可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)完整版

1、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求基本要短路保護(hù)，電壓可調(diào)。若用集成電路制作，要求具有擴(kuò)流電路。求：輸出電壓調(diào)節(jié)范圍：0-6V ，或 0-8V ，或 0-9V ，或 012V ；基本指標(biāo)：最大輸出電流：在0.3A-1.5A 區(qū)間選一個(gè)值來(lái)設(shè)計(jì)；輸出電阻 Ro：小于 1 歐姆。其他：紋波系數(shù)越小越好（5%V0 , 電網(wǎng)電壓允許波動(dòng)范圍+ -10% 。設(shè)計(jì)步驟1電路圖設(shè)計(jì)（ 1）確定目標(biāo)：設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個(gè)模塊之間的信號(hào)傳輸，并畫(huà)出直流穩(wěn)壓電源方框圖。（ 2） 系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。（ 3） 參數(shù)選擇：根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)的要求，確定各模塊電路中元件

2、的參數(shù)。（ 4） 總電路圖：連接各模塊電路。2. 設(shè)計(jì)思想（1）電網(wǎng)供電電壓交流220V （有效值 ）頻率為 50Hz, 要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。（ 2）降壓后的交流電壓， 通過(guò)整流電路變成單向直流電， 但其幅度變化大（即脈動(dòng)大）。（ 3）脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過(guò)濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。（ 4）濾波后的直流電壓，再通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載RL 。電路設(shè)計(jì)（一）直流穩(wěn)壓電源的基本組成直流穩(wěn)壓電源是將頻率為50Hz 、有效值為 220V 的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅

3、值穩(wěn)定、輸出電流為幾十安以下的直流電源，其基本組成如圖（1 所示：整A流濾波穩(wěn)AA負(fù)壓nu 載圖（ 1）直流穩(wěn)壓電源的方框圖直流穩(wěn)壓電源的輸入為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)電壓的有效值相差較大，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(guò)整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動(dòng)電壓，半波整流電路和全波整流電路的輸出波形如圖所示?？梢钥闯觯麄兙休^大的交流分量，會(huì)影響負(fù)載電路的正常工作。為了減小電壓的脈動(dòng)，需通過(guò)低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。理想情況下，應(yīng)將交流分量

4、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(wú)源電路，所以接入負(fù)載后勢(shì)必影響其濾波效果。對(duì)于穩(wěn)定性要求不高的電子電路，整流、濾波后的直流電壓可以作為供電電源。交流電壓通過(guò)整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者負(fù)載變化時(shí)，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。（二）各電路的選擇1.電源變壓器電源變壓器 T 的作用是將電網(wǎng)220V 的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓 U。實(shí)際上，理想變壓器滿(mǎn)足li/l 2=U2/Ui=N/N i=1/n ，因此有卩12 。變壓器

5、副邊與原邊的功率比為i，式中n是變壓器的效率。=巳=口|1=直|P/P= n根據(jù)輸出電壓的范圍，可以令變壓器副邊電壓為22V, 即變壓系數(shù)為0.1 。2.整流電路（ 1）半波整流錯(cuò)誤！不能通過(guò)編輯域代碼創(chuàng)建對(duì)象。圖（ 2）半波整流電路圖（ 3）半波整流電路的波形圖整流電路如圖（ 2）所示，其輸出電壓平均值就是負(fù)載電阻上電壓的平均值UO（AV ）。從圖（ 3）所示波形圖可知，當(dāng)t=0? n 時(shí)， U0 = . 2 U 2 sin t; 當(dāng) t= n?2n 時(shí)，U0=O 。所以，求解U0 的平均值 U0（AV ），就是將 0? n 的電壓平均在0? 2n 時(shí)間間隔之中，如圖（ 3）所示，寫(xiě)成表達(dá)式

6、為：Ub（ Av ） =1/2 n；氣初U2sin td （ t）解得 ：U O（AV）= _U2/ n" 0.45U 2負(fù)載電流的平均值：I o（ AV ） = U O（ AV） /RL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(shí)際流過(guò)二極管平均電流，即IF>I DO =LLC/RL=0.45U 2 /RLb）二極管的最大反向工作電壓UR 必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URM 即卩 LR>LRM= <2U 2單相半波整流電路簡(jiǎn)單易行，所用二極管數(shù)量少。但是由于它只是利用了交流電壓的半個(gè)周期，所以輸出電壓低，交流分量大，效率

