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直流稳定电源
《专业综合课程设计》任务书
学生姓名：
胡欣专业班级：
通信0905
指导教师：
王晟工作单位：
信息工程学院
题目:
直流稳定电源
初始条件：
OP07CP
要求完成的主要任务:
1.电路的理论设计
2.电路的安装、调试
3.设计报告的撰写
时间安排：
序号
阶段内容
时间
1
安排设计任务
第17周
2
完成重点测试项目
第18周
3
进行一般测试项目；答辩
第19周
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任老师）签名：
年月日
目录
摘要……………………………………………………………………………………4
Abstract………………………………………………………………………………5
1.绪论………………………………………………………………………………6
1.1.设计任务及要求…………………………………………………………………………6
2.设计方案及硬件电路设计………………………………………………………8
2.1.直流稳压电源8
2.1.1.电路方案选择8
2.1.2.元件参数选择10
2.2.直流稳流电源11
2.2.1.电路方案选择11
2.3.DC—DC变换电路14
2.3.1.电路方案分析14
2.3.2.电路原理分析14
3．仿真及分析……………………………………………………………………16
3.1.直流稳压电源仿真分析16
3.2.直流稳流电源仿真分析18
3.3.DC—DC变换仿真分析19
4.实验测试数据分析………………………………………………………………20
5.实物制作…………………………………………………………………………21
6.参考文献…………………………………………………………………………22
附录：
………………………………………………………………………………23
摘要：
随着科技的发展，电气、电子设备已经广泛的应用于日常、科研、学习等各个方面。
电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，需求日益增加，而且对电源的功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。
对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，在推动科技发展中起着重要作用。
本设计分别用串联型线性稳压电路，串联调整式稳流电路和反馈式逆变电路设计直流稳压电源，直流稳流电源和DC-DC变换器。
通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求中的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压等各项指标。
关键词：
电源；串联型线性稳压；串联调整式稳流；反馈式逆变电路
Abstract:
Alongwithtechnicaldevelopment,theelectricityandelectronicinstrumentshavealreadybeenwidespreadappliedindaily,scientificresearch,studyandsooneachaspect.Sincethepowersupplytakestheessentialenergy-supplypartofelectricalandelectronicinstruments,itsdemandincreasesdaybyday,andalsobeensetahigherrequesttofunction,stabilityandsooneachtarget.Thepowersupplyresearchhasalreadybecometheimportantlinktothedevelopmentofthenewtechnologyandthenewequipment.It’splayingthevitalroleintheimpetusofscienceandtechnologydevelopment.Thisdesignseparatelyusesserieslinearconstantvoltagecircuit,seriesregulateconstantcurrentcircuitandthefeedbacktypecontravariantcircuittodesigndirectcurrentconstantvoltagepowersupply,directcurrentconstantcurrentpowersupplyandDC-DCconverter.Wemustcalculatevariouseachcomponentparameterinthecircuitsbycorrelatedknowledgeandenablethecircuitperformancetomeetinthedesignrequirementssuchasthevoltageregulationrate,thecurrentregulationrate,loadregulationrate,ripplevoltageandsoon.
KeyWords:
PowerSupply;SeriesLinearConstantVoltage;SeriesRegulateConstantCurrent;FeedbackTypeContravariantCircuit.
