模電課程設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源

1、實(shí)用文檔模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)專業(yè):班級(jí):姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)老師：電子通信與物理學(xué)院日 期：2014年 6月 10日文案大全實(shí)用文檔直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)功能概述本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求為：設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源；輸入交流電壓220v;輸出 直流電壓5v;輸出電流1A;輸出最大紋波電壓小于10mV本文所設(shè)計(jì)的直流電源為單相小功率電源， 它將頻率為50Hz、有效值為220v 的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為輸出穩(wěn)定的 5v直流電壓。在負(fù)載電阻為幾十到幾千歐姆 時(shí)其輸出電壓穩(wěn)定，紋波電壓小于 10mw,最大輸出電流可達(dá)1A電路設(shè)計(jì)方面 采用電源變壓器電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成直流穩(wěn)壓電源

2、電路。 其中，整流電路采用單相橋式整流電路； 濾波電路采用電解電容濾波電路； 穩(wěn)壓 電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。直流電源在二、設(shè)計(jì)步驟1、原理分析單相交流電經(jīng)過(guò)電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的 直流電壓，具方框圖及如圖1.1所示。20 V50 Hz圖1.1電源變壓器是為了降低從電網(wǎng)輸入電壓的有效值。直流電源的輸入為220V的電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓有效值相差較大，因而需要通過(guò)電源變壓器降壓后，再對(duì)交流電壓進(jìn)行處理。變壓器副變電壓有效值 決定于后面電路的需要。整流電路把變壓器副邊的交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓。 即正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單 一方向的脈動(dòng)電壓，但整流電路的

3、輸出仍有較大的交流分量， 會(huì)影響負(fù)載電路的 正常工作。采用電容濾波電路可以有效減小電壓的脈動(dòng)，使輸出電壓平滑。交流電壓通 過(guò)整流、濾波后雖然變?yōu)榉至枯^小的直流電壓， 但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者負(fù)載變 化時(shí)，其平均值也會(huì)隨之變化。為了穩(wěn)定電壓需要用到穩(wěn)壓電路。本文采用具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路， 可以使直流電壓基本不受電網(wǎng)電 壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。下面分別介紹一下各 個(gè)部分的原理。文案大全實(shí)用文檔(1)單相橋式整流電路為了克服單相半波整流電路的缺點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源采用單相全波 整流電路。電路組成圖1.2如上圖所示，單相橋式整流電路的主要部件是四個(gè)二極管，它們以

4、圖中所示 方式連接，構(gòu)成全波整流電路。工作原理其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊電壓 U2的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓和電 流方向始終不變。設(shè)變壓器副邊電壓為 U2 = V2U 2sin wt,U2為其有效值。當(dāng)U2為 正半周時(shí)，電流由D1正極流入，經(jīng)RL D3形成回路，因而負(fù)載電阻上的電壓等 于變壓器副變電壓，即U0 = U2,D2和D4管承受的反向電壓為-U2。當(dāng)U2為負(fù)半 周時(shí)，電流由D2正極流入，經(jīng)過(guò)RL、D4形成回路，因而負(fù)載電阻上的電壓-U2, 即U0 = - U2,D1、D3承受的反向電壓為 小。由于D1、D3和D2、D4兩對(duì)二極管交替導(dǎo)通，致使負(fù)載電阻 RL上在U2的整 個(gè)周期內(nèi)都有

5、電流通過(guò)，而且方向不變，輸出電壓 U2=|J2U2sin 0t|o圖1.2所 示為單相橋式整流電路各部分電路各部分的電壓和電流波形。輸出電壓平均值UO(AV)和輸出電流平均值IO(AV)根據(jù)圖1.2中所示U0的波形可知，輸出電壓的平均值UO(AV)=12U2Sin td( t) ji 0解得文案大全實(shí)用文檔UO(AV)=2. 2U2兀0.9U2輸出電流的平均值（即負(fù)載電阻中的電流平均值）IO(AV)=UO(AV)Rl0.9U2Rl（2）電容濾波電路電容濾波電路是最常見(jiàn)也是最簡(jiǎn)單的濾波電路，在整流電路的輸出端（即負(fù) 載電阻兩端）并聯(lián)一個(gè)電容即構(gòu)成電容濾波電路， 如圖1.3所示。濾波電容容量 較大

6、，因而一般均采用電解電容，在接線時(shí)要注意電解電容的正負(fù)極。 電容濾波 電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。圖1.3圖1.4濾波原理當(dāng)變壓器副邊電壓 平處于正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓 uc時(shí)，二極管 D1、D3導(dǎo)通，電流一路流經(jīng)負(fù)載電阻 Rl,另一路對(duì)電容C充電。因?yàn)樵诶硐肭?況下，變壓器副邊無(wú)損耗，二極管導(dǎo)通電壓為零，所以電容兩端電壓uc與U2相等，見(jiàn)圖1.4中曲線的ab段。當(dāng)U2上升到峰值后開始下降，電容通過(guò)負(fù)載電阻 Rl放電，其電壓uc也開始下降，趨勢(shì)與U2基本相當(dāng)，見(jiàn)圖1.4中曲線的bc段。 但是由于電容按指數(shù)規(guī)律下降，所以當(dāng) U2下降到一定數(shù)值后，uc的下降速度小 于U2

