串聯(lián)直流穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路

1、四川航天職業(yè)技術(shù)學院電子工程系課程設(shè)計 專業(yè)名稱： 電子信息工程技術(shù) 課程名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計 課題名稱： 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源設(shè)計 設(shè)計人員： 李林陽 指導(dǎo)教師： 簡元金 2012年6月12日串聯(lián)型穩(wěn)壓電源課程設(shè)計任務(wù)書一、課題名稱：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源二、技術(shù)指標：輸出電壓uo可調(diào)：612v輸出額定電流：io=500ma電壓調(diào)整率ku0.5電源內(nèi)阻rs0.1紋波電壓s5 mv過載電流保護:輸出電流為600ma，限流保護電路工作三、要求：穩(wěn)壓系數(shù) sv輸出電阻r0溫度系數(shù)st紋波電壓u0r及紋波系數(shù)sv紋波電壓s5 mv指導(dǎo)教師：簡元金學 生：李林陽電子工程系g11套讀班2012年 6 月12日

2、課程設(shè)計報告書評閱頁課題名稱：串聯(lián)型穩(wěn)壓電源設(shè)計班 級：電子信息套讀班姓 名：李林陽 2012年 6 月12日指導(dǎo)教師評語：考核成績： 指導(dǎo)教師簽名：2012年 月 日摘要 任何一種電路都需要電源，它是電子電路工作的“能源”和“動力”。不同的電路對電源的要求是不同的。在很多電子設(shè)備和電路中需要一種當電網(wǎng)電壓波動或負載發(fā)生變化時，輸出電壓仍能基本保持不變的電源。電子設(shè)備中的電源一般由交流電網(wǎng)提供，再經(jīng)變壓、整流、濾波、和穩(wěn)壓四個主要部分構(gòu)成。本設(shè)計的主要內(nèi)容是圍繞著如何使串聯(lián)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源輸出直流電壓穩(wěn)定、脈動成分減小而展開的。首先介紹了全波整流電路的工作原理，接著介紹了電容濾波電路的性能特點

3、，然后引入了具有放大環(huán)節(jié)和輔助電源的串聯(lián)可調(diào)式穩(wěn)壓電源，并在電路中采用了提高穩(wěn)定度，提高溫度穩(wěn)定性及限流型過流保護電路的具體措施，以確保電路安全穩(wěn)定的工作。 關(guān)鍵詞： 電源、 穩(wěn)壓、 整流、 濾波、 保護 abstract any kind of circuits are needed for power electronic circuit, it is the energy and power. different circuit for the power supply requirement is different. in many electronic devices and ci

4、rcuit needs a when the grid voltage fluctuation or the load changes, the output voltage can still remains essentially constant power. electronic equipment in the power supply general by the ac grid is provided, then by transformer, rectifier, filter, and a voltage of four major parts. the main conte

5、nts of this design is centered around how to make the series adjustable dc power supply dc output voltage stable, the pulsation ingredient reduces launches. first introduced the full wave rectifier circuit working principle, then introduced the capacitor filtering circuit and performance characteris

6、tics, and then introduced with amplifying link and auxiliary power series adjustable regulated power supply, and used in the electric circuit improves the stability, improving the temperature stability and the current-limiting type over-current protection circuit of the specific measures, in order t

7、o ensure circuit safe and stable work. key word:power supply, voltage regulator, rectifier, filter, protection目錄摘要.1目錄.31. 方案比較.41.1方案比較.41.2方案決定.52. 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路組成.52.1制作串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的目的要求.52.2基本知識介紹.63. 電路的工作原理.103.1穩(wěn)壓過程.103.2輸出電壓調(diào)整過程.103.3過流保護過程.104. 電路參數(shù)計算及元器件選擇.104.1整流電路.114.2濾波電路.124.3穩(wěn)壓電路.124.4電源變壓器.145

8、. 參數(shù)的確定.145.1各部分相關(guān)參數(shù)的計算.145.2小結(jié).166. 元件清單.177. 總結(jié).188. 參考文獻.199附錄.20 1 方案比較1.1 方案比較 方案一：該方案穩(wěn)壓電路部分如下圖所示，穩(wěn)壓部分由調(diào)整管（q1、q2組成的復(fù)合管），比較電路（集成運放u2a），基準電壓電路（穩(wěn)壓管d1 bzv55-b3v0），采樣電路組成（采樣電路由r2、r3、r4、r5組成）。當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行比較放大，運放的輸出電壓，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

