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目录
摘要……………………………………………………………………………………4
Abstract………………………………………………………………………………5
1.绪论………………………………………………………………………………6
1.1.设计任务及要求…………………………………………………………………………6
2.设计方案及硬件电路设计………………………………………………………8
2.1.直流稳压电源8
2.1.1.电路方案选择8
2.1.2.元件参数选择10
2.2.直流稳流电源11
2.2.1.电路方案选择11
2.3.DC—DC变换电路14
2.3.1.电路方案分析14
2.3.2.电路原理分析14
3.仿真及分析……………………………………………………………………16
3.1.直流稳压电源仿真分析16
3.2.直流稳流电源仿真分析18
3.3.DC—DC变换仿真分析19
4.实验测试数据分析………………………………………………………………20
5.实物制作…………………………………………………………………………21
6.参考文献…………………………………………………………………………22
附录:
………………………………………………………………………………23
摘要:
随着科技的发展,电气、电子设备已经广泛的应用于日常、科研、学习等各个方面。
电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件,需求日益增加,而且对电源的功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。
对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节,在推动科技发展中起着重要作用。
本设计分别用串联型线性稳压电路,串联调整式稳流电路和反馈式逆变电路设计直流稳压电源,直流稳流电源和DC-DC变换器。
通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数,使电路性能达到设计要求中的电压调整率,电流调整率,负载调整率,纹波电压等各项指标。
关键词:
电源;
串联型线性稳压;
串联调整式稳流;
反馈式逆变电路
Abstract:
Alongwithtechnicaldevelopment,theelectricityandelectronicinstrumentshavealreadybeenwidespreadappliedindaily,scientificresearch,studyandsooneachaspect.Sincethepowersupplytakestheessentialenergy-supplypartofelectricalandelectronicinstruments,itsdemandincreasesdaybyday,andalsobeensetahigherrequesttofunction,stabilityandsooneachtarget.Thepowersupplyresearchhasalreadybecometheimportantlinktothedevelopmentofthenewtechnologyandthenewequipment.It’splayingthevitalroleintheimpetusofscienceandtechnologydevelopment.Thisdesignseparatelyusesserieslinearconstantvoltagecircuit,seriesregulateconstantcurrentcircuitandthefeedbacktypecontravariantcircuittodesigndirectcurrentconstantvoltagepowersupply,directcurrentconstantcurrentpowersupplyandDC-DCconverter.Wemustcalculatevariouseachcomponentparameterinthecircuitsbycorrelatedknowledgeandenablethecircuitperformancetomeetinthedesignrequirementssuchasthevoltageregulationrate,thecurrentregulationrate,loadregulationrate,ripplevoltageandsoon.
