直流稳压电源的设计

1`直流稳压电源的设计摘要：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。经滤波器后，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，并实现电压可在一定范围内调节。本次课程设计使用了变压器、二极管、三极管、电容、电阻、电位器等元件。关键字：直流，稳压，变压一、设计目的1、学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。2、学会直流稳压电源的实际方法和性能指标测试方法。3、培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。二、设计任务及要求4、设计并制作黑白TV电源5、输出电压：直流12V6、输出电流：1.5A7、设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出原理电路图。28、自拟实验方法、步骤，提出测试所需仪器。9、进实验室进行组装、调试，并测试器主要性能参数。三、设计方案稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，构成线性串联稳压电路。如下图（1）所示。（a）稳压电源的组成框(b)整流与稳压过程（1）稳压电源的组成框图及整流与稳压过程四、根据以上方案设计电路图(图2)3通过变压器实现降压，D1~D4组成的单相桥式整流电路将交变电流变为直流，再通过C1进行滤波。I部分电路分析⑴电源变压器电网提供的交流电一般为220V（或380V），而各种电子设备所需要直流电压的幅值却各不相同。因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的二次电压再去整流，滤波，和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。⑵单相桥式整流电路如下图3。整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替4的正选交流电压整流为单方向的脉动电压。但是，这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差的很远。在小功率直流电源中，经常采用单向半波，单向全波和单向桥式整流电路。①在e2的正半周期，二极管D1、D3导电，D2、D4截止，电流iD1、iD2通过RL,在负载上得到的输出电压极性为上正下负。在e2的负半周，D2、D4导电，D1、D3截止，iD3、ID4流过RL是产生的电压极性也是上正下负，因此在负载上的得到一个单方向的脉动电压。桥式电路的有关波形图见图4。②每个整流管的最大反响峰值电压URM是指整流管不导电时，在它两端出现的最大反向电压。选管时应选耐压比这个数值高的管子，以免被击穿。整流二极管承受的最大反向电压就是变压器二次电压的最大值，即URM=2e2。③二极管正向平均工作电流ID(AV)在桥式整流电路中，二级管VD1、VD2和VD3、VD4轮流导电，由图（3）的波形图可以看出，每个整流二级管的平均电流等于输出电流平均值的一半，即ID(AV)=1/2IO(AV)当负载电流平均值已知时，可以根据IO(AV)来选定整流二极管的ID(AV)。④整流电路的输出直流电压UO(AV)是输出电压瞬时值在一个周期内5的平均值，由图4可见，在桥式整流电路中，UO(AV)=012222sin()20.92ewtdwtee上式说明，在桥式整流电路中，负载上得到的直流电压约为变压器二次电压的有效值得90%。在同样的变压器二次电压之下，桥式整流电路输出电压的波形所包围6的面积是半波整流电路的两倍，因此其平均值也是半波整流电路的两倍。⑶单相桥式整流电容滤波电路图5（a）电容滤波电路（b）波形图①电路组成和工作原理将一个大电容C和负载电阻RL并联，即可组成电容滤波电路，7如图5（a）所示。由于电容有维持其两端电压不变的特性，因此，将电容与负载并联，将使负载两端的电压波形比较平滑。