多功能直流稳压电源设计

1多功能集成直流稳压电源的设计目录1.设计的目的与要求……………………………………………………22.设计的原理及各部分电路的选择……………………………………33.设计的原理图及其参数选择…………………………………………154.稳压电源的性能指标及其测试方法…………………………………165.参考资料………………………………………………………………192一、目的与要求1．实验目的通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：(1)进一步加深理解整流电路的工作原理及滤波电路的作用。(2)掌握直流稳压电路的设计方法，合理选择整流二极管、滤波电容及集成稳压器。(3)掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。2．设计任务设计一波形直流稳压电源，具体要求如下：(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)稳压系数小于0.005.(5)输出内阻小于0.1欧。(6)具有过流保护电路，输出电流大于2A时，保护启动。3．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。3二、实验原理稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，即变压器，整流滤波电路和稳压电路。如下图所示。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。稳压电源电路的基本方框图1、各部分电路的作用（1）交流电压变换部分。一般的电子设备所需的直流电压较之交流电网提供的220V电压相差较大，为了得到输出电压的额定范围，就需要将电网电压转换到合适的数值。所以，电压变换部分的主要任务是将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。（2）整流部分。整流电路的作用，是将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压。由于这种电压存在着很大的脉动成份，即纹波，因此一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波的变化会严重影响负载电路的性能指标。（3）滤波部分。滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流电进行平滑化，使之成为含交变成份很小的直流电压。也就是说，滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。（4）稳压部分。尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动，负载波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。2、各电路的选择u1变压器u2整电流路u3滤电波路u4稳电压路Uo41.电源变压器电源变压器T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Ui。理想变压器满足U2/U1=N2/N1，变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。2．整流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下图所示。为分析方便起见，可设二极管为理想的。RLTrD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/=π2U2≈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，这些谐波5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L0LγUU（2）式中，UL为谐波电压总有效值，其值应为2L0222L22L1γL21UUUUU（（3）由式（1）、(2）和（3）通过计算可得，≈1.21。由结果可见，半波整流电路的输出电压纹波较大。ωtU2oULωto半波整流电路的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＞UL0/RL=0.45U2/RLb）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=2U22．全波桥式整流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，图(b)所示为该电路的简化画法。6+-U1+U2-RLD4D1D3D2+-ULU1U2TrRLUOTr+-图（a）全波桥式整流电路图(b)全波桥式整流电路简化画法该电路工作原理：参见图(a)，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ωtU2oULωto全波整流电路的波形UL0=2U2m/=π22U2≈0.9U2（4）其纹波系数为L0LγUU（5）式中，UL为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为72L0222L42L2γLUUUUU（6）由式（4）、（5）和（6）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，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/RLb）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（3）二倍压整流倍压整流电路是利用二极管的单向导电性引导电源分别对每一个电容充电，然后将电容上的电压顺极性串联相加来获得高电压的。下面以二倍压整流电路来说明其工作原理。在变压器副边电压的正半周，D1导通，D2截止，电流通过路为a-C1-D1-b，C1被充电至u2的峰值。在变压器副边电压的负半周时，D2导通，D1截止，电流通过路是b-C2-D2-C1-a，u2与C1上的电压串联起来对C2充电，C2上得到最大电压为2。正半周负半周正半周负半周电路选择：a)由于半波整流电路的平均输出电压为桥式全波整流的一半，效率较低，且输出电压波动较大。2U22U28b)桥式全波整流电路的输出电压脉动程度比半波整流电路小得多，输出电压和电流的平均值也比半波整流电路提高了一倍，且对二极管的要求和半波整流时一样。虽然二极管数目的增多加大了整流电路内阻的损耗，但由于次内阻很小，消耗也不大。c)二倍压电路可以从低电压的交流电源获得很高的直流输出电压，而对变压器次级绕组绝缘层、电容和二极管的耐压要求都不高。但在接上负载后，电容将对负载放电，输出电压将会降低。若负载电阻小，则电容放电快，输出电压下降较多，电容放电产生的电压脉动也较大。所以倍压整流电路只适用于高电压、小电流的场合。此设计输出的不是高电压。综上所述选择桥式全波整流电路较合理。3．滤波电路尽管全波整流的纹波系数较之半波整流有很大改善，但还不能直接给负载供电，需采用滤波电路进一步减小纹波。滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。滤波电路种类很多，下面介绍几种常用的滤波电路。（1）电容滤波电容滤波电路如下图所示，由于工频交流电频率较低（50HZ），图中电容C一般取值较大。9+-+-U1U2CRLTr+-UL电容滤波电路该电路工作原理：设U2=U2msint=2U2sint，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2U2sint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2U2sint的规律下降，当U2＜UC时，二极管均截止，故C又经RL放电。同理，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，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（7）式中，T为交流电源电压的周期。b）RL越小输出电压越小。若C值一定，当RL∞，即空载时有UL0=2U2≈1.4U210当C=0，即无电容时有UL0≈0.9U2当整流电路的内阻不太大和电阻RL电容C取值满足式（7）时，有UL0≈(1.1～1.2)U2（8）电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合（2）电感滤波电感滤波电路如下图所示，由于工频交流电频率较低（50HZ），图中电感L一般取值较大，约几亨利以上。+-U1RLTrL+-UL+-U2电感滤波电路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。电路选择：电感滤波，在电感线圈不变时，负载越小，输出电压的交流分量越小，脉动越小，但仅在负载远远小于L时才能获得较好的滤波效果，若忽略电感阻抗，则输出电压为0.9U2。电容滤波，电路简单，输出电压较高，约为1.2U2，，脉动较小。11此电路的负载较大，为100，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。在输出电压的脉动、交流分量相近的情况下，此实验选择电容滤波较合理。4．稳压滤波后的输出电压即使纹波很小，也仍然存在稳定性的问题。这是因为当负载RL变化或电网电压波动时，输出电压的整体也要随之改变，因此，绝大多数直流电源都必须采用稳压电路进行稳压。（1）简单稳压管稳压电路如下图所示。电路中，R为限流电阻，v为稳压二极管。稳压管稳压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。当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压管中的电流也将随之同步变化，结果输出电压基本不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压管中的电流却随之作反向变化，结果仍是输出电压基本不变。下面讨论R的取值范围。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u1u2RLUo～IRC＋UiVIZILUZR12大电流为Izmax，即要求Izmin＜Iz＜Izmax。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zmaxzmaxIIUUR；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minLzzminzminI/RUIUUR。即minLzzminzminIzmaxzmaxI/RUIUURIUU（9）一般来说，在稳压二极管安全工作的条件下，R应