线性稳压电源的设计与实现.docx
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线性稳压电源的设计与实现
学校代码：
11068
学号：
0705073008
论文题目：
线性稳压电源的设计与实现
学位类别：
工学学士
学科专业：
电子信息工程
作者姓名：
李小英
导师姓名：
倪敏浩
完成时间：
2011年5月20日
线性稳压电源的设计与实现
中文摘要
电子设备给人们日常生活带来极大便利，所有的电子设备只有在电源电路的支持下才能正常工作。
电子设备对电源电路的要求是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。
提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源[1]。
论文详细讨论了稳压电源的设计原理以及整个电源涉及的变压、整流、滤波、稳压和电源在电流过高时候的保护电路。
以实现此电源的设计要求，在这个要求下选择各元部件的参数，经过反复的验证来确定最终的参数。
电源可以输入220V的交流电压，经过变压后降低电压，将交流电压经过整流后变为直流电压，经过整流后的电压还存在脉动部分，所以就要经过滤波尽量滤除电压中的脉动部分。
这样经过滤波后的电压就接近于直流电压。
滤波后的直流电压经过稳压电路后就会维持在稳定的范围，进一步达到稳压电源的要求。
稳压电路是通过一个调整管来工作的，当调整管的基极电流发生变化时，相应的会改变集电极和发射极之间的电压，从而达到稳压的目的。
这时候还要考虑电流过大的情况设计中要加入过流保护电路。
综合测试后，此电源可以达到输入220V交流电压，输出电压30V、电流0.5A的直流电压。
关键词：
稳压电源；整流；滤波；稳压
ThedesignandimplementationofLinearmanostat
Abstract
Electronicequipmentsbringsomuchconveniencestopeopleindailylife.Alltheelectronicequipmentscannotwokproperlywithoutthesupportofthepowercircuit.Electronicequipmentsrequirepowercircuittoprovidesustainedandstablepower,tomeettheloadrequirements.Andusuallyitrequiressteadydirectcurrent,whichDCRegulatedpowersupplycanjustprovide.
Thisarticlediscussedindetailthedesignprincipleofthevoltagestabilizerandtheentirepowerinvolvingvariablepressure,rectifier,filtering,highvoltagepowersupplywhenthecurrentandtheprotectioncircuit.Inordertorealizethedesignrequirementsofthepowerinthisrequest,selectparametersofeachscript,afterrepeatedvalidationtodeterminethefinalparameters.
Itcanreducevoltageaftervariablepressure,theacvoltageafterrectifyingcanbeintoadcvoltage，afterrectifierthevoltagestillexistpulsingparts，soitisnecessarytofilterthepulsingpartsinthevoltageasfaraspossible。
Soafterfilteredthevoltagewillclosetodcvoltagethedcvoltageafterfilteringthroughvoltagecircuitcanmaintaininastablerange,furtherachievetherequirementsofmanostat。
Thefunctionofvoltagecircuitbetorealizethroughatubewhenthebasecurrentofthetubehaschanged,thecorrespondingwillchangethevoltagebetweenthecollectorandemitter,thustoreachthepurposeofvoltage.Atthesametimewewillconsiderthatweshouldaddover-currentprotectioncircuitwhenthecurrentwashigher.
Aftercomprehensivetest,thepowercanbereachedinput220Vacvoltage,outputvoltage30V,current0.5Adcvoltage。
KeyWord:
manostat;rectifier;filtering;voltage-stabilizing
第一章前言1
1.1课题的研究背景及意义1
1.2稳压电源的发展2
1.3课题研究方法2
1.4课题设计要求2
第二章稳压电源的设计3
2.1稳压源的基本原理3
2.2稳压电压的具体实现4
2.2.1整流电路4
2.2.2滤波电路7
2.2.3稳压电路10
2.2.4保护电路15
2.3元器件的选择18
2.3.1采样电阻的选择18
2.3.2调整管三极管18
2.3.3运算放大器的选择18
第三章稳压电源的具体实现20
3.1原理图的实现20
3.1.1设计工具20
3.1.2原理图设计步骤20
3.2仿真实现21
3.2.1设计工具21
3.2.2仿真步骤21
3.3仿真结果22
3.4仿真调试22
3.4.1纹波比22
第四章总结23
参考文献24
致谢25
附件一26
线性稳压电源原理图26
附件二27
经过调试后修改的稳压电源原理图27