如果不接电容，u2的正半周时二极管VD1，VD3导电，负半周时VD2、VD4导电，输出电压的波形如图5（b）中虚线所示。并联电容以后，由图5（a）可见，在u2的正半周，当VD1、VD3导通时，除了有一个电流io流向负载外，同时还有一个电流ic向电容充电，电容电压uc的极性为上正下负。如果忽略二极管的内阻，则在二级管导通时，uc=uo=u2。当u2达到最大值后开始下降，此时电容上的电压也将由于放电而逐渐下降。当u2=uc时，二极管VD1、VD3被反向偏置，因而不导电，于是uc以一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个半周，当|u2|uc时，二极管VD2、VD4导通，输出电压uo的波形如图（b）中实线所示。由图5（b）可以看出，加了电容滤波以后，输出电压的直流成分提高了。不接电容时，桥式整流电路的输出电压uo为半个正弦波的形状，如的波形如图5（b）中的虚线所示。在RL上并联电路以后，输出电压的波形如图5（b）中的实线所示，显然uo的波形包围的面积比原来虚线部分包围的面积增大了，因此，输出电压的平均值提高了。由图5（b）还可以看出，加上滤波电容以后，输出电压中的脉动成分降低了。这是由于电容的储能作用所导致。当二极管导电时，电容被充电，将能量储存起来，然后再逐渐放电，把能量传送给负载，因此输出波形比较平滑。由图5（b）明显看出，uo的波形与虚线部8分的输出波形相比，脉动成分减少了。②波形电容的选择和输出直流电压的估算。根据以上分析可知，在电容滤波电路中，电容放电的时间常数τ=RLC愈大，放电过程愈慢，则输出直流电压愈高，同时脉动成分也愈小，即滤波效果愈好。当RLC为无穷大时，输出直流电压UO(AV)=U22，脉动系数S=0.所以应选择大容量的电容作为滤波电容。在实际工作中，为了得到比较好的滤波效果，常常根据下式来选择滤波电容的容量（在桥式整流情况下）：RLC≥(3~5)T/2（1）式中T为电网交流电压的周期。由于电容值比较大，一般为几十到几千微法，通常可选用电解电容器。电容器的电压应大于2U2.连线时注意电容的极性不要反接。当滤波电容的溶质满足式（1）时，可以认为输出直流电压近似为UO(AV)=1.2U2此时脉动系数约为20%~10%左右。③电容滤波电路的特点电容滤波电路的结构简单，因而常常被采用。电容滤波电路具有以下几个主要特点：（1）电容滤波电路适用于小电流负载。已经知道RLC的乘积越大，则滤波效果越好。为此，不仅要选择大容量的滤波电容，而且要求RL也尽量大，因此电容滤波滤波适用于负载电阻比较打大，即负载9.电流比较小的场合(2)电容滤波电路的外特性比较软。滤波电路的输出电压UO（AV）与输出电流IO（AV）之间的关系曲线称为外特性。如果不考虑电流在二极管和变压器等效内阻上的降落，UO（AV）的变化范围在2U2至0.9U2之间。若考虑整流电路的内阻，则Uo（AV）值将更低。随着IO（AV）的增加，Vo（AV）下降更快，及外特性比较软，所以电容滤波适用于负载电流变化不大的场合。(3)采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。，接入电容后，整流二极管的导电角θ＜180o,而且，RLC的乘积愈大，则导电角愈小。由于加了电容滤波后，输出电流的平均值比原来提高了，二导电角却减小了，因此，整流管在短暂的导电时间内将流过一个很大的冲击电流，对管子的寿命带来不利的影响，所以必须选用较大容量的整流二极管。10（4）硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路的原理图如图所示,整流滤波后得到的直流电压作为稳压电路的输入电压,稳压管与负载电阻并联.为了保证工作在反向击穿区,稳压管作为一个二极管,要处于反向接法(极性如图所示).限流电阻R也是稳压电路中必不可少的组成原件。当电网电压波动或负载电流变化时，通过调节R上的压降来保持输出电压的基本不变。电路的稳压原理（1）首先介绍稳压管的一些性质。稳压管也是一种二极管，但是11通常工作在反向击穿区。稳压管的主要参数有以下几项：1.