串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設計[資料分享]

1、 摘要直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。經濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設計主要采用直流穩(wěn)壓構成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并實現(xiàn)電壓為正負三伏與九伏。 關鍵詞：直流；穩(wěn)壓；變壓 目錄1.緒論31.1. 設計目的及意義31.2. 設計的任務及要求32. 設計方案42.1. 直流穩(wěn)壓電源電路設計42.1.1.采用三端集成穩(wěn)壓器電路42.1.2.用單片機制作的可調直流穩(wěn)壓電源42.1.3.晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路42.2.

2、 最終決定的直流穩(wěn)壓電源電路設計方案53.2直流穩(wěn)壓電源方案的確定73.2.1 電源變壓器73.2.2 整流電路73.2.3濾波電路103.2.4 穩(wěn)壓電路124.元件選擇144.1變壓器的設計和選擇144.2 整流電路的設計及整流二極管的選擇144.3 濾波電容的選擇154.4 穩(wěn)壓電路的設計154.5總體電路175.電路仿真及數(shù)據(jù)分析185.1電路仿真185.2 數(shù)據(jù)整理及最終分析195.2.1.穩(wěn)壓模塊的數(shù)據(jù)結果195.2.2. 整體分析196.穩(wěn)定直流穩(wěn)壓源的制作207.總結21參考文獻22附錄 元件清單231.緒論1.1. 設計目的及意義本次設計的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源具有較高的實用價值

3、。通過本次設計讓我充分理解了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的工作原理，了解其工作特點以及目前市面上一些直流穩(wěn)定電源存在的一些缺陷。通過設計盡量去完善直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。使得這個電源在使用的時候盡量便捷，盡量直觀。在一系列的設計過后能夠使自己初步形成工程設計的基本思想和一般設計方法。此外通過本次設計讓我學到了一些東西：較熟練的掌握了電子線路仿真軟件（Multisim）的使用。1.2. 設計的任務及要求要求完成的主要任務：要求：設計并制作用晶體管和集成運算放大器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。指標：1、輸出電壓+6V、+9V兩檔，同時具備正負極性輸出；2、 輸出電流：額定電流為150mA，最大電流為500mA； 3、

4、在最大輸出電流的時候紋波電壓峰值Vop-p5mv2. 設計方案2.1. 直流穩(wěn)壓電源電路設計2.1.1.采用三端集成穩(wěn)壓器電路該電路采用輸出電壓可調且內部有過載保護的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調整范圍較寬，設計一電壓補償電路可實現(xiàn)輸出電壓從0 V起連續(xù)可調，因要求電路具有很強的帶負載能力，需設計一軟啟動電路以適應所帶負載的啟動性能。2.1.2.用單片機制作的可調直流穩(wěn)壓電源該電路采用可控硅作為第一級調壓元件，用穩(wěn)壓電源芯片LM317，LM337作為第二級調壓元件，通過AT89CS51單片機控制繼電器改變電阻網絡的阻值，從而改變調壓元件的外圍參數(shù)，并加上軟啟動電路，獲得024 V，0.1 V步長，

5、驅動能力可達1 A，同時可以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。其硬件電路主要包括變壓器、整流濾波電路、壓差控制電路、穩(wěn)壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數(shù)據(jù)存儲電路、單片機、鍵盤顯示等幾部分，硬件部分。 2.1.3.晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路該電路中，輸出電壓UO經取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對調整管的工作狀態(tài)進行調整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓UI發(fā)生變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓UO為恒定值(穩(wěn)壓值)。因輸出電壓要求從0 V起實現(xiàn)連續(xù)可調，因此要在基準電壓處設計輔助電源，用于控制輸出電壓能

6、夠從0 V開始調節(jié)。該方案有過載自保護性能，輸出斷路時調整管不會損壞，在負載變化小時，穩(wěn)壓性能比較好且對瞬時變化的適應性較好。故選擇此方案。2.2. 最終決定的直流穩(wěn)壓電源電路設計方案整體電路的框架如下圖所示，先有220V-15V的變壓器對其進行變壓，變壓后再對其進行整流，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)壓后為了進一步得到更加穩(wěn)定的電壓，在穩(wěn)壓電路后再對其進行小小的率波，最后得到正負輸出的穩(wěn)壓電源。變壓電路全波整流正極濾波電路負極濾波電路穩(wěn)壓電路比較放大采樣電路基準電壓穩(wěn)壓電路基準電壓比較放大采樣電路輸出濾波電路輸出濾波電路正

