机电毕业论文：程控直流稳压电源设计与实现(编辑修改稿)

机电毕业论文：程控直流稳压电源设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

寿命不利。 所以选用二极管时，应考虑它能承受最大冲击电流的情况。 一般选管子时，要求它承受的正向电流的能力应大于平均输出电流的 2~3 倍。 电容滤波电路简单，制作方便。 但是它的输出电流不宜太大，而且要求输出电压的脉动 成分较小时，必须增加电容器的容量，因此电路的体积大也不经济。 为此，RCπ型滤波电路在实际电路中经常使用。 RCπ型滤波电路如图 26 所示： 它实际上就是在电容滤波的基础上再加上 1 级 RC 滤波电路构成的。 采用这种滤波电路可以进一步降低输出电压的脉动系数。 但是，这种滤波电路的缺点是在 R 上有直流压降，因而必须提高变压器次级电压；因而整流管的冲击电流仍然比较大；同时，由于 R 产生压降，外特性比电容滤波更软。 所以这种电路只适用于小电流的场合。 图 26 RCπ型滤波电路 电感滤波器 利用电感具有阻止 电流变化的特点，在整流电路的负载回路中串联电感 L，如图27 所示，即构成电感滤波电路。 图 27 电感滤波电路 当整流后的脉动电流增大时，电感 L 将产生反电势－ L(di/dt)，阻止电流增大；相反，当电流减小时，电感 L 将阻止电流减小，从而使负载电流脉动成分大大降低，达到滤波的目的。 由于电感交流电阻很大，而直流电阻很小，输出直流分量在电感上损失很小，所以它适用于负载电流比较大的场合，而且外特性较好，即负载电流变化时，输出直流 电压变化较小，另外，电感滤波的二极管导通角不会减小，避免了浪涌电流的产生。 为了进一步改善滤波效果，可以采用 LC 滤波电路，它是在电感滤波电路的基础上，再在负载电阻 RL 上并联电容器 C，如图 28 所示 图 28 LC 型滤波电路 不难看出，当 L 值很小，或 RL 很大时，该电路和电容滤波电路很类似，呈现电容滤波的特点，为了保证整流二极管的导电角仍为 180 度，一般要求 L 值很大，对基波信号而言应满足 RL3Ω。 LC 滤波电路中输出电压中的基波分量应由 jω L 和 RL//(1/ω C)分压得到，所以输出电压的脉动成分比仅用电感滤波时更小；而负载电流变化时均能有良好的滤波效果，所以说他对负载的 适应性比较强。 在大功率输出的电源稳压电路中，由于输出电流较大，为了减少功率损耗，一般不用电阻做滤波器件，经常使用的是 LC 元件构成的π型滤波电路。 为了增大电感量，一般来说， L 选用铁心电感， C 选用电解电容，如图 所示： 图 210 π型 LC 滤波电路 稳压电路 经过整流和滤波后的直流电压，会由于交流电网电压的波动以及负载电阻的变动而发生变化。 在绝大多数情况下，这种输出电压的变化波动显得太大，仍需要进一步对其稳定，这就需要采用稳压电路。 通常，完整的稳压电源电路包括有整流、滤波、和稳 压电路。 下面就稳压电路作一下介绍。 稳压电路的指标 衡量稳压器的性能有许多指标，例如额定输出电压、电流和电压调节范围等，这属于特性指标；稳压系数、等效内阻、纹波电压（即交流电压分量）等属于质量指标。 自动化程度，用来说明维护人员离开时，例如，是否具有自动开机、停机性能，故障检测等。 经济指标，主要有效率和功率因数等。 下面简单介绍下质量指标。 1 稳压系数 当负载电流一定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比称为稳压系数，即： IiOO UU UU // ( LI =额定值 ) （ 25） 上式中，γ为稳压系数； OU 为稳压器的额定输出电压； iU 为稳压器额定输入电压； OU 为输出电压的变化量； iU 为输入电压的变化量； LI 为负载电流。 另外还有以γ的倒数 S 为标准，称 S＝ 1/γ为稳定系数的。 2 等效电阻 OR 又称为动态电阻，是包括整流、滤波和稳压在内的等效电阻。 