模电课程设计直流稳压电源

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1、Isi砒 旨涔 淨世 四 議如醍寻曲巴渝aJIrsffi魅舸B 避：2014 屈 6 F 10 BM淞”脸直流稳压电源设计一、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

2、；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。直流电源在二、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。220 V50 Hz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

3、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。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。 工作原理其构成原则就是

4、保证在变压器副边电压u2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 = 2sinwt,U2为其有效值。当u2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u0 = u2,D2和D4管承受的反向电压为-u2。当u2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-u2, 即uO = - u2,D1、D3承受的反向电压为u2。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u2的整 个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压u2 =1迈U2sinotl。图1.2所

5、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。 输出电压平均值U。( AV)和输出电流平均值I。( AV)根据图1.2中所示uo的波形可知，输出电压的平均值1兀.U O(AV)=討 J2U2sinotd(ot)0解得u= 2QU2 j o.guO (AV)2输出电流的平均值(即负载电阻中的电流平均值)( AV)=切 0(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

6、于平滑。-220 V50 HzO -图1.3兀2兀图1.4滤波原理当变压器副边电压u2处于正半周并且数值大于电容两端电压uc时，二极管 DI、D3导通，电流一路流经负载电阻Rl，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uc与u2相 等，见图1.4中曲线的ab段。当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻 Rl放电，其电压uc也开始下降，趋势与u2基本相当，见图1.4中曲线的be段。 但是由于电容按指数规律下降，所以当U2下降到一定数值后，uc的下降速度小 于U2的下降速度，使u大于U2从而导致D1、D3反向偏置而变为截止。此后，电容C继续

7、通过Rl放电，uC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。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RLC较大，电容每次充完电均可以达到u2的峰值，然后按RlC放电的起 始斜率直线下降，经Rl C交于横轴，且在T/2处的数值为最小值UO .，则输出LO min电压平均值为U ) = UmaxUominO( AV)2图1.5 同时按相似三角形关系可得Uo-Uo T/2O max O min -

8、O maxUO( AV)UO+ UO “O max O min U O maxU - U “ T 、O max O min U()O max4r c 丿L(121)因而Uo(av)二禺U( - 4r cL(122)式(1.2.2)表名，当负载开路，即Rl时，UO(AV)-迈U2。当RLC (35)T/2时,UO (AV)沁12U 2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Rlc = (3 5)T/2的条件。由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为土 10%，电容的耐压值应大于1.K 2U2(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，

9、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。 基本调整管电路0 +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比增大，或负载电阻rl增大时，输出电压uo将随之增 大

10、，即晶体管发射极电位UE升高；稳压管端电压基本不变，即晶体管基极电位UB 基本不变；故晶体管的UBE (= UB -ue )减小，导致IB (IE)减小，从而使UO减小； 因此可以保持UO基本不变。当UI减小或负载电阻R减小时，变化与上述过程相 反。晶体管基极的最大电流为(IZ- IZ i )，因而图1.6所示的最大负载电流ZmaxZmin为Lmax(1+ 0 )(IZZmaxZmin这也就大大提高了负载电流的调节范围。输出电压为UO = Uz UBE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uces ；即应满 足U n U + UCES的条件。 具有放大环节的串联型稳压电源图1.

11、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DZ构成基准电压电路, 电阻R 1、R 2和R3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uo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UZ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U。 必然降低（升高），从而使UO得到稳定。可简述如下：UotfUNUB/

12、fUo/输出电压的可调范围:R + R + R12；R + R23R + R + R 12；R32、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

13、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

14、后得到正负输出的稳压电源。4全 波滤 波整电流路输出滤波电路图2.1电路框图2N1F11图2.2电路设计图(2)电路设计及元器件的选择 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U二U - U ,U 为饱和管压降，区，UCEImaxOmin CEOm in为最小的输入电压，这里为5伏以饱和管压降U =3伏计算，为了使调整管工 CE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U 2=22V。 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

15、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U:o( AV)U= U 2U sin t d(t) = 2 2 =0.9 U0( AV)兀02丿 兀2其中U2为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得U =19.8。二极 o(AV)管承受的最大反向电压URmax = J2U2 = 31v。考虑电网波动(通常波动为10%)我 们可以得到U应该大于21.8V,最大反向电压应该大于34.1V。我们选择3N249o(AV)可以满足要求。 滤波电容的选择当滤波电容C偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而C偏大时，整流二极管11导通

16、角。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。 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

17、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2N1711 1000QIFWV- 图2.43、仿真调试用Multisiml2对上述设计进行仿真: 仿真电路如下：XSC1-!ikH .14.3 醫-0V3-卜图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xsc 1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xsc 1输出的

18、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。確道示波器來匚1反向I保存IGNDrrr通道士通道JZ潼道_D通道_A -832.317 uV -832.317 uV 0.000 V时间 斗四1 s 4.29 Is 0.000 sT2-T1时基标度：X轴位移格）：0通道刻度：丫轴位移格）:触发边沿：CZJE水平:Ext回匝匝囲回壷|口 -： o ：:） BS匡SJBSI匡）冋年图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，输出电压基 本保持5伏电压不变。三、总结与体会本次课程设计，使我受益匪浅。我体会到了模电的学习不能只停留在书本上, 还要通过实践验证书上的理论。理论和实践之间是有巨大差距的，只学理论是无 法掌握模电的。