7、極輸出端負極輸出端共地端 圖2.2 3.電路設計3.1直流穩(wěn)壓電源組成：電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。如圖3.1.1所示：1 電源變壓器：將電網交流電壓變?yōu)檎麟娐匪璧慕涣麟妷?，一般次級電壓較小。2整流電路：將變壓器次級交流電壓變成單向的直流電壓，它包含直流成份和許多諧波分量。3濾波電路：濾除脈動電壓中的諧波分量，輸出比較平滑的直流電壓。該電壓往往隨電網電壓和負載電流的變化而變化。4穩(wěn)壓電路：它能在電網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。 圖3.1. 1串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源原理框圖3.2直流穩(wěn)壓電源方案的確定

8、根據(jù)設計的要求，電路分為四個模塊，每個模塊的選擇如下：3.2.1 電源變壓器要求輸入電壓VI比輸出電壓VO高23V，輸出的電壓為6V和9V，在橋式整流電路以前的電壓是15V的1/1.5倍，在13V左右，考慮到實際元器件與理論值的差別，最終選用15V的變壓器。3.2.2 整流電路整流是穩(wěn)壓電源的一個重要組成部分，它的主要作用是進行波形變換即將交流信號變成直流信號。（1）半波整流半波整流電路如圖3-2-1所示。為分析方便起見，可設二極管為理想的。 圖3-2-1 半波整流電路該電路工作原理：設變壓器次級電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m為其幅值，U2為有效值。當U2變化的正半周期

9、時，二極管D受正向電壓偏置而導通，UL=U2；當U2變化的負半周期時，二極管D處于反向偏置狀態(tài)而截止，UL=0。U2和UL的波形如圖2-2-2所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是半波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出單向脈沖電壓的平均值即直流分量為：UL0=U2m/p=0.45 U2 （1）顯然，輸出電壓中除了直流成分外，還含有豐富的交流成分基波和諧波（這里可通稱為諧波），這些諧波的總和稱為紋波，它疊加與直流分量之上。常用紋波系數(shù)g來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小，即 （2） 式中，ULg為諧波電壓總有效值，其值應為= （3）由式（1）、(2）

10、和（3）通過計算可得，g比較大。由結果可見，半波整流電路的輸出電壓紋波較大。oLto U U 圖3-2-2 半波整流電路波形半波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電流，即IFID0=UL0/RL=0.45U2/RL （4） b）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2 （5）（2）全波橋式整流電路全波橋式整流電路如圖(a)所示，圖中4個二極管接成電橋的形式，故有橋式整流之稱。圖(b)所示為該電路的簡化畫法。圖3-2-3 全波橋式整流電路 圖3-2-4 全波橋式整流電路簡便畫法該電路工作原

11、理：參見圖3-2-3，設變壓器次級電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m為其幅值，U2為有效值。在電壓U2的正半周期時，二極管D1、D3因受正向偏壓而導通，D2、D4因承受反向電壓而截止；在電壓U2的負半周期時，二極管因受D2、D4正向偏壓而導通，D1、D3因承受反向電壓而截止。U2和UL的波形如下圖所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是全波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為：totoUL0=2U2m/p=U20.9U2 （6） U U 圖3-2-5 全波整流電路波形圖 其紋波系數(shù)g為： （7） 式中

12、，ULg為諧波（只有偶次諧波）電壓總有效值，其值應為： （8） 由式（4）、（5）和（6）通過計算可得g比較小。由結果可見，全波整流電路的輸出電壓紋波比半波整流電路小得多，但仍然較大，故需用濾波電路來濾除紋波電壓。全波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電。由于4個二極管是兩兩輪流導通的，因此有 IFID0=0.5UL0/RL=0.45U2/RL （9）b）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即 URURM =U2 （10） 為了克服半波整流的缺點，故我們常采用橋氏整流電路。如圖3-2-6所示：BA+-2