附件三28
仿真的结果28
第一章前言
1.1课题的研究背景及意义
稳压电源是各种电子电路的动力源，被人誉为电路的心脏。
人所皆知，所有用电设备，包括电子仪器仪表、家用电器等，对供电电压都有一定的要求。
例如：
有些电视机要求220V的电网电压变化不能超过±20%，即从198V到242V之间，如果超出这个范围，电视机就不能正常收看，甚至会因电压过高而烧坏电视机。
至于精密电子仪器，对供电电压保持稳定不变的要求就更加严格。
为解决用电设备要求供电稳定，而市电电网电压又难以保证的供求矛盾，人们便研制了各种各样的稳压电源[1]。
事实上，稳压电源的输出，是相对稳定而并非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以允许的范围之内。
产生这些变化的原因主要有以下几个方面：
（1）由于电网输入电压不稳定所导致。
电网供电有高峰期和低谷期，不可能始终稳定如初；
（2）由于供电对象引起的，即由负载变化引起。
如果负载短路，负载电流会很大，电源的输出电压会趋近于零，时间一长还会烧坏电源；如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压将会升高。
即使不是这两种极端情况，负载电阻的变化也会引起稳压电源输出电压的变化；
（3）由于稳压电源本身造成的。
构成稳压电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效，就不可能有效地调节前两种原因引起的波动；
（4）由于元器件受温度、湿度等环境影响而性能改变也会影响稳压电源输出不稳定。
一般来说，稳压电源电路的设计首先考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳压电源中放大器的放大量等。
在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。
但在设计高精度稳压电源时，必须要高度重视第四个因素。
因为在高稳定度电源中，温度系数和温漂这两个关键的技术指标的好坏都由这个因素决定[2]。
本次毕业设计针对线性稳压电源，其在日常生活中的应用相当普遍，选择做此项目，可以熟练的掌握此项技术，更利于所学知识的巩固及能力的提高，理论更贴近实际，对自已的长远发展有着深远的影响。
学习制作直流稳压电源可以：
（1）学习基本理论在实践中应用的初步经验，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设计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。
1.2稳压电源的发展
说到稳压问题，可以追溯到19世纪，爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压电源。
到20世纪初，就已经出现了铁磁稳压电源及相应的技术文献。
电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压电源。
在20世纪40年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流稳压电源，至今还在应用。
20世纪50年代，随着半导体工业的飞速发展，晶体管的诞生使串联调整型晶体管稳压电源构成了直流稳压电源的中心，这种局面一直维持到20世纪60年代中期。
这种电源虽然性能优良，但它最大的缺点是由于功率调整管与负载串联，并且晶体管工作在线性区域，稳压电源的输出电压调节与稳定借助于功率晶体管上电压降的调整来实现，因而在输出电压低、电流大的场合，效率非常低且功率晶体管发热也很厉害，散热便成了很大的问题。
随着半导体技术的进步，电子设备开始从分立元器件进入集成电路时代，体积日益减小，装机密度不断提高，规模容量逐渐增大。
这种晶体管串联型常规电源难以满足形势发展的问题日益暴露。
20世纪60年代后期，科技工作者对稳压电源技术进行了一次新的总结，使开关电源和可控硅电源得到了快速发展。
与此同时，将稳压电源的大部分元器件都集成在一块硅基片上的集成稳压电源也在不断发展。
从1967年美国BobWidlar发明了第一块集成稳压电源uA723至今，集成稳压电源品种之多、系列之全使人们刮目相看。
目前，线性集成稳压电源已经发展到几百个品种，类型也多种多样。
按结构形式可以分为串联型和并联型集成稳压电源；按输出电压类型可以分为固定式和可调式集成稳压电源；按管脚的引线数目可以分为三端式和多端式集成稳压电源；按制造工艺可以分为半导体式、薄膜混合式和厚膜混合式集成稳压电源；按输入和输出之间的压差又可以分为一般压差和低压差两大类，等等[3]。
1.3课题研究方法
直流稳压电源是最常用的仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。
本课题根据技术指标要求进行电源设计，目的在于尽可能节约成本的前提下，使其性能更加稳定。
在设计之前，应先了解稳压电源的基本构成及其工作原理，在此基础上，依据技术指标要求和设计规范进行优化设计。
1.4课题设计要求
设计一台稳压电源，技术参数为：
输入为220V交流电压，输出电压为30V，输出电流为0.5A。
纹波≦1%，稳定度≦1%，同时电源具有过压保护功能。
第二章稳压电源的设计
2.1稳压源的基本原理
基本的稳压源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级输入的是交流电压，经过各个部分的的作用来使得电源输出所需的稳定电压。
其原理图如图1所示：
图1稳压电源原理图
整个稳压源的工作原理为：
由输入的交流电压进过变压后得到一个变压后的合适的电压，经过整流后将交流电变为直流电，整流后的直流电存在的脉动分量要通过滤波电路滤除，经过滤波后的电压，就是需要通过调整管来调整的电压，调整管使用的是2N3250，由于电路中负载较大，所经过的电流较小，无法使得2N3250正常工作，这时候就需要一个驱动三极管来使得2N3250工作,这时要在比较器的输出端与调整管的基极连接一个BC337作为驱动电路的一部分。
稳压的主要过程是，OP07的反相端采样电压，而其正相端连接的是基准电压。
