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1、直流稳压电源直流稳压电源的设计郭良志1.任务的提出电子设备如黑白电视机一般都需要直流稳压电源供电，其所用的直流电源，通常是由电网提供的沟通电经过整流、滤波和稳压以后得到的。对于直流电源的主要要求，除了能输出不同电路所需要的电压和电流以外，还应做到，直流输出电压平滑，脉动成分小；输出电压幅值稳定，即当电网电压或负载电流波动时能保持基本稳定；沟通电变换时的转换效率高等。此次任务是设计一个输出电压为12V、输出电流为1.5A的直流稳压电源。2.设计目的通过直流稳压电源的设计、实验室实物实验，要求学会：1选择变压器、整流二极管、滤波电容、稳压电路来设计直流稳压电源；2把握直流稳压电路的调试及主要技术指
2、标的测试方法；3通过电路的设计能够加深对模拟电子课程知识的理解以及对知识的综合运用。3.设计要求在输入沟通电压为220V，50Hz的条件下：1输出直流电压为12V；2输出直流电流为1.5A。4.直流稳压电源的设计方案4.1详细组成形式根据要求，直流电源一般包括四个组成部分，即电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路，如图1所示。图1直流电源的组成4.2各个组成部分的作用1电源变压器电网提供的沟通电一般为220V或380V，而各种电子设备所需要的直流电压的幅值却各不一样。因而，经常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的二次电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值、2整流电路
3、电压电网220V电源变压器整流电路滤波器稳压电路负载整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦沟通电压整流成为单方向的脉动电压。但是，这种单向脉动电压往往包含着很多大的脉动成分，距离理想的直流电源还差得很远。3滤波器滤波器主要由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比拟平滑的直流电压。但是，当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出直流电压的幅值也将随之而变化。4稳压电路稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压再电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。5.电路的设计5.1直流稳压电源电路图根据直流稳压电源的组成原理，
4、设计直流稳压电源的电路如图2所示。图2直流稳压电源电路图5.2电路组成1采样电阻由两个100电阻和滑动电位器W组成。当输入电压发生变化时，采样电阻对变化量进行采样，并传送到放大电路的基极。2放大电路T构成，其作用是将采样电阻传送来的变换量进行放大，然后传放大电路是由三极管3T的基极。送到23基准电压D提供，接在三极管的发射级。采样电压与基准电压进行比拟，得基准电压由稳压管w到的差值再由三极管放大。4调整管调整管1T接在输入电压IU与输出端的负载电阻LR之间，当输出电压OU发生波动时，调整管的集电极电压产生相应的变化，使输出电压基本保持稳定。5.3电路的解释1.变压器变压器有多种类型，在设计电路
5、中，选择的是降压变压器，其作用是将来自电网的220V沟通电压1U变为整流电路所需的沟通电压2U。变压器的工作效率21=PP，1P为变压器的原边功率，2P为变压器的副边功率。当得出副边功率2P后，即可根据小型变压器的一般性选择原则，算出原边功率1P。既而选择适宜的变压器。2.整流电路在本设计电路中，整流所用的是单向桥式整流电路。如图3所示。电路中采用了四个二极管，接成电桥形式，故称为桥式整流电路。图3单向桥式整流电路整流电路的参数主要由下面几项：整流电路的输出直流电压即输出电压的平均值oV，整流电路输出电压的脉动系数S，整流二极管正向平均电流DI，以及整流二极管承受的最大反向峰值电压RMU。1输
6、出直流电压oV整流电路的输出直流电压oV是输出电压瞬时值ou在一个周期内的平均值，在桥式整流电路中，o22201=sintdt=0.9VU?1上式讲明，在桥式整流电路中，负载上得到的直流电压约为变压器二次电压有效值的90%。2脉动系数S整流电路输出电压的脉动系数S定义为输出电压基波的最大值omU与其平均值oV之比。为了估算omU，将桥式整流电路输出电压oV的波形用傅里叶级数表示如下：o22444u-cos2t-cos4t-cos6t-.31535?2式中第一项为输出电压的平均值，第二项即是其基波成分。由式可见，基波频率为2，基波最大值为om2=3U3因而脉动系数为2omoUSV=4即桥式整流电
