可调直流稳压电源的设计
直流稳压电源的设计
设计要求
基本要求:短路保护,电压可调。若用集成电路制作,要求具有扩流电路。
基本指标:输出电压调节范围:0-6V,或0-8V,或0-9V,或0—12V;
最大输出电流:在0.3A-1.5A 区间选一个值来设计;
输出电阻Ro:小于1欧姆。
其他:纹波系数越小越好(5%V0,电网电压允许波动范围+ -10%。
设计步骤
1.电路图设计
(1)确定目标:设计整个系统是由那些模块组成,各个模块之间的信号传输,并画出直流稳压电源方框图。
(2)系统分析:根据系统功能,选择各模块所用电路形式。
(3)参数选择:根据系统指标的要求,确定各模块电路中元件的参数。
(4)总电路图:连接各模块电路。
2. 设计思想
(1)电网供电电压交流220V(有效值)频率为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R L。电路设计
(一)直流稳压电源的基本组成
直流稳压电源是将频率为50Hz 、有效值为220V 的单相交流电压转换为幅值
稳定、输出电流为几十安以下的直流电源,其基本组成如图(
1所示:
直流稳压电源的输入为220V 的电网电压,一般情况下,所需直流电压的数 值和电网电压的有效值相差较大,因而需要通过电源变压器降压后,再对交流电 压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。
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图所示。 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。
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。然而,由 于滤波电路为无源电路,所以接入负载后势必影响其滤波效果。 对于稳定性要求 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。
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 电压波动或者负载变化时,其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直 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。
(二)各电路的选择
1.电源变压器
电源变压器T 的作用是将电网220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要
的交流电压U 。实际上,理想变压器满足l i /l 2=U 2/U i =N/N i =1/n ,因此有
卩1=巳=口|1=直|2。变压器副边与原边的功率比为 P/P i = n ,式中n 是变压器的 效率。根据输出电压的范围,可以令变压器副边电压为22V,即变压系数为0.1 。
2.整流电路
滤波 稳
压 整 流 A A A
nu 负载
(1)半波整流
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图(2)半波整流电路图(3)半波整流电路的波形图整流电路如图(2)所示,其输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值
U O(AV)。从图(3)所示波形图可知,当t=0?n时,U0 = . 2 U2sin t;当t= n?2n时,U0=O。所以,求解U0的平均值U0(AV),就是将0?n的电压平均在0?2n 时间间隔之中,如图(3)所示,写成表达式为:
U b(Av)=1/2 n」;气初U2sin td( t)
解得:U O(AV)= _U2/ n" 0.45U2
负载电流的平均值:
I o(AV)= U O(AV)/R L
半波整流电路中的二极管安全工作条件为:
a)二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流,即I F>
I DO=L L C/R L=0.45U2/R L
b)二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰
值电压URM 即卩L R>L R M= <2U2
单相半波整流电路简单易行,所用二极管数量少。但是由于它只是利用了交
流电压的半个周期,所以输出电压低,交流分量大,效率低。因此,这种电路仅适用于整流电流较小,对脉动要求不高的场合。
(2)全波桥式整流电路
为了克服单相半波整流电路的特点,在使用电路中多采用单相全波整流电路,最常用的是单相桥式整流电路。如图(4)所示
图(4)全波桥式整流电路
设变压器次级电压L2=l2n sin t= 2U2sin t,其中U m为其幅值,U2为有效值,负载电阻为100Q。在电压12的正半周期时,二极管D1、D3因受正向偏压而导通,D2 D4因承受反向电压而截止;在电压◎的负半周期时,二极管因受D2、D4正向偏压而导通,
D1、D3因承受反向电压而截止。◎和U L的波形如图(5)所示,显然,输入电压是双极性,而输出电压是单极性,且是全波波形,输出电压与输入电压的幅值基本相等。
由理论分析可得,输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为
图(5)全波整流电路的波形
U O=2L2n/ =LJu b^ 0.9U2=0.9 X 22" 20V
n
全波整流电路中的二极管安全工作条件为:
a)二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。由于4个二极管是两两轮流导通的,因此有I F> I DG=0.5U LO/R L =0.45U2/R L=0.45 X 20/100 ?90mA
b)二极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URM 即卩U R>U RM =V2U2=1.4 X 20=28V
单相桥式整流电路与半波整流电路相比,在相同的变压器副边电压下,对二极管的参数要求是一样的,并且还具有输出电压高、变压器利用高、脉动小等优点,因此得到广泛的应用。它的主要缺点是所需二极管的数量比较多,由于实际上二极管的正向电阻不为零,必然使得整流电路内阻较大,当然损耗也就比较大。
3. 滤波电路
电容滤波电路是最常见的也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端并联
一个电容即构成电容滤波电路,如图(6)所示:
0-
■■?
图(6)单相桥式整流电容滤波电路
该电路工作原理:设U2= U2m sin t= 2 U2sin t,由于是全波整流,因此不
管是在正半周期还是在负半周期,电源电压U —方面向FL供电,另一方面对电容C进行充电,由于充电时间常数很小(二极管导通电阻和变压器内阻很小),所以,很快充满电荷,使电容两端电压U C基本接近12m,而电容上的电压是不会突变的。现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升,因为此时电容上电压U C
基本接近U2m,因此uv U C,D1、D2 D3 D4管均截止,电容C通过R L放电,由于放电时常数d=RC很大(R L较大时),因此放电速度很慢,U C下降很少。与此同时,12仍按2 U2sin t的规律上升,一旦当U2>U C时,D1、D3导通,U2 对C充电。然后,U2又按2
U2Sin t的规律下降,当12v U C时,二极管均截止,
故C又经F L放电。同样,在12的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。这
样在U 2的不断作用下,电谷上的电压不断进行充放电,周而复始,从而得到一 近似于锯齿波的电压U L = U c ,使负载电压的纹波大为减小。
由以上分析可知,电容滤波电路有如下特点:
a ) F L 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。为了得到平滑的负载电压,一般取 R L C > (3?5)T/2式中,T 为交流电 源电压的周期。由上式可以解得 C =(3?5)T/2 R L ~400卩F
b ) R_越小输出电压越小。若 C 值一定,当R L %,即空载时有 U =.2 U 2
-1.4 U 2。当C=0,即无电容时有U Lo -0.9 U 2。当整流电路的内阻不太大(几 ) 和电阻RL 电容C 取值满足上式时,有U Lo -(1.1?1.2) U 2
总之,电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合
4. 稳压电路
虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压,
但是,一 方面,由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值, 所以当电网电压波动 时,输出电压平均值将随之产生相应的波动; 另一方面,由于整流滤波电路内阻 的存在,当负载变化时,内阻上的电压将产生相反的变化, 于是输出电压平均值 也将随之产生相反的变化。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,必须采取 稳压措施。
(1)简单稳压电源
稳压二极管组成的稳压电路如图(7)所示:
图(7
)稳压二极管组成的稳压电路229 VTW
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