模电课程设计直流稳压电源.docx

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模电课程设计直流稳压电源

模拟电子技术课程设计报告

直流稳压电源设计

专业:

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姓名:

学号:

指导老师:

电子通信与物理学院

日期：

2014年6月10日

直流稳压电源设计

一、设计功能概述

本次设计的设计要求为：

设计一个直流稳压电源；输入交流电压220v;输出直流电压5v;输出电流1A;输出最大纹波电压小于10mV

本文所设计的直流电源为单相小功率电源，它将频率为50Hz、有效值为220v的单相交流电压转换为输出稳定的5v直流电压。

在负载电阻为几十到几千欧姆时其输出电压稳定，纹波电压小于10mv最大输出电流可达1A。

电路设计方面采用电源变压器电路、整流电路、滤波电路、稳压电路组成直流稳压电源电路。

其中，整流电路采用单相桥式整流电路；滤波电路采用电解电容滤波电路；稳压电路串联型稳压电路。

直流电源在

1原理分析

单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，其方框图及如图1.1所示。

图1.1

电源变压器是为了降低从电网输入电压的有效值。

直流电源的输入为220V

的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压有效值相差较大，因

而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。

变压器副变电压有效值决定于后面电路的需要。

整流电路把变压器副边的交流电压转化为直流电压。

即正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，但整流电路的输出仍有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作。

采用电容滤波电路可以有效减小电压的脉动，使输出电压平滑。

交流电压通过整流、滤波后虽然变为分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也会随之变化。

为了稳定电压需要用到稳压电路。

本文采用具有放大环节的串联型稳压电路，可以使直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。

下面分别介绍一下各个部分的原理。

（1）单相桥式整流电路

①电路组成

图1.2

如上图所示，单相桥式整流电路的主要部件是四个二极管，它们以图中所示方式连接，构成全波整流电路。

2工作原理

其构成原则就是保证在变压器副边电压U2的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。

设变压器副边电压为U2=..2U2sinwt,U2为其有效值。

当U2为正半周时，电流由D1正极流入，经RLD3形成回路,因而负载电阻上的电压等于变压器副变电压，即u0=u2,D2和D4管承受的反向电压为-u2。

当u2为负半周时，电流由D2正极流入，经过RL、D4形成回路，因而负载电阻上的电压-W,即u0=-U2,D1、D3承受的反向电压为U2。

由于D1、D3和D2D4两对二极管交替导通，致使负载电阻RL上在U2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压U2=12U2sin11。

图1.2所示为单相桥式整流电路各部分电路各部分的电压和电流波形。

3输出电压平均值UO（AV）和输出电流平均值lO（AV）

根据图1.2中所示uo的波形可知，输出电压的平均值

1_

Uo（av）=—\2U2sintd（t）

0

解得

2^2u2

Uo（av）0.9U2

输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值）

（2）电容滤波电路

电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容即构成电容滤波电路，如图1.3所示。

滤波电容容量较大，因而一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正负极。

电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。

图1.4

①滤波原理

当变压器副边电压U2处于正半周并且数值大于电容两端电压uc时，二极管D1、D3导通，电流一路流经负载电阻Rl，另一路对电容C充电。

因为在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压uc与U2相

等，见图1.4中曲线的ab段。

当U2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻Rl放电，其电压uc也开始下降，趋势与U2基本相当，见图1.4中曲线的bc段。

但是由于电容按指数规律下降，所以当U2下降到一定数值后，uc的下降速度小于u2的下降速度，使uc大于u2从而导致D1、D3反向偏置而变为截止。

此后，电容C继续通过Rl放电，uc按指数规律缓慢下降，见图1.4的cd段。

从图1.4所示波形可以看出，经滤波后的输出电压不仅变得平滑，而且平均值也得到提高。

②输出电压平均值

滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述，近似估算时，可将图1.4所示

波形近似为锯齿波，如图1.5所示。

图中T为电网电压的周期。

设整流电路内阻较小而RlC较大，电容每次充完电均可以达到U2的峰值，然后按RlC放电的起始斜率直线下降，经RlC交于横轴，且在T/2处的数值为最小值Uomin，则输出电压平均值为UO（AV）=U°maxU°min

图1.5

同时按相似三角形关系可得

UOmax-Uomin

T/2

Uomax

RlC

（1.2.1）

因而

式（1.2.2）表名，当负载开路，即Rl=二时，Uo（av）—2U2。

当RlC=（3~5）T/2

时，

Uo（AV）1.2U2

为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足

RlC二（3~5）T/2的条件。

由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范

围为一10%，电容的耐压值应大于1.12U2

（3）串联型稳压电路

虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副变电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。

为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。

本节将对稳压管电路的组成、工作原理和电路参数的选择一一加以介绍。

1

基本调整管电路

图1.6

将稳压管稳压电路的输出电流作为晶体管的基极电流，而晶体管的发射极电

流作为负载电流，电路采用射极输出形式，如图1.6所示。

其稳压原理简述如下。

当电网电压波动引起Ui增大，或负载电阻Rl增大时，输出电压U。

将随之增大，即晶体管发射极电位Ue升高；稳压管端电压基本不变，即晶体管基极电位Ub基本不变；故晶体管的Ube（二Ub-Ue）减小，导致|b（|e）减小，从而使U。