当基准电压大于采样电压，正相输入端高于反相输入端，比较器OP07输出高电平，2N3250由于工作在线性放大区，它的基极电流IB受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流Ic和集、射电压Uce改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。
当输入电压或输出电流I变化引起输出电压U增加时，取样电压相应增大，使BC337管的基极电流和集电极电流随之增加，BC337管的集电极电位下降，因此2N3250管的基极电流下降，使得集电极电流下降，Uce增加，Uo下降，使Uo保持基本稳定[4]。
由于在电路中需要加入过流保护电路，当输入的电流大于额定的电流时，作为比较器的LM324的输出端就会输出高电平，使得可控硅单向导通，接地，这时候与其相连的调整管也接地，断开电路，从而达到保护的目的。
2.2稳压电压的具体实现
2.2.1整流电路
把交流变成脉动直流的过程叫整流。
常用的整流电路有单相半波、单相全波、单相桥式等几种。
（1）单相半波整流电路
单相半波整流电路如图2所示：
图2单相半波整流电路
当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io=id。
忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u2，输出电压uo的波形与u2相同。
当u2为负半周时，二极管D承受反向电压而截止，使电阻RL两端的输出电压uo成为单向脉动直流电压，因此叫做半波整流[5]。
单相半波整流电压的平均值为：
（2-1）
流经二极管的电流平均值与负载电流平均值相等，即：
（2-2）
二极管截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：
（2-3）
考虑到电网电压波动范围为±20％，二极管的极限参数应满足：
1IF>1.2
2
单相半波整流电路虽然结构简单，但输出电压脉动系数大，直流成分低，变压器只有半个周期工作，利用率低。
（2）单相全波整流电路
单相全波整流电路如图3所示。
变压器副边具有中心抽头，感应出两个幅值相等而相位相差180o的电压u2。
当u2处于正半周时，D1导通，D2截止；当u2处于负半周时，D2导通，D1截止。
单相全波整流电压的平均值为：
（2-4）
流过负载电阻的输出电流平均值为：
Io=Uo/RL=0.9U2/RL（2-5）
流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：
（2-6）
二极管承受的最高反向电压：
（2-7）
图3单相全波整流电路
（3）单相桥式整流电路
单相全波整流电路如图4所示：
图4单相桥式整流电路
u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止[6]。
此时电流的路径为：
a→D1→RL→D3→b；u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。
此时电流的路径为：
b→D2→RL→D4→a。
单相桥式整流电压的平均值为：
（2-8）
流过负载电阻RL的电流平均值为：
（2-9）
流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：
（2-10）
每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：
（2-11）
（4）具体实现
对于要求输出30V，0.5A的电源，有分析可知单相桥式整流电路的利用率较高，故输出电路采用桥式整流，下面来说明怎样选择：
30V输出电路采用单相桥式整流电路,由公式知，变压器二次侧电压的有效值为
U2=Uo/0.9=30/0.9=33.3V（2-12）
考虑到变压器二次侧绕组及管子上的压降，其值大约要高出20%，即
33.31.2=33.96V（2-13）
变压器二次侧电流的有效值为
I2=Io/0.9=0.5/0.9=0.56A（2-14）
变压器的变比为
n=220/33.96=6.48（2-15）
变压器的容量为
S=U2I2=33.960.56=19V·A（2-16）
流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：
ID=0.5IO=0.50.5=0.25A（2-17）
每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：
URM=U2M=
U2=
33.3=47V（2-18）
所以可以选择二极管40CPQ060，其最大平均正向电流IF=40A>0.5A，其URM=60V>47V。
2.2.2滤波电路
（1）电容滤波电路
电容滤波电路及波形如图中（5a）、（5b）所示：
图（5a）电容滤波电路及波形
假设电路接通时恰恰在u2由负到正过零的时刻，这时二极管D开始导通，电源u2在向负载RL供电的同时又对电容C充电。
如果忽略二极管正向压降，电容电压uC紧随输入电压u2按正弦规律上升至u2的最大值。
然后u2继续按正弦规律下降，且
，使二极管D截止，而电容C则对负载电阻RL按指数规律放电。
uC降至u2大于uC时，二极管又导通，电容C再次充电……。
这样循环下去，u2周期性变化，电容C周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小，如下图（5b）所示。
电容C放电的快慢取决于时间常数（
）的大小，时间常数越大，电容C放电越慢，输出电压uo就越平坦，平均值也越高[7]。
电容滤波电路的输出特性曲线如图（5b）所示。
从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合。
图（5b）电容滤波电路的输出特性曲线
—般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值：
半波：
全波：
为了获得较平滑的输出电压，一般要求
，即：
（2-19）
式中T为交流电压的周期。
