1、宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究目录引 言.0.1课题发展动态 .0.2课题背景 .1直流稳压电源的组成、工作原理、性能指标.1.1直流稳压电源的组成、工作原理 .1.1.1电源变压器 .1.1.2整流电路 .1.1.3滤波电路 .1.1.4串联型直流稳压电路 .1.2直流稳压电源的性能指标 .1.2.1稳压电路的内阻 .1.2.2稳压系数 .1.2.3电流调整率 .1.2.4最大纹波电压 .1.2.5温度系数 .1.2.6极限指标 .2电脑模拟仿真与实验 .2.1实验参数 .2.2本实验在 Multisim 中仿真 .3结束语 . .4参看文献 . .5致谢书
2、 . .错误！未定义书签。宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究引言0.1 课题发展动态经过十几年的不断发展，电源技术有了很大进步。新型半导体器件的发展、新型功率器件的开发促进了电源的进步优化；软开关技术，不仅使电源电路大幅度简化，而且使电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理的电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效果。0.2 课题背景当今社会电子技术给人类带来了极大便利，同时电子设备也渗入到各个领域，由于一般的电子设备对电压和电流都有一定的要求，而我们常见的电压是电网交流电压，不能满足这些设备的要求，因
3、而需将电网电压转化成需要的电压。电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务， 转换后的直流电源应具有良好的稳定性，当电网或负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并具有较低的纹波。我们通常称这种直流电源为稳压电源。但是电网电压时高时低 ,并含有大量的高次谐波或脉冲,电子设备本身耗电忽大忽小 , 这都直接影响到用电设备的输入电压的稳定性。 电子设备电源电压的不稳定 , 将会引起直流放大器的零点漂移 ; 交流放大器的噪声增大 ; 测量仪器的准确度降低等不利影响。因此 , 我们可以通过在电子设备的前端加入稳压电源保证设备恒定的输入电压。其中 , 直流稳压电源电路形式多样, 有串联
4、型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等。宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究1 直流稳压电源的组成、工作原理、性能指标由于各种电子设备要求直流稳压电源提供不同的幅值的直流电压， 而市电提供的交流电压为 220V，因此需要利用变压器先将市电的电压变换成所需要的交流电压， 再将变换后的交流电压整流、滤波和稳压，最后获得所需要的直流电压。一般直流稳压电源的基本组成框图如图1 所示。变整电网压流电压器电路滤稳波压负电电载路路图（ 1）直流稳压电源的基本组成框图1.1 直流稳压电源的组成、工作原理1.1.1 电源变压器电源变压器的作用是将电网的交流电压变换成整流滤波电路所
5、需要的交流电压。 变压器一、二次侧电压根据需要还有实际变压器的效率来定他的比值。其中变压器副边与原边的功率比是变压器的效率。1.1.2 整流电路整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单相脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，小功率整流电路主要用整流二极管，由于二极管具有单向导电性，可以将交流电变换为单向脉动电压， 常见的几种整流电路有单相半波整流、单相全波整流和单相桥式整流电路。单相半波整流电路图及输出波形如图2 所示：宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究图（ 2）单相半波整流电路图图（ 3）单相半波整流电路波形图单相全波和桥式整流电路图及输出波
6、形如图4 所示：图（ 4） 单相全波整流电路宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究图（ 5） 桥式整流电路图（ 6）全波及桥式整流电路波形图1.1.3 滤波电路滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器 C，或与负载串联电感器 L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。滤波是信号处理中的一个重要概念。电感滤波见图 8：流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时， 电感