9、使輸出電壓得到穩(wěn)定。流程圖如下： 方案二：用晶體管和集成運放組成的具有保護環(huán)節(jié)的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源流程圖如下：1.2方案決定：上面兩種方案中，方案一功能最強大，但是由于制作繁瑣和實驗室條件和經(jīng)濟成本的限制，我們放棄方案一，因為它犧牲了成本來換取方便。所以從簡單、合理、可靠、經(jīng)濟從簡單而且便于購買的前提出發(fā)，我們選擇方案二為我們最終的設(shè)計方案。2 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路組成2.1制作串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的目的要求 2.1.1基本要求 1、依據(jù)性能指標和器件狀況，設(shè)計穩(wěn)壓電源電子電路，并計算器件參數(shù)確定選擇器件。（含散熱設(shè)計）； 2、以本工程訓練為實例先學習altium designer基本知識，并運用其繪制電

10、源原理圖和pcb圖； 3、掌握電子電路板制作的全過程，實現(xiàn)電源的制作； 4、測量電源相關(guān)各項技術(shù)指標，完成系統(tǒng)調(diào)試。 2.1.2設(shè)計思路由于橋式整流、電容濾波電路十分成熟，這里選擇橋式整流、電容濾波電路作為電源的整流、濾波部分。由于要求電源輸出電壓有一定的調(diào)整范圍，穩(wěn)壓電源部分選擇串聯(lián)負反饋穩(wěn)壓電路。同時由于對輸出電流要求比較大，調(diào)整管必須采用復(fù)合管。整個電路設(shè)計分為變壓部分、整流部分、濾波部分、調(diào)整部分、基準電源部分、取樣部分、放大部分7部分，分別從每部分著手，設(shè)計整個電路圖。 2.1.3設(shè)計原理2.2 基本知識介紹 2.2.1電源變壓器知識1 初級(primary winding)：是指電

11、源變壓器的電源輸入端。2 次級(secondary winding)：是指電源變壓器的輸出端。3 額定輸入電壓u：是指電源變壓器的初級所接上的電壓，也就是電源變壓器的工作電壓。對gs變壓器來說，u230v；對bs變壓器來說，u240v。4 空載電流i：是指電源變壓器的初級接上額定輸入電壓u而次級不帶負載（即開路）時，流過初級的電流。i與變壓器的設(shè)計有關(guān)，即使是兩個不同廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的電源變壓器，其i也可能不同。5 空載電壓u：是指變壓器初級接受上額定輸入電壓u次級不帶負載（即開路）時，次級兩端的電壓。u與變壓器的設(shè)計有關(guān)，即使是兩個不同廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的電源變壓器，其u也可能不同。6 負

12、載電流i：是指變壓器初級接上額定輸入電壓u，次級接上額定負載時，流過負載的電流。7 負載電壓u：是指變壓器初級接上額定輸入電壓u，次級接上額定負載時，負載兩端的電壓。8 定輸出功率p：是指變壓器在額定輸入電壓u時的輸出功率，它表示變壓器傳送能量的大小。一般來說，在相同頻率下，p越大，變壓器的尺寸越大；p相同，即使輸出電壓u不同，變壓器的尺寸也相同。 9. 由公式p=u*i可知若輸出功率p一定，若輸出電壓u越高，則輸出電流i越低。舉例來說，一個輸出功率p=10va的變壓器，若輸出電壓u=24v，則輸出電流i= p/u=10va/24v 0.416a；若u=12v， 則輸出電流i=0.833a。1

13、0. 電源變壓器：將電網(wǎng)交流電壓變?yōu)檎麟娐匪璧慕涣麟妷?，一般次級電壓u2較小。變壓器副邊與原邊的功率比為p2/ p1=，式中是變壓器的效率。副邊功率 p/va1010-3030-8080-200效率0.60.70.80.85對于本次工程訓練對電源變壓器的要求主要為次級空載電壓大小，額定輸出功率，變壓器的額定容量，所以在本次工程訓練中選擇的是小型單相式變壓器，有四組輸出線分別為7v、10v、17v、10v。可根據(jù)具體功率及計算要求選擇。 2.2.2整流電路 1、半波整流電路由以上圖可知，半波整流電路的利用率低，一般不采用。2、全波整流電路由于變壓器副線圈的接線較復(fù)雜，在實際中葉一般不采用。3

