直流稳压电源的设计 应用电子毕业论文.doc

毕业设计（论文）题 目 直流稳压电源的设计 学生姓名 罗小强 学 号 2010311215 专 业 应用电子 班 级 20103111 指导教师 肖春芳 评阅教师 完成日期 2013年3月7日目 录引言11 小功率整流与滤波电路21.1 单相桥式整流滤波电路21.2 电感滤波电路72 串联反馈式稳压电路82.1 稳压电源的质量指标82.2 串联反馈式稳压电路的工作原理93 三端集成稳压器114 开关稳压电源174.1 开关稳压电源结构框图174.2 开关型电路的工作原理174.3 实例分析19致谢21参考文献2221引 言1稳压电源的组成 从图1可知,直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成, 各部分作用介绍如下。图1.0.1 直流稳压电源结构图和稳压过程2.电源变压器的作用电源变压器的作用是为用电设备提供所需的交流电压,整流器和滤波器的作用是把交流电变换成平滑的直流电,稳压器的作用是克服电网电压、负载及温度变化所引起的输出电压的变化,提高输出电压的稳定性。 直流稳压电源的类型可分为并联型、串联型及开关型。1 小功率整流滤波电路1.1单相桥式整流滤波电路1.工作原理:(a)ui(b)uLRLD1D2D4D3uiABTriLu2TruLABD4D1D2D3u2RL图1.1.1 (a)(b)(c) (d)单相桥式整流波电路图+_+_RLu1u2TABD1-D4(c)uL+_图1.1.1 单相桥式整流电路图(a)电路画法一 (b)电路画法二(c)电路画法三 (d) 电路画法四分析过程如下:+_RLu1u2TABD3D1(a)uLiL+_+_+_RLu1u2TABD4D2(b)uLiL+-+-+单相桥式电路的电流通路(a)u2正半周时； (b)u2负半周时图1.1.2 单相桥式整流电路波形图图1.1.2 单相桥式整流电路波形图2.负载上的直流电压VL和直流电流IL的计算（1.1.1）流经负载上的电压电流的平均值为:概念: 纹波 纹波系数3.整流元件参数的计算流经每个二极管的电流为（1.1.5）二极管承受的最大反向电压为 （1.1.6）滤波电路图1.1.3 各种滤波电路1.电容滤波电路图1.1.4 桥式整流电容滤波电路图1.1.5 桥式整流、电容滤波时的电压、电流波形工作原理(1)负载RL未接入时的情况：设电容器两端初始电压为零， 接入交流电源后，当u2为正半周时，u2通过D1、D3向电容器C充电；u2为负半周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为C=Rint C 其中, Rint包括变压器副绕组的电阻和二极管D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u2的最大值U2， 极性如图1.1.4所示。由于电容器无放电回路，故输出电压保持在U2，输出为一个恒定的直流，如图1.1.5中t0（即纵坐标左边）部分所示。 (2)接入负载RL的情况：设变压器副边电压u2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器中负载未接入前充了电， 故刚接入负载时u2uC, 二极管受反向电压作用而截止，电容器C经RL放电。 d =RLC 电容滤波电路特性(1)在电容滤波电路中，整流二极管的导电时间缩短了， 导电角小于180°，且放电时间常数愈大，导电角愈小。由于电容滤波后，输出直流的平均值提高了，而导电角却减小， 故整流二极管在短暂的导电时间内，将流过一个很大的冲击电流，易损坏整流管，所以选择整流二极管时，管子的最大整流电流应留有充分的裕量。(2)电容器放电过程的快慢，取决于RL与C的乘积，即电路时间常数d。d越大，放电过程越慢，输出电压越平稳。 一般地 （1.1.1）其中， T为电源交流电压周期。 (3)负载直流电压随负载电流增加而减小。