7、的下降速度，使uc大于u2從而導(dǎo)致D1、D3反向偏置而變?yōu)榻刂?。此后，電文案大全?shí)用文檔容C繼續(xù)通過(guò)Rl放電，uc按指數(shù)規(guī)律緩慢下降，見(jiàn)圖1.4的cd段。從圖1.4所示波形可以看出，經(jīng)濾波后的輸出電壓不僅變得平滑，而且平均 值也得到提高。輸出電壓平均值U O max U Omin 2濾波電路輸出電壓波形難于用解析式來(lái)描述，近似估算時(shí)，可將圖 1.4所示 波形近似為鋸齒波，如圖1.5所示。圖中T為電網(wǎng)電壓的周期。設(shè)整流電路內(nèi)阻 較小而RlC較大，電容每次充完電均可以達(dá)到 U2的峰值，然后按RlC放電的起 始斜率直線下降，經(jīng)RlC交于橫軸，且在T/2處的數(shù)值為最小值Uomin,則輸出 電壓平均值為

8、Uo(AV)圖1.5同時(shí)按相似三角形關(guān)系可得U。 max 一 Uo min _ T/2UOmaxRlC-U O max(1 -T4RlCU O max U O minU O max - U O minUO(AV) - - UO max 22(1.2.1)因而UO(AV)= V2U2(1-)4RlC(1.2.2)式(1.2.2)表名，當(dāng)負(fù)載開路,即 Rl=8 時(shí),UO(AV)=&U2。當(dāng) RlC = (35)T/2Uo(AV) 1 .2U 2為了獲得較好的濾波效果，在實(shí)際電路中，應(yīng)選擇濾波電容的容量滿足文案大全實(shí)用文檔RlC= (35)T/2的條件。由于采用電解電容，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為1

9、0%,電容的耐壓值應(yīng)大于1.1/2U2(3)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換成較為平滑的直流電壓，但是，一 方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副變電壓有效值，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，內(nèi)阻上的電壓將產(chǎn)生變化，于是輸出電壓平均值也將隨 之產(chǎn)生相反的變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。本節(jié)將 對(duì)穩(wěn)壓管電路的組成、工作原理和電路參數(shù)的選擇一一加以介紹?；菊{(diào)整管電路圖1.6將穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的輸出電流作為晶體管的基極電流，而晶體管的發(fā)射極電流作為負(fù)載電流，電路采用射極輸出形式，如圖

10、1.6所示。其穩(wěn)壓原理簡(jiǎn)述如下。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起UI增大，或負(fù)載電阻R增大時(shí)，輸出電壓UO將隨之增 大，即晶體管發(fā)射極電位Ue升高；穩(wěn)壓管端電壓基本不變，即晶體管基極電位UB 基本不變；故晶體管的UBE(= UB - UE )減小，導(dǎo)致IB(IE)減小，從而使UO減?。?因此可以保持UO基本不變。當(dāng)Ui減小或負(fù)載電阻RL減小時(shí)，變化與上述過(guò)程相晶體管基極的最大電流為(Izmax - Izmin),因而圖1.6所示的最大負(fù)載電流I Lmax=(1+:)( iZmax - I Zmin )這也就大大提高了負(fù)載電流的調(diào)節(jié)范圍。輸出電壓為Uo= Uz - Ube調(diào)整管必須工作在放大狀態(tài)，因此其管壓降

11、應(yīng)大于飽和管壓降Uces;即應(yīng)滿足Ui -Uo + Uces的條件。具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源文案大全實(shí)用文檔圖1.7電路的組成：具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓電路，比較放大電路和采樣電路組成。如圖1.7所示晶體管T為調(diào)整管，電阻R與穩(wěn)壓管Dz構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路， 電阻Ri、R2和R3為輸出電壓采樣電路，集成運(yùn)放作為比較放大電路。調(diào)整管、 基準(zhǔn)電壓電路、采樣電路和比較放大電路是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成部分。穩(wěn)壓原理：當(dāng)由于某種原因使輸出電壓U。升高（降低）時(shí)，采樣電路將這一變化趨勢(shì) 送到A的反相輸入端，并與同相輸入端電位Uz進(jìn)行比較放大；A的輸出電壓，即 調(diào)整管的基極電位降低（升高）；

12、因?yàn)殡娐凡捎蒙錁O輸出形式，所以輸出電壓 Uo 必然降低（升高），從而使U。得到穩(wěn)定。可簡(jiǎn)述如下：Uo t-Un t-UbJ - Uo J輸出電壓的可調(diào)范圍:R R2 &R2R3UzMUoMR旦鳥2、電路設(shè)計(jì)（1）方案選擇我所設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源包括變壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。其中，變壓電路采用降壓變壓器降壓。對(duì)于其余幾個(gè)電路下面進(jìn)行比較選擇整流電路選擇：文案大全實(shí)用文檔可選的整流電路包括：半波整流電路和全波整流電路。再本次設(shè)計(jì)中我選擇 單相橋式全波整流電路。單相橋式整流電路和半波整流電路相比， 在相同的變壓 器副邊電壓下，對(duì)二極管的參數(shù)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器 利用率