14、、橋式整流電路 電路工作原理:利用二極管正向?qū)ǚ聪蚪刂沟墓ぷ髟?當u2為正半周時二極管d1、d3導(dǎo)通,d2d4截止當u2為負半周時二極管d2、d4導(dǎo)通, d1、d3截止。而流過負載的電流的方向是一致的,在負載形成單方向的全波脈動電壓。從而實現(xiàn)將交流的電壓變?yōu)橹绷麟妷?主要參數(shù)：uo=0.9*ui 脈動系數(shù):s=0.67 選管原則: if 1/2io ur 1.414u2結(jié)構(gòu)簡單性能優(yōu)越，絕大多數(shù)整流電路采用橋式整流電路，所以本次工程訓練采用橋式整流。2.2.3濾波電路濾波電路主要有：電容濾波、rc-型濾波、lv-型濾波、l濾波，lc濾波，其中l(wèi)c濾波電路在負載電流較大或較小時，均有較佳的濾

15、波特性，故lc濾波對負載的適應(yīng)性最強，整流管的沖擊電流小，特別適用在電流變化較大的場合， 所以本電路采用lc濾波電路。根據(jù)經(jīng)典電路選材：變壓器220v-21v二極管in4007三極管 npn pnp電阻330 2k 1.5k可變電阻670穩(wěn)壓管bzv55-c7v5電容500uf電路利用電感器兩端的電流不能突變的特點，把電感器與負載串聯(lián)起來，以達到使輸出電流平滑的目的。從能量的觀點看，當電源提供的電流增大（由電源電壓增加引起）時,電感器l把能量存儲起來；而當電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流平滑，所以電感l(wèi)有平波作用,再并上一個電容,利用電容的充放電作用,使得負載電流較大時或較小時均有較佳

16、的濾波能力. 主要參數(shù):lc濾波電路的直流輸出電壓,如忽略電感上的壓降,則輸出直流電壓等于全波整流的輸出電壓,則有uo=0.9u22.2.4串聯(lián)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路：它能在電網(wǎng)電壓和負載電流的變化時，保持輸出直流電壓的穩(wěn)定。它是直流穩(wěn)壓電源的重要組成部分，決定著直流電源的重要性能指標。1 穩(wěn)壓電路的主要指標穩(wěn)壓系數(shù)sr和穩(wěn)壓電路的輸出電阻 穩(wěn)壓系數(shù)sr：穩(wěn)壓系數(shù)是在有負載固定不變的前提下，輸出電壓的相對變化量uo/uo與穩(wěn)壓電路輸入電壓相對變化量ui/ui之比，即：該指標反映了電網(wǎng)波動對輸出電壓的影響。此外穩(wěn)壓電路輸入電壓usc就是整流濾波以后的直流電壓。2穩(wěn)壓電路的輸出電阻 輸出電阻可以衡量穩(wěn)壓

17、電路受載電阻的影響程度,即： 除了上述兩個指標外,有時還用其它指標:電壓調(diào)整率，指當電網(wǎng)電壓（u2）變化10%時，輸出電壓的相對變化量；電流調(diào)整率，指當輸出電流io從零到最大時，輸出電壓的相對變化 ；最大波紋電壓，反映在輸出端存在的hz或者100hz交流分量，通常以有效值或峰峰值表示；溫度系數(shù)，指電網(wǎng)電壓和負載都不變時，由于溫度變化面引起的輸出電壓漂移等。直流穩(wěn)壓電路的類型很多，有：硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)某型穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路，開關(guān)穩(wěn)奪電路，其中集成穩(wěn)壓電路相對于其它類型的穩(wěn)奪電路來講具有體積小、穩(wěn)定性高、輸出電阻小、溫度性能好、使用方便、外圍元件少等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。集成穩(wěn)

