可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、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?；局笜?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%V0,電網(wǎng)電壓允許波動范圍+ -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

2、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 脈動大）。（3）脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑， 脈動小的直流電， 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

3、組成如圖（1所示：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，會影響負(fù)載電路的正常工作。為了減小電壓的脈動，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

4、，所以接入負(fù)載后勢必影響其濾波效果。 對于穩(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U。實(shí)際上，理想變壓器滿足li/l2=U2/Ui=N/Ni=1/n，因此有卩1=巳=口|1=直|2。變壓器副邊與原邊的功率比為P/Pi=n，式中n是變壓器的 效率。根據(jù)

5、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.整流電路濾波穩(wěn)壓整流AAAnu負(fù)載（1）半波整流錯誤！不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對象。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)t=0n時(shí)，U0= . 2 U2sin t;當(dāng)t=n2n時(shí)，U0=O。所以，求解U0的平均值 U0（AV），就是將0n的電壓平均在02n時(shí)間間隔之中，如圖（3）所示，寫成表達(dá)式為：Ub（Av）=1/2n；氣初U2sin td（ t）解得：UO（AV）=_U2/n0.45U2負(fù)載電流的平均值：

6、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=LLC/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即卩LRLRM=IDG=0.5ULO/RL=0.45U2/RL=0.45X20/10090mAb） 二極管的最大反向工作電壓 必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰 值電壓URM即卩URURM=V2U2=1.4X20=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

7、利用高、脈動小等優(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單的濾波電路， 在整流電路的輸出端并聯(lián)0-圖（6）單相橋式整流電容濾波電路該電路工作原理：設(shè)U2= U2msin t=2U2sin t，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U方面向FL供電，另一方面對電 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?。?，所以，很快充滿電荷，使電容兩端電壓UC基本接近12m，而電容上的電壓是不會 突變的?，F(xiàn)假設(shè)某一時(shí)

8、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uv UC，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)d=RC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)，12仍按2U2sin t的規(guī)律上升，一旦當(dāng)U2UC時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，U2對C充電。然后，U2又按2U2Sin t的規(guī)律一個(gè)電容即構(gòu)成電容濾波電路，如圖（6）所示:下降，當(dāng)12vUC時(shí)，二極管均截止,故C又經(jīng)FL放電。同樣，在12的負(fù)半周期也會出現(xiàn)與上述基本相同的結(jié)果。這樣在U2的不斷作用下，電谷上的電壓不斷進(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,

9、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）FLC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 RL400卩Fb）R_越小輸出電壓越小。若C值一定，當(dāng)RL%,即空載時(shí)有U=.2U2-1.4 U2。當(dāng)C=0,即無電容時(shí)有ULo-0.9 U2。當(dāng)整流電路的內(nèi)阻不太大（幾 ） 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

10、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)電壓波動時(shí)，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的波動；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隨著電網(wǎng)電壓的波動 而波動，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229 VTW5G Hz.0-e.2.R3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)變動但

11、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IzminV|ZVI2max。當(dāng)U最大和R_開路時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時(shí)應(yīng)有RUlmax Uz；當(dāng)口最?。ú恍∮赨）和FL最小

12、（不允許短路）zmax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)載電壓不變的場合。（2）三端集成穩(wěn)壓器電路集成穩(wěn)壓器與簡單穩(wěn)壓電路相比其電路結(jié)構(gòu)簡單，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1卩F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

13、壓，其值為1.25V。輸出電流可達(dá)1.5A。時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時(shí)應(yīng)有RUImin Uz。即IzminUz/RL minRUz/RLminIzminUlminIzmaxUzUzUI max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)X1.25V為了減少艮上的紋波電壓，可在其上并聯(lián)一個(gè)10卩F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，LM31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勺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U0=U-UD,其中，U為LM317勺輸出端 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勺基準(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)局 減 少,LM317AHdi -LHK!-wjaa使Us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逐漸增大時(shí),U0即由0V開始增大。由于負(fù)載電流流過D ,故D的最大工作電流應(yīng)能適應(yīng)負(fù)載電流的要 求。下圖中輸出電壓的表達(dá)式為：UO=（1