减小；因此可以保持Uo基本不变。

当Ui减小或负载电阻Rl减小时，变化与上述过程相反。

晶体管基极的最大电流为（IZmax-IZmin），因而图1.6所示的最大负载电流为

这也就大大提高了负载电流的调节范围。

输出电压为

Uo=Uz-UBE

调整管必须工作在放大状态，因此其管压降应大于饱和管压降UCES；即应满

足U1-UO+UCES的条件。

2具有放大环节的串联型稳压电源

图1.7

电路的组成：

具有放大环节的串联型稳压电路由基准电压电路，比较放大电路和采样电路

组成。

如图1.7所示晶体管T为调整管，电阻R与稳压管Dz构成基准电压电路，电阻Ri、R2和R3为输出电压采样电路，集成运放作为比较放大电路。

调整管、基准电压电路、采样电路和比较放大电路是串联型稳压电路的基本组成部分。

稳压原理：

当由于某种原因使输出电压U。

升高（降低）时，采样电路将这一变化趋势送到A的反相输入端，并与同相输入端电位Uz进行比较放大；A的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；因为电路采用射极输出形式，所以输出电压UO必然降低（升高），从而使U。

得到稳定。

可简述如下：

Uo—Un—UbJtUoJ

输出电压的可调范围:

RR2%UzZo严R2R3

R2'R3R3

2、电路设计

（1）方案选择

我所设计直流稳压电源包括变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路。

其中，变压电路采用降压变压器降压。

对于其余几个电路下面进行比较选择

整流电路选择:

可选的整流电路包括：

半波整流电路和全波整流电路。

再本次设计中我选择单相桥式全波整流电路。

单相桥式整流电路和半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用率咼、脉动小等优点。

滤波电路选择：

因为电容滤波电路简单易行，输出电压平均值高，适用于本次设计，所以我选择电容滤波电路承担滤波作用。

稳压电路选择：

稳压电路选择串联型稳压电路。

串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定；并且，通过改变反馈网络参数使输出电压可调。

综上所述：

采用单相桥式整流电路、电容滤波电路、串联型稳压电路构成本次设计的主要电路。

（2）电路框图和电路设计图

整体电路的框架如下图所示，先有22V-15V的变压器对其进行变压，变压后再对其进行整流，整流后是高低频的滤波电路，最后是由采样电路、比较放大电路和基准电路三个小的单元电路组成的稳压电路，稳压后为了进一步得到更加稳

定的电压，在稳压电路后再对其进行小小的率波，最后得到正负输出的稳压电源。

图2.1电路框图

图2.2电路设计图

（2）电路设计及元器件的选择

1电压器的设计和选择

本次课程设计的要求是输出5伏直流电源，输出电压较低，而一般的调整管

的饱和管压降在2-3伏左右，由UCE=Uimax一UOmin，UCE为饱和管压降，区，UOmin为最小的输入电压，这里为5伏以饱和管压降Uce=3伏计算，为了使调整管工

作在放大区，输入电压应大于8伏。

电压器的功率要大。

这里我们选择初级电压比次级电压为10:

1的电压器。

变压器副边电压U2=22V。

2整流电路的设计及整流二极管的选择

采用单相桥式整流电路。

电路如图2.3所示

图2.3

二极管的选择：

当忽略

二极管的开启电压与导通压降，且当负载为纯阻性负载时,

U0（av）=1^<2U2sincot・d（oot）=2*刀2=0.9U2

n0兀

其中U2为变压器次级交流电压的有效值。

我们可以求得Uo（AV）=19.8。

二极管承受的最大反向电压URmax=、/2U2=31V。

考虑电网波动（通常波动为10%我们可以得到Uo（AV）应该大于21.8V，最大反向电压应该大于34.1V。

我们选择3N249可以满足要求。

3滤波电容的选择

当滤波电容G偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而G偏大时，整流二极管导通角B偏小，整流管峰值电流增大。

不仅对整流二极管参数要求高，另一方面，整流电流波形与正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。

根据电路的

实际情况和实际经验我选择了电容值为4700uF的电容。

4稳压电路的设计

稳压电路组要由四部分构成：

调整管，基准稳压电路，比较放大电路，采样

电路。

当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管

的基极电位降低（高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。

由于输出电流较大，为防止电流过大烧坏调整管，需要选择功率中等或者较大的三极管。

根据手册，选择型号为2N1711的三

极管，可以满足要求。

运放选择3554SM可以满足要求。

稳压电路电路图如下所示

~~■■

图2.4

3、仿真调试

用Multisim12对上述设计进行仿真:

仿真电路如下：

其中负载电阻用一个总阻值为10K欧姆的滑动变阻器代替，以观察在不同阻值下的输出电压是否稳定在5伏。

用万用表XMM和XMM分别测输出电压和输出电流。

用四通道示波器xscl观测输出电压波形。

首先调整滑动变阻器R2使输出电压稳定在5伏。

下图所示为XMM所显示的输出电压值，和示波器xscl输出的波形。

把示波器设置为交流模式，测量纹波电压。

测试结果如下。

4■送這乔波器-XSC1

图2.8

可以看出纹波电压小于10mv,满足了电路要求

改变负载值观测输出电压是否变化。

在仿真电路中负载是一个10K欧姆的滑动变阻器。

调节滑动变阻器的阻值用万用表测量输出电压。

测试发现在负载电阻从0到10K欧姆变化时，输出电压基本保持5伏电压不变。

三、总结与体会