18、壓器有兩種：輸出固定電壓和可調(diào)輸出電壓的穩(wěn)壓塊。 3 電路的工作原理220v交流電經(jīng)雙18v的低壓交流電，vd1，vd2和c1構(gòu)成整流濾波電路，產(chǎn)生20v的直流電壓，vt4，vd3，vd4和r2為恒流源負載，vt5和r0為過流保護電路，vt1和vt2為電壓調(diào)整電器，vt3，vd5，r3，rp1，r5和r4構(gòu)成輸出電壓取樣比較電路，rp1調(diào)整輸出電壓大小。3.1穩(wěn)壓過程當輸出電壓u0因某種原因下降時，vt3的基極電壓ub也下降，vd5兩端的電壓恒定，因此vt3和ube電壓隨之下降，vt3的工作點往截止區(qū)靠近，就造成vt3的集電極電壓uc上升，即vt2的基極電壓上升，從而使調(diào)整管vt1的uce電壓

19、下降，使輸出電壓上升，若輸出電壓u0因某種原因上升時，其過程恰好相反。這樣輸出電壓因某種原因變化時，vt1和vt2構(gòu)成的電壓調(diào)整器就能夠調(diào)整輸出電壓，使其保持恒定。3.2輸出電壓調(diào)整過程vd5用于調(diào)整輸出電壓大小。當rp1滑動端向上滑時，vt3的基極電壓ub就上升，vd5兩端的電壓恒定，因此vt3的ube電壓隨之上升，集電極電壓uc就下降，即vt2的基極電壓下降，從而使調(diào)整管vt1和uce電壓上升，使輸出電壓變小。若當rp1滑動端向下滑時，輸出電壓則會變大。3.3過流保護過程vt5和r0為過流保護電路，r0阻值較小（大約為1）。當輸出電流i0較小時，在r0上產(chǎn)生的電壓較小，不足以使調(diào)整管vt1

20、和uce電壓增大，使輸出電壓下降，起到保護作用。 4 電路參數(shù)計算及元器件選擇交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，其方框圖及各電路的輸出波形如圖所示，下面就各部分的作用加以介紹。 4.1 整流電路為了將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動電壓，還需要通過整流電路。查閱資料可知單相整流電路有半波整流電路、單相橋式整流電路（全波整流電路）。單相橋式整流電路和半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對二極管的參數(shù)要求一樣，并且還具有輸出電壓高，變壓器利用率高、脈動系數(shù)小等優(yōu)點。所以在電路中采用單相橋式整流電路，如圖所示： 保護電路：在集成穩(wěn)壓器電路內(nèi)部含有各種保護電路

21、，使集成穩(wěn)壓器在出現(xiàn)不正常情況時不至于損壞。因為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的調(diào)整管是其核心器件，它流過的電路近似等于負載電流，且電網(wǎng)電壓波動或輸出電壓調(diào)節(jié)時管壓降將產(chǎn)生相應(yīng)的變化，所以這些保護電路都與調(diào)整管緊密相關(guān)。過流保護電路能夠在穩(wěn)壓管輸出電流超過額定值時，限制調(diào)整管發(fā)射極電流在某一數(shù)值或使之迅速減少，從而保護調(diào)整管不會因電流過大而燒壞。 主要參數(shù)：輸出電壓平均值uo（av）：負載電阻上電壓的平均值輸出電流平均值：負載電阻上電路的平均值=整流輸出電壓的脈動系數(shù)s：整流輸出電壓的基波峰值與輸出電壓平均值之比，因而s越大，脈動越大。二極管的選擇： 考慮到電網(wǎng)電壓波動范圍為10%，整流二極管的極限參數(shù)最高反

22、向工作電壓和最大整流平均電流應(yīng)滿足：1.1和1.1 1.10.007a所以選擇1.1v4.2 濾波電路整流后的輸出電壓雖然是單一方向的，但是含有較大的交流成分，會影響電路的正常工作。一般在整流后，還需要利用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。所以需通過低通濾波電路，使輸出電壓平滑。理想情況下，應(yīng)將交流分量全部濾掉，使輸出電壓僅為直流電壓。在實際電路中，應(yīng)選擇濾波電容的容量滿足c=(35)t/2的條件，為了獲得更好的濾波效果，電容容量應(yīng)選得更大些。查閱資料可知濾波電路有電容濾波、電感濾波電路和復(fù)式濾波電路三種，其中復(fù)式濾波電路的效果最好，所以在電路中采用rc型的復(fù)式濾波電路，如圖所示：

