串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1、集成直流穩(wěn)壓電源設(shè)計報告一、計題目題目：集成直流穩(wěn)壓電源二、計任務(wù)和要求要求：設(shè)計并制作用晶體管和集成運(yùn)算放大器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。指標(biāo)：1、輸出電壓6V、9V兩檔，正負(fù)極性輸出；2、輸出電流：額定電流為 150mA，最大電流為500mA;3、紋波電壓峰值 Vop-p5mv;三、理電路和程序設(shè)計：1、方案比較方案一：先對輸入電壓進(jìn)行降壓，然后用單相橋式二極管對其進(jìn)行整流， 整流后 利用電容的充放電效應(yīng)，用電解電容對其進(jìn)行濾波，將脈動的直流電壓變?yōu)楦?平滑的直流電壓，穩(wěn)壓部分的單元電路由穩(wěn)壓管和三極管組成（如圖1），以穩(wěn)壓管D1電壓作為三極管Q1的基準(zhǔn)電壓，電路引入電壓負(fù)反饋，當(dāng)電網(wǎng)電壓

2、波動 引起R兩端電壓的變化增大（減?。r，晶體管發(fā)射極電位將隨著升高（降低）， 而穩(wěn)壓管端的電壓基本不變，故基極電位不變，所以由Ube UB UE可知Ube將 減?。ㄉ撸?dǎo)致基極電流和發(fā)射極電流的減小（增大），使得R兩端的電壓降 低（升高），從而達(dá)到穩(wěn)壓的效果。負(fù)電源部分與正電源相對稱，原理一樣。方案二：經(jīng)有中間抽頭的變壓器輸出后，整流部分同方案一一樣擦用四個二極管組成的單相橋式整流電路，整流后的脈動直流接濾波電路，濾波電路由兩個電容 組成，先用一個較大阻值的點(diǎn)解電容對其進(jìn)行低頻濾波， 再用一個較低阻值的陶 瓷電容對其進(jìn)行高頻濾波，從而使得濾波后的電壓更平滑，波動更小。濾波后的 電路接接穩(wěn)壓

3、電路，穩(wěn)壓部分的電路如圖 2所示，方案二的穩(wěn)壓部分由調(diào)整管， 比較放大電路，基準(zhǔn)電壓電路，采樣電路組成。當(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降 低）時采樣電路將這一變化送到 A的反相輸入端，然后與同相輸入端的電位進(jìn)行 比較放大，運(yùn)放的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低（升高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升高），從而使輸出電壓得到穩(wěn)定。對以上兩個方案進(jìn)行比較，可以發(fā)發(fā)現(xiàn)第一個方案為線性穩(wěn)壓電源， 具備基本的 穩(wěn)壓效果，但是只是基本的調(diào)整管電路，輸出電壓不可調(diào)，而且輸出電流不大， 而第二個方案使用 了運(yùn)放和調(diào)整管作為穩(wěn)壓電路，輸出電壓可調(diào)，功率也較高, 可以輸出較大的電流。穩(wěn)定效果也比

4、第一個方案要好，所以選擇第二個方案作為 本次課程設(shè)計的方案。2、電路框圖整體電路的框架如下圖所示，先有22V-15V的變壓器對其進(jìn)行變壓，變壓后再對 其進(jìn)行整流，整流后是高低頻的濾波電路，最后是由采樣電路、比較放大電路和 基準(zhǔn)電路三個小的單元電路組成的穩(wěn)壓電路， 穩(wěn)壓后為了進(jìn)一步得到更加穩(wěn)定的 電壓，在穩(wěn)壓電路后再對其進(jìn)行小小的率波，最后得到正負(fù)輸出的穩(wěn)壓電源。3、電路設(shè)計及元器件選擇；(1)、變壓器的設(shè)計和選擇本次課程設(shè)計的要求是輸出正負(fù) 9伏和正負(fù)6負(fù)的雙電壓電源，輸出電壓較低，而一般的調(diào)整管的飽和管壓降在 2-3伏左右，由Uce Uimax U Omin，Uce為飽和管壓降，而U向ax=

