直流稳压电源的设计正文.docx

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直流稳压电源的设计正文

1任务和要求

（1）设计任务：

设计一波形直流稳压电源，满足：

Ø当输入电压在220V±10%时，输出电压为±5v,±12v,±15v和从0到15v可调，输出电流大于1A。

Ø输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5×10-3，输出内阻小于0.1欧。

（2）设计要求

Ø电源变压器只做理论设计。

Ø合理选择集成稳压器。

Ø完成全电路理论设计、绘制电路图。

Ø撰写设计报告、总结报告。

2总体方案设计与各部分的作用

2.1总体方案设计

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。

图1稳压电源电路的基本方框图

2.2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（称为纹波），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，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。

3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。

实际上，理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有下式P1=P2=U1I1=U2I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。

4整流电路

4.1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。

图2半波整流电路

该电路工作原理：

设变压器次级电压U2=U2msint=

U2sint，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/=

U2=0.45U2

显然，输出电压中除了直流成分外，还含有丰富的交流成分基波和谐波（这里可通称为谐波），这些谐波的总和称为纹波，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

式中，UL为谐波电压总有效值，其值应为

通过以上三式计算可得，=1.21。

由结果可见，半波整流电路的输出电压纹波较大。

图3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：

（1）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＞ID0=UL0/RL=0.45U2/RL

（2）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=

U2

4.2全波桥式整流电路

全波桥式整流电路如图4所示，图中4个二极管接成电桥的形式，故有桥式整流之称。

图5所示为该电路的简化画法。

图4全波桥式整流电路图5全波桥式整流电路

该电路工作原理：

参见图4，设变压器次级电压U2=U2msint=

U2sint，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

图6全波整流电路的波形

UL0=2U2m/=

U2=0.9U2

其纹波系数为

式中，UL为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为

由以上三式通过计算可得=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。

5滤波电路

5.1电容滤波

电容滤波电路如下图所示，由于市电交流电频率较低（50HZ），图中电容C一般取值较大，约1000F以上。

图7电容滤波电路

该电路工作原理：

设U2=U2msint=

U2sint，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

U2sint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

U2sint的规律下降，当U2＜UC时，二极管均截止，故C又经RL放电。

不难理解，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：

（1）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

式中，T为交流电源电压的周期。

（2）RL越小输出电压越小。

若C值一定，当RL∞，即空载时有

UL0=

U2=1.4U2

当C=0，即无电容时有

UL0=0.9U2

当整流电路的内阻不太大（几）和电阻RL电容C取值满足式一定要求时，

UL0=（1.1～1.2）U2

总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合

5.2电感滤波

电感滤波电路如下图所示，由于市电交流电频率较低（50HZ），图中电感L一般取值较大，约几H以上。

图8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。

关于电感滤波电路的几点结论：

（1）L越大、RL越小，输出电压纹波越小。

（2）忽略电感内阻，UL0=0.9U2（理论值）。

（3）电感滤波适用于低电压、大电流的场合。

（4）工频电感体积大，重量重，价格高，损耗大，因此一般少用。

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9和图10所示。

图9倒L型滤波电路型滤波电路图10π型滤波电路型滤波电路

6稳压电路

6.1简单稳压管稳压电路

稳压管稳压的原理实际上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。

显然，稳压管反向击穿特性曲线越陡峭，稳压特性越好。

通常用rz表示其反向击穿后的微变等效电阻，rz约几左右。

下面讨论R的取值范围。

设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

；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

　即　

一般来说，在稳压二极管安全工作的条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。

6.2三端集成稳压器

常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。

常用可调式正压集成稳压器有CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。

其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。

此外三端集成稳器还有78系列和79系列。

如下图是78系列的外形。

78系列又分三个子系列，即78xx,78Mxx,78Lxx.其主要差别在于输出电流和外形，78xx输出电流为1.5A,78Mxx输出电流为0.5A,而78Lxx的输出电流为0.1A。

79系列和78系列的外形相似但是接续不一样，79的1端接地，2端接负的输入，3端为输出。

78系列三端集成稳压器的检测，用万用表R×1k档测量79系列集成稳压器各引脚之间的电阻值，若测得结果与正常值相差较大，则说明该集成稳压器性能不良。

此电压应比被测集成稳压器的标称电压低3V以下，但不允许超过集成稳压器的最大输入电压。

若测得集成稳压器输出端与接地端之间的电压值输出稳定，且在集成稳压器标称稳压值的±5%范围内说明该集成稳压器完好。

图11三端集成稳器78系列

7稳压电源的技术指标

（1）稳定性好

输入电压Ui（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压U0的变化应该很小一般要求△U0/△U。

≤1%。

由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S来表示：

S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。

在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。

S=（△U0/U。

）/（△Ui/Ui）=（△U0/△Ui）×（Ui/U0）

（2）输出电阻小

负载变化时（从空载到满载），输出电压U0应基本保持不变。

稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。

　输出电阻（又叫等效内阻）r0表示，它等于输出电压变化量和输出电流变化量之比的绝对值，即：

r0=|△U0/△I0|。

r0反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，r0越小，则I0变化时输出电压的变化也越小。

性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至0．01欧。

（3）电压温度系数小

　　当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。

良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示。

8设计总结

从一开始的一片茫然到现在即将结束，回顾过去的一周，我惭愧的是在即将结束的时候才开始用心去做，但我深刻意识到只要用心去做，就会有意想不到的收获。

这一次的课程设计告诉我生活不是想象中的那么简单。

这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

很喜欢这样上课,可以锻炼自己各个方面的能力,希望以后有更多这样的实训机会,最好是走出校园的实训。

参考文献

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