直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)專 業(yè)：電氣自動(dòng)化班級(jí)學(xué)號(hào)：11321-19姓 名：段 超 超指導(dǎo)教師：杜 潤 宏直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 本節(jié)的設(shè)計(jì)任務(wù)就是采用分立元器件設(shè)計(jì)一臺(tái)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。其功能和技術(shù)指標(biāo)如下：1、輸出電壓在024V之間可任意可調(diào)，輸出電流最大3A2、輸出電壓設(shè)定值穩(wěn)定度為1%3、出電壓中文波小于10mV二、基本工作原理1. 直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源包括變壓器，整流，濾波，穩(wěn)壓電路，負(fù)載組成。其框圖如下+-電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路+_+ -+ U1 U2 U3 UI Uo（a）穩(wěn)壓電源的組成框圖 U2UiuU00wtt00t0t三、設(shè)計(jì)方案穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，是根

2、據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓Uop-p等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)可以分為以下三個(gè)步驟：1、根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、最大輸出電流Iomax，確定穩(wěn)壓器的型號(hào)及電路形式。2、根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓，確定電源變壓器副邊電壓u2的有效值U2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流I0max，確定流過電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓器副邊的功率P2；根據(jù)P2，從表1查出變壓器的效率，從而確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。3、 確定整流二極管的正向平均

3、電流ID、整流二極管的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流二極管和濾波電容。設(shè)計(jì)舉例：設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，性能指標(biāo)要求為：U0=+3V+9V, I0max=800mA紋波電壓的有效值U0 5mV 穩(wěn)壓系數(shù)SV310-3 1、 整流電路交流電壓轉(zhuǎn)變成單向脈動(dòng)直流電1）、單相橋式整流電路A、工作原理+V1+V2+V0D4 D1D3 D2單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，其電路如圖1所示。I0RL V20ID10ID20I00V00VD10wtwtwtwtwtwt(a)整流電路 (b)波形圖圖1.單相橋式整流電路在分析整流電路工作原理時(shí)，整流電路中的二

4、極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦浴８鶕?jù)圖10.1.2(a)的電路圖可知：當(dāng)正半周時(shí)二極管D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。 當(dāng)負(fù)半周時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。 在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖2(b)。B、參數(shù)計(jì)算根據(jù)圖2（b）可知，輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為流過負(fù)載的平均電流為流過二極管的平均電流為二極管承受的最大反向電壓VRmax=2V2流過負(fù)載的脈動(dòng)電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動(dòng)電壓做傅里葉分析。此時(shí)諧波分量中的二次諧波幅度最大，

5、最低次諧波的幅值與平均值的比值稱為脈動(dòng)系數(shù)S。C、單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線是指輸出電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系曲線 該曲線如圖10.1.3所示。曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。I00.9V20V0圖3 負(fù)載特性曲線2）、單相半波整流電路-單相整流電路除橋式整流電路外，還有單相半波和全波兩種形式。單相半波整流電路如圖2(a)所示，波形圖如圖2(b)所示。+V2_+V0_+V1_+ VD -RLI0（a）電路圖其波形圖如下： V20I0=ID0V00VD0wtwtwtwt (b)波形圖圖2單相半波整流電路根據(jù)圖2可知，輸出電壓在一個(gè)工頻周期內(nèi)，只是正半周導(dǎo)電，在負(fù)載

6、上得到的是半個(gè)正弦波。負(fù)載上輸出平均電壓為流過負(fù)載和二極管的平均電流為0.45V22V2RLRLID=IL= =二極管所承受的最大反向電壓為VRmax=2V23）、單相全波整流電路單相全波整流電路如圖3(a)所示，波形圖如圖3(b)所示。 (a)電路圖 (b)波形圖圖3 單相全波整流電路根據(jù)圖3（b）可知，全波整流電路的輸出，與橋式整流電路的輸出相同。輸出平均電壓為流過負(fù)載的平均電流為 二極管所承受的最大反向電壓VRmax=22V2單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù)S與單相橋式整流電路相同。單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而半波和全波整流電路中均有直流分量流過。所以單相橋式整流電路的變壓器

