直流稳压电源.docx

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直流稳压电源

编号：

商丘工学院

毕业论文（设计）

题目：

直流稳压电源

院系：

机械工程学院

专业：

电气自动化

学生姓名：

xxxxxxxx

学号：

xxxxxxxxxxxx

指导教师：

xxxxxxxx

成绩：

2013年01月

摘要

在各种电子实验中，电源是最基本的需要。

设计出一种高精度的可调输出的电源不但能满足不同电子实验的要求，而且能满足在同一实验中需要使用不同的电压值来测试的要求。

本文设计了一种高精度程控稳压电源。

该电源的功能由硬件和软件两方面来实现。

硬件方面包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、反馈电路、保护电路、程控电路、显示电路以及支持单片机运行的复位和时钟电路。

市电220V电压通过变压器流入系统，经过整流、滤波后变成近似的直流电压，再经过稳压部分稳压后获得稳定的直流输出。

稳压部分由达林顿管作为调整管，由运放作为反馈取样之后的放大电路，利用放大电路来提高调整管的反应灵敏度电压稳定性。

软件方面，使用单片机语言编程，控制程控部分，即：

单片机，D/A、A/D部分。

该部分作用是控制稳压电路部分的基准电压的输出与调整，同时实现高精度的输出，并且控制数码管显示输出电压。

整个电路的设计就是在综合考虑各个模块现有的电路的基础上，选择最佳电路来实现设计目标的。

关键词直流稳定电源；整流；滤波；程控；D/A；A/D

Abstract

Invariouselectronicsexperiments,thepowersupplyisthemostbasicdemand.Designingapowersupplywhichhashighaccuracyandajustableoutputcansatisfynotonlytherequestofdifferentelectronicsexperiments,butalsothedemandinsameexperimenttousedifferentelectricvoltagevaluesfortest.

Thistextintroducedakindofhighaccuracydistancetocontrolsteadypressthedesignofthepowersupply.Thefunctionofthatpowersupplyiscarryoutbythehardwareandthesoftwarebothside.Thehardwareincludestransformer,commutatetheelectriccircuit,thefilterelectriccircuit,steadypresselectriccircuit,feedbackelectriccircuit,theprotectionelectriccircuit,distancetocontrolelectriccircuit,themanifestationelectriccircuitandsupportasingleslicelucktogoofresetwiththeclockelectriccircuit.

Thecitygivesorgetanelectricshockthe220Velectricvoltagetopassthetransformeraffluxsystem,passingbytocommutate,thefilterbecomessimilardirectcurrentelectricvoltagebehind,againhasbeenpressedpartsteadilysteadypressbehindacquirestabledirectcurrentexportation.SteadypresspartfromreachDynatronastoadjustatube,isputbytheluckafterbeingthefeedbacksamplingofenlargeelectriccircuit,makeuseoftoenlargeelectriccircuittoraiseanintelligentdegreeofthereactionoftheadjustmenttubeanelectricvoltagestability.Thesoftwareaspect,useasingleslicethemachinelanguageplaitdistance,controladistancetocontrolpart,namely:

Singleslicemachine,D/A,A/Dpart.It'spartoffunctionsturntoistheexportationofthebasiselectricvoltagethatthecontrolsissteadytopresstheelectriccircuitpartsandadjust,carryouttheexportationofthehighaccuracyinthemeantime,andthecontrolfigurestubemanifestationoutputelectricvoltage.

Thedesignofthewholeelectriccircuitisthefoundationthatissynthesizingtoconsidereachexistingelectriccircuitup,choosethebestelectriccircuittocarryoutthedesigntarget.

KeywordsDCstablepowersupply;commutate;filter;programmablecontrol;D/A;A/D

目录

第1章直流稳压器原理1

第2章直流稳压电源简介5

§2.1直流稳压电源的构成5

§2.2直流稳压电源的分类5

§2.3直流稳压电源的技术指标6

第3章直流稳压电源的设计8

§3.1设计目的及要求8

§3.2设计步骤及思路8

3.2.1直流稳压电源设计思路8

3.2.2直流稳压电源原理9

3.2.3总体电路图10

§3.3单元电路设计与原理说明10

3.3.1电源变压器10

3.3.2整流电路10

3.3.3滤波电路10

3.3.4稳压电路11

3.3.5元器件选择和电路参数计算说明13

第4章电路仿真17

§4.2测试结果和计算结果分析17

§4.3电路的误差分析与改进18

致谢21

第1章直流稳压器原理

直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。

由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。

极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。

利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。

最简单的极性保护电路如图1所示。

由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流,因这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。