UL随IL的变化关系称为输出特性或外特性，如图1.1.6所示。C值一定，当RL，即空载时，输出电压平均值为在整流电路的内阻不太大（几欧姆）和放电时间常数满足式(1.1.1)的关系时，电容滤波电路负载电压平均值UL与U2的关系为总之，电容滤波电路简单，负载直流电压UL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。 图 1.1.6 桥式整流电容滤波电路的外特性 1.2 电感滤波电路图1.1.7 桥式整流电感滤波电路例 1.1.1一个桥式整流电容滤波电路如图 1.1.4 所示。已知220 V交流电源频率f=50Hz,要求输出直流电压VL=30V，电流为50mA，求电源变压器副边电压的有效值,试选择整流二极管的型号和滤波电容规格。 (1) 变压器次级电压有效值为(2) 选择整流二极管。通过每只二极管的平均电流为每只二极管承受的最大反向电压为根据ID和URM选择二极管，查手册或本书附录，选取2CZ51二极管4只，其最大整流电流IFM50mA, 最高反向工作电压URM 100V。 (3) 选择滤波电容器(与书上有区别)取标称值1000F；电容器耐压为（1.52）U2= (1.52)×25=37.550V。最后确定选1000F50V的电解电容器1只。 例 1.1.2 倍压整流电路图1.1.8为倍压整流电路，利用倍压整流电路可以得到比输入交流电压高很多倍的输出直流电压。设电源变压器二次侧电压 电容初始电压为零。 当u2为正半周时，二极管D1正向偏置导通，u2通过D1向电容器C1充电，在理想情况下，充电至 ，极性为右正左负。 当u2为负半周时D1反偏截止D2正偏导通电容C2充电，最高可充到极性为右正左负。 图1.1.8图题1.1.4 倍压整流电流2 串联反馈式稳压电路2.1 稳压电源的质量指标1）特性指标特性指标指表明稳压电源工作特征的参数,例如,输入、输出电压及输出电流,电压可调范围等。2）质量指标质量指标指衡量稳压电源稳定性能状况的参数,如稳压系数、输出电阻、纹波电压及温度系数等。具体含义简述如下: (1)稳压系数:指通过负载的电流和环境温度保持不变时,稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。即式中,UI为稳压电源输入直流电压,UO为稳压电源输出直流电压,数值越小,输出电压的稳定性越好。 (2)输出电阻ro:指当输入电压和环境温度不变时,输出电压的变化量与输出电流变化量之比。即ro的值越小,带负载能力越强,对其它电路影响越小。 (3)纹波电压S:指稳压电路输出端中含有的交流分量,通常用有效值或峰值表示。S值越小越好,否则影响正常工作,如在电视接收机中表现交流“嗡嗡”声和光栅在垂直方向呈现S形扭曲。 (4)温度系数ST:指在UI和IO都不变的情况下,环境温度T变化所引起的输出电压的变化。即式中,UO为漂移电压。ST越小,漂移越小,该稳压电路受温度影响越小。另外,还有其它的质量指标,如负载调整率、噪声电压等。 2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理 电路组成如图1.2.1所示 图1.2.1 串联型稳压电路(集成)图1.2.1 串联型稳压电路(分立元件)串联型稳压电源方框图如图所示。串联型稳压电源方框图#当负载RL不变,输入电压UI减小时,输出电压UO有下降趋势,通过取样电阻的分压使比较放大管的基极电位UB2下降,而比较放大管的发射极电压不变（UE2=UZ）,因此UBE2也下降,于是比较放大管导通能力减弱,UC2升高,调整管导通能力增强,调整管V1集射之间的电阻RCE1减小,管压降UCE1下降,使输出电压UO上升,保证了UO基本不变。上述稳压过程表示如下:当输入电压减小时,稳压过程与上述过程相反。 #当输入电压UI不变,负载RL增大时,引起输出电压UO有增长趋势,则电路将产生下列调整过程: 当负载RL减小时,稳压过程相反。 