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1、辽 宁 工 业 大 学 模拟电子技术基础 课程设计（论文）题目：直流稳压电源的设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化104 学 号： 学生姓名： 侯丹丹 指导教师： （签字）起止时间：2012.07.2-2012.07.13课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电子信息工程学 号学生姓名侯丹丹专业班级自动化104课程设计题目直流稳压电源设计课程设计（论文）任务设计参数：1 设计并制作一台串联型（连续调整式）直流稳压电源。2 输出直流电压。3 最大输出电流。4 稳压系数。5 具有过流保护功能。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、
2、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（1天）2、确定稳压电路，了解各部分电路作用，设计稳压电路图。（2天）3、建立稳压电路各个环节的传递框图。（2天）4、绘制稳压电路图。（2天）5、对
3、电路进行分析并进行电路参数计算。（2天）6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘 要 支流稳压电源是能够保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压的常用电子设备。直流稳压电源的供电大都是交流电源，当交流供电的电源或负载电阻发生变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变成
4、所需要的低压交流电，整流滤波器把交流电变成直流电。经滤波后，变压器再把不稳定的直流电压变成稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220v交流电，变为稳定的直流电，并实现电压可调。关键词：直流；稳压；变压目 录第1章 绪论1第2章 直流稳压电源设计方案论证22.1直流稳压电源的应用意义22.2直流稳压电源设计要求及技术指标22.3设计方案论证22.4总体设计方案框图及分析(如图2.2):4第3章 直流稳压电源各单元电路设计13.1降压电路设计13.2整流电路设计13.3滤波电路设计33.4稳压电路设计53.5保护电路设计8第4章 直流稳压电源
5、整体电路设计94.1整体电路图及工作原理如图4.1所示94.2电路参数计算9第5章 课程设计总结11参考文献12附录（器件清单）13 第1章 绪 论当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路-电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足
6、负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载直流稳压电源的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源等等1。根据调整管的工作状态，我们常把直流稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低(现在经常看的LDO就是为了解决
7、效率问题而出现的)；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。线性电源产品可广泛应用于科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线形电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领
8、域第2章 直流稳压电源设计方案论证2.1直流稳压电源的应用意义当今社会所有电子设备都有一个共同的组成部分电源电路。电子电路工作时所需要的电源与工业电器设备的电源不同，工业电气设备使用交流电源，而电子电路则采用直流电源。直流电源除电池外，还可以使用电源电路来获得。“电源”是电子电路和电子电路构成的各种电子设备中的“动力”，或者说是“核心”。没有它，电子电路及电子设备的功能将无法实现。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源，直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。
9、电源是为各种不同功能电路提供工作能量的原件。不同参数的电源有各种不同的用途。例如实验中的不同电源。而种类繁多电源中的直流稳压电源是必不可少的一份子。生活中直流稳压电源可以充电，带动随身听等。实验室中更是有众多实验需要直流电源。所以直流稳压电源在不同的领域都有着非常重要的意义。2.2直流稳压电源设计要求及技术指标1设计并制作一台串联型（连续调整式）直流稳压电源。2输出直流电压。3最大输出电流。4稳压系数。5具有过流保护功能。2.3设计方案论证方案一：串联反馈式稳压电路如图2.1是串联反馈式稳压电路的一般结构图。图中VI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它
10、由稳压管DZ与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路获得，R1，RP与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。这种稳压电路的主回路是其调整作用的BJT T与负载串联，故称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经过比较放大电路（A）放大后去控制调整管T的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压VO的目的。图2.1串联反馈式稳压电路一般结构图方案二：开关式稳压电路开关稳压电源将来自市电整流滤波不稳定的直流电压变换成交变的电压，然后又将交变电压转换成各种数值稳定的直流电压输出，因此开关稳压电源又称为DC/DC变换器（或称直流/直流变换器）。方案一：设计通过市电的输入，经过降压、整流
