直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

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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

2、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= 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。 1.2.1 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

3、要。 1.2.1 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)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?，他們均含有較大的交流分量， 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

4、率低等缺點(diǎn)。 1.2.2 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。 1.2.3 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，由于整流電路內(nèi)阻存在，當(dāng)負(fù)載變

5、化時(shí)， 內(nèi)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 13 效率。根據(jù)電路需要選擇適當(dāng)?shù)膯蜗嘧儔浩鳌? 2.2整流電路設(shè)計(jì) 22

6、0V>、 50Hz? 2 u2 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、D3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 V 50 Hz A -220 V 50 H/ 八6 r 丄 + /\ j 十

7、 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

8、L上在u 2的整個(gè)周期內(nèi)都有電流通過(guò)，而 且方向不變，輸出電壓u 0 =| / U 2 sin 31 | 。 處］ 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，橋式整流電路中二極管和電容的選擇必須滿足負(fù)載對(duì)電流的 要求。 2.3濾波電路設(shè)計(jì) 2.3.1濾波的基本概念

9、 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)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

10、器，也稱為無(wú)源濾波器。 2.4穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 2.4.1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 內(nèi)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)壓電路

11、有并聯(lián)型和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路兩種類型。 2.4.2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特性曲線與普 通二極管相似，但反向擊穿曲線比較陡 ~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， 故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管反向 電壓在一定范圍內(nèi)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，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn) 壓管兩端的電壓的變化卻相當(dāng)小，利于

12、這一特性，穩(wěn)壓管訪問(wèn)就在電路到起到穩(wěn) 壓的作用了。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)允許范圍，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)。

13、 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)載電流變化范圍等于穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流和 最小穩(wěn)壓電流之差( IZmax— I Zmin )。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 I 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 I變化或負(fù)載電阻Rl變化時(shí)基本不變。 當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起U I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

14、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；因此可以保持UO基本不變。當(dāng)U I減小或負(fù)載電阻Rl減小時(shí), 變化與上述過(guò)程相反。可見(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 I Z max — I Zmin )，因此，最大負(fù)載電流為： I Lmax (1 )(I Z max I Z min Z min 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 U O=U Z-U BE 從上述穩(wěn)壓過(guò)

15、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)滿足U I > = UO +U CES的條件。由于 調(diào)整管與負(fù)載相串聯(lián)， 故稱這類電路為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源； 由于調(diào)整管工作在線性 區(qū)，故稱這類電路為線性穩(wěn)壓電源。 2.4.3 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 min R R3 R4 ?u R3

16、 R4 Z 輸出電壓可調(diào)范圍: Omax R R4 R4 ?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 max I L max 調(diào)整管承受的最大管壓降 6V，則輸出電壓9V

17、m ax O min 1 L max Im ax U O min 3、總電路設(shè)計(jì) 3.1總電路圖 —C U 3.2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)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

18、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 )。 1 O(AV ) = 2 n U 2 sin 3 td( 31) 推導(dǎo)計(jì)算得 _ V2u 2 U O ( AV )= n ?0.45 U 2 負(fù)載電流的平均值I _U O ( AV )=— O ( AV ) Rl 0.45U Rl 將整流輸出電壓的基波峰值 U 01 M與輸出電壓平均值U o(AV )之比定義為

19、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 3 td( 1 n U o ( av ) = _ 2 U 2 sin n 0 由此推出輸出電流的平均值 O ( AV U )=— O ( AV ) 0.9U 2 ? Rl Rl 2) 濾波電路輸出電壓平均值 Uo(av)=、2u 2(1 41TC) 由此可推出脈動(dòng)系數(shù)S 1/(4RlC 1) 3) 對(duì)于任何穩(wěn)壓電路，均可用穩(wěn)壓系數(shù)Sr和輸出電阻R。來(lái)描述其穩(wěn)壓 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

20、入電壓相對(duì) 變化量之比，即 Sr /U /U Rl 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 = （2~3） U 0 R。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=（A

21、 U 0 / U 0 ）當(dāng)輸入電壓Ui在規(guī)定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出電壓U 0的變化應(yīng)該很小, 般要求 2）輸出電阻 負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓 U 0應(yīng)基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的特性可 用輸出電阻表征。 R。=1 △ U 0 /△ loi R o反映伏在變動(dòng)時(shí)，輸出電壓維持恒定的能力， R 0越小，則1 0變化 時(shí)的輸出電壓的變化也越小。 3） 最大紋波電壓與紋波抑制比 疊加在輸出電壓上的波動(dòng)分量稱為最大紋波電壓，常用其峰一峰值 △ UOp-P 來(lái)表示，一般為毫伏級(jí)。紋波抑制比0表示，穩(wěn)壓電路輸入紋波電壓峰一峰值△ Up-p與輸出紋波電壓峰-峰值△ UOp-p之比，并取其分貝數(shù) 4） 溫度系數(shù) 良好的穩(wěn)壓電源，應(yīng)在環(huán)境溫度變化時(shí)， 有效地抑制輸出電壓的漂移，保持輸出 電壓穩(wěn)定，輸出電壓的漂移用溫度系數(shù)表示。溫度系數(shù)越小越好。