应用电子专业串联点型稳压电源的制作.doc

毕业论文设计 题目：串联型稳压电源的制作 院（系）：汽车与电子学院 专业：2010级应用电子专业 学 生：梁铭超 学 号：0801100112 指导老师 ：刘英泽 毕业设计日期：2013年03月11日 摘 要 串联型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组成。变压器把高交流电变为需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本次设计主要采用串联型直流稳压电路通过220V 、50HZ交流电压经电源变压器降压后通过桥式整流VD1VD4整流成直流电再经过滤波电容平滑直流电减少直流电纹波系数。最后通过稳压器稳压将输出电压稳定在6V15V之间。关键词变压器滤波整流稳压目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 概述11.3 直流稳压电源的应用2第2章 稳压电源的工作原理及性能指标32.1 整体电路框图32.2 设计的要求3第3章 电路各部分元件的分析43.1 电源变压器43.1.1 变压器的结构43.1.2 变压器的原理4图3.1 变压器原理图(a)53.1.3 变压器的变压比53.2 整流电路53.2.1 半波整流电路53.2.2全波整流电路73.2.3 桥式整流电路83.3 滤波电路103.3.1 电容滤波电路103.3.2电感滤波电路123.3.3 倒L型滤波电路143.3.4 型滤波电路143.4 稳压电路153.4.1 电路组成和稳压原理153.4.2 输出电压及调整范围163.5 电路所有元件选择173.6 元件清单18总结19参考文献19致谢21第1章 绪论1.1 引言当今社会人们极大地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、小到袖珍计算机，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。袖珍计算机则是简单多的电池电源电路。不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备，我们的生活也就不会这么丰富多彩了。 随着我们人类社会科技的发展，电气与电子设备已经不仅十分广泛的应用与科研方面，而起也已经广泛应用于我们的日常生活、工作与学习方面。而作为供应电气与电子设备的能源部件电源，已经被电气学者十分重视了，不仅对电源的功能提出了高的要求，而起对电源的稳定性也提出了更高的要求，面对如此之高的要求。我们要十分重视对电源理论和实践进行的学习和研究，所以这次做了串联直流稳压电源的设计。1.2 概述1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这以技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率地的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛的应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从而直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变换器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断的研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛的应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。直至今日，在直流稳压电源领域，以电子计算机为代表的要求供电电压低，电流大的电源大都由开关电源担任，要求供电电压高，电流大的设备的电源由可控电源代之，小电流、低电压电源都采用集成稳压器。1.3 直流稳压电源的应用 直流稳压电源可广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等。第2章 稳压电源的工作原理及性能指标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为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用串联型直流稳压电路，通过220V 50HZ 交流电压经电源变压器降压后，通过桥式整流VD1VD4整流成直流电再经过滤波电容平滑直流电，减少直流电纹波系数。最后，通过稳压器稳压，将输出电压稳定在6V15V之间。2.1 整体电路框图整体电路框图如图2.1所示: 图2.1 整体电路框图2.2 设计的要求 1.输出直流电压6V-15V,最大负载电流为100mA左右； 2.输出的直流电压能够稳定输出； 3.放大管具有恒流源负载； 4.有过流保护电路。第3章 电路各部分元件的分析3.1 电源变压器 在此为降压变压器，它是将电网220V交流电压变换成符合条件的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。3.1.1 变压器的结构1.铁心铁心是变压器中主要的磁路部分。它是由表面涂有绝缘漆的热轧硅钢片叠装而成。铁心分为铁心柱和横片两部分，铁心柱套有绕组；横片是闭合磁路之用。铁心结构的基本形式有心式和壳式两种。2.绕组绕组是变压器的电路部分，它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成。变压器工作时与电源连接的绕组叫初级绕组，与负载连接的绕组叫次级绕组。3.1.2 变压器的原理如图3.1所示，当一个正弦交流电压加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流并产生交变磁通，它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势,同时也会在初级线圈上感应出一个自感电势，的方向与所加电压方向相反而幅度相近，从而限制了的大小。 图3.1 变压器原理图(a)3.1.3 变压器的变压比如上图在原绕组两端通入交变电流时，在铁芯内建立磁场，产生了磁通。磁通随着电流按正弦规律变化，变化的磁通穿过原，副边绕组产生感应电动势经分析得变压比n： 形象图为： 图3.2 变压器原理图(b)若n>1，则，此类变压器为降压变压器。反之n<1就是升压变压器。3.2 整流电路整流部分目的是利用单向导电元件把50Hz的交流变换成脉动的直流电，主要依靠二极管的单向导电性来实现。整流部分的电路形式有半波整流、全波整流、桥式整流。