13、高、脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。濾波電路選擇：因?yàn)殡娙轂V波電路簡(jiǎn)單易行，輸出電壓平均值高，適用于本次設(shè)計(jì)，所以我 選擇電容濾波電路承擔(dān)濾波作用。穩(wěn)壓電路選擇：穩(wěn)壓電路選擇串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)， 利用晶體管的電流放大作用，增大負(fù)載電流；在電路中引入深度電壓負(fù)反饋使輸 出電壓穩(wěn)定；并且，通過(guò)改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。綜上所述：采用單相橋式整流電路、電容濾波電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路構(gòu)成本次設(shè) 計(jì)的主要電路。(2)電路框圖和電路設(shè)計(jì)圖整體電路的框架如下圖所示，先有22V-15V的變壓器對(duì)其進(jìn)行變壓，變壓后 再對(duì)其進(jìn)行整流，整流后是高低頻的濾波電路，最后是由采樣電路、比較放大電 路和

14、基準(zhǔn)電路三個(gè)小的單元電路組成的穩(wěn)壓電路， 穩(wěn)壓后為了進(jìn)一步得到更加穩(wěn) 定的電壓，在穩(wěn)壓電路后再對(duì)其進(jìn)行小小的率波，最后得到正負(fù)輸出的穩(wěn)壓電源。變壓電路全波整流圖2.1電路框圖采樣電路濾波電路輸出濾波電路文案大全實(shí)用文檔iriiJii i :R1 ： 4000圖2.2電路設(shè)計(jì)圖(2)電路設(shè)計(jì)及元器件的選擇電壓器的設(shè)計(jì)和選擇本次課程設(shè)計(jì)的要求是輸出5伏直流電源，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 U CE = U Imax U Omin , U ce為飽和官壓降，區(qū)，U Om in 為最小的輸入電壓，這里為 5伏以飽和管壓降Uce=3伏計(jì)算，為了使調(diào)整管工 作在放大區(qū)，輸

15、入電壓應(yīng)大于8伏。電壓器的功率要大。這里我們選擇初級(jí)電壓 比次級(jí)電壓為10:1的電壓器。變壓器副邊電壓 U2=22V。整流電路的設(shè)計(jì)及整流二極管的選擇米用單相橋式整流電路。電路如圖2.3所示圖2.3二極管的選擇：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(shí),我們可以得到二極管的平均電壓為Uo(av)：文案大全實(shí)用文檔U o( AV) = - 0 2U二02 . 2U22 sin t d ( t) =0.9 U 2JI其中U 2為變壓器次級(jí)交流電壓的有效值。我們可以求得 Uo（AV）=19.8。二極 管承受的最大反向電壓URmax=U2U2 = 31v。考慮電網(wǎng)波動(dòng)（通常波動(dòng)為10

16、%我 們可以得到Uo（av）應(yīng)該大于21.8V,最大反向電壓應(yīng)該大于34.1V。我們選擇3N249 可以滿足要求。濾波電容的選擇當(dāng)濾波電容Ci偏小時(shí)，濾波器輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)大；而 C1偏大時(shí)，整流二極管 導(dǎo)通角8偏小，整流管峰值電流增大。不僅對(duì)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。根據(jù)電路的 實(shí)際情況和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)我選擇了電容值為 4700UF的電容。穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行比

17、較放大， 運(yùn)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，為防止電流過(guò)大燒壞調(diào)整 管，需要選擇功率中等或者較大的三極管。根據(jù)手冊(cè)，選擇型號(hào)為2N1711的三極管，可以滿足要求。運(yùn)放選擇 3554sM可以滿足要求。穩(wěn)壓電路電路圖如下所示文案大全實(shí)用文檔1DOODU12N1 了 H -R1 ；40QQiFR22000 ：Key=AR3 ： 30QQD2 02BZ2.2圖2.43、仿真調(diào)試用Multisim12對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真:仿真電路如下：q I：: Hl：1 H:：J I： ： ： ：； ： ： ： 12 V ：；：圖2.5其中負(fù)載電阻用一個(gè)總阻值為10K歐姆的滑動(dòng)變阻器代替，以觀察在不同阻 值下的輸出電壓是否穩(wěn)定在5伏。用萬(wàn)用表XMM和XMM分別測(cè)輸出電壓和輸出 電流。用四通道示波器xscl觀測(cè)輸出電壓波形。首先調(diào)整滑動(dòng)變阻器R2使輸出電壓穩(wěn)定在5伏。下圖所示為XMM所顯示的 輸出電壓值，和示波器xscl輸出的波形。文案大全實(shí)用文檔圖