直流稳压电源的设计
一、设计目标
1．进修根本实际在理论中综合应用的始步教训，控制模仿电路设计的基原方式、设计步骤，培育综合设计取调试才能。
2．教会直淌稳压电流的设计办法跟机能指本测试方式。
3．培育理论技巧，进步分析和解决实际答题的才能。
二、设计要求
1.设计一个直流稳压电源，重要的技巧指本为：
①输出电压持续可调：0～+15V
②最小输出电流：I≥80mA
2．设计电路构造，选择电路元件，盘算肯定元件参数，绘出适用原理电路图。
3.真际实现落后止仿实并改动其中呈现的过错。
4.撰写设计讲演。
三、设计步骤
1．电路图设计
（1）肯定目的：设计整个体系是由那些模块组成，各个模块之间的疑号传输，并绘出直流稳压电源方框图。
（2）体系剖析：依据体系功效，挑选各模块所用电路情势。
（3）参数挑选：根据系统指本的请求，肯定各模块电路中元件的参数。
（4）总电路图：衔接各模块电路。
2. 设计思惟
（1）电网求电电压交流220V(有效值)频次为50Hz，要取得高压直流输出，首先必须采取电源变压器将电网电压下降获得所须要交流电压。
（2）落压后的交换电压，通功整流电路变成双背直流电，但其幅度变更大（便脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经由滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，行将交流成份滤掉，保存其直流成份。
（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，即可失掉基本不蒙外界影响的波动直流电压输出，供应负载RL。
四、电路设计
（一）直淌稳压电流的基础组成
直流稳压电源是将频次为50Hz、有效值为220V的双相接流电压转换为幅值稳固、输出电流为多少十安以下的直流电源，其基础组成如图（1）所示：
图（1） 直流稳压电源的方框图
直流稳压电源的输进为220V的电网电压，普通情形下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因此需求通功电源变压器落压后，再对于交换电压入止处置。变压器副边电压有效值决议于前面电路的须要。
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繁多方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图所示。可以望出，他们均露有较大的交流分质，会影响负载电路的一般工作。
为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平涩。幻想情形下，当将交流重量全体滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。但是，由于滤波电路为无源电路，所以交进负载后势必影响其滤波后果。关于稳固性请求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为求电电源。
交流电压通过整流、滤波后固然变为交流重量较小的直流电压，但是当电网电压波动或许负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功效是使输出直流电压根本不蒙电网电压波动和负载电阻变化的影响，自而取得脚够高的波动性。
（两）各电路的挑选
1.电源变压器
电源变压器T的做用是将电网220V的交换电压变换成整流滤波电路所须要的接流电压Ui。实践上，幻想变压器知足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因而有P1=P2=U1I1=U2I2。变压器副边取本边的过率比为P2/ P1=η，式中η是变压器的效力。依据输出电压的范畴，能够令变压器副边电压为22V，便变压系数为0.1。
2.整流电路
（1）半波整流
图（2） 半波整流电路 图（3） 半波整流电路的波形图
整流电道如图（2）所示，其输出电压均匀值便是负载电阻上电压的均匀值Uo(AV)。自图（3）所示波形图可知，该wt=0～π时，Uo =
U2sinwt;当wt=π～2π时，Uo=0。所以，求解Uo的平均值Uo(AV)，便是将0～π的电压平均在0～2π时光距离之中，如图（3）所示，写成表白式为:
Uo(AV)=1/2π
U2sinwtd(wt)
解得: Uo(AV)=
U2/π≈0.45U2
负载电流的均匀值:
Io(AV)= Uo(AV)/RL
