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直流稳压电源设计

1、总体设计思路

1.1直流稳压电源的设计思路

在电子电路及设备中一般都需要稳定的直流电源供电。这次设计的直流电源为单相小功率电源,它将频率为50Hz 、有效值为220V 的单向交流电压转换为幅值稳压、输出电流为几十安以下的直流电压。

单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。其基本设计思路如下:

(1)电网供电电压交流220V(有效值)50Hz ,要获得低压直流输出,首先必

须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

(2)降压后的交流电压,通过整流电路变成单向直流电,但其幅度变化大(即脉动大)。

(3)脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑,脉动小的直流电,即将交流成份滤掉,保留其直流成份。

(4)滤波后的直流电压,再通过稳压电路稳压,便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出,供给负载RL 。

基本流程图

1.2直流稳压电源基本原理

直流稳压电源是一种将220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置,它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

直流稳压电源设计

压电路

滤波电路

整流电路

压器

交流电源

按、

1.2.1变压环节

由于直流电压源输入电压为220V电网电压,一般情况下,所需直流电压的数值远小于电网电压,因此需通过电源变压器降压后,再对小幅交流电压进行处理。变压器的电压比及副边电压有效值取决于电路设计和实际需要。

1.2.1整流环节

变压器变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压,即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压,半波整流电路和全波整流电路的输出波形如上图所画。可以看出,他们均含有较大的交流分量,会影响负载电路的正常工作;例如,交流分量将混入输入信号被放大电路放电,甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号;因而不能直接作为电子电路的供电电源。应当指出,图中整流电路输出端所画波形是未接滤波电路时的波形,接入滤波电路后波形将有所变化。

本设计采用单相桥式整流电路,这种整流电路克服了单项半波整流电路输出电压低,交流分量大(即脉冲大),效率低等缺点。

1.2.2滤波环节

为了减小电压的脉动,需通过低通滤波电路滤波,使输出电压平滑理想情况下,应将交流分量全部滤掉,使滤波电路的输出电压仅为直流电压。对于稳定性不高的电子电路,整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。

本设计采用LC滤波电路,这种电路具有较强适应性,带负载能力较强。二极管的导通角 较大,整流管的冲击电流较小。

1.2.3稳压环节

虽然整流滤波电路能将交流电压变换成较为平滑的直流电压,但是,一方面,由于输入电压平均值取决于变压器副边电压的有效值,所以电网电压波动时,输出电压平均值也随之产生;另一方面,由于整流电路内阻存在,当负载变化时,内阻上的电压将产生变化。因此,整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动,随着负载电阻的变化而变化。为了获得稳定性好的直流电压,必须采用稳压措施。

2各部分电路设计

2.1变压电路设计

变压电路相对简单,仅有一个单相变压器,变压器将220V市电转化为电路

能承担的电压。理想变压器满足I

1/I

2

=U

2

/U

1

=N

2

/N

1

=1/n,因此

P 1=P

2

=U

1

I

2

=U

2

I

1

.变压器副边与原边的功率比为P

2

/P

1

=η,式中η是变压器的

效率。根据电路需要选择适当的单相变压器。

220V

50Hz

2

u

2.2整流电路设计

整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。有半波整流和全波整流,最常用的是单相桥式整流电路。本设计也采用了单相桥式整流电路,所谓桥式整流电路,就是用二极管组成一个整流电桥。

当输入电压处于交流电压正半周时,二极管D

1、负载电阻RL、D

3

构成一个

回路输出电压Uo=ui-UD

1-UD

3

。输入电压处于交流电压负半周时,二极管D

2

负载电阻RL、D

4构成一个回路,输出电压Uo=ui-UD

2

-UD

4

直流稳压电源设计

单项桥式整流电路

设变压器的副边电压有效值为2U ,则其瞬时值2u =22U sin ωt 。

当2u 为正半周时,电流由A 点流出,经1D 、L R 、3D 流入B 点,因而

负载电阻

L R 上的电压等于变压器副边电压,即0u =2u ,2D 和4D 管

承受的反向电压为 -2u 。当2u 为副半周时,电流由B 点流出,经2D ﹑

L R ﹑4D 流入A 点,负载电阻L R 上的电压等于 -2u ,即0u =-2u ,1D ﹑3D 承受的反向电压为2

u 。由于

1D ﹑3D 和2D ﹑4D 两对

二极管交替导通,致使负载电阻L R 上在2u 的整个周期内都有电流通过,而且方向不变,输出电压0u =|

22U sin ωt |。

直流稳压电源设计

单项桥式整流电路的波形图

通过上述分析,可以得到桥式整流电路的基本特点如下:

(1)桥式整流输出的是一个直流脉动电压。

(2)桥式整流电路的交流利用率为100%。

(3)电容输出桥式整流电路,二极管承担的最大反向电压为2倍的交流峰值电压(电容输出时电压叠加)。

(4)桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。

(5)实际电路中,桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。

2.3滤波电路设计

2.3.1滤波的基本概念

滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同,实现滤波。电容器C对直流开路,对交流阻抗小,所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小,对交流阻抗大,因此L 应与负载串联。经过滤波电路后,既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量,改变了交直流成分的比例,减小了电路的脉动系数,改善了直流电压的质量。滤波电路通常有电容滤波﹑电感滤波和复式滤波。

2.3.2 LC滤波电路设计

由于LC滤波器具有良好的滤波性能,其带负载能力强,二极管导通角大,整流管的冲击电流小。它是电容滤波电路和电感滤波电路的结合。其电路图如下:

直流稳压电源设计

+

-

LC滤波是传统的谐波补偿手段,即LC滤波器,也称为无源滤波器。

2.4稳压电路设计

2.4.1稳压要求

经整流滤波后输出的直流电压,虽然平滑程度较好,但其稳定性是比较差的。其原因主要有以下几个方面:

1.由于输入电压(市电)不稳定(通常交流电网允许有+10%的波动),而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定;

2.当负载RL变化(即负载电流IL变化时,由于整流滤波电路存在一定的内阻,使得输出直流电压发生变化;

3. 当环境温度发生变化时,引起电路元件(特别是半导体器件)参数发生变化,导致输出电压发生变化。

所以,经整流滤波后的直流电压,必须采取一定的稳压措施,才能适合电子设备的需要。常用的稳压电路有并联型和串联型稳压电路两种类型。

2.4.2稳压原理

对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性,一是电网电压波动,研究其输出电压是否稳定;二是设负载变化,研究其输出电压是否稳定。

直流稳压电源设计

稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管,其V-A特性曲线与普通二极管相似,但反向击穿曲线比较陡~稳压二极管工作于反向击穿区,由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用,故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时,反向电流很小,当反向电压增高到击穿电压时,反向电流突然猛增,稳压管从而反向击穿,此后,电流虽然在很大范围内变化,但稳压管两端的电压的变化却相当小,利于这一特性,稳压管访问就在电路到起到稳

直流稳压电源设计

压的作用了。而且,稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的,当去掉反向电压稳压管又恢复正常,但如果反向电流超过允许范围,二极管将会发热击穿,所以,与其配合的电阻往往起到限流的作用。

有稳压二极管

Z

D和限流电阻R所组成的稳压电路是一种最简单的稳压电路。其具体图如下:

稳压管稳压电路

稳压管稳压电路输出电流较小,输出电压不可调,不能满足很多场合下的应用。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础,利用晶体管的放大作用,增大负载电流;在电路中引入深度负反馈是输出电压稳定;并且通过改变反馈网络参数是输出电压可调。

+

-

R

Z

D

R

1

U

T

+

o

U

基本调整管稳压电路

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