直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、1、總體設(shè)計(jì)思路1.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)思路在電子電路及設(shè)備中一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。 這次設(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的單向交流電壓轉(zhuǎn)換為幅 值穩(wěn)壓、輸出電流為幾十安以下的直流電壓。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。其基本設(shè)計(jì)思路如下：（1）電網(wǎng)供電電壓交流 220V（有效值）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

2、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=基本流程圖1.2直流穩(wěn)壓電源基本原理直流穩(wěn)壓電源是一種將 220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝 置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成。變壓環(huán)節(jié)由于直流電壓源輸入電壓為 220V電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的 數(shù)值遠(yuǎn)小于電網(wǎng)電壓，因此需通過(guò)電源變壓器降壓后，再對(duì)小幅交流電壓進(jìn)行處 理。變壓器的電壓比及副邊電壓有效值取決于電路設(shè)計(jì)和實(shí)際需要。整流環(huán)節(jié)變壓器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，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)

3、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 上圖所畫(huà)?？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； 例如，交流分量將混入輸入信號(hào)被放大電路放電， 甚至在放大電路的輸出端所混 入的電源交流分量大于有用信號(hào)；因而不能直接作為電子電路的供電電源。 應(yīng)當(dāng) 指出，圖中整流電路輸出端所畫(huà)波形是未接濾波電路時(shí)的波形，接入濾波電路后波形將有所變化。本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路，這種整流電路克服了單項(xiàng)半波整流電路輸出 電壓低，交流分量大（即脈沖大），效率低等缺點(diǎn)。濾波環(huán)節(jié)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)將交流分量全部濾掉，使濾波電路的

4、輸出電壓僅為直流電壓。 對(duì)于穩(wěn)定性 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。本設(shè)計(jì)采用LC濾波電路，這種電路具有較強(qiáng)適應(yīng)性，帶負(fù)載能力較強(qiáng)。二極管的導(dǎo)通角 較大，整流管的沖擊電流較小。穩(wěn)壓環(huán)節(jié)雖然整流濾波電路能將交流電壓變換成較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸入電壓平均值取決于變壓器副邊電壓的有效值，所以電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓平均值也隨之產(chǎn)生；另一方面，由于整流電路阻存在，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，阻 上的電壓將產(chǎn)生變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會(huì)隨著電網(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，必須采用穩(wěn)壓 措施。2各部分電路設(shè)計(jì)2.1變壓電路

5、設(shè)計(jì)變壓電路相對(duì)簡(jiǎn)單，僅有一個(gè)單相變壓器，變壓器將220V市電轉(zhuǎn)化為電路能承擔(dān)的電壓。理想變壓器滿(mǎn)足I 1 /I 2=U 2 /U 1 =N 2 /N 1 =1/n,因此Pi =P2 =UiI 2=U2I 1.變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1,式中是變壓器的效率。根據(jù)電路需要選擇適當(dāng)?shù)膯蜗嘧儔浩鳌?.2整流電路設(shè)計(jì)220V>、50Hz?'2u2整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。有半波整流和全波整流，最常用的是單相橋式整流電路。本設(shè)計(jì)也采用了單相橋式整流電路， 所謂橋式整流 電路，就是用二極管組成一個(gè)整流電橋。當(dāng)輸入電壓處于交流電壓正半周時(shí)，二極管Di、負(fù)載電阻RL、D

6、3構(gòu)成一個(gè)回路輸出電壓Uo=ui-UDi-UD3。輸入電壓處于交流電壓負(fù)半周時(shí)，二極管D2、負(fù)載電阻RL D4構(gòu)成一個(gè)回路，輸出電壓 Uo=ui-UD2 -UD4。-220 V50 HzA-220 V50 H/八6r丄+/j 十1-<單項(xiàng)橋式整流電路設(shè)變壓器的副邊電壓有效值為 U 2 ,則其瞬時(shí)值u2 八2 U 2 sin 31。 當(dāng)u 2為正半周時(shí)，電流由A點(diǎn)流出，經(jīng)D 1、Rl、D 3流入B點(diǎn)，因而 負(fù)載電阻R L上的電壓等于變壓器副邊電壓，即 u o = u 2，D 2和D 4管 承受的反向電壓為-u 2。當(dāng)u 2為副半周時(shí)，電流由B點(diǎn)流出，經(jīng)D 2、Rl 、D 4流入A點(diǎn)，負(fù)載電