KeyWords:
PowerSupply;
SeriesLinearConstantVoltage;
SeriesRegulateConstantCurrent;
FeedbackTypeContravariantCircuit.
1.绪论
1.1设计任务及要求
1.基本要求
(1)稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化范围+15%~-20%条件下:
a.输出电压可调范围为+9V~+12V
b.最大输出电流为1.5A
c.电压调整率≤0.2%(输入电压220V变化范围+15%~-20%下,空载到满载)
d.负载调整率≤1%(最低输入电压下,满载)
e.纹波电压(峰-峰值)≤5mV(最低输入电压下,满载)
f.效率≥40%(输出电压9V、输入电压220V下,满载)
g.具有过流及短路保护功能
(2)稳流电源在输入电压固定为+12V的条件下:
a.输出电流:
4~20mA可调
b.负载调整率≤1%(输入电压+12V、负载电阻由200Ω~300Ω变化时,输出电流为20mA时的相对变化率)
(3)DC-DC变换器在输入电压为+9V~+12V条件下:
a.输出电压为+100V,输出电流为10mA
b.电压调整率≤1%(输入电压变化范围+9V~+12V)
c.负载调整率≤1%(输入电压+12V下,空载到满载)
d.纹波电压(峰-峰值)≤100mV(输入电压+9V下,满载)
2.发挥部分
(1)扩充功能
a.排除短路故障后,自动恢复为正常状态
b.过热保护
c.防止开、关机时产生的“过冲”
(2)提高稳压电源的技术指标
a.提高电压调整率和负载调整率
b.扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值
(3)改善DC-DC变换器
a.提高效率(在100V、100mA下)
b.提高输出电压
(4)用数字显示输出电压和输出电流
2.设计方案及硬件电路设计
2.1直流稳压电源
2.1.1电路方案选择
方案一:
采用由运放构成的线性调压电路。
此电路原理是信号经整流滤波后直接进入线性稳压电路,由运放构成深度度负反馈电路,通过调节负反馈电阻的大小来调节输出电压。
选择合适的电阻和可变电阻,即可实现+9~+12V输出。
电路原理图如下图所示:
一个可调式的串联反馈型的直流稳压电源如图所示,它由变压器,整流滤波电路,串联型反馈式稳压电路构成。
其中串联型反馈式稳压电路的组成部分有调整管,比较放大器,基准电压和取样电路。
由于引入了电压串联负反馈,该稳压电路可以实现输出电压的稳定输出;
由于其电压取样比可调节(反馈系数可调节),还实现输出电压的调节,即一个可调压的直流稳压电源。
电路的稳压过程:
当输入电压Vi增加,或负载电阻RL增大时,都使得Vo增加,于是Vf减小,Vo1减小,管压降Vce增加,使VO基本保持不变。
当输入电压Vi减小,或负载电阻RL减小时,使得Vo减小,于是Vf减小,VO1增加,管压降Vce减小,使Vo基本保持不变。
限流式保护电路,当发生短路或过流时,调整管的电流超过额定值,限流式保护电路通过电路中的取样电阻的反馈作用,起到使调整管基极电流分流的作用,从而达到限制输出电流的目的。
如图所示。
方案二:
采用开关电源电路,直接将220V电压经整流后送入单级开关电源电路,通过调节开关管的占空比来调节输出电压的大小。
电路图如下所示:
图2—2振铃式开关电源
电路包括整流滤波电路、开关变压器、开关管、次级整流电路、取样放大电路、控制电路等,其特征在于将普通开关电源的开关变压器的初级线圈分成两个绕组L↓〔1〕和L↓〔2〕,每个绕组串接一只二极管,然后再把这两部分串接起来,接点为A,剩下的两个端点,一端与电源相接,另一端通过开关管与地相接此外在接点A与电源之间跨接一只电容C↓〔1〕,在接点A与地之间再跨接另一只电容C↓〔2〕,其最佳值是使C↓〔1〕、C↓〔2〕的大小与对应绕组L↓〔1〕、L↓〔2〕的匝数N↓〔1〕、N↓〔2〕成反比,即C↓〔1〕∶C↓〔2〕=N↓〔2〕∶N↓〔1〕。
在VT2的基极支路上增加RA和RB。
由于C3上的电压是与输入电压成正比的正极性电压,一旦输人电压Ui升高,电阻RA流过的电流就增加,加速VT2导通,起到限流的作用。
因此,输出电压Uo和C2的电压Uc2就会降低,故流过RB的负电流减少,VT2基极电压升高,VT2深度饱和导通,于是起到减小输出电流的作用
方案三:
使用三端稳压器LM317作基准电压源构成稳压电路。