7、路输出电压的脉动系数为67%。3二极管正向平均电流DI在桥式整流电路中，二极管12VDVD、和34VDVD、轮流导电，由图三能够看出，每个整流二极管的平均电流等于输出电流平均值的一半，即o1=2DII5当负载电流平均值已知时，可根据oI来选定整流二极管的DI。4二极管最大反向峰值电压RMU每个整流管的最大反向峰值电压RMU是指整流管不导电时，在它两端出现的最大反向电压。整流二极管承受的最大反向电压就是变压器二次电压的最大值，即2RMU63.滤波电路在本设计电路中，滤波所用的是电容滤波电路。将一个大电容1C与负载并联，即可组成电容滤波电路，如图4所示。图4电容滤波电路由于电容有维持其两端电压不变
8、的特性，因而，将电容与负载并联，将使负载两端的电压波形比拟平滑。根据分析可知，在电容滤波电路中，电容放电时间常数=RC负载愈大，放电经过愈慢，则输出直流电压愈高，同时脉动成分也愈小，即滤波效果愈好。当=RC负载时，输出直流电压2IV，脉动系数=0S。所以，应选择大容量的电容作为滤波电容。在实际工作中，为了得到比拟好的滤波效果，经常根据下式来选择滤波电容的容量在桥式整流情况下：=RC负载T3527式中T为电网沟通电压的周期。由于电容值比拟大，一般为几十至几千微法，通常选2。当滤波电容器的容值知足式7时，可以为输出直流电压近似为21.2IVU8此时脉动系数约为20%10%左右。4.硅管稳压电路整流
9、电路把沟通电转换为单方向的脉动电压，而滤波电路降低了输出电压中的脉动成分。但是，整流滤波电路的输出电压与理想的直流电源还有相当距离，主要存在两方面的问题：首先，当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，因而输出直流电压将随之发生变化。其次，当电网电压波动时，因整流电路的输出电压直接与变压器的二次电压2U有关，故也要相应地变化。为了得到愈加稳定的直流电源，需要再整流滤波电路后面再加上稳压电路。硅稳压管稳压电路的原理图如图5所示。图5硅稳压管稳压电路下面分析电路的稳压原理。1假设稳压电路的输入电压IU保持不变，当负载LR减小，负载电流LI增大时，由于电流在电阻R上的压降升高，输出电压oU将下降。
10、而稳压管并联在输出端，当稳压管两端的电压由一个很小的下降时，稳压管的电流将减小很多。由于=+RZLIII，因而RI也有减小的趋势。实际上是利用ZI的减小来补偿LI的增大，使RI基本保持不变，进而使输出电压也保持基本稳定。2假设负载电阻LR保持不变，由于电网电压升高而使IU生高时，则输出电压oU也将随之上升。但是，由稳压管的福安特性可见，此时稳压管的电流ZI将急剧增加，于是电阻R上的压降增大，以此来抵消IU的升高，进而使输出电压基本保持不变。5.4电路工作原理假设由于某种原因引起输出电压oU降低，即1T的发射极电压1TUE降低，由于DwU保持不变，进而造成1T发射结电压1TUBE上升，引起1T基
11、极电流1TIB上升，进而造成1T发射极电流1TIE被放大倍上升。由晶体管的负载特性可知，这时1T导通愈加充分，管压降1UTCE将迅速减小，输入电压IU更多的加到负载上，oU得到快速回升。整个调整经过能够使用下面的变化关系流程表示：oU1TUEDwU恒定1TUBE1TIB1TIE1UTCEoU。当输出电压上升时，整个分析经过与上面经过的变化相反，整个调整经过用下面的变化关系流程表示：oU1TUEDwU恒定1TUBE1TIB1TIE1UTCEoU。当输入电压IU降低等其他情况下，本设计电路的稳压工作原理都与上述经过类似，最终都是反响在输出电压oU的降低上，因而工作原理大致一样。5.5电路反应形式如
12、图一所示，本设计电路为串联负反应稳压电路。其中，12TT、组成复合管，wD提供基准电压，3T为比拟放大器，两个100电阻和滑动电位器W组成组成采样电路，LR是负载。假设由于某种原因引起输出电压oU增大时，通过两个100电阻和滑动电位器W的采样电路，引起3T基极电压3()TUB成比例上升，由于3T发射极电压3()TUE受稳压管wD的稳压值控制保持不变，所以3T发射结电压3()TUBE将增大，于是3T基极电流3()TIB增大，3T发射极电流3()TIE跟随增大，3T管压降3()TUCE减小，导致其发射极电压3()TUC下降，即调整管2T基极电压2()TUB将下降，2T管压降2()TUCE增大，同时
13、1T管基极电压1()TUB下降，1T管压降1()TUCE增大，使输入电压IU减少加到负载上，这样输出电压oU就下降。整个调整经过能够使用下面的变化关系流程表示：oU3()TUBwDU恒定3()TUBE3()TIB3()TIE3()TUCE3()TUC2()TUB3()TUCE1()TUB1()TUCEoU。当输出电压降低、输入电压IU或者是负载发生改变，输出电压oU的整个调整经过与上述情况类似，工作原理完全一样。在串联负反应稳压电源的整个稳压控制经过中，由于比拟放大电器3T的存在，输出电压oU的变化经过3T放大后再去控制复合管12TT、的基极，使电路的稳压性能得到加强。3T的值越大，输出的电压