当 iU 保持不变时，输出电压增量 OU 与输出电流增量 OI 之比称为等效内阻： OOO IUR  （ iU ＝额定值） （ 26） 上式中， OR 为正值，由于电流增加（增量为正）时其两端电压受内阻影响要下降（增量为负），故上式中加了个“－”号，使得 OR 为正值。 通常稳压器在额定范围内使用时， OR 约在。 3 纹波电压 纹波电压就是叠加在输出直流电压上的交流电压分量，通常经滤波及稳压后，它的数值在几毫伏以内，以不影响电子设备工作为准。 可用一个容量较大的电容器与交 流毫伏表串联进行测量，此电容是隔直流用的 ]。 稳压管基本应用电路 硅稳压管也称 为齐纳二极管，其伏安特性如图所示。 从伏安特性可以看到，当流过稳压管的电流在一个较大范围内变化时，稳压管两端的电压几乎不变。 稳压管的这一特性将稳压管和负载并联，若能保证稳压管中的电流在一定范围内，则负载电压就能在一定程度上得到稳定，因此，稳压电路的关键就是限定稳压管中的电流。 因为如果工作电流太小，则电压随电流的变化很大，达不到稳压的目的；但工作电流也不能太大，以免超过管子的额定功率，造成损坏。 小功率稳压管的工作电流大致几毫安至几十毫安，大功率的稳压管可到几安培到十几安培。 图 212 是由稳压管构成的基本稳 压电路： 图 212 稳压管稳压电路 电路中， R 决定了向稳压管和负载输送电流的总量，起着限流和调压的作用，稳压管起着调节电流的作用。 如负载 LR 减小，要求更多的电流流过 LR 时，通过稳压管的电流 ZI 将随之减小，使 RI 基本不变，以保证输出电压 oV 基本不变。 如果 LR 不 变，但输入电压 iV 由于电网电压或元件参数改变而增加时，则 RI 将增加，此时 ZI 也随之增加，保证 OI 基本不变，即 oV 基本不变。 如果 iV 和 LR 都变化，则 ZI 将综合二者的变化加以调整，只 要 ZI 的变化在它的允许的工作范围之内，就能保证起到较好的稳压作用。 其稳压过程简述如下：若 iV 电压升高，而负载不变，则 iV 电压降低，而负载不变，则而负载不变，则稳压过程与上诉相反。 若负载电阻 LR 减小（负载电流 OI 增大），而输入电压不变，则若负载电阻 LR 增大，而数输入电压不变，则稳压过程与上诉相反。 基本稳压电路中限流电阻 R 的选用非常重要，若 R 选的太大，则供应电流不足，当 OI 较大时，稳压管的电流将减小到临界值以下，失去稳压作用；若 R 选的太小，则当 LR 变到很大或开路时， RI 都流向稳压管，可能超过允许定额而造成损坏。 为此，要合理需用 R。 设稳压管的稳定电压为 ZV ，最大工作电流为 maxzI ，最小工作电流为 minzI ；市电电压最高时的整流输出电压为 axVIm ，最低时为 inVIm ；负载电流的最小值为 minOI ，开路时为 0，最大值为 maxOI。 要使稳压管能正常工作，必须满足下列条件。 1 当市电电压最高和负载电流为 0，即负载开路时， ZI 应不超过允许 最大值，既限流电阻 R 的最小值应满足： maxImZOaxI VVR  （ 27） 2 当市电电压最低和负载电流最大时，应不低于允许最小值，即： m inm axImzOOin II VVR  （ 28） 如上两式不能同时满足，则说明在给定条件下已超过稳压管的工作范围，需限制变化范围或选用较大功率的稳压管。 稳压管稳压电路具有线路简单，调试方便等 优点，但输出电流受稳压管稳定电流的限制，而且输出电压又不能任意调节，稳压性能不高，只适用于输出电流小，负载变动不到和稳定性能要求不高的场合，或作为辅助稳压源。 若负载经常变动，要求输出电压连续可调，稳定性能好，就要采用晶体管稳压源。 串联反馈型晶体管稳压电路 串联反馈型稳压电路比稳压管稳压电路要复杂的多，它是一个闭环反馈系统。 所以必须具有执行元件和反馈支路。 一般情况下，它包括调整管、取样电路、基准电压源及误差比较放大器等主要部分。 调整管是闭环调节系统的执行机构，其余部分都是反馈控制支路所必需的， 原理框图如图 213 所示。 从框图上可以看出输入电压 iU 经过调整元件调节之后，变成稳定的输出电压 OU。 