稳定电压UZUZ是稳压管工作在反向击穿区是的工作电压。稳定电压UZ是挑选稳压管的主要依据之一。由于稳压电路随着工作电流的不同而略有辩护而，所以测试UZ时应使稳压管的电流为规定值。不同型号的稳压管，其稳定电压的值不同。对于同一型号的稳压管，由于制造工艺的分散性，各个不同的管子的UZ值也有些差别。例如稳压管2DW7C，其UZ=6.1~6.5V，表示型号同为2DW7C的不同的稳压管，其稳定电压有的可能为6.1V等，但并不意味着同一个管子得稳定电压会有如此之大的变化范围。2.稳定电流IZIZ是使稳压管正常工作时的参考电流。若工作电流低于IZ，则管子的稳压性能变差；如工作电流高于IZ，只要不超过额定功率，稳压管可以正常工作。而且一般来说，工作电流较大时稳压性能较好。使用稳压管组成稳压电路时，需要注意几个问题。首先，应使外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，以保证稳压管在反向击穿区，如图所示。其次,稳压管应与负载电阻并联,由于稳12压管两端的电压变化量很小,因而使输出电压比较稳定.第三,必须限制流过稳压管的电流,使其不超过规定值，以免因过热而烧毁管子。但IZ的值也不能太小，若小于临界值IZmin，则稳压管将失去稳压作用。因此稳压管电路中必须接入一个限流电阻R，它的作用就是调节稳压管的电流IZ大小。(2)假设稳压电路的输入电压保持不变，当负载电阻减小，负载电流增大时，由于电流在电阻R上的压降升高，输出电压将下降。而稳压管并联在输出端，由图中稳压管两端的电压有一个很小的下降时，稳压管的电流将减小很多。此时IR也有减小的趋势。实际上利用IZ的减小来补偿流过负载的电流的增大，使IR基本保持不变，从而使输出电压也保持基本稳定。（3）假设负载电阻保持不变，由于电网电压升高而使电容两端电压升高时，自输出电压也将随之上升。但是，由于稳压管的伏安特性课件，此时稳压管的电流将急剧增加，于是电阻R上的压降增大，以此抵消电容两端电压的升高，从而使输出电压基本保持稳定。稳压电路中限流电阻的选择在硅稳压管稳压电路中，如限流电阻R的阻值太大，则流过R的电流IR很小，当IL增大时，稳压管的电流可能减小到临界值以下，失去稳压作用；如R的阻值太小，则IR很大，当RL很大或开路时，IR都流向稳压管，可以超过其允许定额而造成损坏。13设稳压管允许的最小工作电流为IZmin，最大工作电流为IZmax。电网电压最高时的整流输出电压为VaxIm，最低时为VinIm；负载电流的最小值为ILmin，最大值为ILmax；则要是稳压管能正常工作，必须满足下列关系：（1）当电网电压最高和负载电流最小时，IZ的值最大，此时IZ不应超过允许的最大值，即IIVVZLZaxRmaxminIm或IIVVLZZaxRminmaxImVZ为稳压管的标称稳压值。（2）当电网电压最低和负载电流最大时，IZ的值最小，此时IZ不应超过允许的最小值，即IIVVZLZinRminmaxIm或IIVVLZZinRmaxminImII电路组成电路包括四部分：采样电阻，放大电路，基准电压，调整管1采样电阻由电阻R1,R2和RW组成，当输出电压发生变化时，采样电阻对变化量进行采样，并传送到放大电路的基极。2放大电路比较放大器T3的作用是将采样电阻送来的变化量进行放14大，然后传送到调整管的基极。3基准电压基准电压由稳压管VDz提供，接在比较放大器的发射极。4调整管在电路中调整管由T1和T2共同构成。调整管T接在输入直流电压VI与输出端得负载电阻RL之间，当输出电压V0发生波动时，调整管的集电极电压产生相应的变化，使输出电压基本保持稳定。III串联型直流稳压电路的稳压原理假设VI增大或IL减小而导致输出电压V0增大，则通过采样以后反馈到比较放大器的基极电压Vb3也按比例地增大,则VC3减小，引起VB2减小，Ve2增大，也就是Vb1增大，所以Ve1减小，也就引起V0减小。最后使V0基本保持不变。以上稳压过程课建明表示如下：ILV0Vb3ib3ic3Vc3Vb2ib2ie1V0由此看出，串联型直流稳压电路稳压的过程，实质上是通过电压负反馈是输出电压基本保持不变。四、参数选择⒈变压器的选