7、效率較高，在同樣的功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源之中。注意：整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用的。整流電路既有交流量，又有直流量，通常對(duì): 輸入（交流）用有效值或最大值；輸出（交直流）用平均值；整流管正向電流用平均值；整流管反向電壓用最大值。2、濾波電路1）、電容濾波電路A、電容濾波電路 現(xiàn)以單相橋式電容濾波整流電路為例來說明。電容濾波電路如圖4所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容C。D4 D1D3 D2 CI0RL+V0+V2+V1 圖4 單相橋式電容濾波整流電路 B、濾波原理 若電路處于正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，

8、變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時(shí)C相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦形。 圖5 橋式整流、電容濾波時(shí)的電壓、電流波形當(dāng)v2到達(dá)90時(shí)，v2開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載L放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過90時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過90時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過90后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。所以，在t1到t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時(shí)刻二極管關(guān)斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為RLC。電容濾波過程見上圖5。wtwtwtV20V0=

9、Vc0ID0圖6 RLC不同時(shí)VO的波形需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)RLC增加時(shí)，t1點(diǎn)要右移， t2點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時(shí)間加長，導(dǎo)通角減小，見曲線3；反之，RLC減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然，當(dāng)L很小，即IL很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見圖6濾波曲線中的2。反之，當(dāng)L很大，即IL很小時(shí)，盡管C較小, RLC仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。C、電容濾波的計(jì)算 電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法： 一種是用鋸齒波近似表示，即 另一種是在RLC=(35)T/ 2的條件下，近似認(rèn)為

10、VL=VO=1.2V2。（或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應(yīng)滿足wRLC610。）D、外特性整流濾波電路中，輸出直流電壓VL隨負(fù)載電流 IO的變化關(guān)系曲線如圖7所示 2V20.9V2電容濾波電阻負(fù)載圖7 純電阻和電容濾波電路的輸出特性RL=, V0=2V2C=0, V0=0.9V2t=RLC(35)T2V01.2V2名 稱VL空載VL帶載二極管反向最大電壓每管平均電流半波整流2V20.45V22V2IL全波整流電容濾波2V21.2V222V20.5IL橋式整流電容濾波2V21.2V22V20.5IL橋式整流電感濾波2V20.9V22V20.5IL2）、電感濾波電路利用儲(chǔ)能元件電感器

11、的電流不能突變的性質(zhì)，把電感與整流電路的負(fù)載L相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。由純電感電路中歐姆定律的表達(dá)式I=U（XL）和線圈的感抗公式XL=2fL可知，感抗跟通過的電流的頻率有關(guān)電感L越大，頻率f越高，感抗就越大，電流就越小，所以電感線圈在電路中有“通直流，阻交流”的說法，所以電感有濾波作用電感濾波電路如圖8所示。電感濾波的波形圖如圖9所示。+V2+V1D4 D1D3 D2 C+V0I0RLL 圖8 電感濾波電路電感濾波的波形圖如下wtwtwtV20V10V00 圖9 電感濾波的波形圖當(dāng)v2正半周時(shí)，D1、D3導(dǎo)電，電感中的電流將滯后v2。當(dāng)負(fù)半周時(shí)，電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。因橋式

12、電路的對(duì)稱性，和電感中電流的連續(xù)性，四個(gè)二極管D1、D3 ； D2、D4的導(dǎo)通角都是180。3、穩(wěn)壓電路1）、穩(wěn)壓電路概述A、引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因引起輸出電壓變化的原因是負(fù)載電流的變化和輸入電壓的變化，參見圖10。即 +VI-整流濾波電路 +V0-RLRRs負(fù)載電流的變化會(huì)在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，從而使輸入電壓發(fā)生變化。穩(wěn)壓電路圖10 輸出電壓變化原因示意圖2）、穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)用穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)去衡量穩(wěn)壓電路性能的高低。 DVI和D IO引起的D VO可用下式表示A、穩(wěn)壓系數(shù)Sr 有時(shí)穩(wěn)壓系數(shù)也用下式定義B、電壓調(diào)整率SV（一般特指Vi/Vi=10%時(shí)的Sr）C、輸出電阻RoD

