分析方案一：半波整流电路半波整流电路及其波形如图2所示。(a)半波整流电路图(b)半波整流电路波形图图2该电路工作原理：设变压器次级电压u2=U2msinwt=2U2sinwt，其中U2m为其幅值，U2为有效值。当U2变化的正半周期时，二极管D受正向电压偏置而导通，UL=U2；当U2变化的负半周期时，二极管D处于反向偏置状态而截止，UL=0。由波形图可见，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是半波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。由理论分析可得，输出单向脉冲电压的平均值即直流分量为UO=22U2/π≈0.45U2(1)显然，输出电压中除了直流成分外，还含有丰富的交流成分基波和谐波，这些谐波的总和称为纹波，它叠加与直流分量之上。常用纹波系数来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即=UOr/UO(2)式中，UOr为谐波电压总有效值，其值应为UOr=(U22-UO2)1/2(3)由(1)、(2)和(3)式通过计算可得，≈1.98。由结果可见，半波整流电路的输出电压纹波较大。方案二：全波整流电路全波桥式整流电路及其波形如图3所示，图中4个二极管接成电桥的形式，故有桥式整流之称。(a)全波桥式整流电路图(b)全波桥式整流电路波形图图3该电路工作原理：设变压器次级电压u2=U2msinwt=2U2sinwt，其中U2m为其幅值,U2为有效值。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。由波形图可见，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与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分量为UO=22U2/π≈0.9U2(4)由(2)、(3)和(4)式通过计算可得≈0.48。由结果可见，全波整流电路的输出电压纹波比半波整流电路小得多。综上所述，半波整流电路只利用了电源的半个周期，同时整流电压的脉动系数较大，而全波桥式整流电路因电源变压器在正负半周内都向负载提供电流，变压器得到充分利用，效率较高，并且输出电压纹波比半波整流电路小得多。因此，本设计中整流电路采用全波桥式整流电路。（2）滤波电路的选择与分析方案一：电感滤波电路电感滤波电路及其波形图如图4所示，由于市电交流电频率较低（50HZ），图中感一般取值较大，约几H以上。(a)电感滤波电路(b)电感滤波电路波形图4电感滤波电路是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原理电流方向相反，自感电动势阻碍了电位的增加同时也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。由以上分析可知，电感滤波电路的几个特点：a）L越大、RL越小，输出电压纹波越小。b）忽略电感内阻，UL0=0.9U2（理论值）。c）电感滤波适用于低电压、大电流的场合。d）工频电感体积大，重量重，价格高，损耗大，电磁辐射强，因此一般少用。方案二：电容滤波电路电容滤波电路如图5所示，由于市电交流电频率较低（50HZ），图中电容C一般取值较大，约2200uF以上。(a)电容滤波电路(b)电容滤波电路波形图5该电路工作原理：设u2=U2msinwt=2U2sinwt，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U2一方面向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），所以很快充满电荷，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的正半周期由零开始上升，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d=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，UC下降很少。与此同时，U2仍按2U2sinwt的规律上升，一旦当U2＞UC时，D1、D3导通，U2→D3→C→D1对C充电。然后，U2又按2U2sinwt的规律下降，当U2＜UC时，二极管均截止，故C又经RL放电。不难理解，在U2的负半周期也会出现与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，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。电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合。综上所述，电感滤波电路由于工频电感体积大，重量重，价格高，损耗大，电磁辐射强，一般很少用，而电容滤波电路简单，而且纹波小。