模电课程设计 直流稳压电源.docx
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模电课程设计直流稳压电源
模拟电子技术课程设计报告
直流稳压电源设计
专业:
班级:
姓名:
学号:
指导老师:
电子通信与物理学院
日期:
2014年6月10日
直流稳压电源设计
1、设计功能概述
本次设计的设计要求为:
设计一个直流稳压电源;输入交流电压220v;输出直流电压5v;输出电流1A;输出最大纹波电压小于10mV。
本文所设计的直流电源为单相小功率电源,它将频率为50Hz、有效值为220v的单相交流电压转换为输出稳定的5v直流电压。
在负载电阻为几十到几千欧姆时其输出电压稳定,纹波电压小于10mv;最大输出电流可达1A。
电路设计方面采用电源变压器电路、整流电路、滤波电路、稳压电路组成直流稳压电源电路。
其中,整流电路采用单相桥式整流电路;滤波电路采用电解电容滤波电路;稳压电路串联型稳压电路。
直流电源在
2、设计步骤
1、原理分析
单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压,其方框图及如图1.1所示。
图1.1
电源变压器是为了降低从电网输入电压的有效值。
直流电源的输入为220V的电网电压,一般情况下,所需直流电压的数值和电网电压有效值相差较大,因而需要通过电源变压器降压后,再对交流电压进行处理。
变压器副变电压有效值决定于后面电路的需要。
整流电路把变压器副边的交流电压转化为直流电压。
即正弦波电压转换为单一方向的脉动电压,但整流电路的输出仍有较大的交流分量,会影响负载电路的正常工作。
采用电容滤波电路可以有效减小电压的脉动,使输出电压平滑。
交流电压通过整流、滤波后虽然变为分量较小的直流电压,但是当电网电压波动或者负载变化时,其平均值也会随之变化。
为了稳定电压需要用到稳压电路。
本文采用具有放大环节的串联型稳压电路,可以使直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响,从而获得足够高的稳定性。
下面分别介绍一下各个部分的原理。
(1)单相桥式整流电路
为了克服单相半波整流电路的缺点,本文所设计直流稳压电源采用单相全波整流电路。
①电路组成
图1.2
如上图所示,单相桥式整流电路的主要部件是四个二极管,它们以图中所示方式连接,构成全波整流电路。
②工作原理
其构成原则就是保证在变压器副边电压
的整个周期内,负载上的电压和电流方向始终不变。
设变压器副边电压为
U2为其有效值。
当
为正半周时,电流由D1正极流入,经RL、D3形成回路,因而负载电阻上的电压等于变压器副变电压,即
=
D2和D4管承受的反向电压为-
。
当
为负半周时,电流由D2正极流入,经过RL、D4形成回路,因而负载电阻上的电压-
即u0=-
D1、D3承受的反向电压为
。
由于D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通,致使负载电阻RL上在
的整个周期内都有电流通过,而且方向不变,输出电压
。
图1.2所示为单相桥式整流电路各部分电路各部分的电压和电流波形。
③输出电压平均值
和输出电流平均值
根据图1.2中所示
的波形可知,输出电压的平均值
解得
输出电流的平均值(即负载电阻中的电流平均值)
(2)电容滤波电路
电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端(即负载电阻两端)并联一个电容即构成电容滤波电路,如图1.3所示。
滤波电容容量较大,因而一般均采用电解电容,在接线时要注意电解电容的正负极。
电容滤波电路利用电容的充放电作用,使输出电压趋于平滑。
图1.3
图1.4
①滤波原理
当变压器副边电压
处于正半周并且数值大于电容两端电压
时,二极管D1、D3导通,电流一路流经负载电阻
,另一路对电容C充电。
因为在理想情况下,变压器副边无损耗,二极管导通电压为零,所以电容两端电压
与
相等,见图1.4中曲线的ab段。
当
上升到峰值后开始下降,电容通过负载电阻
放电,其电压
也开始下降,趋势与
基本相当,见图1.4中曲线的bc段。
但是由于电容按指数规律下降,所以当
下降到一定数值后,
的下降速度小于
的下降速度,使
大于
从而导致D1、D3反向偏置而变为截止。
此后,电容C继续通过
放电,
按指数规律缓慢下降,见图1.4的cd段。
从图1.4所示波形可以看出,经滤波后的输出电压不仅变得平滑,而且平均值也得到提高。
②输出电压平均值
滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述,近似估算时,可将图1.4所示波形近似为锯齿波,如图1.5所示。
图中T为电网电压的周期。
设整流电路内阻较小而
C较大,电容每次充完电均可以达到
的峰值,然后按
C放电的起始斜率直线下降,经
C交于横轴,且在T/2处的数值为最小值
,则输出电压平均值为
图1.5
同时按相似三角形关系可得
(1.2.1)
因而
(1.2.2)
式(1.2.2)表名,当负载开路,即
时,
。
当
时,
为了获得较好的滤波效果,在实际电路中,应选择滤波电容的容量满足
的条件。
由于采用电解电容,考虑到电网电压的波动范围为
,电容的耐压值应大于
(3)串联型稳压电路
虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换成较为平滑的直流电压,但是,一方面,由于输出电压平均值取决于变压器副变电压有效值,所以当电网电压波动时,输出电压平均值将随之产生相应的波动;另一方面,由于整流滤波电路内阻的存在,当负载变化时,内阻上的电压将产生变化,于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。
为了获得稳定性好的直流电压,必须采取稳压措施。
本节将对稳压管电路的组成、工作原理和电路参数的选择一一加以介绍。