7、低。因此，這種電路僅適用于整流電流較小，對(duì)脈動(dòng)要求不高的場(chǎng)合。（2）全波橋式整流電路為了克服單相半波整流電路的特點(diǎn)，在使用電路中多采用單相全波整流電的是單相橋式整流電路。如圖（ 4）所示路，最常用圖（ 4）全波橋式整流電路設(shè)變壓器次級(jí)電壓L2=l2nsin t=2U2 sin t，其中 Um 為其幅值， U2 為有效值，負(fù)載電阻為 100 Q。在電壓 12 的正半周期時(shí)，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；在電壓的負(fù)半周期時(shí)，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。和UL 的波形如圖（ 5） 所示，顯然，輸入電壓是雙極

8、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圖（ 5）全波整流電路的波形UO=2L 2n / =LJu b 0.9U 2 =0.9 X 22" 20Vn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(shí)際流過(guò)二極管平均電。由于4 個(gè)二極管是兩兩輪流導(dǎo)通的，因此有FDG=0.5ULOL=0.45U2 L=0.45X 20/100?90mAI > I/R/Rb）二極管的最大反向工作電壓必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URM 即卩 UR>URM =V2U2=1.

9、4 X 20=28V單相橋式整流電路與半波整流電路相比，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、變壓器利用高、脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。它的主要缺點(diǎn)是所需二極管的數(shù)量比較多，由于實(shí)際上二極管的正向電阻不為零，必然使得整流電路內(nèi)阻較大，當(dāng)然損耗也就比較大。3. 濾波電路電容濾波電路是最常見(jiàn)的也是最簡(jiǎn)單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容即構(gòu)成電容濾波電路，如圖（6）所示 :0-?圖（ 6）單相橋式整流電容濾波電路該電路工作原理：設(shè)U2= U 2m sin t= 2 U2sin t ，由于是全波整流，因此不管是在正半周期還是在負(fù)半周期，電源電壓U

10、方面向 FL 供電，另一方面對(duì)電容 C 進(jìn)行充電，由于充電時(shí)間常數(shù)很?。ǘO管導(dǎo)通電阻和變壓器內(nèi)阻很?。?，很快充滿(mǎn)電荷，使電容兩端電壓UC 基本接近 12m ，而電容上的電壓是不會(huì)突變的?，F(xiàn)假設(shè)某一時(shí)刻U2 的正半周期由零開(kāi)始上升，因?yàn)榇藭r(shí)電容上電壓UC基本接近 U2m, 因此 uv U C， D1、 D2 D3 D4 管均截止，電容C 通過(guò) RL 放電，由于放電時(shí)常數(shù) d=RC 很大（ RL 較大時(shí)），因此放電速度很慢，UC 下降很少。與此同時(shí)， 12 仍按 22sin t的規(guī)律上升，一旦當(dāng)U2> C時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，U2 對(duì)C充電。然后，U2又按 2UUU2Sin t 的規(guī)律

11、下降，當(dāng)12v UC 時(shí)，二極管均截止 ,故 C 又經(jīng) FL 放電。同樣，在12 的負(fù)半周期也會(huì)出現(xiàn)與上述基本相同的結(jié)果。這樣在 U2 的不斷作用下，電谷上的電壓不斷進(jìn)行充放電，周而復(fù)始，從而得到一近似于鋸齒波的電壓 UL= U c, 使負(fù)載電壓的紋波大為減小。由以上分析可知，電容濾波電路有如下特點(diǎn)：a） FL C 越大，電容放電速度越慢，負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取L?5）T/2式中，T為交流電RC>（3源電壓的周期。由上式可以解得C =（3? 5）T/2 R L400 卩 Fb） R_越小輸出電壓越小。若C 值一定，當(dāng) RL %,即空載時(shí)

12、有U=.2 U2- 1.4 U 2 。當(dāng) C=0, 即無(wú)電容時(shí)有ULo- 0.9 U 2 。當(dāng)整流電路的內(nèi)阻不太大（幾） 和電阻 RL電容 C 取值滿(mǎn)足上式時(shí)，有ULo - （1.1? 1.2） U 2總之，電容濾波適用于負(fù)載電壓較高、負(fù)載變化不大的場(chǎng)合4. 穩(wěn)壓電路雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換為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邊電壓有效值，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)生相反的變化，于是輸出電壓平均值也將隨之產(chǎn)生相反的變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會(huì)隨著