7、阻Rl上的電壓等于-u 2，即u 0 =- u 2，D 1、D 3承受的反向電壓為u 2。由于D 1、D 3和D 2、D 4兩對(duì) 二極管交替導(dǎo)通，致使負(fù)載電阻 R L上在u 2的整個(gè)周期都有電流通過(guò)，而且 方向不變，輸出電壓u 0 =| / U 2 sin 3 t | 。單項(xiàng)橋式整流電路的波形圖通過(guò)上述分析，可以得到橋式整流電路的基本特點(diǎn)如下：（1）橋式整流輸出的是一個(gè)直流脈動(dòng)電壓。（2）橋式整流電路的交流利用率為 100%（3） 電容輸出橋式整流電路，二極管承擔(dān)的最大反向電壓為2倍的交流峰值電 壓（電容輸出時(shí)電壓疊加）。（4）橋式整流電路二極管的負(fù)載電流僅為半波整流的一半。（5）實(shí)際電路中，

8、橋式整流電路中二極管和電容的選擇必須滿(mǎn)足負(fù)載對(duì)電流的 要求。2.3濾波電路設(shè)計(jì)濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、 直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器 C對(duì)直 流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以 C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器 L對(duì)直流阻抗小， 對(duì)交流阻抗大，因此 L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過(guò)濾波電路后，既可保留直流分量、 又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)， 改善了直流電壓的質(zhì)量。濾波電路通常有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波。2.3.2 LC濾波電路設(shè)計(jì)由于LC濾波器具有良好的濾波性能，其帶負(fù)載能力強(qiáng)，二極管導(dǎo)通角大， 整流管的沖擊電流小。它是電容濾波電路和電感濾波電路的結(jié)

9、合。 其電路圖如下：LC濾波是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償手段，即 LC濾波器，也稱(chēng)為無(wú)源濾波器。2.4穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)穩(wěn)壓要求經(jīng)整流濾波后輸出的直流電壓，雖然平滑程度較好，但其穩(wěn)定性是比較差的。 其原因主要有以下幾個(gè)方面：1 由于輸入電壓（市電）不穩(wěn)定（通常交流電網(wǎng)允許有+ 10%的波動(dòng)），而 導(dǎo)致整流濾波電路輸出直流電壓不穩(wěn)定；2 當(dāng)負(fù)載RL變化（即負(fù)載電流IL變化時(shí)，由于整流濾波電路存在一定的 阻，使得輸出直流電壓發(fā)生變化；3.當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，引起電路元件（特別是半導(dǎo)體器件）參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生變化。所以，經(jīng)整流濾波后的直流電壓，必須采取一定的穩(wěn)壓措施，才能適合電子 設(shè)備的需要。常用的穩(wěn)壓

10、電路有并聯(lián)型和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路兩種類(lèi)型。穩(wěn)壓原理對(duì)任何穩(wěn)壓電路都應(yīng)從兩個(gè)方面考察其穩(wěn)壓特性，一是電網(wǎng)電壓波動(dòng)，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定；二是設(shè)負(fù)載變化，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定。穩(wěn)壓二極管是一個(gè)特殊的面接觸型的半導(dǎo)體硅二極管，其V-A特性曲線(xiàn)與普 通二極管相似，但反向擊穿曲線(xiàn)比較陡 穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，由于它 在電路中與適當(dāng)電陰配合后能起到穩(wěn)定電壓的作用，故稱(chēng)為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管反向電壓在一定圍變化時(shí)，反向電流很小， 當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時(shí)，反向電流 突然猛增，穩(wěn)壓管從而反向擊穿，此后，電流雖然在很大圍變化，但穩(wěn)壓管兩端 的電壓的變化卻相當(dāng)小，利于這一特性，穩(wěn)壓管訪(fǎng)問(wèn)就在電路到起到穩(wěn)壓的作用

