多功能集成直流稳压电源的设计2

华北科技学院课程设计1/25多功能集成直流稳压电源的设计报告目录一．设计任务和要求………………………………………………………（2）1.1设计任务……………………………………………………………（2）1.2设计要求……………………………………………………………（2）二．设计的方案的选择与论证……………………………………………（3）2.1系统概述……………………………………………………………（3）2.2总体方案设计选择…………………………………………………（4）三．电路的设计计算与分析………………………………………………（7）3．1单元电路的选择与设计……………………………………………（7）3.2multisim仿真……………………………………………………（15）3.3PCB电路制作………………………………………………………（19）四．总结及心得…………………………………………………………（22）五．附录…………………………………………………………………（23）5.1电路总元器件表……………………………………………………（23）5.2Protel原理图网络列表…………………………………………（24）六．参考文献……………………………………………………………（25）华北科技学院课程设计2/25一、设计任务和要求1.1设计任务(1)同时输出电压为3、5、10V。(2)输出电流为2A。(3)输出纹波电压小于5mV。(4)具有过流保护电路，输出电流大于2A，保护启动。1.2设计要求(1)合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图；(2)选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）；(3)按时提交课程设计报告，完成相应答辩。华北科技学院课程设计3/25二、设计的方案的选择与论证2.1系统概述集成直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，首先变压器输入为220V交流电压,输出为U2交流电压,然后经整流电路整成单项脉动电流,最后经滤波电容滤除纹波,实现输出直流电压。直流稳压电源的方框图如图1所示。图1直流稳压电源的方框图1．各部分电路的作用如下：①电源变压器：变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2。②整流电路：主要将经变压器降压后的交流电变成单向脉冲直流电。③滤波电路：减少整流电压的脉冲程度，是输出电压平滑。④稳压电路：使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。华北科技学院课程设计4/252.2总体方案设计选择I.电路形式选择：我们常见的稳压电路有稳压管稳压电路，串联型稳压电路，开关型稳压电路，它们各自的性能比较如表1所示。电路形式性能稳压管稳压电路串联型稳压电路开关型稳压电路优点电路简单，经济稳定性能好，体积小，电路简单，使用方便功耗小，体积小，效率高，可达70%-95%缺点输出电压不可调，稳定性较差功耗大，效率低仅为30%-40%输出的纹波电压较大，电路复杂适用范围小功率，稳定性要求不高的场合适用范围广输出电压调节范围小，负载对输出纹波电压要求不高的场合分析电路依靠稳压管的电流调节作用和限流电阻的补偿作用，使得输出电压稳定。电路是以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流。电路引入深度电压负反馈，使输出电压稳定。电路的发展依赖于半导体器件和磁性材料的发展。电路可直接从电网电压整流供电，更显突出的优越性。表1三种稳压电路性能比较图经以上三种电路形式比较与分析，可知串联型稳压电路具有稳压管稳压电路的优点，同时又比开关型稳压电路适用范围广，输出纹波电压小，稳定性能好等优点，所以决定选择串联型稳压电路。华北科技学院课程设计5/25II.整流电路选择：我们常见的整流电路有半波整流，桥式整流，全波整流，它们各自的性能如表2所示。整流方式性能半波整流桥式整流全波整流输出电压平均值Uo(AV)0.45U20.9U20.9U2整流管承受的反向电压URMU2U22U2流过整流管的平均电流IF0.45U2/RL0.45U2/RL0.45U2/RL负载上的平均电流Io0.45U2/RL0.9U2/RL0.9U2/RL特点电路简单，输出电压的脉动性大负载能力较强，需用四只整流管负载能力好，变压器有中心抽头分析半波整流电路具有结构简单的优点，但它输出电压的脉动性大，直流成分比较低，而且这种电路交流电压只有半个周期可以利用，输出功率小，只适用于高电压小电流的场合。桥式整流电路输出电压脉动小，正负半周均有电流流过，电源利用率高，输出的直流电压比较高，所以桥式整流电路中变压器的效率较高，在同等功率容量条件下，体积可以小一些，其总体性能优于半波整流电路和全波整流电路全波整流比半波整流的效率高，它输出电压的脉动性小，但全波整流电路要求电源变压器有两个二次侧绕组，这样既增大了体积又增加了重量；另外，二极管所承受的最大反向峰值电压是半波整流的二倍表2三种整流电路性能比较图华北科技学院课程设计6/25经过对三个电路比较与分析，可以看出，桥式整流电路不仅保留了半波整流电路和全波整流电路的全部优点，而且克服了它们的缺点，所以决定选择桥式整流电路。III.滤波电路选择:我们常见的滤波电路有电容滤波电路，电感滤波电路，复合式滤波电路，它们各自的性能如表3所示。类型性能电容滤波电感滤波复合式滤波输出电压平均值Uo(AV)1.2U20.9U21.2U2二极管导通角小大小分析电容滤波电路简单易行，输出电压平均值高，适用于小电流负载场合，电容容量大，滤波效果好电感滤波适用于大电流负载的场合，实际使用时常常与电容组成复合式滤波电路1）RC滤波电路滤波效果比单用滤波电容要好，适用于小电流负载场合，2）LC滤波电路滤波效果最好，适用于大电流负载场合表3三种滤波电路性能比较图经以上三种滤波电路比较与分析，可知，电容滤波电路简单易行，适用于小电流场合，且滤波效果也好，所以决定选择电容滤波电路。华北科技学院课程设计7/25三、电路设计计算与分析3．