①基本调整管电路
图1.6
将稳压管稳压电路的输出电流作为晶体管的基极电流,而晶体管的发射极电流作为负载电流,电路采用射极输出形式,如图1.6所示。
其稳压原理简述如下。
当电网电压波动引起
增大,或负载电阻
增大时,输出电压
将随之增大,即晶体管发射极电位
升高;稳压管端电压基本不变,即晶体管基极电位
基本不变;故晶体管的
(=
-
)减小,导致
(
)减小,从而使
减小;因此可以保持
基本不变。
当
减小或负载电阻
减小时,变化与上述过程相反。
晶体管基极的最大电流为(
-
),因而图1.6所示的最大负载电流为
=(1+
)(
-
)
这也就大大提高了负载电流的调节范围。
输出电压为
=
-
调整管必须工作在放大状态,因此其管压降应大于饱和管压降
;即应满足
+
的条件。
②具有放大环节的串联型稳压电源
图1.7
电路的组成:
具有放大环节的串联型稳压电路由基准电压电路,比较放大电路和采样电路组成。
如图1.7所示晶体管T为调整管,电阻R与稳压管
构成基准电压电路,电阻
、
和
为输出电压采样电路,集成运放作为比较放大电路。
调整管、基准电压电路、采样电路和比较放大电路是串联型稳压电路的基本组成部分。
稳压原理:
当由于某种原因使输出电压
升高(降低)时,采样电路将这一变化趋势送到A的反相输入端,并与同相输入端电位
进行比较放大;A的输出电压,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。
可简述如下:
UO↑→UN↑→UB↓→UO↓
输出电压的可调范围:
2、电路设计
(1)方案选择
我所设计直流稳压电源包括变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路。
其中,变压电路采用降压变压器降压。
对于其余几个电路下面进行比较选择。
整流电路选择:
可选的整流电路包括:
半波整流电路和全波整流电路。
再本次设计中我选择单相桥式全波整流电路。
单相桥式整流电路和半波整流电路相比,在相同的变压器副边电压下,对二极管的参数要求是一样的,并且还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点。
滤波电路选择:
因为电容滤波电路简单易行,输出电压平均值高,适用于本次设计,所以我选择电容滤波电路承担滤波作用。
稳压电路选择:
稳压电路选择串联型稳压电路。
串联型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。
综上所述:
采用单相桥式整流电路、电容滤波电路、串联型稳压电路构成本次设计的主要电路。
(2)电路框图和电路设计图
整体电路的框架如下图所示,先有22V-15V的变压器对其进行变压,变压后再对其进行整流,整流后是高低频的滤波电路,最后是由采样电路、比较放大电路和基准电路三个小的单元电路组成的稳压电路,稳压后为了进一步得到更加稳定的电压,在稳压电路后再对其进行小小的率波,最后得到正负输出的稳压电源。
图2.1电路框图
图2.2电路设计图
(2)电路设计及元器件的选择
①电压器的设计和选择
本次课程设计的要求是输出5伏直流电源,输出电压较低,而一般的调整管的饱和管压降在2-3伏左右,由
,
为饱和管压降,区,
为最小的输入电压,这里为5伏以饱和管压降
=3伏计算,为了使调整管工作在放大区,输入电压应大于8伏。
电压器的功率要大。
这里我们选择初级电压比次级电压为10:
1的电压器。
变压器副边电压
=22V。
②整流电路的设计及整流二极管的选择
采用单相桥式整流电路。
电路如图2.3所示
图2.3
二极管的选择:
当忽略二极管的开启电压与导通压降,且当负载为纯阻性负载时,我们可以得到二极管的平均电压为
:
=
=
=0.9
其中
为变压器次级交流电压的有效值。
我们可以求得
=19.8。
二极管承受的最大反向电压
。
考虑电网波动(通常波动为10%)我们可以得到
应该大于21.8V,最大反向电压应该大于34.1V。
我们选择3N249可以满足要求。
③滤波电容的选择
当滤波电容
偏小时,滤波器输出电压脉动系数大;而
偏大时,整流二极管导通角θ偏小,整流管峰值电流增大。
不仅对整流二极管参数要求高,另一方面,整流电流波形与正弦电压波形偏离大,谐波失真严重,功率因数低。
根据电路的实际情况和实际经验我选择了电容值为4700uF的电容。
④稳压电路的设计
稳压电路组要由四部分构成:
调整管,基准稳压电路,比较放大电路,采样电路。
当采样电路的输出端电压升高(降低)时采样电路将这一变化送到A的反相输入端,然后与同相输入端的电位进行比较放大,运放的输出电压,即调整管的基极电位降低(高);由于电路采用射极输出形式,所以输出电压必然降低(升高),从而使输出电压得到稳定。
由于输出电流较大,为防止电流过大烧坏调整管,需要选择功率中等或者较大的三极管。
根据手册,选择型号为2N1711的三极管,可以满足要求。
运放选择3554SM,可以满足要求。
稳压电路电路图如下所示
图2.4
3、仿真调试
用Multisim12对上述设计进行仿真:
仿真电路如下:
图2.5
其中负载电阻用一个总阻值为10K欧姆的滑动变阻器代替,以观察在不同阻值下的输出电压是否稳定在5伏。
用万用表XMM1和XMM3分别测输出电压和输出电流。
用四通道示波器xsc1观测输出电压波形。
首先调整滑动变阻器R2使输出电压稳定在5伏。
下图所示为XMM1所显示的输出电压值,和示波器xsc1输出的波形。
图2.6
图2.7
把示波器设置为交流模式,测量纹波电压。
测试结果如下。
图2.8
可以看出纹波电压小于10mv,满足了电路要求。
改变负载值观测输出电压是否变化。
在仿真电路中负载是一个10K欧姆的滑动变阻器。
调节滑动变阻器的阻值用万用表测量输出电压。
测试发现在负载电阻从0到10K欧姆变化时,输出电压
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