直流稳压电源的设计 电子技术课程设计

课程设计名称：电子技术课程设计题 目：直流稳压电源的设计专业：自动化班级：自动化097班 姓 名：高庆 学 号：0916030108 课 程 设 计 成 绩 评 定 表学 期第四学期姓名高庆专 业自动化班级 自动09-7班课题名称电子技术课程设计论文题目直流稳压电源的设计评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15综合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师马耀明时间2011年6月23日备 注课程设计任务书一、设计题目直流稳压电源的设计二、设计任务1. 设计一个能输出12V的直流稳压电源；2. 根据设计要求和技术指标设计好电路图，选好元件参数；3. 测量支流稳压电源的稳压系数；4. 测量直流稳压电源的内阻；5. 拟订方案和设计步骤。三、设计计划电子技术课程设计共1周第1天：选题，查资料第2天：确定设计方案第34天：电路原理设计第5天：设计说明书编辑输出四、设计要求1系统工作原理2 画出整个系统电路原理图3功能仿真分析,仿真分析结果图形曲线4心得体会，发展方向5电路中图形符号必须电脑绘制,并符合国家制图标准指 导 教 师： 马耀明 教研室主任： 时 间：2011 年6月23日摘要本设计设计了一个简单的直流稳压电源。设计主要分为四部分，它们是变压器电路，整流电路，滤波电路和稳压电路。变压器部分采用典型的降压变压器，完全能够满足设计要求。可以为一些负载提供足够大的电压。整流部分采用典型的单相桥式整流电路，可以很好地克服其它整流电路的缺点。单相桥式整流电路具有脉动小效率高等优点，可以用于一些脉动程度要求较高的电路。滤波部分采用常用的电容滤波电路，很好地得到直流信号。稳压电路采用具有放大环节的电路，另外还采用了保护措施。很好的得到稳定的直流信号，还保护了电路中的元件。本设计包含了原理说明，方案设计，参数计算等主要环节。原理采用参考书中的说明。参数计算机算了各部分的主要元件的参数。由于理论知识尚浅，肯定会有不当之处望老师批评指正。关键词：直流稳压电源，变压器，放大电路目录1方案设计 41.1 串联型直流稳压电源的原理41.2 直流稳压电源方案的确定2 电源变压器2 整流电路2 滤波电路4 稳压电路4 保护电路的选取62 主电路部分设计72.1 主电路结构图82.2 主电路参数计算9 变压器部分8 整流二极管及滤波电路部分6 稳压部分53 元件的确定5心得体会10致谢11参考文献11 方案设计1.1串联型直流稳压电源的原理本设计由四部分组成，他们分别是：变压电路，整流电路，滤波电路和稳压电路。1、电网电压供电是交流220V（有效值）、50HZ，要获得低压直流输出，首先须采用电源变压器将电网电压降低获得所需的交流电压。2、降压后的交流电压，通过整流电路整流成单向的支流电，但其幅值变化大（即脉动大）。3、脉动大的直流电压再通过滤波电路的作用变换成平滑的、脉动小的直流电，即交流成分滤掉，保留直流成分。4、滤波后的直流电再通过稳压电路稳压，便可以得到基本上不受外界影响流器的稳定的直流电，便可以供给。原理框图如图2-1-1所示。220V变压器整流器滤波器稳压器图1-1-1 串联型直流稳压电源原理框图1.2 直流稳压电源方案的确定根据设计的要求，电路分为四个模块，每个模块的选择如下：1.2.1电源变压器78系列的芯片要求输入电压VI比输出电压VO高23V，输出的电压为12V，所以输入的电压要在15V左右，在桥式整流电路以前的电压是15V的1/1.5倍，在13V左右，考虑到实际元器件与理论值的差别，最终选用15V的变压器。1.2.2 整流电路整流是稳压电源的一个重要组成部分，它的主要作用是进行波形变换即将交流信号变成直流信号。（1）半波整流半波整流电路如图2-2-1所示。为分析方便起见，可设二极管为理想的。图1-2-1 半波整流电路该电路工作原理：设变压器次级电压U2=U2msinwt=U2sinwt，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的波形如图2-2-2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/p=0.45 U2（1）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g来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即 （2）式中，ULg为谐波电压总有效值，其值应为= （3）由式（1）、(2）和（3）通过计算可得，g比较大。