23、c越大，r越大，t放電將越大，曲線越平滑，脈動越小。所以c選擇2.2mf。4.3 穩(wěn)壓電路 交流電壓通過整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是當電網(wǎng)電壓波動或負載變化時，其平均值也隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)波動和負載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。由于經(jīng)濟成本、元件購買及仿真軟件的限制，穩(wěn)壓電路只采取一個具有放大環(huán)節(jié)的基本串聯(lián)型穩(wěn)壓電路加一個載流型過流保護電路。a穩(wěn)壓原理：若由于某種原因使uo增大，則uounubuob輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍：故6v,取=5.6v402, 1000k(100), 820c串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成部分及其作用：調(diào)節(jié)管：是電路

24、的核心，ufe隨ui和負載產(chǎn)生變化以穩(wěn)定uo?；鶞孰妷海菏莡o的參考電壓。采樣電阻：對uo的采樣，與基準電壓共同決定uo。比較放大：將uo的采樣電壓與基準電壓比較后放大，決定電路的穩(wěn)壓性能。d串聯(lián)型穩(wěn)壓電源中調(diào)整管的選擇：要想使調(diào)整管起到調(diào)整作用，必須使之工作在放大狀態(tài)，因此其管壓降應(yīng)大于飽和管壓降；調(diào)整管極限參數(shù)的確定，必須考慮到輸出電壓由于電網(wǎng)電壓波動而產(chǎn)生的變化，以及輸出輸出電壓的調(diào)節(jié)和負載電流的變化所產(chǎn)的影響。根據(jù)極限參數(shù)icm、u（br）ceo、pcm選擇調(diào)整管：=-= r電網(wǎng)電壓最低且負載電流最小時，穩(wěn)壓管的電流最大。= r4.4 電源變壓器直流電的輸入為220v的電網(wǎng)電壓，一般情

25、況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對電流電壓處理。變壓器副邊電壓有效值決定后面電路的需要。根據(jù)經(jīng)驗，穩(wěn)壓電路的輸入電壓一般選取ui=(23)uo。所以選擇15v30w的變壓器。5 參數(shù)的確定5.1各部分相關(guān)參數(shù)的計算直流穩(wěn)壓電源電路可分為以下幾個模塊：變壓器（220v50hz）整流濾波穩(wěn)壓電路（反饋調(diào)整、取樣電路）穩(wěn)定直流 5.1.1整流電路1、整流輸出電壓平均值：（uo） uo= 1/202uod(wt)=0.9u2負載上的平均電流：il=0.9u2/rl 2、脈動系數(shù)s s定義為：整流輸出電壓的基波峰值uom與平均值uo的比值。所以 ，經(jīng)計

26、算知 s=2/30.67 5.1.2濾波電路 rlc愈大電容放電越慢 uo越大 一般取td=rlc(35)t/2 ( t :電源電壓的周期)近似估算：uo=1.2u2 5.1.3穩(wěn)壓輸出電路部分相關(guān)參數(shù)的計算可分析得知該電路具有穩(wěn)壓功能。對應(yīng)原理圖看有(一個檔位)：uq5b=（r1+r4）uo/(r1+r4+r8)所以, 輸出最?。?uo=(r1+r4+r8) uq5b/(r4+r8) 輸出最大：uo= (r1+r4+r8) uq5b/r55.2小結(jié)通過前面的計算，已經(jīng)得到了所有元件的參數(shù)。這樣就得到完整的串聯(lián)負反饋穩(wěn)壓電源電路圖，這里計算的其實都還只是初步的參數(shù)，實際組裝完畢后應(yīng)該仔細測量電

27、源的各項指標是否符合要求，各部分元件工作是否正常。如果發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)該根據(jù)實際情況作出調(diào)整。根據(jù)調(diào)整的結(jié)果來修正原理圖中的電路參數(shù)，最終完成穩(wěn)壓電源的設(shè)計。 6 元件清單實際電路連接和數(shù)據(jù)測量元件清單名稱及標號型號及大小數(shù)量變壓器220v-21v1個二極管in40074個電阻3301個2k1個1.5k2個可變電阻6701個三極管npn4個三極管pnp1個穩(wěn)壓管bzv55-c7v51個電容500uf3個橋式整流管1b4b421個運放opamp_3t_virtual1個電路的連接：一、 按電路圖在面包板上連出實際電路，測出電源通過變壓器的電壓u1。二、 測出有電容濾波電路的輸出電壓uc1，和無電容濾波的輸出電壓uc2。三