7、线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究滑，而且整流二极管的导通角增大。在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在 RLL 时才能获得较好的滤波效果。电感愈大，滤波效果愈好。另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近 ，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而
8、延长了整流二极管的寿命。电容滤波见图 7：电容充完电后两端的电压变小时，电容对外放电阻止电压变化，电压反相增大电容充电阻止电压变化。电容愈大放电过程愈慢，输出直流电压愈高，脉动成分愈小，即滤波效果愈好。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、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 ) 。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。图（ 7）电
9、容滤波图（ 8）电感滤波图（ 9） LC 滤波电路图（ 10）滤波电路输入输出对比无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。无源滤波电路通常用在功率电路中，比如直流电源整流后的滤波，或者大电流负载时采用 LC（电感、电容）电路滤波。有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。有源滤宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究波电路一般由 RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。但电路的组成和设计也较复杂。有源滤波电路不适用于高电压大
10、电流的场合，只适用于信号处理。由于本实验属于小功率小电流所以选用的是简单的电容滤波电路。1.1.4 串联型直流稳压电路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，主要有两方面问题：首先，当当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，因此输出直流电压将随之发生变化。其次，当电网电压发生波动时，因整流电路的输出的电电压直接与变压器二次电压有关，故也要相应地变化。为了得到更稳定的直流电源，需要在整流滤波后面再加上稳压电路。所谓的串联型直流稳压电路， 实际上就是在输出直流电压与负载之间串联一个调整三极管，当负载或滤波电压波动引起输出电压变化时，输出电压的变化将反映到三极管的输入电压 UBE，于
11、是 UCE也随之改变，从而调整输出电压，保持输出电压基本稳定。串联型直流稳压电路的原理图如下：图（ 11）串联型直流稳压电路的原理图采样电阻由电阻 R1、R2 和 R3 组成。当输出电压发生变化时，采样电阻对变化量进行采样，并传送到放大电路的反相输入端。放大电路 A的作用是将采样电阻送来的变化量进行放大， 然后传送到调整管的基极。基准电压有稳压管 VDZ 提供，接在放大电路的同相输入端。采样电压与基准电源进行比较，得到差值再由放大电路进行放大。调整管 VT 接在输入直流电压 UI 与输出端的负载电阻 RL 之间，当输出电压 U0 发生波动时，调整管的集电极电压产生相应得变化，是输出电压基本保持
12、稳定。调整管的选择有三点：（ 1）集电极最大允许电流宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究I cmI L maxI R（2）集电极与发射极之间最大允许反相电压U(BR)CEO应：UU Imax 1.1 2U2BR CEO(3) 集电极最大耗散功率 PCMPC U CE I C （U I U 0） I CPCM (U ImaxU Omin )I Cmax(1.11.2U 2 U Omin ) (I Lmax I R )A、输出电压的调节范围串联直流稳压电路的一个优点是允许输出电压在一定范围内进行调节。这种调节可以通过改变采样电阻中电位器R2 的滑动端位置来实现。当 R2
13、 滑动上移，反馈电压 UF 增大，放大电路的差模输入电压减小，使调整管的UBE减小，则 UCE增大，于是输出电压 U0 减小。反之，若 R2 的滑动端向下移动，则 U0 增大。假设放大电路 A 是理想运放，且工作在线性区，则可认为为其两端输入端“虚短”，即 U =U ，在本电路中 U =U ，U =U，故 U U ，而且两个输入端不取电流， 则由图可得：+ -+ Z- FZFU Z U FR 22R 3U 0R 1 R 2R 3R1 R 2R 3U ZU 0R 3R 22当 R2 滑动到最上端时， R21=0,R22=R2，U0 达到最小，此时U0minR 1 R 2R 3U ZR 2R3当