在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。

为了操作方便,便于识别极性正确与否。

一、极性保护　

直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。

由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。

极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。

利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。

简单的极性保护电路如图1所示。

由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。

在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。

为了操作方便,便于识别极性正确与否,在图1中的二极管之后,接指示灯。

二、程序保护开关

稳压电源的电路比较复杂,基本上可以分为小功率的控制部分和大功的开关部分。

开关晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全,必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。

为此,要保证正确的开机程序。

开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器在开机瞬间,滤波电容器会流过。

很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。

这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。

另外,浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,近年来，随着微机、中小型计算机的普及和航空航天数据通信，交通邮电等事业的讯速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。

对于这些要求，传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，开关稳压电源具有以下的一些优越性:

1）效率高

开关稳压电源的调整开关管工作在开关状态，截止期间，开关元件漏电流极小，因此功率消耗小而效率高，通常可达到80%-90%以上。

功耗小使得机内温升亦低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，有利于提高整机的可靠性和稳定性。

而传统的线性稳压电源的晶体管一直工作在放大区，全部负载电流都通过调整管，因而损耗大，效率低，一般只在50%左右，功率等级也比较低。

2）稳压范围宽

从本质上说，线性稳压电源的电压调整作用是靠调整管的“变阻”作用实现的，因而调压范围小。

开关稳压电源的电压调整作用是通过对直流电压进行脉宽调制而实现的，因而线性控制区域大，调压范围宽，在交流电压变化较大时，开关稳压电源仍能达到很好的稳压效果。

3）体积小重量轻

开关电源可将电网输入的交流电压直接整流再进行PWM控制，这样可省去笨重的电源变压器（为了和高频变压器相区别，电源变压器又称为工频变压器），使电源的体积大大缩小，重量减轻。

在隔离式开关电源中，高频隔离变压器由于频率高而可以使体积小、重量轻。

4）安全可靠

开关稳压电源一般都有辅助电路，以提供自动保护功能。

正因为直流稳压电源有着这多方面的优点,所以对它的研究有着重要的意义,这不仅是对自己所学知识的总结，而且对自己以后从事电力方面的工作有着很大的帮助作用。

稳压电源原理图如图1.1所示。

其中，核心元件是LM338，它是一片大电流可调稳压集成电路，。

该集成电路在采用一般接法时，其输出电压范围是1．2～37V。

为了进一步拓宽其输出电压的范围，本电路对其传统应用电路进行了一些改进。

现简单介绍如下：

LM338要求输入、输出端最大电压差不能超过40V，这就限制了它的最高输出电压。

当电源输出电压较低、电流比较大时，功耗全部消耗在LM338上，造成集成电路发热严重。

为了解决这个问题，在本电源的设计中，将LM338输入端电压改为分段可调型。

由开关K1-2控制JI～J9这九个继电器，将不同的交流电压切换到整流桥的输入端，整流后得到高低不同的直流电压输入到LM338中，这样就降低了稳压块的输入电压，同时开关K1—1同步切换LM338调整端的分压电阻，使调整端的基准电压不断改变，输出端电压就以每档5V的规律变化。

这样一来LM338的输入、输出电压差就被限制在一个较小的范围内。

不但降低了稳压集成电路的损耗，而且提高了最大输出电压。

图1.1稳压电源主电路

LM338在内部设有1．2V的基准电压，而输出电压要比调整端电压高，这样就使LM338的输出电压最低只能是1．2V。

为使其输出电压能从零开始，本电源设计用R10、DW2等元件组成-1．2V的基准电压，使LM338的调整端电压降至-1．2V，这样既保证了输出端比调整端高的要求，又能使输出电压从零伏开始。

如果稳压集成电路的输入端接入较高的电压，而输出端恰好是空载，此时开机，LM338很容易由于过电压而在瞬间损坏。

为了解决这个问题，在LM338的输入端加入了由VT1组成的输入电压限制电路，实际上就是一个射极跟随器，用这个电路保证LM338的输入输出电压差最高为5V，从而避免了因过电压损坏集成电路。

