线性稳压电源设计

线性稳压电源设计摘要：直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，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，并稳定输出直流电压。关键词：直流稳压电路；整流；滤波；稳压；直流输出正文：1.系统设计思路：线性稳压电源的主要结构如下图所示：图1线性稳压电源主要结构直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，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，并稳定输出直流电压。2.系统功能及其使用说明：1.变压器变压电路相对简单，仅有一个单相变压器，变压器将市电转化为电路能承担的电压。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）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。变压器的基本原理是电磁感应原理。理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n,因此P1=P2=U1I2=U2I1.2.整流电路整流电路是把经过变压后的交流电通过具有单向导电性能的整流元件（如二极管、晶闸管等），将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。但是，这种电压直流幅值变化很大，包含有很多的脉动交流成分，还不能作为直流电源使用。对于高质量的稳压电源，其整流电路一般都选用桥式整流电路。整流电路常见的有单相桥式整流电路，单相半波整流电路，和单相全波整流电路。本次设计为桥式整流滤波电路，就是四个二极管两两并联后接入输出电压分别把正负电压整流在输出时候获得了正负输出的两次的整流电压。其电路图如下图所示：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，如图（a）所示。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2（a）的电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管D2、D4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向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图2（b）。2.参数计算根据图2（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。输出平均电压为流过负载的平均电流为流过二极管的平均电流为二极管所承受的最大反向电压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指输出电压与负载电流之间的关系该曲线如图3所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。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，在同样功率容量条件下，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。2.滤波电路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。1.电容滤波电路现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图15.06所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。2.滤波原理若V2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压V2给电容器C充电。此时C相当于并联在V2上，所以输出波形同V2，是正弦波。当V2到达t=/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过t=/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过t=/2时二极管仍然导通。在超过t=/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，Ｃ充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当RL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好；反之，当RL很大，即IL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。此外，为了进一步减小负载电压中的纹波，电感后面可再接一个电容而构成倒L型滤波电路或采用π型滤波电路，分别如图5（a）和图5(b)所示。3.电容滤波电路参数的计算电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即)41(2L2OCRTVV另一种是在RLC=（35）2T的条件下，近似认为VO=1.2V2。4.外特性整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图6所示。3.稳压电路稳压电路是利用能够自动调整输出电压变化的电路来使输出的电压不随电网电压、温度或负载的变化而变化，从而达到稳定输出电压的目的。对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性，一是电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。本次设计两种稳压电路：稳压管稳压电路，可调稳压电路。1.稳压管稳压电路稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡~稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。有稳压二极管ZD和限流电阻R所组成的稳压电路是一种最简单的稳压电路。其具体图如下：稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调，不能满足很多场合下的应用。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度负反馈是输出电压稳定；并且通过改变反馈网络参数是输出电压可调。+-RZDR1UT+-oU图7基本调整管稳压电路在上图稳压管稳压电路中，负载电流变化范围等于稳压管的最大稳定电流和最小稳压电流之差（maxZI—minZI）。将稳压管电路输出电流作为晶体管的基极电流，而晶体管发射极电流作为负载电流，电路采用射极输出形式。电路引入的是电压负反馈，能够稳定输出电压。但它们与一般共集放大电路有着明显区别：在工作电源IU不稳定，“输出电压”为稳定电压ZU，并且要求输出电压OU在IU变化或负载电阻LR变化时基本不变。当电网电压波动引起IU增大，负载电阻LR增大时，输出电压OU将随之增大，极晶体管发射极电位EU升高；稳压管端电压基本不变，即晶体管基基点位BU基本不变；故晶体管的BEU（=BU-EU）减小，导致BI（EI）减少，从而使OU减小；因此可以保持OU基本不变。当IU减小或负载电阻LR减小时，变化与上述过程相反。可见，晶体管的调节作用使OU稳定，所以晶体管为为调整管。根据稳压管稳压电路输出电流的分析已知，晶体管基极的最大电流为（maxZI—minZI），因此，最大负载电流为：maxLI))(1(minmaxZZII这也就大大提高了负载电流的调节范围。输出电压为OU=ZU-BEU从上述稳压过程可知，想要是调整管起到调整作用，必须使工作在放大状态，因此其管压降应大于饱和管压降CESU；电路应满足IU=OU+CESU的条件。由于调整管与负载相串联，故称这类电路为串联型稳压电源；由于调整管工作在线性区，故称这类电路为线性稳压电源。2.可调稳压电路实用设计电路往往要求输出电压可调，增加稳定性，所以在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。构成具有放大环节的串联型稳压电路，其电路图如下：图8具有放大环节的串联型稳压电路输出电压可调范围：在理想运放条件下，ZPNUUU。所以，当电位器3R滑动到最上端时，输出电压最小，为ZOURRRRRU43431min当电位器3R的滑动端在最下端是，输出电压最大，为ZOURRRRU4431max若300321RRR，VUZ6，则输出电压9VOU18V.调整管的选择：调整管的最大集电极电流maxmaxLCII调整管承受的最大管压降minImmaxOaxCEUUU调整管的最大功率损耗maxmaxmaxCCCUIP在选择T管时，应保证其最大集电极电流、集电极和发射极之间的反向击穿电压和集电极最大耗散功率满足)(minImmaxminIm)(maxOaxLCMOaxCEOBRLCMUUIPUUUII3.两种设计方法的比较稳压管型直流稳压电源电路设计比较简单，稳压管中不需要在额外加入输入信号，其效率比较高，但输出的直流电压在起始段有一段时间的延迟，而且直流电压幅值的调节很不方便。而可调稳压电路在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节，构成具有放大环节的串联型稳压电路，使输出电压可调，增加了稳定性。3.总电路设计图9总电路图4.仿真与调试1.整流电路图10整流电路仿真图11整流电路仿真波形图2.滤波电路图12滤波电路仿真图图13波形图3.稳压电路图14稳压电路图15波形图参考文献[1]康华光．电子技术基础（模拟部分）［M］．北京：高等教育出版社，2002．[2]高吉祥.电子技术基础实验和课程设计。电子工业出版社。2002.[3]张庆双.电子原器件的选用和检测。机械工业出版社。2003.[4]杨拴科.模拟电子技术基础。高等教育出版社.2003[5]孙肖子张企民。模拟电子技术简明教程。西安电子科技大学出版社。2001.