经变压器降压后送入稳压电路。
其稳压电路如图所示:
图2—3三端稳压器式稳压电路
其稳压性能良好。
5、6之间有非常精准的电压差。
其输出电压为V=(R1+R3+R4)/R1*1.25V。
比较三个方案,决定选用方案一。
因为其稳压性能较好,适合小电流,调节范围宽广。
2.1.2元件参数选择
该反馈放大器属于电压串联负反馈,调整管的电路组态属于射极跟随器;
如果运算放大器为理想的条件下,输出电压计算如下:
Vo1=Av(VREF–FVO)≈VO
VO=VREF
由于理想运算放大器其开环增益无穷大,故反馈深度
>
1,有
Vo=VREF
F=
=
=VZ
从上式可以看出,在基准电压VZ确定后,改变可调电位器R2滑动触点的位置,就能改变输出电压Vo的大小。
显然,当R2的滑动头移至下端时,
=0,还可看出,Vo最大,即:
Vomax=
Vz
同理,R2的滑动头移至上端时,Vo最小,及:
Vomin=
Vz
所以
Vz<
Vo<
为了提高电源的稳压效果,首先是提高放大电路的增益;
其次,应提高取样系数n,减小信号电压的损失;
第三,基准电压要稳定,否则也会造成Vo的不稳定,而且基准电压的不稳定是不能由稳压电路的调整过程进行补偿的。
调整管的调整作用是依靠输出电压和给定电压之间的偏差来实现的,必须有偏差才能调整。
如果绝对不变,调整管的电路参数也绝对不变,那么电路也就不能起着调整作用了,所以不可能达到绝对稳定,只能基本稳定。
因此串联负反馈型稳压电路是一个闭环有差的调整系统。
稳压系数Sr为:
Sr=
=
可以看出,稳压系数Sr的大小主要决定于取样比n和比较放大器的电压增益Av,n和Av越大,Sr值越小,电源的稳定程度越高。
根据理论公式得:
(1)稳压电路:
R=1K欧;
R1=510欧;
Rw=1K欧;
R3=1.5K欧;
C=2200uF/50V;
(2)稳流电路:
R1=R2=R3=R4=10K欧;
R5=R6=100欧;
R7=5.1K欧;
Rw=1K欧。
2.2直流稳流电源
2.2.1电路方案选择
方案一如图是一个由双运放构成的恒流电路。
A1为深反馈同相放大器;
A2接成电压跟随器组态.它把输出电压反馈回输入端。
依放大器特性:
Up=UrR4/(R3十R4)十UoR4(R3十R4)
Un=Uo’R1/(R1+R2)
Up=Un
图2—5线性稳流电路
在设计中,取R1=R2=R3=R4。
由以上三式可得Uo’-Uo=Ur;
即电路R5上的压降等于控制电压Ur。
忽略集成运故的输入偏置电流,则输出电流为
Io=Ur/R5
这种方案利用运放构成一深反馈电路,有效地抑制了外界十扰,使得恒流电源工作稳定性
增强.理论上可以达到0.001—0.0001之间的稳定度.完全满足设计要求。
基本思想是利用7805集成基推电压源,其3端与1端之间固定压降为5v,流经电阻后产生恒稳的电流。
(1)不加三极管的方案,如下图这是一种被普遍采用的产生恒流的方法,但它有两点不足。
一是集成块的静态电流作为负载电流的一部分,当前者随输入电压及负载的变化而变化时,会影响后者的稳定;
二是该电路不能提供小于I(adj)的恒流。
图2—6不用三极管的稳流电路
(2)使用三极管的方案。
如下图:
针对上一种方案,我们进行了改进,加进了一只三极管,则静态电流I(adj)由三极管e、c极提供,而流经RL的静态电流仅为I(adj)的1/(1+x)该电路能提供比I(adj)还小的恒定电流。
图2—7使用三极管的稳流电路
设计中由于不需要太低的电流,故可以选择方案一。
为输出4-20mA的电流,可将RES3选择为一个固定电阻加一个可变电阻。
经计算并结合实际情况,固定电阻选择为240欧,可变电阻选择为1K。
2.3DC—DC变换电路
2.3.1电路方案分析
采用Boost型DC-DC升压器。
这种电路结构简单,容易实现,但输入输出电压比太大,占空比大,输出电压范围小,难以达到较高的指标。
方案二:
带变压器的开关电源。
由于使用变压器,可做到输出电压范围宽,开关管占空比合适。
本设计采用方案二。
2.3.2电路原理分析
电路如下图所示:
图2—8DC—DC变换电路
Q2作为开关管,Q1,Q3以及R1,R3,R4起稳压作用。
Q1,Q3选择2N2222,Q2选择TIP31C,R1选择为1K,R3选择为3.9K,R2选择10K可变电阻,R4选为1.2M。
调节R2的电阻可是输出电压大于100V。
D1整流,用1N4007。
C1滤波,选择一个2200uF的电容。
电感则自己买磁环和漆包线绕,在磁环上绕一个20T,一个30T和一个100T的电感构成耦合电感。
3.仿真及分析
