模電課程設(shè)計串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計報告

1、一、設(shè)計的基本內(nèi)容、用途及特點直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用廣泛，幾乎所有電器、電力或電子設(shè)備都毫不例外地需要穩(wěn)定的直流電壓（電流）供電，它是電子電路工作的“能源”和“動力”。不同的電路對電源的要求是不同的。在很多電子設(shè)備和電路中需要一種當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載發(fā)生變化時，輸出電壓仍能基本保持不變的電源。電子設(shè)備中的電源一般由交流電網(wǎng)提供，如何將交流電壓（電流）變?yōu)橹绷麟妷海娏鳎┕╇?？又如何使直流電壓（電流）穩(wěn)定？這是電子技術(shù)的一個基本問題。解決這個問題的方案很多，歸納起來大致可分為線性電子穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩類，它們又各自可以用集成電路或分立元件構(gòu)成。 本設(shè)計電路分為降壓電路、整流電路、濾波電路和調(diào)壓穩(wěn)

2、壓電路四大部分，穩(wěn)壓電路部分又由基準(zhǔn)電壓源、輸出電壓采樣電路、電壓比較放大電路、過流保護電路和輸出電壓調(diào)整電路組成。 直流電源的輸入為220V的市電，需要通過電源變壓器降壓后，再對交流電進行處理。變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的需要。 變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即將正弦電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閱我环较虻拿}動電壓，但含有較大的交流成分，會影響負(fù)載電路的正常工作。 為了減小電壓的脈動，需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑，理想情況下，應(yīng)將全部交流分量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。然而，由于濾波電路為無源電路，所以接入負(fù)載后勢必會影響其濾波效果。交流電壓通過整流、濾波

3、后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化時，其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不隨電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。1.整流電路 整流電路的主要作用是把經(jīng)過變壓器降壓后的交流電通過整流變成單個方向的直流電。但是這種直流電的幅值變化很大。它主要是通過二極管的截止和導(dǎo)通來實現(xiàn)的。常見的整流電路主要有全波整流電路、橋式整流電路、倍壓整流電路。 2.濾波電路正弦交流電經(jīng)橋式整流電路整流后，輸出電壓的脈沖仍較大，大多數(shù)電子設(shè)備都不能使用這個電壓。為此，要減少輸出電壓的脈沖程度，將脈沖直流電變?yōu)檩^平滑的直流電，這個過程稱為濾波。電容和電感都

4、是基本的濾波元件，與負(fù)載并聯(lián)的電容器在電源電壓升高時，把部分能量儲存起來，而當(dāng)電源電壓降低時，就把能量釋放出來，從而使負(fù)載電壓比較平滑；與負(fù)載串聯(lián)的電感，當(dāng)電源電壓增加引起電流增加時，電感L就把能量儲存起來而當(dāng)電流減少時，又把能量釋放出來，從而使負(fù)載電流比較平滑。3穩(wěn)壓電路：它能在電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流的變化時，保持輸出直流電壓的穩(wěn)定。它是直流穩(wěn)壓電源的重要組成部分，決定著直流電源的重要性能指標(biāo)。直流穩(wěn)壓電源由變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分電路組成。 圖3.1. 1串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源原理框圖方案的選擇3.2.1 電源變壓器要求輸入電壓VI比輸出電壓VO高23V，輸出的電壓為6V和9V，在橋式整流電

5、路以前的電壓是15V的1/1.5倍，在13V左右，考慮到實際元器件與理論值的差別，最終選用15V的變壓器。方案一：先對輸入電壓進行降壓，然后用單相半波整流單路整流，用電感濾波電路濾波，穩(wěn)壓電路采用的是基本調(diào)整穩(wěn)壓電路方案二：先對輸入電壓進行降壓，然后用單相橋式整流電路整流，用電容濾波電路濾波。穩(wěn)壓電路采用的是具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路3.2.1 （1）半波整流半波整流電路如圖3-2-1所示。為分析方便起見，可設(shè)二極管為理想的。 圖3-2-1 半波整流電路該電路工作原理：設(shè)變壓器次級電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m為其幅值，U2為有效值。當(dāng)U2變化的正半周期時，二極管D受

6、正向電壓偏置而導(dǎo)通，UL=U2；當(dāng)U2變化的負(fù)半周期時，二極管D處于反向偏置狀態(tài)而截止，UL=0。U2和UL的波形如圖2-2-2所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是半波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出單向脈沖電壓的平均值即直流分量為：UL0=U2m/p=0.45 U2 （1）顯然，輸出電壓中除了直流成分外，還含有豐富的交流成分基波和諧波（這里可通稱為諧波），這些諧波的總和稱為紋波，它疊加與直流分量之上。常用紋波系數(shù)g來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小，即 （2） 式中，ULg為諧波電壓總有效值，其值應(yīng)為= （3）由式（1）、(2）和（3）通過計