3.2.1 半波整流电路 （1）电路如图3.3所示，利用二极管的单向导电性，在负载Rl上得到单向脉动电压Vo。 （2）电路特点：电路结构简单，输出电压波动较大、频率低。输出的直流电压值为： (3.2.1) （3）工作原理：为正半周：D管导通，有输出电压；为负半周：D管截止，无输出电压。 图3.3 半波整流电路仿真一：半波整流电路要求：二极管（理想）1只仿真电路：（4）参数计算1.输出的直流电压值为： （3.2.2）2.流过负载平均电流： (3.2.3) 3.流过整流二极管的平均电流： (3.2.4)4.整流二极管的最大反向电压： (3.2.5)5.二极管的选择： （1）D管得最大整流电流必须大于实际流过二极管的平均电流： (3.2.6)（2）D管得最大反向工作电压必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压： (3.2.7)3.2.2全波整流电路（1）电路图：如图3.4所示，二极管D1、D2分别在的正、负半周导通。（2）电路特点：是输出电压波动小，变压需中心抽头，绕制复杂，成本高，笨重。（3）工作原理：在正半周：D1导通、D2管截止，负载中有电流流过； 在负半周：D1截止、D2管导通，负载中有电流流过。 图3.4 全波整流电路仿真二：单向全波整流电路1、要求：二极管（理想）2只2、仿真电路： （4）参数计算 1.输出的直流电压值为： (3.2.8)2.流过负载平均电流： (3.2.9)3.流过整流二极管的平均电流： (3.2.10)4.整流二极管的最大反向电压： (3.2.11)5.二极管的选择：D管的最大整流电流必须大于实际流过二极管的平均电流:(3.2.12)D管的最大反向工作电压必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压： (3.2.13)3.2.3 桥式整流电路 （1）电路图：如图3.5所示，二极管D1、D2、D3、D4四只二极管结成电桥的形式，名称由此而来。 （2）工作原理：在的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，通过D1、D3给提供电流，方向由上向下；在的负半周，D2、D4导通，D1、D3截止，通过D2、D4给提供电流，方向仍然是由上向下，由此得到整流波形。 图3.5 桥式整流电路仿真三：桥式整流电路1.要求：整流桥（理想）1只2.仿真电路： （3）参数计算1、输出的直流电压值为： （3.2.14）2、流过负载平均电流： （3.2.3.2）3、流过整流二极管的平均电流： （3.2.15）4、整流二极管的最大反向电压： （3.2.16）5、二极管的选择：D管的最大整流电流必须大于实际流过二极管的平均电流:（3.2.17）D管的最大反向工作电压必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压： （3.2.18）。综合考虑，本设计选择桥式整流电路较为合适，选择4个1N4007作为4个整流管，因为1N4007二极管最大整流平均电流为1A,最高反向工作电压可达1000V。3.3 滤波电路作用：对整流电路输出的脉动直流进行平滑，使之成为含交变成分很小的直流电压。说明：滤波电路实际上是一个低通滤波器，截止频率低于整流输出电压的基波频率。电路形式：电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LC型滤波和RC型滤波等)。3.3.1 电容滤波电路尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，仍然不能直接作为电源使用，还需要进一步滤波，将其中的交流成分滤掉。滤波通常是采用电容或电感的能量存储作用来实现的。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、倒L型滤波、型滤波等几种。在小功率整流滤波电路中，电容滤波是最常用的一种，其特点是结构简单，效果较好。电路组成： 桥式整流、电容滤波电路如图3.6所示： 图3.6 电容滤波电路 电容滤波的原理： 电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变的越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。工作原理： 负载未接入时：设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当为正半周时，通过D1、D3向电容C充电；为负半周时，经D2、D4向电容C充电。充电时间常数为： C=RintC。其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压的最大值，由于电容无放电回路，故输出电压（电容C两端的电压）保持在U2不变。 1 接入负载时：设变压器副边电压从0开始上升时接入，由于电容已到，故刚接入负载时，<,二极管在反向电压作用下而截止，电容C经放电，放电时间常数为： d=C。因d 一般较大，故电容两端电压（即V0）按指数规律慢慢下降。 2 当升至>时，二极管D1、D3在正向电压作用下而导通，此时U2经D1、D3一方面向提供电流，一方面向C充电（接入后充电时间常数变为C=/Rint RintC）。 3 当又降至<时，二极管又截止，电容C又向放电，电容如此周而复始充放电，就得到了锯齿波电压，由此可见输出电压的波动大大减小。 4 为了得到平滑的负载电压，一般取d=C(3 5)T/2(T为交流电周期20ms)此时：=(1.1 1.2)。仿真四：电容滤波1、要求：电容1000F 一只2、仿真电路：电容滤波的特点 1、C越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的输出电压，一般取： C（35）T/2 （T为交流电源电压周期） 2、越小，输出电压越小。 3、电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合。3.3.2电感滤波电路 电路图如图3.7所示： 图3.7 电感滤波电路 电感滤波的原理： 电感滤波是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原电流方向相反，自感电动势阻碍电位增加的同时，也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之，当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。 电感滤波电路的几点说明： 1、L越大、越小，输出电压纹波越小； 2、忽略电感内阻，（理论值）； 3、电感滤波适用于低电压，大电流的场合。