5、9V為輸出最大電壓，U omin為最小的輸入電壓，以飽和管壓降U ce =3伏計算，為了使調(diào)整管工作在放大區(qū)，輸入電壓最小不能小于12V，為保險起見，可以選擇 220V-15V的變壓器，再由 P=UI可知，變壓器的功率應(yīng)該為0.5A X 9V=4.5w，所以變壓器的功率絕對不能低于4.5w，并且串聯(lián)穩(wěn)壓電源工作時產(chǎn)生的熱量較大，效率不高，所以變壓器功率需要選擇相對大些的變壓 器。結(jié)合市場上常見的變壓器的型號，可以選擇常見的變壓范 圍為220V-15V，額定功率12W，額定電流1A的變壓器。(2)、整流電路的設(shè)計及整流二極管的選擇由于輸出電流最大只要求500mA，電流比較低，所以整流電路的設(shè)計可

6、以選擇常見的單相橋式整流電路，由4個串并聯(lián)圖3單相橋式整流電路的二極管組成，具體電路如圖3所示。二極管的選擇：當(dāng)忽略 二極管的開啟電壓與導(dǎo)通壓降，且當(dāng)負(fù)載為純阻性負(fù)載時,我們可以得到二極管的平均電壓為U o(AV ):12 2UU(av)=0 . 2U2Sin t?d( t)=- =0.9U 2其中U2為變壓器次級交流電壓的有效值。我們可以求得 U（av）=13.5v。對于全波整流來說，如果兩個次級線圈輸出電壓有效值為U2，則處于截止?fàn)顟B(tài)的二極管承受的最大反向電壓將是2. 2U2，即為34.2v考慮電網(wǎng)波動（通常波動為10%，為保險起見取30%的波動）我們可以得到Uo（av）應(yīng)該大于19.3V

7、，最大反向電壓應(yīng)該大于48.8V。在輸出電流最大為500mA的情況下我們可以選擇額定電流為1A，反向耐壓為1000V的二極管IN4007.（3）、濾波電容的選擇當(dāng)濾波電容C1偏小時，濾波器輸出電壓脈動系數(shù)大；而G偏大時，整流二極管導(dǎo)通角B偏小，整流管峰值電流增大。不僅對整流二極管參數(shù)要求高，另一方面，整流電流波形與正弦電壓波形偏離大，諧波失真嚴(yán)重，功率因數(shù)低。所以電容的取值應(yīng)當(dāng)有一個范圍，由前面的計算我們已經(jīng)得出變壓器的次級線圈電壓為 15V,當(dāng)輸出電流為0.5A時，我們可以求得電路的負(fù) 載為18歐，我們可以根據(jù)濾波電容的計算公式：T C=（3 5）:2Rl來求濾波電容的取值范圍，其中在電路頻

8、率為 50HZ 的情況下，T為20ms則電容的取值范圍為1667-2750uF，保險起見我們可以取標(biāo)準(zhǔn)值為 2200uF 額定電壓為35V的鋁點(diǎn)解電容。另外，由于實(shí)際電阻或電路中可能存在寄生電感 和寄生電容等因素，電路中極有可能產(chǎn)生高頻信號， 所以需要一個小的陶瓷電容來濾去這些高頻信號。我 們可以選擇一個104的陶瓷電容來作為高頻濾波電容。濾波電路如上圖（4）、穩(wěn)壓電路的設(shè)計穩(wěn)壓電路組要由四部分構(gòu)成：調(diào)整管，基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路，比較放大電路，采樣 電路。當(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時采樣電路將這一變化送到A的反 相輸入端，然后與同相輸入端的電位進(jìn)行比較放大， 運(yùn)放的輸出電壓，即調(diào)整管 的基極電

9、位降低（高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升 高），從而使輸出電壓得到穩(wěn)定。由于輸出電流較大，達(dá)到500mA為防止電流過大燒壞調(diào)整管，需要選擇功率中等或者較大的三極管，調(diào)整管的擊穿電流必須大于500mA又由于三極管CE間的承受的最大管壓降應(yīng)該大于 15-6=9V,考慮到 30%勺電網(wǎng)波動，我們的調(diào)整管所能承受的最大管壓降應(yīng)該大于13V,最小功率應(yīng)該達(dá)到P II（1.15 Umin）=6.5W。我們可以選擇適合這些參數(shù)，并且在市場 上容易買到的中功率三極管 TIP41，它的最大功率為60W最大電流超過6A,所 能承受的最大管壓降為100V,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足調(diào)整管的條件。負(fù)極的調(diào)整管則