因此，本设计中滤波电路采用电容滤波电路。（3）稳压电路的选择与分析方案一：稳压管稳压电路稳压管稳压电路原理如图6所示。图6电路中的VZ和R构成了稳压调节电路。图6稳压管稳压电路电路中的稳压管VZ工作于反偏状态，该电路的稳压原理是：针对市电220V交流电压波动，当交流电源电压增加而使整流输出电压UI随着增加，而UI的升高又会引起输出电压UL（即UZ）的增大。由稳压管的稳压特性可知，UZ的增大，势必引起IZ的较大增大，于是限流电阻R上的电流I增大，R上的电压降也增大，这在很大程度上让R承担了UI的变化，从而使UL基本上趋于稳定（UI↑→UL↑→IZ↑→I↑→UR↑→UL↓）。反之，当UI下降引起UL变小时，也会引起IZ减小，R上的压降UR减小，同样保持了UL的基本稳定。由以上分析可见，在这种稳压电路中，稳压管起着电流控制作用。这种并联型稳压管稳压电源虽然结构简单，负载电流变化小，但是输出电压只能等于稳压管的稳定电压，允许电流的变化幅度也受到稳压管稳定电流的限制。方案二：集成稳压电路集成稳压电路内部原理框图如图7所示。图7集成稳压电路内部原理框图集成稳压器是将功率调整管、取样电阻以及基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在1个芯片上而形成的一种稳压集成电路。其工作原理是：取样电路将输出电压UO按比例取出，送入比较放大器与基准电压进行比较，差值被放大后去控制调整管，以使输出电压UO保持稳定。集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、价格低廉等显著优点，因此在各种电源电路中被广泛使用。综上所述，稳压管稳压电路的稳压效果不够理想，并且它只能用于负载电流较小的场合，而集成稳压电路体积小、价格低廉、使用简单、性能良好、可靠性高。因此，本设计中稳压电路采用集成稳压电路。3.总体方案设计经过分析比较，本设计采用电源变压器将电网电压降低获得所需交流电压，通过全波桥式整流电路使交流电压变成单向直流电，采用电容滤波电路滤除纹波成分，再采用可调式集成稳压器LM317稳压电路使输出电压稳定，并从3～15V连续可调。电路原理图如图8所示。图80～12V可调直流稳压电源原理图二.理论计算与分析1.电源变压器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要求的交流电压，并送给整流电路。电源变压器应按电路的输出功率和输出电压的要求来选择。原则是：变压器的二次测电压根据电源的输出电压来决定，应能保证稳压电源的输入与输出电压差在3V以上，变压器的功率P要根据稳压电源的输出电压UO和输出电流IO决定，应满足P≥1.4UOIO。本稳压电源输出电压UO最大为15V，输出电流IO最大为1.5A，又因变压器的选择以其最大输出电流的60％为最适宜,因为IOmax=1.5A,则1.5×60％=0.9，故取I2=1A，因此可选用P≥1.4×18×1=25.2(W),变压器二次侧电压为18V的变压器。这样，整流滤波输出电压为1.2×18V=21.6V,考虑市电电压向下波动10%，则为0.9×21.6V=19.44V，稳压电源输出与输入差为19.44V-15V=4.44V，满足要求。由以上分析知，电源变压器应选二次侧电压为18V，功率为30W的变压器。2.整流电路整流电路采用由四只整流二极管组成的桥式整流电路,它将交流电压变成脉动的单向直流电压,再经过滤波电容C滤除纹波。整流桥中二极管的平均电流为：ID=Io/2=0.75A式中Io为负载输出电流，其值为1.5A。整流桥中二极管承受的最大反向电压：URM=2V2=25.5V式中为变压器二次侧电压，其值为18V。参考以上数据，为设计电路简单，选用集成的整流桥2W10,其最大电流为2A，最大反向电压为1000V,满足设计需要。3.滤波电路滤波电路采用电容滤波电路滤除直流电压中的纹波成分，使其变成平滑的直流电。电容滤波是利用电容的充放电作用使整流输出电压变得平稳，并且RLC越大，电容放电速率越慢，滤波效果越好，输出直流电压越高，因此应选择大容量的电容作为滤波电容。RL为整流滤波电路的负载电阻,它为电容C提供放电回路,RLC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,即为20ms.滤波电容C≈(3～5)T×Imax/2V2=(3300～5500)uF，其中T=0.02s,Imax整流桥的最大输入电流为2A，V2为18V。滤波电容C的耐压值应大于2V2=25.5V。故取一只4700uF/35V的极性电解电容C1。4.稳压电路本设计为0～15V连续可调直流稳压电源，选用可调式三端集成稳压器LM317，其输出电压范围为1.25V－37，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压，此外其线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。虽然稳压器具有输出短路保护、过流、过热保护、调整管安全工作区保护，但使用时间过长仍会发