图 213 串联反馈型稳压电路框图 取样电路和基准电压相比较，并把比较后的误差信号送放大器，增强反馈控制效果，因为取样得来得是电压信号，所以这种电压源实际上是一个以电压为调节对象得自动调节系统，其调节模式如图 所示。 图中， OK 为调节系统开环 时的电压传递函数，也就是系统开环稳压系数； TK 为执行机构在系统闭环时的电压传递函数，也就是调整管电路的电压放大倍数； K 时误差放大器开环电压放大倍数； n 为取样电路的电压传递系数，也就是取样分压器的分压比。 根据调节原理可知，该系统的调节函数为： nKKK T  1 1 （ 29） 由此可知，无论输入电压波动还是负载变化对输出电压的影响，反馈系统是开环系统的 1/（ 1+ TK *K*n）倍，更具体点说，就是反馈调整型稳压电源在电网电压调整率、负载调整率等主要技术性能方面，都是以硅稳压二极管稳压电源为代表的参数型稳压电源的（ 1+ TK *K*n）倍，这就是反馈调整型稳压电源比参数型稳压电源应用得更普 遍得主要原因。 图 214 串联反馈型稳压电路调节模式 串联反馈型稳压电源稳压原理是调整元件的动态电阻是随着输出电压的变化而自动改变的。 其优点是，输出电压范围不受调整元件本身耐压的限制而且各项技术指标 可以做的很高。 其缺点是线路比较复杂，过载能力差，顺时过载会使调整元件损坏，需要过载保护。 因此，串联反馈调整型稳压电源广泛用在负载变动较大，稳压性能要求较高，输出电压可调等场合。 由以前学习的晶体管工作原理时已经知道，工作在放大区的晶体管，它的集 —射极之间的电压 ceU 和集电极电流 CI 随基极电流 bI 的变化而变化。 当基极电流 bI 增加时， ceU 将减小， CI 将增大，这相当于晶体管集电极与发射极之间的电阻减小；而当基极电流 bI 减小时， ceU 将增大， CI 将减小，这就相当于晶体管集电极与发射极之间所呈现的电阻增大。 由此可见，在线性放大区工作的晶体管，在基极电流的控制下，集 — 射极之间的电阻时可以改变的。 所以，晶体管完全可以充当串联反馈型稳压电源中的调整元件，称为 调整管。 用晶体管作调整管的串联反馈型稳压电源叫做串联反馈型晶体管稳压电源，它是串联反馈型稳压电源中应用最普遍、最有代表性的一种。 1 简单的串联反馈型晶体管稳压电路 图 215 是一个最简单的串联反馈型晶体管稳压电路。 晶体管 VT 做调整元件，VD 做基准电压源，它给晶体管发射结提供一个固定的偏压使其能正常工作。 当负载变小或输入电压 iU 变大，使得负载两端的输出电压 OU 增大时，由于基准电压 bE 不变，所以晶体管的基极电位 bU 也不变，那么集 — 射极电压 beU （ beU ＝ bU － OU ）将减小，从而 bI 减小，管压降 ceU 增大，使输出电压 OU ＝ iU － ceU 减少，抵消了由于电网电压增加或负载减小引起的 OU 的增加，使输出电压 OU 保持基本不变。 如果当输入电压减小或负载增大，使得输出电压 OU 下降时，调节过程与上述正好相反。 图 215 串联反馈型晶体管稳压电路 从上边的稳压过程可以看出，当输入电压增大或负载变小时，这种稳压电路是通过输出电压的变化反过来控制调整管 VT 的管压降，从而使输出电 压保持不变，以达到自动稳压的作用，这实际是一种负反馈，所以这种电路叫做串联反馈型稳压电路。 该电路存在两个问题：其一，该电路是用输出电压的变化部分直接去控制调整管的基极，故控制作用小，稳压性能较差；其二，输出电压固定不可调。 2 带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路 简单的反馈型晶体管稳压电路，是直接利用输出电压的变化量来控制调整管的电压 ceU 变化的所以其灵敏度和电压稳定性都不够理想。 采用带放大器的稳压电路，可以弥补这些不足。 图 216 带有放大器的串联反 馈型晶体管稳压电路 图 是一个带有放大器的典型电路，图中 VT 1是调整管，接成射极输出器的形式，负载电阻 LR 是它的射极电阻。 R R2 与 LR 并联组成分压器，起到取出输出电压的作用，叫做取样电路。 VD 是硅稳压二极管，它与限流电阻 R。