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1、模拟电子技术课程设计报告直流稳压电源设计专业:班级:姓名:学号:指导老师:日 期 : 2014 年 6 月 10 日直流稳压电源设计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
2、路；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。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，会影响负载电路的正常工作。采用电容滤波电路可
3、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保证在变压器副边电压u2的整个周期内，负载
4、上的电压和电流方向始终不变。设变压器副边电压为u22U 2sin wt ,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 u0 = - 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 | 2U2sin t | 。图 1.2 所示为单相
5、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UO(AV)和输出电流平均值IO(AV)根据图 1.2 中所示uo的波形可知，输出电压的平均值1U O(AV )2U 2sin td( t)0解得输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值）U O( AV )2 2U 20.9U2I O(AV )UO(AV )RL0.9U 2RL（ 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
6、，使输出电压趋于平滑。1.31.4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D1、 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bc 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uc大于u2从而导致D1、 D3反向偏置而变为截止。此后，电容C继续通过RL放电，uc按
7、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RL C放电的起U Omax U Omin 2图 1.5始斜率直线下降，经RLC交于横轴，且在T/2 处的数值为最小值UO min，则输出UO (AV )UO max UO min T/2UO maxRLCU O max UO minUO max
8、 UO minTUO(AV )UO maxU O max(1224RlC( 1.2.1 )UO(AV) 2U(2 1 - T )( 122 )4RLC( 1.2.2 )式 ( 1.2.2 ) 表 名 ， 当 负 载 开 路 ， 即 RL时 ， UO(AV)2U2 。 当RLC (3 5)T/2时，UO(AV) 1.2U 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10% ，电容的耐压值应大于1.1 2U23) 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，但是，一由于输出电
9、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为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。本节将基本调整管电路图 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1.6 所示。其稳压原理简述如下。当电网电压波动引起UI 增大，或负载电阻RL 增大时，输出电压UO将随之增即晶体管发射极电位U E 升高； 稳压管端电压基本不变，即晶体管基极电位UBUBE(=UB -UE )减小，导致IB( IE)减小，从而使UO减小；UO基本不变。当 U
10、I 减小或负载电阻RL 减小时， 变化与上述过程相晶体管基极的最大电流为(IZmax - IZmin) ，因而图1.6 所示的最大负载电流ILmax=(1+)( IZmax - I Zmin )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U CES ; 即应满UI UO + UCES的条件。具有放大环节的串联型稳压电源图 1.7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R1、R2和R3为输出电压
11、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U O 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 O必然降低（升高），从而使UO得到稳定。可简述如下：UOUNUBUO输出电压的可调范围：R1R2R3 UZ UOR1R2R3 UZR2R32、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
12、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整流电路和半波整流电路相比，在相同的变压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，增大负载电流；在电路中引入深度电压负反馈使输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，变压后整流后是高低频的
13、滤波电路，最后是由采样电路、比较放大电稳压后为了进一步得到更加稳在稳压电路后再对其进行小小的率波，最后得到正负输出的稳压电源。变压电路全波整流滤波电路采样电基准电压输出滤波电路2.1 电路框图图 2.2电路设计图2）电路设计及元器件的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2-3 伏左右，由 U CE U Imax U Omin ， U CE 为饱和管压降，区， U Omin5 伏以饱和管压降U CE =3 伏计算，为了使调整管工输入电压应大于8 伏。 电压器的功率要大。这里我们选择初级电压10:1 的电压器。变压器副边电压U2 =22V。采用单相桥式整流电路。
14、电路如图2.3所示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，U o( AV) ：12 2U 2U o(AV) =2U 2 sin t d ( t) =0.9 U20其中 U2为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得Uo(AV)=19.8。二极管承受的最大反向电压URmax2U 2 31v。考虑电网波动(通常波动为10%)我们可以得到Uo(AV)应该大于21.8V， 最大反向电压应该大于34.1V。 我们选择3N249可以满足要求。滤波电容的选择当滤波电容C1偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而C1偏大时，整流二极管导通角 偏小， 整流管峰值电流增大。不仅对
15、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大的三极管。根据手册，选择型号为2N1711的三
16、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图 2.43、仿真调试用 Multisim12 对上述设计进行仿真：仿真电路如下：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5 伏。 用万用表XMM1和 XMM3分别测输出电压和输出xsc1 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xsc1 输出的波形。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。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，只学理论是无法单纯的课本内容，并不能满足学生的需要，通过补充，达到内容的完善掌握模电的。教育之通病是教用脑的人不用手，不教用手的人用脑，所以一无所能。教育革命的对策是手脑联盟，结果是手与脑的力量都可以大到不可思议。