11、 了。而且，穩(wěn)壓管與其它普能二極管不同之反向擊穿是可逆性的， 當(dāng)去掉反向電 壓穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常，但如果反向電流超過(guò)允許圍，二極管將會(huì)發(fā)熱擊穿，所以, 與其配合的電阻往往起到限流的作用。有穩(wěn)壓二極管 DZ和限流電阻R所組成的穩(wěn)壓電路是一種最簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路。其具體圖如下：出 叩兔穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，不能滿(mǎn)足很多場(chǎng)合下的應(yīng) 用。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)， 利用晶體管的放大作用，增大負(fù) 載電流；在電路中引入深度負(fù)反饋是輸出電壓穩(wěn)定； 并且通過(guò)改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù) 是輸出電壓可調(diào)。o基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路在上圖穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，負(fù)載電流變化圍等于穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定

12、電流和最小穩(wěn)壓電流之差(I Z max lZmin)。將穩(wěn)壓管電路輸出電流作為晶體管的基極電 流，而晶體管發(fā)射極電流作為負(fù)載電流，電路采用射極輸出形式。電路引入的是電壓負(fù)反饋，能夠穩(wěn)定輸出電壓。但它們與一般共集放大電路有著明顯區(qū)別：在 工作電源U l不穩(wěn)定，“輸出電壓”為穩(wěn)定電壓U Z，并且要求輸出電壓U O在U變化或負(fù)載電阻R變化時(shí)基本不變當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起U l增大，負(fù)載電阻Rl增大時(shí)，輸出電壓U。將隨之 增大，極晶體管發(fā)射極電位 UE升高；穩(wěn)壓管端電壓基本不變，即晶體管基基點(diǎn) 位U B基本不變；故晶體管的U be (=U B- U E)減小，導(dǎo)致IB ( IE)減少，從而使U O減小；因

13、此可以保持UO基本不變。當(dāng)U l減小或負(fù)載電阻Rl減小時(shí),變化與上述過(guò)程相反?？梢?jiàn)，晶體管的調(diào)節(jié)作用使 U。穩(wěn)定，所以晶體管為為調(diào) 整管。根據(jù)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流的分析已知,晶體管基極的最大電流為1 Z maxIzmin)，因此，最大負(fù)載電流為:1 L max(1)(lZ maxlz iZ min這也就大大提高了負(fù)載電流的調(diào)節(jié)圍。輸出電壓為Uo = Uz-Ube從上述穩(wěn)壓過(guò)程可知，想要是調(diào)整管起到調(diào)整作用，必須使工作在放大狀態(tài)，因 此其管壓降應(yīng)大于飽和管壓降 U CES ；電路應(yīng)滿(mǎn)足U l > = U O +U CES的條件。由于 調(diào)整管與負(fù)載相串聯(lián)，故稱(chēng)這類(lèi)電路為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源；由于

14、調(diào)整管工作在線(xiàn)性 區(qū)，故稱(chēng)這類(lèi)電路為線(xiàn)性穩(wěn)壓電源。243可調(diào)穩(wěn)壓電路實(shí)用設(shè)計(jì)電路往往要求輸出電壓可調(diào)， 增加穩(wěn)定性，所以在基本調(diào)整管穩(wěn)壓 電路的基礎(chǔ)上引入放大環(huán)節(jié)。構(gòu)成具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路， 其電路圖如下：在理想運(yùn)放條件下， 時(shí)，輸出電壓最小，為Un Up Uz 0所以，當(dāng)電位器R滑動(dòng)到最上端O minRR3R4 ?uR3R4' Z輸出電壓可調(diào)圍:OmaxRR4R4?U若 R R R 300 ，U調(diào)整管的選擇：調(diào)整管的最大集電極電流I C maxI L max調(diào)整管承受的最大管壓降6V，則輸出電壓9V<UO<18V.U CE maxIm axU Omin當(dāng)電位器R3