在图1.1中，DW1主要是用来保护LM338不被击穿，选27V、1W的稳压管即可，DW2稳压值为1．2V，可选用2CW100或2CW50，也可以用两只2CK2串联起来代替，但要注意接入的极性（正好与图1。

1中相反）。

D1～D4使用参数大于6A耐压100V的整流二极管或全桥。

电源变压器T的功率要大于300V。

稳压集成电路的型号LM338K，要用金封的。

J1～J9选用优质6V小型继电器，触点电流要大于5A。

输出电压微调电位器W选用WXD3-13精密多圈线绕电位器。

电压档位选择开关K1选用2X9的小型波段开关。

R＊为电流表取样电阻，可根据所选用的表头灵敏度不同，截取一定长度的导线绕制，如果要提高输出电压显示精度，可将电压表V换成市售成品数字式直流电压表

图1.2管脚分布

该电源的技术参数：

直流稳压输出范围DC0～45V：

最大输出电流5A；

电压调整率≤0．001％／V；

纹波系数≤0．002％：

等效内阻≤0．15Ω；

稳压系数≤0.005％。

第2章

直流稳压电源简介

§2.1直流稳压电源的构成

许多电子产品如电视机、电子计算机、音响设备等都需要直流电源，电子仪器也需要直流电源，实验室更需要独立的直流电源。

为了提高电子设备的精度及稳定性，在直流电源中还要加入稳压电路，因此称为直流稳压电源。

典型的直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分构成。

电源变压器把50Hz的交流电网电压变成所需要的交流电压；整流电路用来将交流电变换为单向脉动直流电；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分（即波纹电压），是指成为平滑的直流电；稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

§2.2直流稳压电源的分类

直流稳压电源的发展已有几十年的历史，已从分立器件发展到集成电路。

集成稳压电路具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，随着功率集成电路的发展，集成稳压电路已有多个品种、多种型号问世，按输出电压、输出电流形成系列产品，已成为直流稳压电源的主流产品，特别适用于小型电子设备使用。

目前生产直流稳压电源种类很多，可以从不同的角度分类：

1、按稳定方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。

参数型稳压器电路简单，主要是利用电子组件的非线性实现稳压，例如，1只电阻和1只稳压管即可构成参数型稳压器。

反馈调整型稳压器具有负反馈，是闭环调整系统，利用输出电压的变化，经取样、比较、放大得到控制电压，去控制调整元件，从而达到稳定输出电压的目的。

2、按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。

调整元件与负载并联的称为并联式稳压器，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。

3、按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳压器等。

4、按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。

调整器件工作在线性放大状态的为线性稳压器，调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。

5、按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开关稳压器和分立元器件组成的稳压器。

§2.3直流稳压电源的技术指标

稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标，前者标识稳压电源的功能又称试用指标，后者反映了稳压电源质量的优劣。

1、特性指标

2、输入电压及适用范围。

3、输出电压及输出电压调整范围

4、额定输出电流（指电源正常工作时的最大输出电流）以及过流保护电流值。

（1）电压调整率

负载电流Ｉ0及温度T不变而输入电压U1变化时，输出电压U0的相对变化量△U0/U0与输入电压变化量△U1之比值，称为电压调整率，即

一般直流稳压电源的电压调整率SU为1%、0.1%、0.01%不等，其值越小，稳压性能越好。

电压调整率也可定义为：

在负载电流和温度不变时，输入电压变化

时，输出电压的变化量△U0，单位为毫伏。

（2）稳压系数

稳压系数定义为负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，即

式中，U1为稳压电路输入直流电压，即整流电路的输出电压。

一般情况下S

在10-2~10-4数量级。

显然，S

越小稳压电路输出电压的稳定性越好。

（3）负载调整率（亦称电流调整率）

在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量用百分数表示

（4）输出电阻（内阻）

当输入电压固定时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻R0，亦称内阻，即

R0=

其单位为欧。

R0的大小反映了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳压的能力。

R0越小负载能力越强，一般R0<1

。

（5）最大纹波电压与纹波抑制比

叠加在输出电压上的交流分量的峰—峰值称为最大纹波电压△U

，一般为毫伏级。

在电容滤波电路中，负载电流越大，纹波电压也越大。

因此，纹波电压应在额定输出电流情况下测出。

纹波抑制比SR定义为稳压电源输入纹波电压峰—峰值△U

与输出纹波电压峰—峰值△U

之比，并取对数，即

SR=20lg

单位为分贝（dB）。

在质量指标中第

（1）、

（2）项是描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标，第（3）、（4）项是描述负载变化对输出电压影响的技术指标，第（5）项反映了稳压电源对其输入端引入的交流纹波电压的抑制能力。