由结果可见，半波整流电路的输出电压纹波较大。oLto U 一U图1-2-2 半波整流电路波形半波整流电路中的二极管安全工作条件为：a）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IFID0=UL0/RL=0.45U2/RLb）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URURM =U2（2）全波桥式整流电路全波桥式整流电路如图(a)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(b)所示为该电路的简化画法。图1-2-3 全波桥式整流电路 图1-2-4 全波桥式整流电路该电路工作原理：参见图2-2-3，设变压器次级电压U2=U2msinwt=U2sinwt，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：totoUL0=2U2m/p=U20.9U2（4）UU图1-2-5 全波整流电路波形图其纹波系数g为：（5）式中，ULg为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为：（6）由式（4）、（5）和（6）通过计算可得g比较小。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。全波整流电路中的二极管安全工作条件为：a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有IFID0=0.5UL0/RL=0.45U2/RLb）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URURM =U2为了克服半波整流的缺点，故我们常采用桥氏整流电路。如图2-2-6所示：BA+-220V 50HZD3D2D1D4图1-2-6 桥式整流电路滤波电路整流部分整流出来的直流含有大量的纹波。方案一：电容滤波电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。采用电容滤波电路不仅可以使输出电压变得平滑、纹波显著减小，同时输出电压的平均值也增大了，输出电压平均值U0的大小不仅与滤波电容C及负载电阻RL的大小有关，C的容量一定，RL越大，C的放电时间t就越大，因此放电速度约慢，输出电压越平滑，U0就越大。为了取得良好的滤波效果，一般取RlC（35）T/2。方案二：电感滤波电感滤波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电流方向相反，自感电动势阻碍电位增加的同时，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。电感滤波电路中的电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用，一般它只使用于低电压，大电流的场合，而且考虑到电感体积比较大，危险性高的特点。以上分析知，采用电容滤波（方案一）比较好！稳压电路 稳压电路采用串联反馈式稳压电路。串联性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。调整管与负载相串联，故称这类殿禄为串联型稳压电源；由于调整管工作在线性区，故称这类电路为线性稳压电源。下图所示为稳压管稳压电路，负载电流最大变化范围等于稳压管的最大稳定电流和最小稳定电流之差，扩大负载电流的最简单方法是：利用晶体管的电流放大作用，将稳压管稳定电路的输出电流放大后，再作为负载电流。电路采用射极输出形式，因而引入了电压负反馈，可以稳定输出电压，如图1-2-7所示：+-TR1-2-7基本调整管电路基本调整管稳压电路的输出电压仍然不可调，且输出电压将因的变化而变，稳定性较差。为了使输出电压可调，也为了加深电压负反馈，可在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。若通向比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，则比例系数可调，则其输入电压就可调节；同时，为了扩大输出电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，就构成具有放大环节的串联型稳压电路。输出电压为：=（1+） （7）由于集成运放开环差模增益可达80dB以上，电路引入深度负反馈，输出电压趋近于零，因而输出电压相当稳定。