11、、滤波和稳压，最终获得稳定的直流电压。且结构简单，可用常用分立元器件，容易实现，技术成熟，完全能够达到技术参数的要求，造价成本低。方案二：工艺比较成熟，优点突出，已经成为宇航、计算机、通信、家用电器和功率比较大电子设备中电源的主流，应用日趋广泛。但主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子设备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件要求较高。综上所述，从经济角度、工艺成熟度、实际情况进行分析与考虑，采用方案一设计。2.4总体设计方案框图及分析(如图2.2):负载载U0调整管整流电路滤波电路比较放大电路基准电路取样电路UiUuri过流保护电路图2.2 总体设计方案框图各单元电路作用如下：交流降压电路
12、作用：电源电路中交流降压电路的作用，是将50Hz、220V的交流电压降低到所需要的电压值，因为电子电路是的直流工作电压通常比较低。通过降压后的电压仍然是交流电压，频率不变，只是电压值降了许多。交流降压电路主要有电源变压器（降压变压器）构成，变压器降压电路的另一个作用是进行交流市电的隔离（利用了变压器的隔离特性），是电子电路中的底板（印制电路板）不带市电，以保证使用安全。除电源变压器可以进行降压外，一些电气中还采用电容降压，这种降压方式的电路成本比较低，单安全性较差，在家用电子电器中应用不多。整流电路作用：整流电路的作用是将交流降压电流源输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电
13、的整流过程。整流电路主要由整流二极管构成。注意，经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上成为单向脉动性直流电。滤波电路作用：滤波电路的作用是将整流电路输出的单向脉动性直流电进行平滑，以获得直流电压，滤波过程实际上就是将单向脉动性直流电中的交流成分去掉，保留其中的直流电成分。经过滤波电路后的直流电压原则上可以直接攻击电子电路，作为电子电路的直流工作电压。这一直流电压虽然不够稳定，但是攻击一般电子设备中的电路使用已经没有问题。电源电路中的滤波电路又称为电源滤波电路，主要有滤波电容构成，还可以有滤波电感、电阻和三极管组成。稳压电路作用: 稳压电路的作用
14、是将电源滤波电路输出的直流电压进行稳压处理，以保证从稳压电路输出的直流电压大小不随其他因素的变化而变化。如负载大小变化或输入的交流市电电压大小变化时，稳压电路输出的直流工作电压则不变，这样可以从电源这一角度上保证整机电路的稳定工作。 第3章 直流稳压电源各单元电路设计3.1降压电路设计 交流市电的降压电路通过降压变压器或者电容来实现，通常是采用电源变压器进行交流降压。在电源电路中的变压器成为电源变压器。在电源变压器电路中，输入电压都是220V交流市电，从初级线圈1和2之间输入。降压后的交流电压从次级线圈输出，即从3和4端输出，如图2.1所示。2431图3.1 降压电路输入电压（220V市电情况
15、下）与输出电压关系的表达式： 其中和分别为1、2端（原边）和3、4端（副边）的线圈匝数。3.2整流电路设计整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用。因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率（1kW以下）整流电路中，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。 3.2单相桥式整流电路图1.工作原理：如图3.2.所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压 变成整流电路要求的交流电压=，是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管竭诚电桥的形式，故有桥式整流电路之称。2.负载上的直流电压 (3.2.1)式中恒定分量即为负载电压的平均值，因此
16、有 (3.2.2)直流电流为 (3.2.3)3.整流元件参数的计算在桥式整流电路中，二极管、和、是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为 （3.2.4）二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图2-2-2看出。在正半周期时，、导通，、截止。此时、所承受到得最大反向电压均为的最大值，即 （3.2.5）同理，在的负半周，、也承受同样大小的反向电压。一般电网电压波动范围为10%。实际上选用的二极管的最大整流电流和最高反向电压应留有大于10%的余量。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充
17、分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。3.3滤波电路设计滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。（本设计中采用电容滤波电路，不考虑电感以及电容电感复合整流电路。）采用滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。 在整流电路的输出端，即负载电阻RL两端并联一个电容量较大的电解电容C，则构成了电容滤波电路，如图2.4所示电路，由于滤波电容与负载并联，也称为并联滤波电路.