14、R2 滑动到最下端时， R22=0,R21=R2，U0 达到最大，此时R1R 2R 3U ZU 0maxR 3B、稳压电路的过载保护过载保护限流型保护电路如下图所示：宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究图（ 12）过载保护限流型保护电路主要保护元件是串接在调整管发射结回路中的检测电阻R4 和保护三极管 VT2。R4 的电阻值很小，一般为1 欧姆左右。稳压电路正常工作时，负载电流I L 不超过额定值，电流在R4 上的压降很小，故三极管 VT2 截止，保护电路不起作用， 电路工作在正常稳压区。 当负载电流超过临界值时，R4 上压降增大，使VT2 导通，将调整管VT1 的
15、基极电流分流掉一部分，于是限制了VT1中电流的增长，保护了调整管。限流保护的输出特性如下图：图（ 13）限流保护输出特性过载保护选用截流型保护电路如下图所示：图（ 14）截流保护电路宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究电路中检测电阻 R4 和一个保护三极管 VT2一个辅助电源经电阻 R5、R6分压后接至 VT2 的基极，输出电压经 R7、R8 分压后接至 VT2的发射极。正常工作时，电阻 R4 两端的电压降较低，此时U R4U R6U R8 , 即 VT2（ U BE20 ）截止。当负载电流增大，R4上的压降增大。若 U BE2 增大到使 VT2进入放大区后，将产生
16、集电极电流I c2 , 而 VT2的导通将使调整管的基极被分流，故I B1 减小，于是引起以下正反馈过程：Ic2 上升 IB1 下降 U O 下降 U E2 下降 U BE2 上升 I c2 上升上述反馈使Ic2 迅速增大，很快使VT2达到饱和，最后稳压电路的输出电压趋于稳定。VT2 的饱和管压降约为0.3V 。其输出特性见下图：图（ 15）截流保护电路输出特性这种保护电路，当负载端故障排除以后，由于 IL 减小，使 R4上压降减小，只要三极管 VT1和 VT2能够进入放大区，则稳压电路由以下正反馈过程很快恢复到原来的数值：U R4 下降 - U B2 下降 -Ic2 下降 - I B1 上升
17、 - U O 上升 - U E2 上升 - U BE2 下降 Ic2 下降本实验要求用分立元件设计 , 只需将图 14 中的集成放大电路 A 改用差分放大电路（图 16 所示）即可。宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究图（ 16）差分放大电路图中 R12接图 17 的调整管 Q1，图 16 中的 Q2接图 17 的滑动变阻器， D2，D3 稳压管输出分别为 +12V、-12V。图（ 17）部分的电路图1.2 直流稳压电源的性能指标来衡量稳压电路的主要指标有稳压电路的内阻、稳压系数、电压调整率、电流调整率、最大纹波电压、温度系数即噪声电压、极限参数等。1.2.1 稳压
18、电路的内阻宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究图（ 18）稳压电路的内阻稳压电路的内阻R0 的定义为，输入到稳压电路的直流电压不变时，稳压电路的输出电压变化量U0 与输出电流变化量I 0 之比，即R 0U 0I 0稳压电路的内阻近似等于稳压管的动态内阻。 动态内阻愈小，稳压电路内阻也愈小，当负载变化时，稳压电路的稳压性能愈好。1.2.2 稳压系数图（ 19）稳压系数定义是当负载不变时，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，又称 电压调整率， 即SrU 0 / U 0U I / U I估算稳压系数的等效电路图如下rz / / RLU IU 0(rz
19、/ / RL )R当满足条件 rzRL ，rzR 时，上式可简化为U 0rzU IR那么SrrzU IRU 0宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究有上式可知， r z 愈小， R愈大，则 Sr 愈小，即电网电压波动时，稳压电路的稳压性能愈好。1.2.3 电流调整率流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。1.2.4 最大纹波电压纹波抑
20、制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰峰值与输出纹波电压峰峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。1.2.5 温度系数集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti 最大变化范围内（ TminTiTmax ）直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。1.2.6 极限指标（ 1）最大输入电压是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。（ 2）最大输出电流是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流。宿州学院 2011 届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源