14、稳定性越好。5.6相关参数的计算1输出电压调节范围本设计电路的一个优点是允许输出电压再一定范围内进行调节。这种调节能够通过改变采样电阻中电位器W的滑动端位置来实现。定性地看，当W的滑动端向上移动时，反应电压FU增大，使得复合管的BEU减小，则CEU增大，于是输出电压oV减小。反之，若W的滑动端向下移动，则oV增大。在计算中，当3()TUBE整流滤波电路的输出电压，即稳压电路的输入直流电压应为omax=+IVV38V。在这里，IV取23V。根据公式8，可得21.2IVU，因此219.2UV。由于变压器的输入电压为220V的沟通电，而变压器的输出电压为19.2V，根据变压器的变压原理，2211n1
15、9=n220UU1n为变压器初级线圈的匝数，2n为变压器次级线圈的匝数。各T的管脚电压已知经滤波电路后的输入电压=18IVV，故可得12()=()=18TTUCUCV1()=12VTUE12()=()=12.7TTUBUEV12()=()=12.7TTUBUEV另外，已知所选定的稳压管的稳定电压w=6DUV，故3()=6.7TUEV。3电流关系根据设计要求，输出电流为1.5A，即=1.5LIA因而，负载电阻o=8LLVRI。由电路图可知，1TLIIC。在原理图中，1T、2T为一样的三极管，设它们的放大倍数均为1，3T的放大倍数为2，在稳压管支路中，流过稳压管的电流wDI为：3w=+DTRIII
16、E。其中，ow-=DRVUIR由于wDI一般较小，为mA级，故流过限流电阻R的电流很小。所以11TTII1EB、12TTII1BB、2323ITTTCVUIIR-BCB、33TTIIEC4功率关系设稳压直流电源输出功率为oP，则oo=18LPVIW?；设经滤波后的输出电压为IP，由于整个电路的工作效率50%，可知I=36PW；在整流电路的分析中，已得o1=2DII，则变压器次级的输出电流的等效值2=Io1=0.752DIIA。设变压器次级的输出功率为iP，则i22=2=28.8PUIW?。设调整管1T的功率为1TP，1o=18TIPPPW-。5.7元器件参数的选择1变压器的选择根据设计要求，可
17、知输出功率o=18PW。由于整个电路的工作效率50%，可知I=36PW。要保证电路的正常工作，则所选择的变压器的副边功率240PW。此外，已知输出直流电压要求为12V，前面在滤波电路的分析经过中，已经计算得到21.2IVU，因此本电路中，选择的变压器输出电压为19.2V。214DD的选择首先，四个二极管的过流能力必须大于负载电流。在整流电路的分析中，业已得到相关的公式，因而选择maxDLII=1.5A的二极管。其次，二极管最大反向峰值电压227RMUV。3滤波电容1C的选择容量：在滤波电路的分析中，已经得到公式1=RC负载T352。式中T为电网沟通电压的周期。经计算，本设计电路中选择1C=30
18、00F的电解电容。耐压：由于电解电容的容量较大，而且由于电路的需要，1C2，约等于2IV24V。 (4)稳压管的限流电阻R的选择基准电压之路中的电阻R的作用是保证稳压管Dw的工作电流比拟适宜，通常使稳压管中的电流略大于其最小参考电流值wminDI。所选稳压管的最小电流wmin=5mADI，可以为ww-IDDVUIR=，故基准稳压管的限流电阻应为Iminwwmin-0.923-6=2.945DDVURKKI?15在本电路中，=2RK。52T的集电极电阻C3R以及负载电阻LR的选择选择100的电阻作为2T的集电极电阻3CR；根据设计需求，选择8的电阻作为负载电阻LR，以使得直流稳压电源的输出电流为
19、1.5A。6.Multisim仿真环境下仿真6.1软件简介Multisim是美国国家仪器NI有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描绘语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。设计的电路在Multisim中进行仿真，能够帮助我们熟悉本实验的基本步骤，同时，能够发现和解决设计的直流稳压电源电路所存在的问题，大大减小进入实验室后，进行实物实验时损坏元器件的可能。另外，仿真结果能够与实物实验的结果进行比照，有利于分析和解决实验中存在的问题。6.2Multisim仿真环境根据设计的电路，以及计算好的元器件参数，在仿真环境中，选择相应的器件，按照电路图，排布元器件并连线。连线完毕后，再次对照电路图，检查连线有无错误。检查无误后，方可进行下一步仿真实验。仿真环境中的电路如图6所示。图6直流稳压电源的仿真电路