13、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，隨著負(fù)載電阻的變化而變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。（1）簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路如圖（7）所示：229 VTW5G Hz .0-e .R3. 2 .圖（ 7）穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的原理實(shí)際上是利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)電流可在較大范圍內(nèi)變動(dòng)但擊穿電壓卻基本不變的特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸入電流將隨之變化，穩(wěn)壓管中的電流也將隨之同步變化，結(jié)果輸出電壓基本不變；當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)，輸出電流將隨之變化，但穩(wěn)壓管中的電流卻隨之作反向變化，結(jié)果仍是輸出電壓基本不變。顯然，穩(wěn)壓管反向擊穿特性曲線越陡峭，穩(wěn)壓特性越好。下面討論R 的取值

14、范圍。參見(jiàn)圖（ 7），設(shè)為保證穩(wěn)壓作用的所需的流過(guò)穩(wěn)壓二極管的最小電流為I zmin ，為防止電流過(guò)大從而造成損壞所容許的流過(guò)穩(wěn)壓二極管的最大電流為I zmax ，即要求 I zmin V |Z V I 2max 。當(dāng) U 最大和 R_ 開(kāi)路時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流最時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時(shí)應(yīng)有RUImin Uz 。即I zminU z /RL min大，此時(shí)應(yīng)有R Ulmax Uz；當(dāng)口 最?。ú恍∮赨）和 FL 最?。ú辉试S短路）zmax一般來(lái)說(shuō)，在穩(wěn)壓二極管安全工作的條件下，R 應(yīng)盡可能小，從而使輸出電U I maxU zUlminUzI zmaxI zminU z / RL

15、min流范圍增大。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，所用元器件少；但是，因?yàn)槭芊€(wěn)壓管自身參數(shù)的限制，其輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，因此只適用于負(fù)載電流較小，負(fù)載電壓不變的場(chǎng)合。（2）三端集成穩(wěn)壓器電路集成穩(wěn)壓器與簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路相比其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它可以通過(guò)外接元件使輸出電壓得到很寬的調(diào)節(jié)范圍。并且內(nèi)部有過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等保護(hù)電路，可以很安全的保護(hù)電路的正常工作。圖（8）時(shí)由LM317組成的基準(zhǔn)電壓源電路，電容C用于消除o輸出電壓中的高頻噪音，可取小于1 卩 F 的電容。輸入端和調(diào)整端之間的電壓時(shí)非常穩(wěn)定的電壓，其值為1.25V 。輸出電流可達(dá)1.5A 。LM317AH"di圖（ 8）

16、由 LM317 組成的穩(wěn)壓電路由于調(diào)整端的電流可忽略不計(jì)，輸出電壓為Uo=(1+R 2/R) X 1.25V為了減少艮上的紋波電壓，可在其上并聯(lián)一個(gè)10 卩 F 電容 C。但是，在輸出開(kāi)路時(shí)， C 將向穩(wěn)壓器調(diào)整管發(fā)射結(jié)反偏，為了保護(hù)穩(wěn)壓器，可加二極管D2, 提 供一個(gè)放電回路， D1,D2 起保護(hù)作用。如圖（9）所示：-LM317AHLHK!-wjaa?圖（ 9） LM317 的外加保護(hù)電路由于設(shè)計(jì)要求電壓從零開(kāi)始調(diào)起，LM31 集成穩(wěn)壓器不能直接滿(mǎn)足要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓補(bǔ)償電路來(lái)抵消LM317 勺 1.25V 最小輸出電壓，如圖（10 ）所示，電壓補(bǔ)償電路由 R3 和二極管 D 組成，其輸出電壓U0=U-U D,其中， U 為 LM317 勺輸出端電壓，UD 為二極管 D 的正向壓降。 UD 即為補(bǔ)償電壓。其值略大于LM317 勺基準(zhǔn)電壓（1.25V ），這里用兩只串聯(lián)的硅材料整流二極管的導(dǎo)通壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)局減少,使 Us 達(dá)到與 UD 相等時(shí) ,輸出電壓即為 0V 。之后 ,當(dāng)調(diào)節(jié) R2 逐漸增大時(shí) ,U0 即由0V 開(kāi)始增大。由于負(fù)載電流流過(guò)D , 故 D 的最大工作電流應(yīng)