1.绪论
1.1设计任务及要求
1．基本要求
（1）稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下：
a．输出电压可调范围为+9V～+12V
b．最大输出电流为1.5A
c．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）
d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）
e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）
f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）
g．具有过流及短路保护功能
（2）稳流电源在输入电压固定为＋12V的条件下：
a．输出电流：
4～20mA可调
b．负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）
（3）DC-DC变换器在输入电压为+9V～+12V条件下：
a．输出电压为+100V，输出电流为10mA
b．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）
c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）
d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV（输入电压+9V下，满载）
2．发挥部分
（1）扩充功能
a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态
b．过热保护
c．防止开、关机时产生的“过冲”
（2）提高稳压电源的技术指标
a．提高电压调整率和负载调整率
b．扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值
（3）改善DC-DC变换器
a．提高效率（在100V、100mA下）
b．提高输出电压
（4）用数字显示输出电压和输出电流
2.设计方案及硬件电路设计
2.1直流稳压电源
2.1.1电路方案选择
方案一：
采用由运放构成的线性调压电路。
此电路原理是信号经整流滤波后直接进入线性稳压电路，由运放构成深度度负反馈电路，通过调节负反馈电阻的大小来调节输出电压。
选择合适的电阻和可变电阻，即可实现+9~+12V输出。
电路原理图如下图所示：
一个可调式的串联反馈型的直流稳压电源如图所示，它由变压器，整流滤波电路，串联型反馈式稳压电路构成。
其中串联型反馈式稳压电路的组成部分有调整管，比较放大器，基准电压和取样电路。
由于引入了电压串联负反馈，该稳压电路可以实现输出电压的稳定输出；由于其电压取样比可调节（反馈系数可调节），还实现输出电压的调节，即一个可调压的直流稳压电源。
电路的稳压过程：
当输入电压Vi增加，或负载电阻RL增大时，都使得Vo增加，于是Vf减小，Vo1减小，管压降Vce增加，使VO基本保持不变。
当输入电压Vi减小，或负载电阻RL减小时，使得Vo减小，于是Vf减小，VO1增加，管压降Vce减小，使Vo基本保持不变。
限流式保护电路，当发生短路或过流时，调整管的电流超过额定值，限流式保护电路通过电路中的取样电阻的反馈作用，起到使调整管基极电流分流的作用，从而达到限制输出电流的目的。
如图所示。
方案二：
采用开关电源电路，直接将220V电压经整流后送入单级开关电源电路，通过调节开关管的占空比来调节输出电压的大小。
电路图如下所示：
图2—2振铃式开关电源
电路包括整流滤波电路、开关变压器、开关管、次级整流电路、取样放大电路、控制电路等，其特征在于将普通开关电源的开关变压器的初级线圈分成两个绕组Ｌ↓〔１〕和Ｌ↓〔２〕，每个绕组串接一只二极管，然后再把这两部分串接起来，接点为Ａ，剩下的两个端点，一端与电源相接，另一端通过开关管与地相接此外在接点Ａ与电源之间跨接一只电容Ｃ↓〔１〕，在接点Ａ与地之间再跨接另一只电容Ｃ↓〔２〕，其最佳值是使Ｃ↓〔１〕、Ｃ↓〔２〕的大小与对应绕组Ｌ↓〔１〕、Ｌ↓〔２〕的匝数Ｎ↓〔１〕、Ｎ↓〔２〕成反比，即Ｃ↓〔１〕∶Ｃ↓〔２〕＝Ｎ↓〔２〕∶Ｎ↓〔１〕。
在VT2的基极支路上增加RA和RB。
由于C3上的电压是与输入电压成正比的正极性电压，一旦输人电压Ui升高，电阻RA流过的电流就增加，加速VT2导通，起到限流的作用。
因此，输出电压Uo和C2的电压Uc2就会降低，故流过RB的负电流减少，VT2基极电压升高，VT2深度饱和导通，于是起到减小输出电流的作用
