可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計完整版

1、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計設(shè)計要求基本要求：短路保護，電壓可調(diào)。若用集成電路制作，要求具有擴流電路?；局笜耍狠敵鲭妷赫{(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)間選一個值來設(shè)計；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)電壓允許波動范圍+ -10% 。設(shè)計步驟1電路圖設(shè)計（ 1） 確定目標：設(shè)計整個系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個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)指標的要求，確定各模塊電路中元件的參數(shù)。（ 4）總電路

2、圖：連接各模塊電路。2. 設(shè)計思想（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，供給負載RL。電路設(shè)計（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

3、電源，具基本組成如圖（1）所示：負載圖（1）直流穩(wěn)壓電源的萬框圖直流穩(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?？梢钥闯觯麄兙休^大的交流分量，會影響負載電路的正常工作。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

4、濾波電路為無源電路，所以接入負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)電壓波動或者負載變化時，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。實際上，理想變壓器滿足Ii/I 2=U2/Ui=N2/Ni=1/n ,因此有Pi=e=UIi=U2l2。變壓器副邊與原邊的功率比為 P/ P 1

5、 二"，式中刀是變壓器的 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 o2 .整流電路（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=0九時，U0 =42 U2sin t；當(dāng)t=兀2九時，UO=0o所以，求解U0的平均值U0（av）,就是將0冗的電壓平均在02冗 時間間隔之中，如圖（3）所示，寫成表達式為：U0（av）=1/2 九工二 VUhsin td（ t）解得:U o（Av）=V%U

6、2/ 兀0.45U2負載電流的平均值:I o（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際流過二極管平均電流，即 If>I do=Uo/Rl=0.45U2/Rlb）二極管的最大反向工作電壓 UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓 URM 即 LR>LRm= 2U2單相半波整流電路簡單易行，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，對脈動要求不高的場合。（2）全波橋式整流電路為了克服單相半波整流電路的特點，在使用電路中多采用單相

7、全波整流電路，最常用的是單相橋式整流電路。如圖（4）所示rJi- J3B3設(shè)變壓器次級電壓L2=U2msin t= <2 U2sin t ,其中12m為其幅值，U2為有效值，負載電阻為100Q。在電壓L2的正半周期時，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 L2的負半周期時，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。L2和LL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舉UbI UL-.i0圖（5）

8、全波整流電路的波形UO=2LW =21U2=0.9U2=0.9X22=20V 兀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際流過二極管平均電。由于 4個二極管是兩兩輪流導(dǎo)通的，因此有 I f>| DG=0.5ULdRL=0.45U2/RL=0.45 X 20/100= 90mAb）二極管的最大反向工作電壓 S必須大于二極管實際所承受的最大反向峰 值電壓 URM 即 UR>URm=V2U2=1.4 X20=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、變壓器利用高、脈動小等優(yōu) 點

9、，因此得到廣泛的應(yīng)用。它的主要缺點是所需二極管的數(shù)量比較多，由于實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)一個電容即構(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= U2msin t= 22 U2sin t,由于是全波整流，因此不 管是在正半周期還是在負半周期，電源電壓 也一方面向RL供電，另一方面對電 容C進行充電，由于充電時間常數(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

10、電壓是不會 突變的?，F(xiàn)假設(shè)某一時刻U2的正平周期由零開始上升，因為此時電容上電壓UC基本接近 &m,因此U<UC, D1、D2、D3 D4管均截止，電容 C通過RL放電，由 于放電時常數(shù)d=RC很大（RL較大時），因此放電速度很慢，UC下降很少。與此同時，12仍按於U2sin t的規(guī)律上開，一旦當(dāng)U2>UC時，D1、D3導(dǎo)通，U2 對C充電。然后，U2又按U2sin t的規(guī)律下降，當(dāng)12<UC時，二極管均截止， 故C又經(jīng)R_放電。同樣，在12的負半周期也會出現(xiàn)與上述基本相同的結(jié)果。這樣在&的不斷作用下，電容上的電壓不斷進行充放電，周而復(fù)始，從而得到一近似于鋸齒

11、波的電壓UL= Uc,使負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：a) RLC越大，電容放電速度越慢，負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取 RlO(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 R l= 400仙Fb) R越小輸出電壓越小。若 C值一定，當(dāng)RL 8,即空載時有 U0 U2 = 1.4 U20當(dāng)C=0,即無電容時有ULo-0.9 U2o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，有ULo-(1.11.2) U 2總之，電容濾波適用于負載電壓較高、負載變化不大的場合4.穩(wěn)壓電

12、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)電壓波動時，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)負載變化時，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)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的原理實際上是利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時電流可在較大范圍內(nèi) 變動但

13、擊穿電壓卻基本不變的特點而實現(xiàn)的。當(dāng)輸入電壓變化時，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)負載電 阻變化時，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I zmin,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I zmin< IZ < I 2max。當(dāng)U最大和R開路時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時應(yīng)有R UImax Uz ；當(dāng)U

14、最小（不小于LZ）和RL最?。ú辉试S短路） I zmax時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時應(yīng)有 R UImin Uz。即I zmin U z / Rl minUImax Uz -UImm 5RI zmaxI zmin Uz / Rl min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)點是電路簡單， 所用元器件少；但是，因為受穩(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)，因此只適用于負載電流較小， 負載電壓不變的場合。（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

15、且內(nèi)部有過熱保護、過流保護等保護電路，可以 很安全的保護電路的正常工作。圖（8）時由LM317組成的基準電壓源電路，電 容Co用于消除輸出電壓中的高頻噪音，可取小于 1仙F的電容。輸入端和調(diào)整端 之間的電壓時非常穩(wěn)定的電壓，具值為 1.25V。輸出電流可達1.5A。比律-與 VOUTiGE - LM317AHR2.45n h iRI 1 -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，輸出電壓為Uo=(1+R2/R) X 1.25V為了減少R上的紋波電壓，可在其上并聯(lián)一個10仙F電容C。但是，在輸出開路時，C將向穩(wěn)壓器調(diào)整管發(fā)射結(jié)反偏，為了保護穩(wěn)壓器，可加二極管D2,提供一個放

16、電回路，D1,D2起保護作用。如圖（9）所示：D1LMi 占 ”一卜 I ' i| Fl I 1 I -! H t4l!l'IH|i|«FI-«RI-l4i哪2圖（9） LM317的外加保護電路由于設(shè)計要求電壓從零開始調(diào)起，LM3171成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需 要設(shè)計一個電壓補償電路來抵消LM3174n.25V最小輸出電壓，如圖（10）所示， 電壓補償電路由R和二極管D&成，其/&出電壓U=U-UD,其中，UJLM317勺輸出端 電壓，U為二極管D勺正向壓降。UD即為補償電壓。其值略大于LM317勺基準電壓（1.25V）,這里用兩只串聯(lián)的硅材料整流二極管的導(dǎo)通壓降來實現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)B減 少，使3達到與Ub相等時，輸出電壓即為0V。之后，當(dāng)調(diào)節(jié)R凌漸增大時，U0即由0V開始增大。由于負載電流流過D，故D的最大工