滤波电容C一般选择体积小，容量大的电解电容器。
应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。
加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流（
），为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。
（2）电感滤波电路
电感滤波电路如图6所示。
由于通过电感的电流不能突变，用一个大电感与负载串联,流过负载的电流也就不能突变，电流平滑，输出电压的波形也就平稳了。
其实质是因为电感对交流呈现很大的阻抗，频率愈高，感抗越大，则交流成分绝大部分降到了电感上,若忽略导线电阻，电感对直流没有压降，即直流均落在负载上，达到了滤波目的。
在这种电路中，输出电压的交流成分是整流电路输出电压的交流成分经XL和RL分压的结果，只有ωL>>RL时，滤波效果才好[8]。
图6电感滤波电路
输出电压平均值Uo一般小于全波整流电路输出电压的平均值，如果忽略电感线圈的铜阻，则Uo≈0.9U2。
虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击，但为了使L值大，多用铁芯电感，但体积大、笨重，且输出电压的平均值Uo较低。
电感滤波适用于负载电流较大的场合，其缺点是制作复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。
（3）复合滤波电路
几种常见的复合滤波电路如图7所示：
图7复合滤波电路
LC、CLC、π型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。
在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重的电感，构成CRC、π型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。
但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。
（2）具体实现
本次设计采用的是电容滤波电路，电感滤波一般用于负载电流大，对滤波要求不高的场合，且电感越大，滤波效果越好；RC滤波由于电阻会降低一部分直流电压，使输出减小，因此只适用于小电流电路；电容滤波的滤波效果好，适于各种整流电路，结合本设计的设计要求，故采用电容滤波的方式。
下面确定滤波电容的容量和耐压值。
如图8所示
1电容C的容量
图8电容滤波电路
在全波整流电路中，滤波电容C的容量应满足
RLC≥（3~5）T/2（2-20）
式中RL为负载电阻，根据设计要求，周期T为交流电压的周期，为0.02S，取在3~5之内的3，则求出电容C=1000µF。
②电容C的耐压值U
电容器耐压值必须超过脉动电压峰值，因此要选在变压器次级电压U2的
倍以上。
另外，还要考虑输入电压的变化范围，必须按最高输入电压计算。
这里还应该明确一点，通常所说的变压器次级电压U2是指额定值时的电压。
如果电流减小或空载时，U2将会升高。
这是因为绕线电阻的电压降减小的缘故，这个因素也应该考虑进去。
选取的电容考虑到整流后的电压和输出电压耐压值要达到50V。
这里考虑到耐压值是50V还有另外一个原因，经过变压后的电压想要到达能够输出稳定电压的目的，理论上是34V左右，但考虑到经万用表测量时的考虑是在滤波前的电压，是34*
，大约为50V。
2.2.3稳压电路
在电子电路中稳压电路不仅实用，也是很简单但又是最基本的，下面就常用的几种基本稳压电路做一简单介绍。
（1）稳压管稳压电路
稳压管稳压电路如图9所示。
它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。
图9稳压管稳压电路
当输入电压变化时的稳压过程，根据电路图可知：
①Vo=Vz=VI-VR=VI-IRR
②IR=IL+IZ
输入电压VI的增加，必然引起Vo的增加，即Vz增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压Vo减小。
这一稳压过程可概括如下：
这里Vo减小应理解为，由于输入电压Vz的增加，在稳压二极管的调节下，使Vo的增加没有那么大而已，Vo还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。
当负载电流变化时的稳压过程：
负载电流IO的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ＝VO减小，IZ减小，IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。
这一稳压过程可概括如下：
这种稳压电路的输出电压是不能调节的，负载电流变化范围较小，输出电阻较大，约几个欧姆到几10欧姆，因此稳压性能较差。
但其电路结构简单，负载短路时，稳压管不会损坏。
因此仅适用于Uo固定和要求不高的场合[9]。
（2）串联反馈型稳压电路
串联反馈型稳压电路如图10所示。
其电路主要由取样环节、基准电压、比较放大环节和调整环节四大部分组成，各部分的作用如下：
①取样环节。
由R1、RP、R2组成的分压电路构成，它将输出电压Uo分出一部分作为取样电压UF，送到比较放大环节。
②基准电压。
由稳压二极管DZ和电阻R3构成的稳压电路组成，它为电路提供一个稳定的基准电压UZ，作为调整、比较的标准。
③比较放大环节。
由V2和R4构成的直流放大器组成，其作用是将取样电压UF与基准电压UZ之差放大后去控制调整管V1。
④调整环节。
由工作在线性放大区的功率管Vl组成，Vl的基极电流IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流IC1和集、射电压UCEl改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。
图10串联型稳压电路
串联反馈型稳压电路的工作原理如下：
当输入电压Ui或输出电流Io变化引起
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