方案三：
使用三端稳压器LM317作基准电压源构成稳压电路。
经变压器降压后送入稳压电路。
其稳压电路如图所示：
图2—3三端稳压器式稳压电路
其稳压性能良好。
5、6之间有非常精准的电压差。
其输出电压为V=（R1+R3+R4）/R1*1.25V。
比较三个方案，决定选用方案一。
因为其稳压性能较好，适合小电流，调节范围宽广。
2.1.2元件参数选择
该反馈放大器属于电压串联负反馈，调整管的电路组态属于射极跟随器；如果运算放大器为理想的条件下，输出电压计算如下：
Vo1=Av（VREF–FVO）≈VO
VO=VREF
由于理想运算放大器其开环增益无穷大，故反馈深度
>>1，有
Vo=VREF
F=
=
Vo=VREF
=VZ
从上式可以看出，在基准电压VZ确定后，改变可调电位器R2滑动触点的位置，就能改变输出电压Vo的大小。
显然，当R2的滑动头移至下端时，
=0,还可看出，Vo最大，即：
Vomax=
Vz
同理，R2的滑动头移至上端时，Vo最小，及：
Vomin=
Vz
所以
VzVz
为了提高电源的稳压效果，首先是提高放大电路的增益；其次，应提高取样系数n，减小信号电压的损失；第三，基准电压要稳定，否则也会造成Vo的不稳定，而且基准电压的不稳定是不能由稳压电路的调整过程进行补偿的。
调整管的调整作用是依靠输出电压和给定电压之间的偏差来实现的，必须有偏差才能调整。
如果绝对不变，调整管的电路参数也绝对不变，那么电路也就不能起着调整作用了，所以不可能达到绝对稳定，只能基本稳定。
因此串联负反馈型稳压电路是一个闭环有差的调整系统。
稳压系数Sr为：
Sr=
=
可以看出，稳压系数Sr的大小主要决定于取样比n和比较放大器的电压增益Av，n和Av越大，Sr值越小，电源的稳定程度越高。
根据理论公式得：
（1）稳压电路：
R=1K欧；R1=510欧；Rw=1K欧；R3=1.5K欧；C=2200uF/50V；
（2）稳流电路：
R1=R2=R3=R4=10K欧；R5=R6=100欧；R7=5.1K欧；Rw=1K欧。
2.2直流稳流电源
2.2.1电路方案选择
方案一如图是一个由双运放构成的恒流电路。
A1为深反馈同相放大器；A2接成电压跟随器组态．它把输出电压反馈回输入端。
依放大器特性：
Up＝UrR4／（R3十R4）十UoR4（R3十R4）
Un＝Uo’R1／（R1+R2）
Up＝Un
图2—5线性稳流电路
在设计中，取R1=R2=R3=R4。
由以上三式可得Uo’-Uo=Ur；即电路R5上的压降等于控制电压Ur。
忽略集成运故的输入偏置电流，则输出电流为
Io＝Ur／R5
这种方案利用运放构成一深反馈电路，有效地抑制了外界十扰，使得恒流电源工作稳定性
增强．理论上可以达到0.001—0.0001之间的稳定度．完全满足设计要求。
方案二：
基本思想是利用7805集成基推电压源，其3端与1端之间固定压降为5v，流经电阻后产生恒稳的电流。
（1）不加三极管的方案，如下图这是一种被普遍采用的产生恒流的方法，但它有两点不足。
一是集成块的静态电流作为负载电流的一部分，当前者随输入电压及负载的变化而变化时，会影响后者的稳定；二是该电路不能提供小于I（adj）的恒流。
图2—6不用三极管的稳流电路
（2）使用三极管的方案。
如下图：
针对上一种方案，我们进行了改进，加进了一只三极管，则静态电流I（adj）由三极管e、c极提供，而流经RL的静态电流仅为I（adj）的1/（1+x）该电路能提供比I（adj）还小的恒定电流。
图2—7使用三极管的稳流电路
设计中由于不需要太低的电流，故可以选择方案一。
为输出4-20mA的电流，可将RES3选择为一个固定电阻加一个可变电阻。
经计算并结合实际情况，固定电阻选择为240欧，可变电阻选择为1K。
2.3DC—DC变换电路
2.3.1电路方案分析
方案一：
采用Boost型DC-DC升压器。
这种电路结构简单，容易实现，但输入输出电压比太大，占空比大，输出电压范围小，难以达到较高的指标。
方案二：
带变压器的开关电源。
由于使用变压器，可做到输出电压范围宽，开关管占空比合适。
本设计采用方案二。
2.3.2电路原理分析
电路如下图所示：
图2—8DC—DC变换电路
Q2作为开关管，Q1,Q3以及R1,R3,R4起稳压作用。
Q1,Q3选择2N2222，Q2选择TIP31C，R1选择为1K，R3选择为3.9K，R2选择10K可变电阻，R4选为1.2M。
调节R2的电阻可是输出电压大于100V。
D1整流，用1N4007。
C1滤波，选择一个2200uF的电容。
电感则自己买磁环和漆包线绕，在磁环上绕一个20T，一个30T和一个100T的电感构成耦合电感。
