串联型直流稳压电源设计

武汉理工大学《模拟电子技术》课程设计说明书第1页共22页摘要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，并实现电压为正负三伏与九伏。关键词：直流；稳压；变压武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第2页目录1.绪论.............................31.1.设计目的及意义................31.2.设计的任务及要求..............32.设计方案........................42.1.直流稳压电源电路设计..........42.1.1.采用三端集成稳压器电路......42.1.2.用单片机制作的可调直流稳压电源................................42.1.3.晶体管串联式直流稳压电路....42.2.最终决定的直流稳压电源电路设计方案...............................53.2直流稳压电源方案的确定.........73.2.1电源变压器................73.2.2整流电路...................73.2.3滤波电路...................103.2.4稳压电路...................124.元件选择........................134.1变压器的设计和选择............144.2整流电路的设计及整流二极管的选择144.3滤波电容的选择................154.4稳压电路的设计................154..5总体电路.....................175.电路仿真及数据分析..............185.1电路仿真......................185.2数据整理及最终分析............195.2.1.稳压模块的数据结果.........195.2.2.整体分析..................196.稳定直流稳压源的制作............207.总结............................20参考文献..........................21附录元件清单....................22武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第3页1.绪论1.1.设计目的及意义本次设计的串联型直流稳压电源具有较高的实用价值。通过本次设计让我充分理解了串联型直流稳压电源的工作原理，了解其工作特点以及目前市面上一些直流稳定电源存在的一些缺陷。通过设计尽量去完善直流稳压电源系统。使得这个电源在使用的时候尽量便捷，尽量直观。在一系列的设计过后能够使自己初步形成工程设计的基本思想和一般设计方法。此外通过本次设计让我学到了一些东西：较熟练的掌握了电子线路仿真软件（Multisim）的使用。1.2.设计的任务及要求要求完成的主要任务：要求：设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的串联型直流稳压电源。指标：1、输出电压+6V、+9V两档，同时具备正负极性输出；2、输出电流：额定电流为150mA，最大电流为500mA；3、在最大输出电流的时候纹波电压峰值Vop-p≤5mv武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第4页2.设计方案2.1.直流稳压电源电路设计2.1.1.采用三端集成稳压器电路该电路采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。2.1.2.用单片机制作的可调直流稳压电源该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的外围参数，并加上软启动电路，获得0～24V，0.1V步长，驱动能力可达1A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分。2.1.3.晶体管串联式直流稳压电路该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从0V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0V开始调节。该方案有过载自保护性能，输出断路时调整管不会损坏，在负载变化小时，稳压性能比较好且对瞬时变化的适应性较好。故选择此方案。武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第5页2.2.最终决定的直流稳压电源电路设计方案整体电路的框架如下图所示，先有220V-15V的变压器对其进行变压，变压后再对其进行整流，整流后是高低频的滤波电路，最后是由采样电路、比较放大电路和基准电路三个小的单元电路组成的稳压电路，稳压后为了进一步得到更加稳定的电压，在稳压电路后再对其进行小小的率波，最后得到正负输出的稳压电源。图2.2变压电路全波整流正极滤波电路负极滤波电路稳压电路比较放大采样电路基准电压稳压电路基准电压比较放大采样电路输出滤波电路输出滤波电路正极输出端负极输出端共地端武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第6页3.电路设计3.1直流稳压电源组成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。如图3.1.1所示：1．电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压较小。2．整流电路：将变压器次级交流电压变成单向的直流电压，它包含直流成份和许多谐波分量。3．滤波电路：滤除脉动电压中的谐波分量，输出比较平滑的直流电压。该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化。4．稳压电路：它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。T工频交流脉动直流直流整流滤波稳压负载图3.1.1串联型直流稳压电源原理框图武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第7页3.2直流稳压电源方案的确定根据设计的要求，电路分为四个模块，每个模块的选择如下：3.2.1电源变压器要求输入电压VI比输出电压VO高23V，输出的电压为6V和9V，在桥式整流电路以前的电压是15V的1/1.5倍，在13V左右，考虑到实际元器件与理论值的差别，最终选用15V的变压器。3.2.2整流电路整流是稳压电源的一个重要组成部分，它的主要作用是进行波形变换即将交流信号变成直流信号。（1）半波整流半波整流电路如图3-2-1所示。为分析方便起见，可设二极管为理想的。图3-2-1半波整流电路该电路工作原理：设变压器次级电压U2=U2msint=2U2sint，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。U2和UL的波形如图2-2-2所示，显然，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：UL0=U2m/=2≈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（这里可通称为谐波），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RLTrD武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第8页lolrUU（2）式中，UL为谐波电压总有效值，其值应为LrU=2422LLUU=202221LLUU（3）由式（1）、(2）和（3）通过计算可得，比较大。由结果可见，半波整流电路的输出电压纹波较大。UUωtU2oULωtoωtU2oULωto图3-2-2半波整流电路波形半波整流电路中的二极管安全工作条件为：a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即IF＞ID0=UL0/RL=0.45U2/RL（4）b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=2U2（5）oLωto武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第9页（2）．全波桥式整流电路全波桥式整流电路如图(a)所示，图中4个二极管接成电桥的形式，故有桥式整流之称。图(b)所示为该电路的简化画法。图3-2-3全波桥式整流电路图3-2-4全波桥式整流电路简便画法该电路工作原理：参见图3-2-3，设变压器次级电压U2=U2msint=2U2sint，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。U2和UL的波形如下图所示，显然，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：UL0=2U2m/=π22U2≈0.9U2（6）UU图3-2-5全波整流电路波形图其纹波系数为：L0LγUU（7）+-U1+U2-RLD4D1D3D2+-ULU1U2TrRLUOTr+-ωtoωto武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第10页式中，UL为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为：2L0222L42L2γLUUUUU（8）由式（4）、（5）和（6）通过计算可得比较小。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，但仍然较大，故需用滤波电路来滤除纹波电压。全波整流电路中的二极管安全工作条件为：a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有IF＞ID0=0.5UL0/RL=0.45U2/RL（9）b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=2U2（10）为了克服半波整流的缺点，故我们常采用桥氏整流电路。如图3-2-6所示：图3-2-6桥式整流电路3.2.3滤波电路整流部分整流出来的直流含有大量的纹波。方案一：电容滤波电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。BA+ou-lR2u～220V50HZD3D2D1D4武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第11页3-2-7电容滤波电路采用电容滤波电路不仅可以使输出电压变得平滑、纹波显著减小，同时输出电压的平均值也增大了，输出电压平均值U0的大小不仅与滤波电容C及负载电阻RL的大小有关，C的容量一定，RL越大，C的放电时间t就越大，因此放电速度约慢，输出电压越平滑，U0就越大。为了取得良好的滤波效果，一般取RlC（3~5）T/2。方案二：电感滤波电感滤波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电流方向相反，自感电动势阻碍电位增加的同时，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。3.2.8电容滤波电路武汉理工大学《模