7、算可得，g比較大。由結(jié)果可見，半波整流電路的輸出電壓紋波較大。oLto U U 圖3-2-2 半波整流電路波形半波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電流，即IFID0=UL0/RL=0.45U2/RL （4） b）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2 （5）（2）全波橋式整流電路全波橋式整流電路如圖(a)所示，圖中4個二極管接成電橋的形式，故有橋式整流之稱。圖(b)所示為該電路的簡化畫法。圖3-2-3 全波橋式整流電路 圖3-2-4 全波橋式整流電路簡便畫法該電路工作原理：參見圖3-

8、2-3，設(shè)變壓器次級電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m為其幅值，U2為有效值。在電壓U2的正半周期時，二極管D1、D3因受正向偏壓而導(dǎo)通，D2、D4因承受反向電壓而截止；在電壓U2的負(fù)半周期時，二極管因受D2、D4正向偏壓而導(dǎo)通，D1、D3因承受反向電壓而截止。U2和UL的波形如下圖所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是全波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為：totoUL0=2U2m/p=U20.9U2 （6） U U 圖3-2-5 全波整流電路波形圖 其紋波系數(shù)g為： （7） 式中，ULg為諧波

9、（只有偶次諧波）電壓總有效值，其值應(yīng)為： （8） 由式（4）、（5）和（6）通過計算可得g比較小。由結(jié)果可見，全波整流電路的輸出電壓紋波比半波整流電路小得多，但仍然較大，故需用濾波電路來濾除紋波電壓。全波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電。由于4個二極管是兩兩輪流導(dǎo)通的，因此有 IFID0=0.5UL0/RL=0.45U2/RL （9）b）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即 URURM =U2 （10） 為了克服半波整流的缺點，故我們常采用橋氏整流電路。如圖3-2-6所示：BA+-220V 50H

10、ZD3D2D1D4 圖3-2-6 橋式整流電路3.2.3濾波電路方案一：電容濾波電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓UC=Q/C。在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量。 3-2-7電容濾波電路采用電容濾波電路不僅可以使輸出電壓變得平滑、紋波顯著減小，同時輸出電壓的平均值也增大了，輸出電壓平均值U0的大小不僅與濾波電容C及負(fù)載電阻RL的大小有關(guān)，C的容量一定，RL越大，C的放電時間t就越大，因此放電速度約慢，輸出電壓越平滑，U0就越大。為

11、了取得良好的濾波效果，一般取RlC>（35）T/2。方案二：電感濾波電感濾波是利用電感的儲能來減小輸出電壓紋波的。當(dāng)電感中電流增大時，自電感電動勢的方向與原電流方向相反，自感電動勢阻礙電位增加的同時，也將能量儲存起來，使電流的變化減??；反之，當(dāng)電感中電流減少時，自感電動勢的作用阻礙電流的減少，同時釋放能量，使電流變化減小，因此，電流的變化小，電壓的紋波得到抑制。3.2.8電容濾波電路電感濾波電路中的電感L起著阻止負(fù)載電流變化使之趨于平直的作用，一般它只使用于低電壓，大電流的場合，而且考慮到電感體積比較大，危險性高的特點。以上分析知，采用電容濾波（方案一）比較好！3.2.4 穩(wěn)壓電路1、方

12、案比較方案一：先對輸入電壓進行降壓，然后用單相橋式二極管對其進行整流，整流后利用電容的充放電效應(yīng)，用電解電容對其進行濾波，將脈動的直流電壓變?yōu)楦悠交闹绷麟妷?，穩(wěn)壓部分的單元電路由穩(wěn)壓管和三極管組成（如圖1），以穩(wěn)壓管D1電壓作為三極管Q1的基準(zhǔn)電壓，電路引入電壓負(fù)反饋，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動引起R2兩端電壓的變化增大（減?。r，晶體管發(fā)射極電位將隨著升高（降低），而穩(wěn)壓管端的電壓基本不變，故基極電位不變，所以由可知將減小（升高）導(dǎo)致基極電流和發(fā)射極電流的減?。ㄔ龃螅?，使得R兩端的電壓降低（升高），從而達到穩(wěn)壓的效果。負(fù)電源部分與正電源相對稱，原理一樣。3.2.9 方案一穩(wěn)壓部分單元電路方案二：經(jīng)有