为了验证设计电路的正确性,并测试电路的性能是否符合要求,本人现对电路作了全面,系统的仿真。
我是用的仿真软件是Multisim10.0。
3.1直流稳压电源仿真分析
直流稳压电源的要求首先是电压调节范围。
我做的仿真结果如下图:
图3—1稳压最小输出
图3—2稳压最大输出
从仿真结果中可以看出:
输出电压调节范围为7.411—12.351V,设计满足要求。
然后分析纹波,结果如下图:
图3—3纹波电压
仿真结果显示纹波电压仅为206.131nV。
远小于要求中的5mV,故设计通过。
用示波器观测纹波,可以看到很平稳的波形,可知输出电压很稳定,再次验证了设计满足要求。
纹波波形如下图:
图3—4纹波波形
3.2直流稳流电源仿真分析
首先验证电流的调节范围,仿真结果如下图:
图3—5稳流输出最小电流
图3—6最大输出电流
分析结果显示输出电流调节范围为1.937—21.291mA。
满足设计要求。
3.3DC—DC变换仿真分析
对DC-DC变换器做仿真分析,输出电压结果如图:
图3—7DC升压输出
4.实验测试数据分析
〔1)稳压电源,在输入电压220V;
50Hz,电压变化范围+15%~-20%下:
a.输出电压可调范围为:
+7.45~12.50V
b.最大输出电流为:
1.48A
c.电压调整率为:
0.187%
d.负载调整率为:
0.86%
e.纹波电压:
148.452uF
f.效率:
43.03%
(2)稳流电源,在输入电压为+12V的条件下:
a.输出电流:
7.45~25.50mA可调
b.负载调整率为:
1.3%
整体分析:
由以上数据可知,本次设计基本成功,但在细节处与要求有一定的偏差,分析原因主要在于,一些元件的参数与计算值有一定的偏差,且温度等外部因素也对结果产生一定影响。
总结:
通过这次课程设计,是对所学的模电知识的一次综合应用,既考验了我的知识掌握程度,也锻炼了我的动手动脑能力。
明白了理论和实际是有差距的。
很多理论上成立的事情实际不一定做得到。
虽然此次课程设计花费了一番功夫,但却使我收获很多。
无论是对稳定电源的认识,还是对仿真软件的学习,都有了一定的提高。
同时此次课程设计也让我发现了许多学习中的问题,今后,将更加努力学习,弥补漏洞,进一步提高自己。
5.实物制作:
6.参考文献
【1】.戴伏生《基础电子电路设计与实践》国防工业出版社2002.4
【2】.王成华,王友仁,胡志忠《电子线路基础教程》科学出版社2000
【3】.黄继昌,乔苏文,徐巧鱼《电源专用集成电路及其应用》
人民邮电出版社2006.06
【4】.吴友宇《模拟电子技术基础》清华大学出版社2009.05
元件列表
元件
数量
OP07P
4
1B4B42(6.2V稳压管)
固定电阻510欧
固定电阻1.5K欧
固定电阻100欧
固定电阻5.1K欧
固定电阻10K欧
固定电阻
可变电阻1K欧
IC-8P
中锡板
电解电容2200uF/50V
变压器20W双15V
2A整流桥
2N2222
本科生课程设计成绩评定表
姓名
胡欣
性别
男
专业、班级
通信工程0905班
学号
0120911360206
题目:
直流稳定电源
答辩或质疑记录:
1.简述直流稳压电源的组成及其各部分的作用。
答:
直流稳压电源是由电源变压器,整流,滤波和稳压电路四个部分组成。
变压器的作用是将220V的交流电变换成电路所需的低压交流电;
整流电路是将交流电转为具有直流电成分的脉动直流电;
滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除,减少交流成分;
稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳压直流电压。
2.调整管的概念。
调整管是串联负反馈式直流稳压电路的重要组成部分,工作在放大区,担负着调整输出电压的重任。
它不仅需要根据外界条件的变化,随时调整本身的管压降,以保持输出电压稳定,而且还要提供负载所要求的全部电流,因此管子的功耗比较大,通常采用大功率的三极管。
3.稳压电路的保护方式有哪些?
保护电路设计的原则是什么?
Ⅰ限流式保护电路;
Ⅱ截流式保护电路。
当稳压电路正常工作时,保护电路不必投入;
一旦电路发生过载(过流)或短路,保护电路立即投入动作,或者限制输出电流的大小,或者是使输出电流下降为零,达到保护调整管的目的。
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
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- 关 键 词:
- 直流 稳定 电源