13、、電流調(diào)整率SI 當(dāng)輸出電流從零變化到最大額定值時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化值。E、紋波抑制比Srip 輸入電壓交流紋波峰峰值與輸出電壓交流紋波峰峰值之比的分貝數(shù)。 F、輸出電壓的溫度系數(shù)ST 如果考慮溫度對(duì)輸出電壓的影響, 則輸出電壓是輸入電壓、負(fù)載電流和溫度的函數(shù)A、 當(dāng)輸入電壓變化時(shí)如何穩(wěn)壓根據(jù)電路圖12可知V0=VZ=V1-VR=VI-IRIR=IL+IZ輸入電壓VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下： VIVOVZIZIRVRVO這里VO減小應(yīng)理解為，由于輸入電壓VI的增加，在穩(wěn)壓二極管的調(diào)節(jié)下，使V

14、O的增加沒有那么大而已。電壓V0還是要增加一點(diǎn)的，這是一個(gè)有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如下圖所示+ VR -IR +V1 -IZILDZRL+Vo-R圖12 輸入電壓變化的穩(wěn)壓過程分析B、當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)如何穩(wěn)壓負(fù)載電流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩(wěn)壓過程可概括如下： ILIRVRVZ（VO）IZIRVRVOIL+V1-+ VR - IL+V0-RLDZR IZ圖13 負(fù)載電流變化的穩(wěn)壓過程分析4）、線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源A、線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理 穩(wěn)壓二極管的缺點(diǎn)是工作電流較小，穩(wěn)定電壓值不能

15、連續(xù)調(diào)節(jié)。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作電流較大，輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前這種穩(wěn)壓電源已經(jīng)制成單片集成電路，廣泛應(yīng)用在各種電子儀器和電子電路之中。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是損耗較大，效率低。B、 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成 線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源的工作原理可用圖14來說明。+VI-RL+V0-R圖14 線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源的工作原理 顯然，VO =VI-VR，當(dāng)VI增加時(shí)，R 受控制而增加，使VR增加，從而在一定程度上抵消了VI增加對(duì)輸出電壓的影響。若負(fù)載電流IL增加，R受控制而減小，使VR減小，從而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI減小，對(duì)輸出電壓減小的影響。 在實(shí)際電路中，可變電阻R是用

16、一個(gè)三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降VCE，VCE相當(dāng)于VR。要想輸出電壓穩(wěn)定，必須按電壓誤差放大器C e 穩(wěn)定的V0+V0-+-基準(zhǔn)電壓源VREF不穩(wěn)定的直流電壓V1負(fù)載VREF+-基準(zhǔn)電壓源R1取樣電路R3A +圖15 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路負(fù)反饋電路的模式來構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖15所示。它由調(diào)整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓源幾個(gè)部分組成。 保護(hù)的方法反饋保護(hù)型 溫度保護(hù)型截流型 限流型 利用集成電路制造工藝，在調(diào)整管旁制作PN結(jié)溫度傳感器。當(dāng)溫度超標(biāo)時(shí)，啟動(dòng)保護(hù)電路工作，工作原理與反饋保護(hù)型相同。（1) 截流型IosIom當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，通過保護(hù)電路使調(diào)整管截止，從而限制了短路電流，使之接近為零。截流特性見圖16。V0Io0圖16 截流特性（2)限流型Iom0Vo是當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，通過電路中取樣電阻的反饋?zhàn)饔?，輸出電流得以限制。限流特性見圖17。六、參考文獻(xiàn)胡宴如主編. 模擬電子技術(shù). 北京. 高等教育出版社，2000童詩白主編模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）北京：高教出版社， 2006康華