3．仿真及分析
为了验证设计电路的正确性，并测试电路的性能是否符合要求，本人现对电路作了全面，系统的仿真。
我是用的仿真软件是Multisim10.0。
3.1直流稳压电源仿真分析
直流稳压电源的要求首先是电压调节范围。
我做的仿真结果如下图：
图3—1稳压最小输出
图3—2稳压最大输出
从仿真结果中可以看出：
输出电压调节范围为7.411—12.351V，设计满足要求。
然后分析纹波，结果如下图：
图3—3纹波电压
仿真结果显示纹波电压仅为206.131nV。
远小于要求中的5mV，故设计通过。
用示波器观测纹波，可以看到很平稳的波形，可知输出电压很稳定，再次验证了设计满足要求。
纹波波形如下图：
图3—4纹波波形
3.2直流稳流电源仿真分析
首先验证电流的调节范围，仿真结果如下图：
图3—5稳流输出最小电流
图3—6最大输出电流
分析结果显示输出电流调节范围为1.937—21.291mA。
满足设计要求。
3.3DC—DC变换仿真分析
对DC-DC变换器做仿真分析，输出电压结果如图：
图3—7ＤＣ升压输出
4.实验测试数据分析
〔1）稳压电源，在输入电压220V；50Hz，电压变化范围+15%～-20%下：
a.输出电压可调范围为：
+7.45～12.50V
b.最大输出电流为：
1.48A
c.电压调整率为：
0.187%
d.负载调整率为：
0.86%
e.纹波电压：
148.452uF
f.效率：
43.03%
（2）稳流电源，在输入电压为+12V的条件下：
a.输出电流：
7.45～25.50mA可调
b.负载调整率为：
1.3%
整体分析：
由以上数据可知，本次设计基本成功，但在细节处与要求有一定的偏差，分析原因主要在于，一些元件的参数与计算值有一定的偏差，且温度等外部因素也对结果产生一定影响。
总结：
通过这次课程设计，是对所学的模电知识的一次综合应用，既考验了我的知识掌握程度，也锻炼了我的动手动脑能力。
明白了理论和实际是有差距的。
很多理论上成立的事情实际不一定做得到。
虽然此次课程设计花费了一番功夫，但却使我收获很多。
无论是对稳定电源的认识，还是对仿真软件的学习，都有了一定的提高。
同时此次课程设计也让我发现了许多学习中的问题，今后，将更加努力学习，弥补漏洞，进一步提高自己。
5.实物制作：
6.参考文献
【1】.戴伏生《基础电子电路设计与实践》国防工业出版社2002.4
【2】.王成华,王友仁，胡志忠《电子线路基础教程》科学出版社2000
【3】.黄继昌，乔苏文，徐巧鱼《电源专用集成电路及其应用》
人民邮电出版社2006.06
【4】.吴友宇《模拟电子技术基础》清华大学出版社2009.05
附录：
元件列表
元件
数量
OP07P
4
1B4B42（6.2V稳压管）
2
固定电阻510欧
1
固定电阻1.5K欧
1
固定电阻100欧
2
固定电阻5.1K欧
1
固定电阻10K欧
4
固定电阻
1
固定电阻
1
可变电阻1K欧
2
IC-8P
4
中锡板
1
电解电容2200uF/50V
1
变压器20W双15V
1
2A整流桥
1
2N2222
2
本科生课程设计成绩评定表
姓名
胡欣
性别
男
专业、班级
通信工程0905班
学号
0120911360206
题目：
直流稳定电源
答辩或质疑记录：
1.简述直流稳压电源的组成及其各部分的作用。
答：
直流稳压电源是由电源变压器，整流，滤波和稳压电路四个部分组成。
变压器的作用是将220V的交流电变换成电路所需的低压交流电；整流电路是将交流电转为具有直流电成分的脉动直流电；滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分；稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳压直流电压。
2.调整管的概念。
答：
调整管是串联负反馈式直流稳压电路的重要组成部分，工作在放大区，担负着调整输出电压的重任。
它不仅需要根据外界条件的变化，随时调整本身的管压降，以保持输出电压稳定，而且还要提供负载所要求的全部电流，因此管子的功耗比较大，通常采用大功率的三极管。
3.稳压电路的保护方式有哪些？
保护电路设计的原则是什么？
答：
Ⅰ限流式保护电路；Ⅱ截流式保护电路。
当稳压电路正常工作时，保护电路不必投入；一旦电路发生过载（过流）或短路，保护电路立即投入动作，或者限制输出电流的大小，或者是使输出电流下降为零，达到保护调整管的目的。
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 