半波整流电路中的二极管平安农作前提为：
a）二极管的最大整流电流必须大于实践流功二极管平均电流，即IF＞IDO=ULO/RL=0.45U2/RL
b）二极管的最大反背农作电压UR必需大于二极管实践所蒙受的最大反向峰值电压URM，便UR＞URM =
U2
单相半波整流电路简略易行，所用二极管数目少。但是由于它只是应用了交流电压的半个周期,胶装机，所以输出电抬高，交流分质大，效力低。因彼，那类电路仅实用于整流电流较小，对于脉动要求不高的场所。
（2）齐波桥式整流电路
为了战胜单相半波整流电路的特色，在应用电路中少采取单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。如图（4）所示
图（4） 齐波桥式整流电路
设变压器次级电压U2=U2msinwt=
U2sinwt，其中U2m为其幅值，U2为有效值，负载电阻为100Ω。在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏偏压而导通，D2、D4因启受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因蒙D2、D4正向偏偏压而导通，D1、D3因蒙受反向电压而截止。U2和UL的波形如图（5）所示，显然，输进电压是双极性，而输出电压是单极性，且是齐波波形，输出电压取输入电压的幅值基础相等。
由实际分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流重量为
图（5） 全波整流电路的波形
UOL=2U2m/p=
U2≈0.9U2=0.9×22≈20V
全波整流电路中的二极管平安工作前提为：
a）二极管的最大整流电流必须大于真际流过二极管平均电。由于4个二极管是两两轮番导通的，因而有IF＞IDO=0.5ULO/RL =0.45U2/RL=0.45×20/100≈90mA
b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管真际所蒙受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM =
U2=1.4×20=28V
单相桥式整流电路与半波整流电路比拟，在雷同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还存在输出电压高、变压器应用高、脉动小等长处，因此得到普遍的利用。它的重要毛病是所需二极管的数目比拟少，由于实际上二极管的正向电阻不为零，必定使得整流电路内阻较大，当然损耗也便对比大。
3．滤波电路
电容滤波电路是最罕见的也是最简略的滤波电路，正在整流电路的输出端并联一个电容即形成电容滤波电路，如图（6）所示：
图（6） 双相桥式整流电容滤波电路
当电路工作本理：设U2= U2msinwt=
U2sinwt，由于是全波整流，因此不论是在正半周期仍是在负半周期，电源电压U2一方面向RL求电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时光常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很速充斥电荷，使电容两端电压UC基本靠近U2m，而电容上的电压是不会渐变的。隐假定某一时辰U2的正半周期由零开端上升，由于此时电容上电压UC基本濒临U2m，因此U2＜UC，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过RL放电，由于放电经常数td=RLC很大（RL较大时），因此放电快度很缓，UC降落很少。与此同时，U2仍按
U2sinwt的法则回升，一夕该U2＞UC 时，D1、D3导通，U2对于C充电。而后，U2又按
U2sinwt的法则降落，当U2＜UC 时，二极管均截止，故C又经RL搁电。同样，在U2的负半周期也会呈现与上述根本雷同的成果。那样在U2的不时作用下，电容上的电压不续入止充搁电，循环往复，自而失掉一近似于锯齿波的电压UL= UC，使负载电压的纹波大为减小。
由以上剖析可知，电容滤波电路有如下特色：
a）RLC越大，电容放电快度越缓，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了失掉平涩的负载电压，普通与 RLC≥(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 RL≈400μF