由此看出,稳压的过程实质上是通过负反馈使输出电压维持稳定的过程。 稳压电路中有一个电位器R4串接在R3和R5之间,可以通过调节R4来改变输出电压UO。设计这种电路时要满足I2»IB2,因此,可以忽略IB2 , I1I2,则式中,UZ为稳压管的稳压值,UBE2为V2发射结电压,R4为图中电位器滑动触点下半部分的电阻值。 当R4调到最上端时,输出电压为最小值,当R4调到最下端时,输出电压为最大值,3 三端集成稳压器1.输出电压固定的三端集成稳压器 (1) 启动电路 (2) 基准电压电路 (3) 取样比较放大电路和调整电路 (4) 保护电路 三端固定式集成稳压器外形及管脚排列 三端固定式集成稳压器的外形和管脚排列如图1.3.1所示。由于它只有输入、输出和公共地端三个端子,故称为三端稳压器。图1.3.1 三端固定式集成稳压器外形及管脚排列 三端固定式集成稳压器的型号组成及其意义 三端固定式集成稳压器的型号组成及其意义见图。三端固定式集成稳压器型号组成及其意义具体参数见附录表1.2.1 。 国产的三端固定集成稳压器有CW78XX系列（正电压输出）和CW79XX系列(负电压输出),其输出电压有±5V、±6V、±8V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V,最大输出电流有0.1A、0.5A、1A、1.5A、2.0A等。 2三端可调集成稳压器应用举例 型号组成及意义可调集成稳压器型号组成及其意义图1.3. CW317和CW337外形图它克服了固定三端稳压器输出电压不可调的缺点,继承了三端固定式集成稳压器的诸多优点。 三端可调集成稳压器CW317和CW337是一种悬浮式串联调整稳压器,它们的外形如图1所示,典型应用电路如图1.2.所示。为了使电路正常工作,一般输出电流不小于5mA。输入电压范围在240V之间,输出电压可在 1.2537V之间调整,负载电流可达1.5A,由于调整端的输出电流非常小（50A）且恒定,故可将其忽略,那么输出电压可用下式表示:式中,1.25V是集成稳压器输出端与调整端之间的固定参考电压UREF; R1一般取值120240(此值保证稳压器在空载时也能正常工作),调节RP可改变输出电压的大小(RP取值视RL和输出电压的大小而确定)。 图1.3. CW317和CW137典型应用电路3三端固定集成稳压器1）固定输出稳压器电路组成如图1.3.所示。在图中,C1为滤波电容,C2的作用以旁路高频干扰信号,C3的作用改善负载瞬态响应。 图 1.3.2 扩展输出电流电路图1.3.& 正负对称的稳压电路图1.3. 某型号电视机电源电路图2）提高输出电压的方法 如果需要输出电压高于三端稳压器输出电压时,可采用图1.3.#所示电路。 图1.3.#(a)中,图1.3.#(b)中,式中,IW为三端稳压器的静态电流,一般为几毫安。若经过R1的电流IR1大于5IW,可以忽略IWR2的 影响,则有图1.3.# 提高输出电压的接线图3）提高输出电流的方法 当负载电流大于三端稳压器输出电流时,可采用图 1.3.$所示电路。 图1.3.$ 提高输出电流的电路图 1.3.3 正、负可调输出稳压电源4 开关稳压电源4.1 开关稳压电源结构框图 开关稳压电源结构框图如图1.4.1所示。它由六部分组成,其中,取样电路、比较电路、基准电路,在组成及功能上都与普通的串联型稳压电路相同;不同的是增加了开关控制器、开关调整管和续流滤波等电路,新增部分的功能如下：图1.4.1 开关稳压电源结构框图(1)开关调整管:在开关脉冲的作用下,使调整管工作在饱和或截止状态,输出断续的脉冲电压,如图9.16所示。开关调整管采用大功率管。设闭合时间为Ton,断开时间为Toff ,则工作周期为T=Ton+Toff。负载上得到的电压为式中,Ton/T称占空比,用表示,即在一个通断周期T内,脉冲持续导通时间Ton与周期T之比值。改变占空比的大小就可改变输出电压UO的大小。(2)滤波器:把矩形脉冲变成连续的平滑直流电压UO。 (3)开关时间控制器:控制开关管导通时间长短,从而改变输出电压高低。4.2 开关型电路的工作原理1）串联型开关电路串联型开关电路如图1.4.2所示。串联型开关电路由开关管V1、储能电路（包括电感L、电容C和续流二极管V2）及控制器组成。控制器可使V1处于开/关状态并可稳定输出电压。当V1饱和导通时,由于电感L的存在,流过V1的电流线性增加,线性增加的电流给负载RL供电的同时也给L储能（L上产生左“正”右“负”的感应电动势）,V2截止。 当V1截止时,由于电感L中的电流不能突变（L中产生左“负”右“正”的感应电动势）,V2导通,于是储存在电感上的能量逐渐释放并提供给负载,使负载继续有电流通过,因而V2为续流二极管。电容C起滤波作用,当电感L中电流增长或减少变化时,电容储存过剩电荷或补充负载中缺少的电荷,从而减少输出电压UO的纹波。图1.4.2 串联型开关电路图1.4.3 并联型开关电路2）并联型开关电路将串联型开关稳压电源的储能电感L与续流二极管位置互换,使储能电感L与负载并联,即成为并联型开关稳压电源。其电路如图9.18所示。 当调整管开启（饱和导通）期间,输入直流电压U1通过调整管V1加到储能电感两端,在L中产生上正下负的自感电动势,使续流二极管V2反偏截止,以便L将V1的能量转换成磁场能储存于线圈中。调整管V导通时间越长,IL越大,L储存的能量越多。当调整管从饱和导通跳变到截止瞬间,切断外电源能量输入电路,L的自感作用将产生上负下正的自感电动势,导致续流二极管V2正偏导通,这时L将通过V2释放能量并向储能电容C充电,并同时向负载供电。 当调整管再次饱和导通时,虽然续流二极管V2反向截止,但可由储能电容释放能量向负载供电。 通过上面分析可以归纳出开关稳压电源的工作原理。调整管导通期间,储能电感储能,并由储能电容向负载供电;调整管截止期间,储能电感释放能量对储能电容充电,同时向负载供电。这两个元件还同时具备滤波作用,使输出波形平滑。在实际使用时,为了防止交流电源与电子设备整机地板带电,储能电感以互感变压器的形式出现,如图1.4.4所示。 图1.4.4 变压器耦合式开关电路4.3 实例分析图1.4.5所示为自激串联调宽型开关电路。图中STR5412各脚功能如下:脚为直流电压输入端;脚为激励输入端；脚为接地端；脚为稳压输出端；脚为输出电压调整端。图1.4.5 自激串联调宽型开关电路电路分析如下:1）抗干扰、消磁及整流滤波电路2）自激振荡过程 （1）脉冲上升阶段。 （2）脉冲平顶阶段。 （3）脉冲下降阶段。 （4）脉冲间歇阶段。 3）稳压过程 致 谢光阴似箭，日月如棱。三年的时间，在我们漫长的人生旅途中是那么的短暂，但是，这短短的三年是最真诚的青春，是最纯真的岁月，是最美丽的大学生活，我们的自学能力在这里得到提升，我感谢所有的恩师：是您赋予我们最有意义的收获；是您带领我们走进知识殿堂；是您给我们一个全新的角度去发现美、创造美、欣赏美，给我们美的眼睛去发现世界的美，感悟生活的美；是您教会我们珍惜友谊和时间；是您给了我们看世界的眼睛，是你们用博大的胸怀，给予我们最无私的关怀和奉献。通过了这一阶段的努力，我的毕业论文终于完成了，这也意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益匪浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中，我的导师肖春芳老师倾注了大量的心血，在此，我表示衷心的感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。参考文献1 丁书文.变电站综合自动化技术.中国电力出版社.2005，8162 林国栋,陆志.浅谈变电站综合自动化系统.http:/www.studa.net. 2010年1月5日访问3 吴凯.梁子明.配电自动化系统的分析和探讨.http:/www.studa.net. 2010年1月5日访问4 郭东明.变电站自动化系统的新发展.2007，1215