可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì).doc

直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)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)要求基本要求：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。基本指標(biāo)：輸出電壓調(diào)節(jié)范圍：0-6V，或0-8V，或0-9V，或012V；最大輸出電流：在0.3A-1.5A區(qū)間選一個(gè)值來設(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%Vo），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：T整流濾波穩(wěn)壓負(fù)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?，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。為了減小電壓的脈動(dòng)，需通過低通濾波電路濾波，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。然而，由于濾波電路為無源電路，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Ui。實(shí)際上，理想變壓器滿足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。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)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)wt=0時(shí)，Uo =U2sinwt;當(dāng)wt=2時(shí)，Uo=0。所以，求解Uo的平均值Uo(AV)，就是將0的電壓平均在02時(shí)間間隔之中，如圖（3）所示，寫成表達(dá)式為: Uo(AV)=1/202U2sinwtd(wt) 解得: Uo(AV)=2U2/0.45U2負(fù)載電流的平均值: Io(AV)= Uo(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)際流過二極管平均電流，即IFIDO=ULO/RL=0.45U2/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URURM =U2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路，最常用的是單相橋式整流電路。如圖（4）所示圖（4） 全波橋式整流電路設(shè)變壓器次級(jí)電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m為其幅值，U2為有效值，負(fù)載電阻為100。在電壓U2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U2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。U2和UL的波形如圖（5）所示，顯然，輸入電壓是雙極性，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UOL=2U2m/p=U20.9U2=0.92220V 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IFIDO=0.5ULO/RL =0.45U2/RL=0.4520/10090mAb）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URURM =U2=1.420=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：圖（6） 單相橋式整流電容濾波電路該電路工作原理：設(shè)U2= U2msinwt=U2sinwt，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U2一方面向RL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)阻很小），所以，很快充滿電荷，使電容兩端電壓UC基本接近U2m，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的正半周期由零開始上升，因?yàn)榇藭r(shí)電容上電壓UC基本接近U2m，因此U2UC，D1、D2、D3、D4管均截止，電容C通過RL放電，由于放電時(shí)常數(shù)td=RLC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)，U2仍按 U2sinwt的規(guī)律上升，一旦當(dāng)U2UC 時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，U2對(duì)C充電。然后，U2又按 U2sinwt的規(guī)律下降，當(dāng)U2UC 時(shí)，二極管均截止，故C又經(jīng)RL放電。同樣，在U2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，電容上的電壓不斷進(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= UC，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）RLC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 RLC(35)T/2 式中，T為交流電源電壓的周期。由上式可以解得 C =(35)T/2 RL400Fb）RL越小輸出電壓越小。若C值一定，當(dāng)RL，即空載時(shí)有ULO= U21.4 U2。當(dāng)C=0，即無電容時(shí)有ULO0.9 U2。當(dāng)整流電路的內(nèi)阻不太大（幾W）和電阻RL電容C取值滿足上式時(shí)，有ULO(1.11.2) U2 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：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的取值范圍。參見圖（7），設(shè)為保證穩(wěn)壓作用的所需的流過穩(wěn)壓二極管的最小電流為Izmin，為防止電流過大從而造成損壞所容許的流過穩(wěn)壓二極管的最大電流為Izmax，即要求IzminIzI2max。當(dāng)UI最大和RL開路時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時(shí)應(yīng)有；當(dāng)UI最?。ú恍∮赨z）和RL最?。ú辉试S短路）時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時(shí)應(yīng)有。即 一般來說，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)部有過熱保護(hù)、過流保護(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Co用于消除輸出電壓中的高頻噪音，可取小于1F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。圖（8） 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+R2/R)1.25V為了減少R2上的紋波電壓，可在其上并聯(lián)一個(gè)10F電容C。但是，在輸出開路時(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：圖（9） LM317的外加保護(hù)電路由于設(shè)計(jì)要求電壓從零開始調(diào)起，LM317集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓補(bǔ)償電路來抵消LM317的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Uo=U-UD,其中，U為L(zhǎng)M317的輸出端電壓，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的基準(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)通壓降來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)R2 減少,使U3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