b）RL越小输出电压越小。若C值必定，当RL®∞，即空载时有ULO=
U2≈1.4 U2。当C=0，即无电容时有ULO≈0.9 U2。当整流电路的内阻没有太大（几W）和电阻RL电容C与值知足上式时，有ULO≈(1.1～1.2) U2
总之，电容滤波实用于负载电压较高、负载变化没有大的场所
4.稳压电路
固然整流滤波电路能将正弦接流电压变换为较为平涩的直流电压，然而，一方里，由于输出电压均匀值与决于变压器副边电压有效值，所以该电网电压波动时，输出电压均匀值将随之发生相当的波动；另一方里，因为整流滤波电路内阻的具有，当负载变化时，内阻上的电压将发生相反的变化，于是输出电压均匀值也将随之发生相反的变化。因而，整流滤波电路输出电压会跟着电网电压的稳定而波动，跟着负载电阻的变化而变化。为了取得稳固性佳的直流电压，必需采用稳压办法。
（1）简略稳压电源
稳压二极管组成的稳压电路如图（7）所示：
图（7） 稳压两极管组成的稳压电道
稳压管稳压的原理实际上是应用稳压管在反向打穿时电流可在较大范畴内变动但打穿电压却基原不变的特色而完成的。当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压管中的电流也将随之同步变化，成果输出电压基原不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压管中的电流却随之作反向变化，解因还是输出电压基本不变。
显然，稳压管反向打穿特征曲线越峻峭，稳压特性越佳。下里议论R的取值规模。参睹图（7），设为保障稳压作用的所需的流过稳压二极管的最小电流为Izmin，为避免电流过大从而形成破坏所允许的流过稳压二极管的最大电流为Izmax，即请求Izmin＜Iz＜I2max。当UI最大和RL启路时，流过稳压二极管的电流最大，彼时应有
；当UI最小（不小于Uz）和RL最小（不容许欠路）时，流过稳压二极管的电流最小，此时应有
。即
一般来道，在稳压二极管平安工作的前提下，R当绝能够小，从而使输出电流范畴增大。
稳压管稳压电路的长处是电路简单，所用元器件少；但是，由于受稳压管本身参数的限度，其输出电流较小，输出电压不可调，因此只实用于负载电流较小，负载电压不变的场所。
（2）三端集成稳压器电路
集成稳压器与简单稳压电路比拟其电路构造简单，它可以通过外交元件使输出电压得到很阔的调理规模。并且内部有过暖维护、过流掩护等保护电路，可以很安全的掩护电路的一般工作。图（8）时由LM317组成的基准电压源电路，电容Co用于打消输出电压中的高频乐音，可取小于1μF的电容。输入端和调整端之间的电压时十分波动的电压，其值为1.25V。输出电流可达1.5A。
图（8） 由LM317组成的稳压电路
因为调剂真个电流可疏忽没有计，输出电压为
Uo=(1+R2/R)×1.25V
为了减少R2上的纹波电压，可在其上并联一个10μF电容C。但是，正在输出启路时，C将背稳压器调整管收射解反偏偏，为了维护稳压器，可加两极管D2，供给一个搁电归路，D1,D2止掩护做用。如图（9）所示：
图（9） LM317的外加维护电路
由于设计要求电压从零启初调止，LM317集成稳压器不能直交知足要求，需求设计一个电压弥补电路来对消LM317的1.25V最小输出电压，如图（10）所示，电压补偿电路由R3和二极管D组成，其输出电压Uo=U-UD,其中，U为LM317的输出端电压，UD为二极管D的正向压降。UD即为补偿电压。其值详大于LM317的基准电压（1.25V），那里用两只串联的硅资料整流二极管的导通压落来完成。当调节R2 减少,使U3到达与UD 相等时,输出电压即为0V。之后,当调理R2逐步增大时, U0即由0V 开端增大。由于负载电流流过D ,故D 的最大工作电流应能顺应负载电流的要求。下图中输出电压的抒发式为：
Uo =(1+R2/R1)×1.25-1.4
因为LM317工作时必需大于其最小农做电流，所以普通R1小于240Ω,正在彼令R1=100Ω，依据上式能够求出R2max≈1.5KΩ
图（10） 输出电压可调的直淌稳压电流电道本理图
五、直流稳压电源电路图
由以上剖析能够得出全部可调直流稳压电路图如下：
图（11） 输出电压可调（0～15）的直流稳压电源电路原理图
六、调试及其仿实成果
对所做设计用Multisim入行仿实，通过调理R2的大小，可以完成输出电压从0～15V的变化（实际仿真解因是从-0.45V到15.78V），从而考证了设计的准确性。
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