3.3.3 倒L型滤波电路3.3.4 型滤波电路 并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。若采用电感滤波，当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用。利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点，在整流电路的负载回路中串联一个电感，使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。电感滤波缺点是体积大,成本高。 因整流部分选择了桥式整流电路，滤波部分选择电容滤波与桥式整流结合使用，可达到设计要求。电容的容值越大，滤波效果就会越好，因此我们可选470的电解电容器。3.4 稳压电路3.4.1 电路组成和稳压原理 交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或负载变化时，其平均值也随之变化。稳压电路的功能是是输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。 由于经济成本、元件购买及仿真软件的限制，稳压电路只采取一个具有放大环节的基本串联型稳压电路加上一个截流型过流保护电路。如图3.8所示，这种稳压电路的主回路是起调整作用的BJTT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路取样经比较放大电路（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的目的。稳压原理可简述如下：当输出电压增加（或负载电流减少）时，导致输出电压增加，随之反馈电压（其中：反馈系数）也增加。与基准电压相比较，其差值电压经比较放大电路放大后使和Ic减少，调整管T的c-e极间电压增大，使下降，从而维持Uo基本恒定。 图3.8 具有放大环节的串联型稳压电路从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。调整管T连接成电压跟随器。值得注意的是，调整管T的调整作用是依靠和之间的偏差来实现的，必须有偏差才能调整。如果绝对不变，调整管的也绝对不变，那么电路也就不能起调整作用了。所以不可能达到绝对稳定，只能是基本稳定。因此，图中所示的系统是一个闭环有差自动调整系统。3.4.2 输出电压及调整范围基准电压、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。动端在最上端时，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，调节范围为：(3.4.4)3.5 电路所有元件选择 1：的确定 ,因为，取,所以；2:调整管的选择 ,查表选择D42C3，为扩大输出电流范围，采用D42C8和D42C3构成的复合管;3：稳压二极管Dz的选择 小于等于,所在选用ZPD5.1稳压管，参数为；4：电阻R1的选择 ,取10mA, ,R1取1k;5: 集成运放的选择 因为本电路对集成运放要求不高，所以选用通用型集成运放；6：滤波电容C1的选择 为提高滤波效果，C1选用470uf的电解电容；7：取样环节的电阻R2，R3，R4的确定 其中R4为最大阻值为1Ko的滑动变阻器，, ,联立方程，可求得R2=264ohm,R3=666ohm;8：U2及变压器的确定 对于全波整流电路，,所以,所以选用变比为10：1的变压器，再通过电阻分压后得到14V电压；9：整流二极管的选择 考虑到电网电压波动范围为±10，二极管的极限参数应满足： ,查表选用1B4B42。3.6 元件清单 元件编码 元件 数量 T1220V/22V变压器1 D1D4二级管1N40071 C1电解电容1B4B421 C2普通电容1 R1普通电阻1k1 R2 普通电阻2641 R3普通电阻6661 R4可变电阻0-1k1 R5负载电阻1001 Qe三极管D44C82 D3稳压管ZPD5.11 U1放大器OPAMP_3T_VIRTUAL1 总结本次课题设计的主要内容是串联型直流稳压电源，按照模块化设计电路。其涉及到多方面内容：包括电源变压器的知识，整流电路、滤波电路，还有稳压电路的合理选择。对于电源变压器，根据所设计的要求及参数选择合适的变压比，需要进行简单的计算；整流部分而言，有三种整流电路方法，分别是半波整流、全波整流和桥式整流，要分别对每一种整流电路进行深层次分析，得出最佳适合设计的整流电路；在滤波部分，同样要对几种滤波电路进行广泛的分析，包括电容滤波、电感滤波、复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LC型滤波和RC型滤波等),依据所给数据及参数选择合适的滤波电路；最后要对不稳定的电压进行稳压，选择合适的稳压电路，根据参数计算值选择元件，由于成本及工作量较大，未用三端集成稳压器稳压，而选择由分立元件组成的稳压电路。 参考文献1 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.2006年1月版；2 李明生.电子测量与仪器.2004年1月第1版；3 张一江、肖湘宁.现代电力电子技术原理与应用.2003年8月版；4 丁道宏.电力电子技术.2006年8月版；5 张卫平.绿色电源 现代电能变换技术及应用.2001年2月版；6 杨晶琦.电力电子器件原理与设计.2007年7月版；7 赵可斌、陈国雄.电力电子变流技术.2002年3月版；8 杨志忠.数字电子技术.2000年版；9 周良权.模拟电子技术基础.2001年版；10 赵淑范、王宪伟.电子技术实验与课程设计.2007年7月版；11 童诗白、徐振英.现代电子学及应用.1994年版。 致谢大学三年的学习以今天的毕业论文画了一个句号、感谢大学三年，各位来时对我的教诲，感谢广州涉外经济职业技术学院，感谢大家有缘能在生命中重要的三年，出现在彼此的生活中。感谢我的辅导老师，给予了我很大得帮助，让我在今后的工作和学习中得到许多鼓舞和精神上得振奋。在此，同时感谢我的父母，对我的支持，没有他们的支持，我走不到今天。感谢与我共同走过大学的朋友们、同学们，每当在我脆弱、困难的时候，扶过我一把的你，我都记得。感谢所有帮助过我的老师、同学、朋友，感谢你们，希望你们在以后的日子里，开心、快乐，希望你们过得比我好！ 最后，我要再次要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我对中国传统文化的浓厚的兴趣，让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！ 21