18、图3.3 单相桥式整流电容滤波电路电容滤波电路有如下特点：（1）二极管的导电角，流过二极管的瞬时电流很大。电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器的二次电流的有效值,而有电容滤波时 （3.3.1）（2）负载平均电压升高，纹波（交流成分）减小，且越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分减小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取 （3.3.2）式中T为电源交流电压的周期。（3）负载直流电源随负载电流增加（减小）而减小。随的变化关系称为输出特性或外特性。在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式（3.3.2）的
19、关系时，电容滤波电路的负载电压与的关系约为 （3.3.3）总之，电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。3.4稳压电路设计前面1.3中已经提过串联反馈式稳压电路的原理。这里只介绍输出电压及其调节范围的参数计算和调整管T极限参数的确定，对于原理部分不再赘述图3.4 串联反馈式稳压电路一般结构图 1. 输出电压及调节范围：基准电压、调整管T和A组成同相放大电路，输出电压 （3.4.1）上式表明，输出电压与基准电压近似成正比，与反馈系数成反比。当及一定时，也就确定了，因此它是设计稳压电路的基本关系式。输出电压的调节范围动端在最
20、上端时，输出电压最小 (3.4.2)动端在最下端时，输出电压最大 （3.4.3）因此电压调整范围: （3.4.4）2.调整管T极限参数的确定调整管是串联稳压电路中的核心元件，它一般为大功率管，因而选用原则与功率放大电路中的功放管相同，主要考虑极限参数、和。调整管极限参数的确定，必须考虑输入电压的变化、输出电压的调节和负载电流变化的影响。3.稳压系数以输出电压和输入电压的相对变化之比来表征稳压性能，称为稳压系数，其定义式为 (3.4.5)输出电阻 (3.4.6)4.稳压管基本原理：当流过稳压管的电流在一个较大范围内变化时，稳压管两端的电压几乎不变。稳压管的这一特性将稳压管和负载并联，若能保证稳压
21、管中的电流在一定范围内，则负载电压就能在一定程度上得到稳定，因此，稳压电路的关键就是限定稳压管中的电流。因为如果工作电流太小，则电压随电流的变化很大，达不到稳压的目的；但工作电流也不能太大，以免超过管子的额定功率，造成损坏。小功率稳压管的工作电流大致几毫安至几十毫安，大功率的稳压管可到几安培到十几安培。 图3.5是由稳压管构成的基本稳压电路： 图3.5稳压管稳压电路电路中，R决定了向稳压管和负载输送电流的总量，起着限流和调压的作用，稳压管起着调节电流的作用。如负载减小，要求更多的电流流过时，通过稳压管的电流将随之减小，使基本不变，以保证输出电压基本不变。如果不变，但输入电压由于电网电压或元件参
22、数改变而增加时，则将增加，此时也随之增加，保证基本不变，即基本不变。如果和都变化，则将综合二者的变化加以调整，只要的变化在它的允许的工作范围之内，就能保证起到较好的稳压作用。图3.6稳压过程原理图 3.5保护电路设计电流限制型保护电路（过流保护电路）主要保护元件是串接在调整管发射极回路中的检测电阻和保护三极管，的阻值很小，一般为1左右。 图3.7电流限制型保护电路工作原理：稳压电路正常工作时，负载电流不超过额定值，电流在上的压降很小，故三极管截止，保护电路不起作用。当负载电流超过某一临界值后，上的压降使导通。由于中流过一个集电极电流，将使调整管的基极电流被分流掉一部分，于是限制了中电流的增长，
23、保护了调整管。第4章 直流稳压电源整体电路设计4.1整体电路图及工作原理如图4.1所示图4.1 整体设计电路图工作原理：首先市电（220V，50Hz）输入，经过降压变压器降低电压，再经过整流管就行整流。然后通过电容滤波，最后经过稳压管进行稳压处理。即将交流转换为直流，完成了直流稳压电源的实现。4.2电路参数计算设 ，因此=20V2. 设=5.1V(型号选定为1N4733/A) 因此=5.1V3.对于取样电阻的计算：由于最大输出电压不超过12V，因此设+=4000因此=1700，并设 =500， =1800，因此即本电路可调范围为5.82-12V第5章 课程设计总结对于本实验，首先通过变压器将市
24、电降为接近并且大于最大输出电压，其次通过四个二极管构成的桥式整流，原来经过降压的交流市电变为单项流动的直流电。然所以要经过进一步的稳压，使输出电压基本上不随电网电压或负载的变化而变化。从而达到要求。后经滤波，利用储能元件电容器C两端的电压不能突变的性质，把电容与整流负载并联，可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除。是稳压工作的重要基础。初步满足了直流稳压电源对稳压的要求。最后要经过进一步的稳压，使输出电压基本上不随电网电压或负载的变化而变化。在图书馆查阅了许许多多有关于本设计的资料，经过去粗取精、分析整理，最终确定设计思路以及设计方案。再在设计过程中发现问题、解决问题，锻炼了自己的思维能
25、力。并且了解了一些之前并不知晓的知识。比如电源电路的应用居然如此的广泛！小到家用电器，大到宇航、国防，处处离不开电源电路。但是在这次设计中也体会到了本设计的局限性。通过各种方案的比较，最终确定的本方案是为了设计简单、经济廉价。 本设计肯定存在一些问题需要改进，我也会从这次实践中总结经验和不足，为下次的设计积累宝贵的经验。 参考文献1 胡斌电子线路基础轻松入门人民邮电出版社 第二版北京市崇文区夕照寺街14号，2006296-3342 康华光电子技术基础高等教育出版社 第五版北京市西城区德外大街4号，2006486-5153 赵学泉，张国华电源电路电子工业出版社北京市海淀区万寿路，199570-1784 童诗白，徐振英现代电子学及应用北京高等教育出版社，19941-755 刘午平，刘建清，寻立波模拟电子技术从入门到精通北京国防工业出版社，2005272-273 附录（器件清单）符号名称数量（单位：个）符号名称数量（单位：个）C1电容2000uF1DZ1ZPD5.11C电容1000uF1R4电阻1千欧1T1、T2、T3三极管3R2电阻1.7千欧1A放大器1Rp滑动变阻器0-1.8千欧1R1电阻0.5千欧1