1单元电路的选择与设计1、电源变压器的选择与设计①：变压器的工作原理：变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。②：变压器的参数：根据电源设计要求，输出电压最大值为10V，为保证调整管处于放大状态（Vce23V）及电网电压波动（设10%），确定整流滤波后电压为，取15V。变压器二次侧电压有效值为电流有效值取（1.5-2）Iomax，取1.5倍，则变压器功率变压器砸数比为考虑变压器效率，为留余地，本次设计采用参数为NLT_PQ_4_10的变压器，输入为220V，50Hz的交流电。华北科技学院课程设计8/252.整流电路的设计①.整流电路的工作原理：整流电路由四个二极管组成，即加正向电压导通，且正向电阻为零，外加反向电压截止，且反向电流为零。整流电路如图2所示。图2整流电路它由四个二极管构成电桥形式，两两构成一组，分别在正弦交流点正负半轴时刻导通。工作原理如图3所示。图3整流电路和半波全波整流波形②.元器件的选择及参数的确定华北科技学院课程设计9/25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。桥式整流电路的输出电压平均值为输出电流平均值为在单相桥式整流电路中，因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即二极管承受的最大反向电压考虑到电网电压的波动范围为10%，在实际选用二极管时，应至少有10%余量，选择最大整流电流IF和最高反向工作电压URM分别为我们可以选择额定电流为1A，反向耐压为1000V的二极管组1B4B42。3、滤波电路的选择与设计①.滤波电路的原理图如图4所示。图4滤波电路原理图华北科技学院课程设计10/25当U2处于正半周并且数值上U2Uc时，VD1、VD3导通，电路一路流经RL，另一路对C充电。理想情况下，Uc(Uo)=U2,如曲线ab段。当U2上升到峰值后开始下降，C通过RL放电，Uc↓,但Uc=U2,如曲线bc段。当U2下降到一定数值后，Uc下降速度小于u2的下降速度，使U2Uc,从而使VD1，VD3反偏截止。此后，C继续通过RL放电，按指数规律下降，如曲线cd段。当U2的负半周且U2Uc时，VD2，VD4正偏导通，U2再次对C充电，Uc上升到U2的峰值后又下降；下降到一定数值时VD2、VD4截止，C对RL放电，U2按指数规律下降；放电到一定数值时VD1、VD3导通，重复上述过程。可见，滤波后的输出电压变得平滑，且平均值提高了。滤波后的波形图如图5所示。图5(b)理想情况下的波形(c)考虑整流电路内阻时的波形②元器件的选择及参数的确定放电时间越慢，输出电压越平滑，其平均值UO越大。为了获得良好的滤波效果，一般取,式中T为交流电源的周期,T=0.02s。则电容容量电容的耐压值为减小纹波电压，故本次实验取C1=10000F，U=25V的电解电容。华北科技学院课程设计11/254.调整管的选择在串联型稳压电路中，调整管是核心元件，它的安全工作是电路正常工作的保证。调整管常为大功率管，因而选用原则与功率放大电路中的功率管相同，主要考虑其极限参数ICM，U(BR)CEO和PCM。调整管极限参数的确定，必须考虑到输入电压由于电网电压波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。最大集电极电流最大管压降最大耗散功率实际中，不但要考虑一定的余量，还应按手册规定采取散热措施。本次实验应选大功率放大管TIS92。5.稳压电路的选择与设计由于整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动,随着负载电阻的变化而变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。稳压电路采用一个具有放大环节的基本串联型稳压电路加一个截流型过流保护电路，如图6所示。华北科技学院课程设计12/25图6稳压电路①.稳压电路的工作原理：当由于某种原因（如电网电压波动或负载电阻的变化等）使输出电压升高（降低）时，采样电阻将这一变化趋势送到A的方向输入端，并与同相输入端电位Uz进行比较放大；A的输出电压，即调整管的的基极电位降低（升高）；因为电路采用射极输出形式，所以输出电压Uo必然降低（升高），从而使Uo得到稳定。可简述如下：UO↑→UN↑→UB↓→UO↓或UO↓→UN↓→UB↑→UO可见，电路是靠引入深度电压负反馈来稳定输出电压的。输出电压调节范围为华北科技学院课程设计13/25②.元器件的选择与参数的确定图7部分电路图过流保护电路由Q2与R2组成。由于限流为2A。因为输出电流超出2A，保护启动，因此在电路中R2应取略小于实际计算值，所以R2取0.34Ω。稳压管选择了1N4735A其UZ=6.2V(稳压管在6V左右，受零漂影响很小)，所以输出电压然后经过R5，R6，R7分压后，可得到三个输出端（A端输出3V；B端输出5V；C端输出10V）。其中：华北科技学院课程设计14/25为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，需要对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个1uf的电解电容，这样电源不容易受到负载的干扰得电源的性质更好，电压更稳定。6.本次设计实验总电路图如图8所示。图8设计实验总电路图华北科技学院课程设计15/253.2multisim仿真1、输入波形仿真图：将示波器的A端接在V1与T1的连线上，进行仿真：调节刻度及Y的置观察到的波形如图9所示。图9输入波形图2、整流波形仿真图：将示波器的A端接在电桥D1之后，断开与滤波电路的连接，一定要记得断开再仿真，调节刻度观察到的波形如图10所示。华北科技学院课程设计16/25图10整流波形图3、如图11仿真为输出3V的电压输出端波形，结果如下：将万用表的正极端接电路的A端，将负极端接地，然后将示波器的A端接入电路图的A端或者A端与万用表的连线，将示波器的接地端一定要接入电路图的地端或者地端与万用表的连线。图113V电压输出波形图华北科技学院课程设计17/254、如图12仿真为输出为5V电压的输出端波形，结果