15、的滑動(dòng)端在最下端是，輸出電壓最大，為調(diào)整管的最大功率損耗PC maxC maxC max在選擇T管時(shí)，應(yīng)保證其最大集電極電流、集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓和集電極最大耗散功率滿(mǎn)足I CM1 L maxU（BR）CEOIm axO min1 L maxIm axU O min3、總電路設(shè)計(jì)3.1總電路圖CU3.2電路工作原理變壓電路將220V市電經(jīng)過(guò)電源變壓器降壓后，變成15V左右的低幅交流電。 再通過(guò)整流電路將交流電流整流， 將正弦波電壓變成單一方向的脈動(dòng)電壓。然后通過(guò)LC濾波電路濾波，是輸出電壓平緩。最后通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓，采 用具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓，該電路可調(diào)

16、節(jié)輸出電壓，集成運(yùn)放工作在深度負(fù)反饋，輸出電阻趨于零，因而電壓相當(dāng)穩(wěn)定。4、直流穩(wěn)壓電源的相關(guān)參數(shù)對(duì)于直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，要考慮到其中幾項(xiàng)重要參數(shù)，如輸出電壓，輸 出電流的平均值，以及脈動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)等。 對(duì)于輸入電壓，穩(wěn)壓管和限流電阻的選 擇也是不可忽視的。在此章節(jié)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和總結(jié)。1).輸出電壓平均值就是負(fù)載電阻上電壓的平均值 U O ( AV )。1O(AV ) = 2 nU 2 sin 3 td( 31)推導(dǎo)計(jì)算得_ V2u 2U O ( AV )=n0.45 U 2負(fù)載電流的平均值I_UO ( AV )=O ( AV )Rl0.45URl將整流輸出電壓的基波峰值U 01 M與輸出電

17、壓平均值U o(AV )之比定義為整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S，即可得出：S=U 01 M / U O ( AV )則單項(xiàng)橋式整流電路，輸出電壓的平均值2 V2u 23 t)=-3 td(1 nU o ( av ) = _2 U 2 sinn 0由此推出輸出電流的平均值O ( AVU)=O ( AV )0.9U 2 RlRl1)3)對(duì)于任何穩(wěn)壓電路,均可用穩(wěn)壓系數(shù)S r和輸出電阻R0來(lái)描述其穩(wěn)壓2)濾波電路輸出電壓平均值4 RlC )由此可推出脈動(dòng)系數(shù)性能。Sr定義為負(fù)載一定時(shí)穩(wěn)壓電路輸出電壓相對(duì)變化量與其輸入電壓相對(duì) 變化量之比，即Sr U o /U U I /U|RlU 1 ? AU oU o

18、 ' AU i|Rl常數(shù)Sr表示電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，其值愈小，電網(wǎng)電壓變化時(shí)輸出電壓的變化愈小。式中U I為整流濾波后的電流電壓。 穩(wěn)壓電路輸入電壓U I的選擇一般選取U I =（ 23） U 0Ro為輸出電阻，是穩(wěn)定電路輸入電壓輸入一定時(shí)輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比，即Ro U 0 IoRo表示負(fù)載電阻對(duì)穩(wěn)定性能的影響。5、穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)是指穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、最大紋波電壓與紋波抑制 比和溫度系數(shù)。1）穩(wěn)壓系數(shù)負(fù)載不變時(shí)，輸出電壓相對(duì)變化量和輸入電壓相對(duì)變化量之比，即S=（AU o / U o ）當(dāng)輸入電壓Ui在規(guī)定圍變動(dòng)時(shí)，輸出電壓U o的變化應(yīng)該很小，一般要求2）輸出電阻負(fù)載變化