电路如2-2-8图所示：+-R-+-图1-2-8具有放大环节的串联型稳压电路具有放大环节的串联稳压电路的稳压原理为：当由于某种原因（如电网电压波动或负载电阻的变化等）使输出电压升高（降低）时，取样电路将这一变化趋势送到的反相输入端，并与同相输入端电位进行比较放大；的输入电压，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，所以输出电压必然降低（升高），从而使得到稳定。可见，电路是靠引入深度负反馈来稳定输出电压的。1.2.5 保护电路的选取在集成稳压器电路内部含有各种保护电路，使集成稳压器在出现不正常情况下不至于损坏。因为串联型稳压电源的调整管是其核心器件，调整管与负载串联，它流过的电流金斯等与负载电流，且电网电压波动或输出电压调节时管压降将产生相应的变化，调整管会因此电流过大或电压过高是管耗过大而被损坏。串联型稳压电路至少包括调整管、基准电压电路、取样电路和比较防大电炉四个部分组成。为保护电路安全，还常在电路中加保护电路，方框图如下图所示：过流保护电路能够在稳压器输出电流超过额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值或使之迅速减小，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏。凡在过流时使调整管发射极电流限制在某一数值的电路 ，称为限流型过流保护电路；凡在过流时使调整管发射极电流迅速减小到较小数值的电路，称为截流型（或减流型）过流保护电路。限流型保护电路组成简单，但在保护电路起作用后调整管仍有较大的工作电流，因而也就有较大的功耗；而限流型保护电路就没有以上的缺点，但是该电路形式较复杂，并且参数计算较繁琐。因为该电路为小功率电源，所以选用限流型保护电路。调整管比较电路保护电路取样基准电路 图1-2-9 串联型稳压电路的方框图如下图所示为限流型过流保护电路，为调整管，和构成保护电路。为电流取样电阻，其电流近似等于稳压电源的输出电流，故其电压正比于。正常工作时，的b-e间电压=1.414UI=14.14. IOMAX=7.5mA，IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4001或者用IN4007或者用整流桥代替亦可。根据 ，和公式可求得：所以，滤波电容：电容的耐压要大于，故滤波电容C取容量为，耐压为的电解电容。2.稳压部分有上面分析可以知道，采用固定式的稳压电路，L7812CV，他们的输出电压为12V，输出电流为0.5A，温度系数为300，确定其电路形式为了确定电路的接法是否正确，电路是否正常工作，输出端接一个电阻和发光二极管。R12-0.7/0.5=22、6 取470欧姆即可。(我没做这一步)可以省略.为防止电路电容发生短路，在变压器输出端安一个保险管，防止器件烧坏。（但我没有做这一步）。这也是我设计电路不完善的地方.3 元件的确定由上面参数计算可知，选取下列元件：变压器：输出15 V一个电容：2200F、0.01F、0.01F、470F各一个。整流桥：一个固定电阻：1000一个滑动变阻：1k一个二极管：一个其它电容电阻若干.心得体会此次设计的是我们日常生活中最常见的直流稳压电源。直流电源看起来比较简单，但是其实际上是比较复杂的，直流电源是通过交流电源通过电源变压器，整流电路，滤波电路和温服电路得到的。在设计过程中，经过了一系列的方法的比较，我们最终选择了用桥式整流电路来获得直流稳压电源。再讲过一系列的计算分析，元件的选择还有性能的分析最终得到符合要求的直流稳压电源。在这次设计工程当中用到了很多经验值。理论计算必须与经验值相结合起来，最后才能得到正确的结果。致谢在马耀明导师的悉心指导下，经过一个礼拜的努力，我们的设计终于圆满完成了。自始至终老师都能给与我们帮助，令大家十分感激。感谢导师在繁忙的工作中抽出时间来指导我们，您们辛苦了！我要感谢所有老师对我的帮助与教导。没有他们细心的指导我的学习与研究，我就不会这样顺利的完成本次课程设计，在此，我要向我的导师表示深深的感谢，向他们表示我诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢我的导师们！我还要感谢我小组的同学，没有大家的共同努力就不可能完成这次设计。总之，感谢所有帮助我、支持我的人！参考文献1.王振宇，李香萍，沈燕。实验电子技术. 北京：电子工业出版社，2004。2.胡宴如，耿苏燕。模拟电子技术（第二版）.北京：高等教育出版社，2005.3.熊幸明，王新辉，曹才开. 电工电子技能训练.北京：电子工业出版社，2004.4.彭介华电子技术课程设计北京：. 高等教育出版社2005.5.华成英，童诗白，模拟电子技术（第五版），北京：高等教育出版社，2005。