10、選擇與 之相對應(yīng)的的中功率三極管 TIP42。基準(zhǔn)電路由5.1V的穩(wěn)壓管和4.7V的保護(hù)電阻組成。由于輸出電壓要求為6伏和9伏，如果采樣電路取固定值則容易造成誤 差，所以采樣電阻最好應(yīng)該做成可調(diào)的，固采樣電路由兩個電阻和一個可調(diào)電阻 組成，根據(jù)公式：U maxRRd求出。其中Rd為運(yùn)放正反相輸入端的電阻,R為輸出端正極（負(fù)極、與共地端之間的電阻，Ud為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。固可以取330、和1.5k的固定電阻置于1k的滑阻兩旁避免當(dāng)滑RD為0.所以根據(jù)此公式可求的電路的輸出電壓為5.772-9.622V?？梢暂敵?V和9V的電壓，運(yùn)放選用工作電壓在15V左右前對電壓穩(wěn)定性要求不是很高的運(yùn)放，由于UA

11、741的工作電壓為正負(fù)12V-正負(fù)22V，范圍較大，可以用其作為運(yùn)放，因?yàn)檎骱蟮碾妷翰▌硬?是很大，所以運(yùn)放的工作電源可以利用整流后的電壓來對其進(jìn)行供電。正穩(wěn)壓電路的正極和負(fù)極分別如下圖為了使輸出電壓更穩(wěn)定，輸出紋波更小，需奧對輸出端進(jìn)行再次濾波，可在輸出 端接一個10uf的點(diǎn)解電容和一個103的陶瓷電容，這樣電源不容易受到負(fù)載的 干擾。使得電源的性質(zhì)更好，電壓更穩(wěn)定，四、畫出系統(tǒng)的電路總圖元件清單名稱及標(biāo)號型號及大小封裝形式數(shù)量變壓器220V-15V無1二極管IN4007DIODE-0.44個電容電解電容2200uFRB.3/.62個10uFRB.2/.42個陶瓷電容104RAD-0.22

12、個103RAD-0.12個電阻4.7KAXIAL-0.32個330AXIAL-0.32個1.5kAXIAL-0.32個可變電阻1kSip32個運(yùn)放uA741DIP82個穩(wěn)壓管5.1vDIODE-0.42個調(diào)整管TIP41TO2201個TIP42TO2201個五、電路的調(diào)試及仿真數(shù)據(jù)正負(fù)輸出的可調(diào)的最大值和最小值電壓數(shù)據(jù)如下圖:理論值為 5.772V 9.66V，而實(shí)際 的測量值是在 5.8V 10.45V，造成0.89V的可調(diào)誤差，原因是由于可調(diào) 電阻的實(shí)際調(diào)節(jié)范圍偏大，導(dǎo)致輸出電 壓偏大。調(diào)節(jié)可變電阻，可以得到課程設(shè)計所要求輸出的6V和9V的電壓，仿真數(shù)據(jù)如下:電路輸出直流電的波形圖如下圖電

13、壓的直流電波形為標(biāo)準(zhǔn)的直線，達(dá)到設(shè)計的要求 而實(shí)際測量時也是這樣，輸出波形基本為一條直線電路輸出紋波波形紋波電壓在2.5mV左右，比要求的5mV要低，而實(shí)際測量時，紋波的電壓只有0.9mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所要求的5mV，所以符合要求。六總結(jié) 本課程設(shè)計運(yùn)用了模擬電路的基本知識，通過變壓，整流，濾波、穩(wěn)壓等步驟，輸出理論可變范圍為 5.772V-9.622V 而實(shí)際可調(diào)范圍為 5.78V-10.45V 的正負(fù)直流穩(wěn)壓電源。 總結(jié)如 下：優(yōu)點(diǎn)：該電路設(shè)計簡單。輸出電壓穩(wěn)定，紋波值小，而且使用的元件較少，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠， 輸出功率大，調(diào)整管可承受的范圍也很大， 。缺點(diǎn)： 電壓缺少一個保護(hù)電路， 當(dāng)電路由于偶然原因出現(xiàn)高的電壓脈沖時， 有可能對電 路造成危害，使得電路故障率提高。改進(jìn)： 可以在穩(wěn)壓電路那里再接一個過保護(hù)電路電路