13、中間抽頭的變壓器輸出后，整流部分同方案一一樣擦用四個二極管組成的單相橋式整流電路，整流后的脈動直流接濾波電路，濾波電路由兩個電容組成，先用一個較大阻值的點解電容對其進行低頻濾波，再用一個較低阻值的陶瓷電容對其進行高頻濾波，從而使得濾波后的電壓更平滑，波動更小。濾波后的電路接接穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓部分的電路如圖所示，方案二的穩(wěn)壓部分由調(diào)整管，比較放大電路，基準(zhǔn)電壓電路，采樣電路組成。當(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時采樣電路將這一變化送到A的反相輸入端，然后與同相輸入端的電位進行比較放大，運放的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低（升高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升高），從而使輸

14、出電壓得到穩(wěn)定。3.2.10 方案二穩(wěn)壓部分單元電路對以上兩個方案進行比較，可以發(fā)現(xiàn)第一個方案為線性穩(wěn)壓電源，具備基本的穩(wěn)壓效果，但是只是基本的調(diào)整管電路，輸出電壓不可調(diào)，而且輸出電流不大，而第二個方案使用了運放和調(diào)整管作為穩(wěn)壓電路，輸出電壓可調(diào)，功率也較高，可以輸出較大的電流。穩(wěn)定效果也比第一個方案要好，所以選擇第二個方案作為本次課程設(shè)計的方案。4.元件選擇4.1變壓器的設(shè)計和選擇本次課程設(shè)計的要求是輸出正負(fù)9伏和正負(fù)6負(fù)的雙電壓電源，輸出電壓較低，而一般的調(diào)整管的飽和管壓降在2-3伏左右，由，為飽和管壓降，而=9V為輸出最大電壓，為最小的輸入電壓，以飽和管壓降=3伏計算，為了使調(diào)整管工作在

15、放大區(qū)，輸入電壓最小不能小于12V，為保險起見，可以選擇220V-15V的變壓器，再由P=UI可知，變壓器的功率應(yīng)該為0.5A×9V=4.5w，所以變壓器的功率絕對不能低于4.5w，并且串聯(lián)穩(wěn)壓電源工作時產(chǎn)生的熱量較大，效率不高，所以變壓器功率需要選擇相對大些的變壓器。結(jié)合市場上常見的變壓器的型號，可以選擇常見的變壓范圍為220V-15V，額定功率12W，額定電流1A的變壓器。4.2 整流電路的設(shè)計及整流二極管的選擇 由于輸出電流最大只要求500mA，電流比較低，所以整流電路的設(shè)計可以選擇常見的單相橋式整流電路，由4個串并聯(lián)的二極管組成，具體電路如圖4.1.1所示： 4.1. 1單相

16、橋式整流電路二極管的選擇：當(dāng)忽略二極管的開啟電壓與導(dǎo)通壓降，且當(dāng)負(fù)載為純阻性負(fù)載時，我們可以得到二極管的平均電壓為： =0.9 （11）其中為變壓器次級交流電壓的有效值。我們可以求得=13.5v。對于全波整流來說，如果兩個次級線圈輸出電壓有效值為，則處于截止?fàn)顟B(tài)的二極管承受的最大反向電壓將是，即為34.2v考慮電網(wǎng)波動（通常波動為10%，為保險起見取30%的波動）我們可以得到 應(yīng)該大于19.3V，最大反向電壓應(yīng)該大于48.8V。在輸出電流最大為500mA的情況下我們可以選擇額定電流為1A，反向耐壓為1000V的二極管IN4007.4.3 濾波電容的選擇當(dāng)濾波電容偏小時，濾波器輸出電壓脈動系數(shù)大

17、；而偏大時，整流二極管導(dǎo)通角偏小，整流管峰值電流增大。不僅對整流二極管參數(shù)要求高，另一方面，整流電流波形與正弦電壓波形偏離大，諧波失真嚴(yán)重，功率因數(shù)低。所以電容的取值應(yīng)當(dāng)有一個范圍，由前面的計算我們已經(jīng)得出變壓器的次級線圈電壓為15V，當(dāng)輸出電流為0.5A時，我們可以求得電路的負(fù)載為18歐，我們可以根據(jù)濾波電容的計算公式：C=(35)來求濾波電容的取值范圍，其中在電路頻率為50HZ的情況下， T為20ms則電容的取值范圍為1667-2750uF，保險起見我們可以取標(biāo)準(zhǔn)值為2200uF額定電壓為35V的鋁點解電容。另外，由于實際電阻或電路中可能存在寄生電感和寄生電容等因素，電路中極有可能產(chǎn)生高頻