第3章直流稳压电源的设计

§3.1设计目的及要求

（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步体验，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。

（4）设计并制作一个开关稳压电源，主要技术指标要求：

该电源的技术参数：

直流稳压输出范围DC0～45V：

最大输出电流5A；

电压调整率≤0．001％／V；

纹波系数≤0．002％：

等效内阻≤0．15Ω；

稳压系数≤0.005％。

（5）设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。

（6）自拟试验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指导教师审核。

（7）批准后，进行组装、调试，并测试其主要性能参数。

§3.2设计步骤及思路

3.2.1直流稳压电源设计思路

①电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

②降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。

③脉动大的直流电压须经过滤波、稳压电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。

④滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。

3.2.2直流稳压电源原理

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图3.1。

图3.1直流稳压电源方框图

其中：

①电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变化由变压器的副边电压确定。

②整流电路：

利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

③常用的整流电路有：

1、半波整流电路

　　半波整流就是利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压V只有半个周期可以到达负载，造成负载电压V是单方向的脉动直流电压。

2、全波整流整流电路

　　利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如下图所示的全波整流电路。

从图中可见，正负半周都有电流流过负载，提高了整流效率。

全波整流的特点：

　　输出电压V高；脉动小；正负半周都有电流供给负载，因而变压器得到充分利用，效率较高。

④稳压电路：

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

3.2.3总体电路图

图3.2总电路图图3.3实物电路图

§3.3单元电路设计与原理说明

3.3.1电源变压器

电源变压器是将交流电网220V的电压变成所需要的电压值，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

3.3.2整流电路

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3.4所示。

在U2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；U2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。

正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半。

电路中的每只二极管承受的最大反向电压约为反向击穿电压的一半或三分之二（U2是变压器副边电压有效值）。

3.3.3滤波电路

滤波电路选用一个2200μF的大容量电解电容C1和一个0.1μF的小电容量涤纶CL11型电容C2并联滤波，如图3.4所示。

理论上，在同一频率下容量大的电容其容抗小，这样一大一小电容相并联后其容量小的电容C2不起作用。

但是，由于大容量的电容器存在感抗特性，等效为一个电容与一个电感串联。

在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗，小电容的容量小，在制造时可以克服电感性，几乎不存在电感。

在大电容C1上并联一个小电容C2可以补偿其在高频下的不足。

当电路的工作频率比较低时，小电容不工作（容抗大相当于开路）。

大电容的容量越大滤波效果越好。

当电路的工作频率比较高时（输入信号的高频干扰成分），大电容由于感抗大而处于开路状态。

这时高频干扰成分通过小电容流到底线，

除各种高频干扰成分。

电路的输出波形如3.4图所示

图3.4滤波电容电路的分析示意图

3.3.4稳压电路

1、稳压电路选用三端集成直流稳压器，其电路连接方式一般如图3.5所示。

图3.5三端集成直流稳压器

性能上，常用的集成稳压器由三端固定式、三端可调式和开关式。

以三端固定式为例，其正输出为7800（后两位代表输出的额定稳压值，00是统称）系列，负输出为7900系列，常见的有05、06、08、09、12、15、18、24八种。

一般要求最小的输入、输出电压差（U1—U0）为2V~3V；输出稳压的容差约为5%；最大输出电流10max有0.1A（LM7812），0.3A（如78M12）和1.5A（如7812）等多种，部分器件的最大输出电流可达2.2A；其最大电压UImax一般是7818档以下为35V，7824档为40V；电压调整率SU一般为0.01%/V；输出电阻R０小于0.1Ω；纹波抑制比SR一般为50dB；温度系数ST一般为每度ImV~2.4mV。

图2.7中，引脚1为电压变换的输入端，引脚2为电压变换后的输出端，引脚3为接地端。

电容Ci作用是改善纹波和抑制输入的过电压，一般取值为0.1μF。

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