电源电路设计.docx

本科生课程设计

题目

学生姓名 翼尘殇
指导教师
所在学院 职业技术学院
专业（系）
班级（级）

完成日期 年 月 日

职业技术学院课程设计
电源电路设计
职业技术学院 电气工程及其自动化1班
摘要：
电源电路在电子系统设计中是不可缺少的重要组成单元，是保证电子系统正常工作的必要能量提供环节。电源电路的性能好坏将直接影响整个电子系统的工作与性能。本文根据电源电路的组成，对变压、整流、滤波、稳压四大环节进行分析，深入研究其电路组成原则，对电路进行优化处理，最终设计出较为适合学生学习生活使用的可调直流稳压电源电路。

关键词 三端可调式集成稳压器、 单相桥式整流电路、 可调直流电源电路

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一、 前言
二、 设计方案
1、交流电转换为直流电的过程及一般直流电源的组成框图
电网电压
电源变压器
负载
滤波电路
稳压电路
整流电路
（1）电源变压器：将电网交流电压（220V）变换为符合整流电路所需要的交流电压（通常为低压），并满足一定的功率输出指标。
（2）整流电路：利用整流元件的单向导电性，将正负交替的交流电压变换成单方向的脉动电压。
（3）滤波电路：可有电容、电感等储能元件组成。其作用是减少整流电压的脉动程度，将其中的交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：当交流市电、负载波动和温度变化时，能自动保持负载电压的稳定。
图1
2、电源变压器设计方案
电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离。
我们这里选用匝数比为8的带铁芯的变压器，如图1所示
3、 整流电路设计方案
整流电路有单相整流、三相整流和多相整流。前者应用于小功率整流，后两者应用于大功率下。在这里我们要应用的是作用于小功率整流的单相整流电路。
单相整流电路是利用半导体二极管的单向导电性实现的，它主要是把交流电压变换成单向脉动电压。
（1） 单相半波整流电路
图2
单相半波整流电路应用一只整流二极管，电路组成如图2所示。

这种方法结构简单，但输出电压脉动系数大，直流成分低，变压器的利用率也低。
图3
（2）单向全波整流电路
为了减小脉动系数，我们设计了单向全波整流电路。如图3所示。
然而虽然这种方法增大了直流分量，但二极管承受的反向电压却提高了，且变压器利用率低的问题仍未得到解决。
（3）单相桥式整流电路
为了解决以上问题，我们把两种整流电路合并改进，得到如图4所示的单相桥式整流电路。
图4
这种方法的特点是：一方面，去掉了变压器的中心抽头，以提高变压器的利用率；另一方面，多加了2只二极管，使4只二极管接成电桥形式，以减少二极管承受的反向电压，并将此电路称为桥式整流电路。
4、滤波电路
从半波整流电路演变成桥式整流电路，虽然输出电压脉动系数减小很多，但仍然是直流脉动电压。因此需要进一步减小输出电压的脉动系数，使其更平滑。常采用电容、电感等储能元件来完成此功能，这种电路叫滤波电路。
（1）电容滤波电路
由于电容的特点是其两端电压不能突变，故在滤波电路中电容与负载电阻采取并联的形式，如图5.
图5

（2） 电感滤波电路
电感滤波主要通过电感中的电流不能突变的特点，使输出电流的波形比较平滑，从而使输出电压的波形也比较平滑，此电路中电感与负载电阻串联。如图6所示，桥式整流电感滤波电路图6

（3） 复式滤波电路
图7
当单独使用电感或电容效果不理想时，可采用复式滤波电路，如下图中的两个π型滤波电路。

LCπ型滤波电路

RCπ型滤波电路

5、 稳压电路
稳压电路的作用是采取措施使输出电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定，常见稳压电路有并联稳压电路、串联稳压电路、集成稳压电路和开关型稳压电路。
（1） 并联稳压电路
图8
如图8所示，利用稳压二极管DZ并联来保持输出电压Uo的稳定，这样的电路叫做并联稳压电路，其中电阻R1的作用是限流、保护稳压二极管。
（2） 串联反馈型稳压电路
图9
我们试想如果有一个可变电阻在随电压波动其阻值也不断变化是否可以保证输出电压稳定。考虑到市电的频率过高，我们可以用三极管来代替可调电阻器，如图9所示。
这里由限流电阻和稳压管组成并联稳压电路，接到调整管的基极。通过Uo影响U（U=Uz）进而影响I、I、U最后反馈结果调整Uo，从而保持Uo基本不变。
图10
由于用输出电压直接控制调整管的U，控制效果不明显，稳压效果较差，为了改善情况可以增加一个放大环节，如图10.
该电路由四部分组成：采样环节、基准电压环节、比较电压环节和电压调整环节组成，在使用电路中还要加载保护电路以保护调整管正常使用。
尽管串联反馈电路还可以在此基础上再进行调整优化，可是却会造成电路体积成倍增大的问题，所以有了下面的集成稳压电路。
（3） 集成稳压电路
集成稳压电路是将串联稳压电路外加启动电路和保护电路等制作在一片硅片上，具有体积小、效率高的特点。
例如三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器
三端固定式集成稳压器具有输入端、输出端和公共端三个引线端，并且有固定的输出电压。W78M05就是一种三端固定式集成稳压器，其数值表示输出电压+5V。最大输出电流0.5A。
对应电路如下图图11.
三端可调式集成稳压器图11
是指输出电压可调的稳压器，是相对于三端固定式集成稳压器而提出的。其外部也是只有三个引线端，分别是输入端、输出端和调整端。一般输出电压可调范围1.25~37V，输出电压和输入电压差允许范围为3~40V。
电路组成如图12所示。
图12