21、的设计与研究2 电脑模拟仿真与实验2.1 实验参数本实验稳压电路中，要求输出电压U0=（8-21 ） V，负载电流I L=（0-1 ）A。选定基准电压的稳压管的额定电压UE=6V，最小电流，最大电流I zmin =5mAI zmax =33mA。采样电阻总阻值选定 2 千欧姆左右。（1）、则 R1，R2 和 R3 分别为：R 1 R2 R 3U Z?U 0maxR 3则R1R 2R 3U Z?=2/157千欧姆 =0.93千欧姆R 3U 0maxR3 取 350 欧姆R 1R 2R 3U Z?U o minR 2 +R 3得R2=0.49 千欧姆取 500 欧姆R1=0.58 千欧姆取 100
22、0 欧姆在确定了采集电阻阻值后，在带回去验算一下，看是否符合要求：R 1R 2R 3U Z?=22.2VU 0maxR 3R 1R 2R 3U Z?=7.8VU o minR 2 +R 3输出电压的实际变化范围为 7.8 22.2V，符合给定的要求。（2）稳压电路的直流输入电压应为；UI=U +（3 到 8） V=21+（3 到 8） V=（24 到 29）V0max取 UI =29V，则变压器二次电压的有效值为U 21.1 U 1 =30V1.2那么变压器应选一二次侧比为220/30（3）基准电压支路中的电阻R的作用是保证稳压管 VDZ的工作电流比较合适， 通宿州学院2011届本科生毕业论文
23、高稳定性直流稳压电源的设计与研究常是稳压管中的电流略大于其最小参考电流值I zmin 。可以认为I Z=（ U1-UZ）/R故基准稳压管的限流电阻应为U Imin U ZU Imin U ZI zmaxRI zminR=(0.9 30-6)/8=3千欧姆取 R=1850欧姆。（4）根据稳压电路的各项参数，可知调整管的极限参数应为：I cmI L maxI R =1+0.12A=1.12A集电极与发射极之间最大允许反相电压U(BR)CEO应：UUImax =1.1 1.414U2=1.11.41421=39VBR CEO集电极最大耗散功率PCMPCM(U ImaxU Omin )I Cmax(1
24、.1 1.2U2UOmin )(I LmaxI R ) =29W2.2 本实验在 Multisim中仿真在 Multisim中构建如下电路图：图（ 20）仿真电路图宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究图（ 21）实验测试图宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究3 结束语根据实验的结果可以发现，实验结果与预期结果基本一致。也就是说本实验设计的直流稳压电源可以在实际生活中应用。通过本次实验设计，掌握了直流稳压电源电子电路的设计与制作，尤其是一些绘图软件的使用。实验用到一些模拟电子技术里面的知识，在做实验之前，我又系统的把模电这本书看了一遍。我发
25、现好多知识虽然已经学过，但是我也已经忘了差不多了，再看一遍印象更深刻，这也说明“温故而知新”的道理。在制作过程中，深深体会到连接电路一定要仔细，为保证不出错误，要把电路工作原理还有元件之间的联系搞清楚。实验时应保持冷静，遇到问题及时查资料问老师，往往一个小问题拦住了我们的脚步。这次课程设计我发现自己还有很多的不足，这也为我今后工作学习敲响警钟，在学习上要要有不知足的精神，积极参加一些实践活动，提高自己的动手能力。wt宿州学院2011届本科生毕业论文高稳定性直流稳压电源的设计与研究4 参看文献1 清华大学电子学教研组编， 杨素行主编 . 模拟电子技术基础简明教程 .3 版. 北京：高等教育出版社
26、， 2005.2 康华光主编 . 电子技术基础 . 模拟部分 M. 第5 版. 北京 : 高等教育出版社 ,2006.3 刘桂英 , 刘高潮 , 黄国华 . 串联型直流稳压电源的仿真分析 J. 广西师范学院学报 :自然科学版 ,2004,(2):55-59.4 安玉 , 傅兴华 , 吴有林 .LM317 可调式集成稳压电源的设计 J. 遵义师范学院学报 ,2008,(6):57-59.5 何奇才 . 稳压电源电路的设计与应用 . 北京：中国电力出版社， 2006.6 张明莉 . 新型稳压电源及应用实例 . 北京：电子工业出版社， 2004.7 周加超 . 直流稳压电源的演变过程 . 科技情报开发与经济 ,2005.8 贺洪江 . 一种高精度数控直流电源的设计 . 河北建筑科技学院学报 ,2000.9 康华光 , 陈大钦 , 电子技术基础模拟部分 . 高等教育出版社 ,1999.10 曲学基，王增福，曲敬凯 . 稳定电源基本原理与工艺设计， 电子工业出版社， 2004.11 段九州 . 电源电路实用设计手册，辽宁科学技术出版社， 2002.12 程杰宝 , 实用高效率直流稳压电源 . 实用电子制作 ,2003.5.13何希才，张名莉 . 新型稳压电源及应用实例，电子工业出版社，2004.5.