18、信號，所以需要一個小的陶瓷電容來濾去這些高頻信號。濾波電路如圖 4.1.2 ： 4.1.2 濾波電路4.4 穩(wěn)壓電路的設(shè)計 穩(wěn)壓電路組要由四部分構(gòu)成：調(diào)整管，基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路，比較放大電路，采樣電路。當(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時采樣電路將這一變化送到A的反相輸入端，然后與同相輸入端的電位進行比較放大，運放的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低（高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升高），從而使輸出電壓得到穩(wěn)定。由于輸出電流較大，達到500mA，為防止電流過大燒壞調(diào)整管，需要選擇功率中等或者較大的三極管，調(diào)整管的擊穿電流必須大于500mA，又由于三極管CE間的承受的最大管壓降應(yīng)

19、該大于15-6=9V，考慮到30%的電網(wǎng)波動，我們的調(diào)整管所能承受的最大管壓降應(yīng)該大于13V，最小功率應(yīng)該達到=6.5W。我們可以選擇適合這些參數(shù)，并且在市場上容易買到的中功率三極管TIP41，它的最大功率為60W,最大電流超過6A，所能承受的最大管壓降為100V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足調(diào)整管的條件。負(fù)極的調(diào)整管則選擇與之相對應(yīng)的的中功率三極管TIP42?；鶞?zhǔn)電路由5.1V的穩(wěn)壓管和4.7V的保護電阻組成。由于輸出電壓要求為6伏和9伏，如果采樣電路取固定值則容易造成誤差，所以采樣電阻最好應(yīng)該做成可調(diào)的，固采樣電路由兩個電阻和一個可調(diào)電阻組成，根據(jù)公式： （12）求出。其中為運放正反相輸入端的電阻，為輸出端正

20、極（負(fù)極）與共地端之間的電阻 ，為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。固可以取330、和1.5k的固定電阻置于1k的滑阻兩旁避免當(dāng)滑為0.所以根據(jù)此公式可求的電路的輸出電壓為5.772-9.622V?？梢暂敵?V和9V的電壓，運放選用工作電壓在15V左右前對電壓穩(wěn)定性要求不是很高的運放，由于uA741的工作電壓為正負(fù)12V-正負(fù)22V，范圍較大，可以用其作為運放，因為整流后的電壓波動不是很大，所以運放的工作電源可以利用整流后的電壓來對其進行供電。正穩(wěn)壓電路的正極和負(fù)極分別如下圖：4.1.3正穩(wěn)壓電路的正極4.1.4正穩(wěn)壓電路的負(fù)極 為了使輸出電壓更穩(wěn)定，輸出紋波更小，需要對輸出端進行再次濾波，可在輸出端接一個10

21、uf的點解電容和一個103的陶瓷電容，這樣電源不容易受到負(fù)載的干擾。使得電源的性質(zhì)更好，電壓更穩(wěn)定，電路總圖 3、元器件選擇（1）變壓器的選擇為了使調(diào)整管工作在放大區(qū)，電路必須滿足U1>=U0+Uces，在本設(shè)計中，U0最大為9V調(diào)整管飽和壓降取Uces為3V所以U1的最小值為9+3=12V，一般選?。ǎ┍都丛谥g綜合考慮，取U1=20V，可以選擇220V-20V的變壓器,（2）整流二極管的選擇單相橋式整流電路中二極管的選擇：（23）*0.5=（1.1.5）A取1A所以取額定電流為1A，額定電壓為100V的二極管（3）濾波電容的選擇：由R=U/I得電路的負(fù)載約為15歐，由濾波電容的計算公

22、式：RLC=(35)T/2得C=20003300uF取C=2500uF（4）限流電阻R的選擇：Rmax=(Uimin-Uz)/Izmin+Ilmax=(20-4.3)*1000/(10+500)=30 Rmin=(Uimin-Uz)/Izmax+Ilmin=(20-4.3)*1000/(500+150)=24所以取R=25歐姆（5）調(diào)整管T參數(shù)的選擇：應(yīng)滿足Icm>Il=500mA； U>1.1*9-6=3.9V; P>I*U=1.95W（6）穩(wěn)壓管的選擇：穩(wěn)壓管采用1N749A 標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定電壓4.3V額定電流105MA動態(tài)電阻消耗功率.（7）采樣電路電阻參數(shù)的選擇：令Uomin=(