当调整管工作在放大区时，晶体管效率在30%左右，损耗较大。为此设计了开关型稳压电路，如下图图13.这种电路调整管工作在开关状态，效率可达70%~95%。开关型稳压电路效率高、节约能源，通过控制调整管导通和截止的时间来稳定输出电压。
图13
三、方案选择
图14
综合比较后我们的设计方案为下图图14所示。

采用了带铁芯的变压器、单相桥式整流、电容滤波和三端可调式集成稳压器的设计。
其中带铁芯的变压器能有效保证磁通路，单相桥式整流可以有效提高变压器利用率和极大程度的降低电压脉动系数，电容滤波简单廉价、性价比高，三端可调式集成稳压器适用范围大、集成度好、且比开关型廉价。
三、 电路单元模块设计
（1） 单相桥式整流电路设计
U2
Uo
电路图如上图图15所示。波形图如下图图18所示。
图18
工作原理：当u2为正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。电流流通路径依次为：A D1 R1（电流由上至下） D3 B A。
当u2为副半周时，D2、D4导通，D1、D3截止。电流流通路径为：B D2 R1（电流由上至下） D4 A B。
工作参数：输出电压平均值
由傅立叶级数展开得
U=U2≈0.9U2
输出电压脉动系数S==≈0.67
正向平均电流I=≈0.45
最大反向电压U=U2
（2） 电容滤波
图19
电路如上图图19所示，波形图如图16所示。
图16

电容滤波的效果及其参数估算：
当RC较大时，uc放电缓慢，将使输出电压波纹起伏较小，直流分量较高；反之，放电较快，直流分量较低。工程实践中一般取RC≥（3~5）
T为电网交流电压的周期，由于电容值较大，一般为几十至几千
微法，通常选用电解电容器。
电容滤波输出特性与电感滤波输出特性。
电感滤波电路
单相整流电容滤波电路比较

由此可知当采用桥式整流电容滤波电路时输出性能较好，加到负载上的输出电压平均值为1.2U2。对二极管的要求也比较低。
由于在该电路中对滤波的要求并不太高，考虑到价格等因素，所以本电路使用电容滤波即可完成，不必使用复合滤波。
（3） 稳压电路
考虑我的使用地点和要求，联系性价比，最终我选择使用三端可调式集成稳压电路。
该电路相对与分立式串联稳压电路来说集成度高，对于三端固定式集成稳压电路来说可以调节输出电压、同等情况下外部电路少，对于开关型稳压电路来说结构简单、价格低廉，低要求下性价比高。
电路如上图所示。
C1的作用是减少波纹电压与自激振荡，一般为0.1~1μF的电容。C2是用于改善负载的瞬态响应、抑制高频干扰的电解电容器，一般为1~100μF。C3是用来减小滑动变阻器R的波纹电压的电容。当电路的输出端开路时，C3向稳压器调整端放电，为了保护稳压器，二极管D3为C3提供放电回路。二极管D2防止输入端开路时输出端C2两端电压使稳压器芯片内部被击穿。
输出电压为R1和R2（即R）两端的电压和，三端可调式集成稳压器在输出端和调整端之间存在一个恒定的基准电压U=1.25V.
Uo=U+U
Uo=1.25（1+）+IR。
调节R2即可改变输出电压的大小，一般工程实际中常忽略I，输出电压在1.25~37V可调。
四、 Multisim 13仿真软件介绍。
（1） 概述
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。其前身是加拿大的EWB。
（2） Multisim 13简介
NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。
直观的图形界面
整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；
丰富的元器件
提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。
强大的仿真能力
以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。
丰富的测试仪器
提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：
Multimeter(万用表）
Function Generatoer（函数信号发生器）
Wattmeter（瓦特表）
Oscilloscope（示波器）
Bode Plotter（波特仪）
Word Generator（字符发生器
Logic Analyzer（逻辑分析仪）
Logic Converter（逻辑转换仪）
Distortion Analyer（失真度仪）
Spectrum Analyzer（频谱仪）
Network Analyzer（网络分析仪）
Measurement Pribe（测量探针）
Four Channel Oscilloscope（四踪示波器）
Frequency Counter（频率计数器）
Ⅳ Analyzer（伏安特性分析仪）
Agilent Simulated Instruments（安捷伦仿真仪器）
Agilent Oscilloscope（安捷伦示波器）
Tektronix Simulated Oscilloscope（泰克仿真示波器）
Voltmeter（伏特表）
Ammeter（安培表）
Current Probe（电流探针)
Lab ⅥEW Instrument(Lab ⅥEW仪器）
这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabⅥEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器
兼容性好的信息转换
提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabⅥEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供Internet Design Sharing（互联网共享文件）
五、仿真实例。
这里提供作者进行设计调试的仿真实例：
可调式直流稳压电源电路设计仿真实例

六、 元件清单
七、总结。
八、 参考文献
【1】 邱关源 电路（第五版） 北京 高等教育出版社，2006.
【2】 张晓东 电子制作我想我做 福建 福建科学技术出版社，2012.
【3】 刘波粒 模拟电子技术基础 北京 高等教育出版社，2013.
【4】 杜树春 常用电子元器件使用指南 北京 清华大学出版社，2016.