13、20V 50HZD3D2D1D4 圖3-2-6 橋式整流電路3.2.3濾波電路整流部分整流出來的直流含有大量的紋波。方案一：電容濾波電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓UC=Q/C。在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量。 3-2-7電容濾波電路采用電容濾波電路不僅可以使輸出電壓變得平滑、紋波顯著減小，同時輸出電壓的平均值也增大了，輸出電壓平均值U0的大小不僅與濾波電容C及負載電阻RL的大小有關，C的容量一定，RL越大，C的放電時間t就越

14、大，因此放電速度約慢，輸出電壓越平滑，U0就越大。為了取得良好的濾波效果，一般取RlC（35）T/2。方案二：電感濾波電感濾波是利用電感的儲能來減小輸出電壓紋波的。當電感中電流增大時，自電感電動勢的方向與原電流方向相反，自感電動勢阻礙電位增加的同時，也將能量儲存起來，使電流的變化減小；反之，當電感中電流減少時，自感電動勢的作用阻礙電流的減少，同時釋放能量，使電流變化減小，因此，電流的變化小，電壓的紋波得到抑制。3.2.8電容濾波電路電感濾波電路中的電感L起著阻止負載電流變化使之趨于平直的作用，一般它只使用于低電壓，大電流的場合，而且考慮到電感體積比較大，危險性高的特點。以上分析知，采用電容濾波

15、（方案一）比較好！3.2.4 穩(wěn)壓電路1、方案比較方案一：先對輸入電壓進行降壓，然后用單相橋式二極管對其進行整流，整流后利用電容的充放電效應，用電解電容對其進行濾波，將脈動的直流電壓變?yōu)楦悠交闹绷麟妷?，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的基準電壓，電路引入電壓負反饋，當電網電壓波動引起R2兩端電壓的變化增大（減小）時，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，所以由可知將減?。ㄉ撸е禄鶚O電流和發(fā)射極電流的減?。ㄔ龃螅?，使得R兩端的電壓降低（升高），從而達到穩(wěn)壓的效果。負電源部分與正電源相對稱，原理一樣。3

16、.2.9 方案一穩(wěn)壓部分單元電路方案二：經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解電容對其進行低頻濾波，再用一個較低阻值的陶瓷電容對其進行高頻濾波，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)壓電路，穩(wěn)壓部分的電路如圖所示，方案二的穩(wěn)壓部分由調整管，比較放大電路，基準電壓電路，采樣電路組成。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，即調整管的基極電位降低（升高）；由于電路采用射極輸出

17、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。3.2.10 方案二穩(wěn)壓部分單元電路第一個方案為線性穩(wěn)壓電源，具備基本的穩(wěn)壓效果，但是只是基本的調整管電路，輸出電壓不可調，而且輸出電流不大，而第二個方案使用了運放和調整管作為穩(wěn)壓電路，輸出電壓可調，功率也較高，可以輸出較大的電流。穩(wěn)定效果也比第一個方案要好，所以選擇第二個方案作為本次課程設計的方案。4.元件選擇4.1變壓器的設計和選擇本次課程設計的要求是輸出正負9伏和正負6負的雙電壓電源，輸出電壓較低，而一般的調整管的飽和管壓降在2-3伏左右，由，為飽和管壓降，而=9V為輸出最大電壓，為最小的輸入電壓，以飽和管壓降=3伏計算，為了使

18、調整管工作在放大區(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，變壓器的功率應該為0.5A9V=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。4.2 整流電路的設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，所以整流電路的設計可以選擇常見的單相橋式整流電路，由4個串并聯(lián)的二極管組成，具體電路如圖4.1.1所示： 4.1. 1單相

19、橋式整流電路二極管的選擇：當忽略二極管的開啟電壓與導通壓降，且當負載為純阻性負載時，我們可以得到二極管的平均電壓為： =0.9 （11）其中為變壓器次級交流電壓的有效值。我們可以求得=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，則處于截止狀態(tài)的二極管承受的最大反向電壓將是，即為34.2v考慮電網波動（通常波動為10%，為保險起見取30%的波動）我們可以得到 應該大于19.3V，最大反向電壓應該大于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IN4007.4.3 濾波電容的選擇當濾波電容偏小時，濾波器輸出電壓脈動系數(shù)大

20、；而偏大時，整流二極管導通角偏小，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，諧波失真嚴重，功率因數(shù)低。所以電容的取值應當有一個范圍，由前面的計算我們已經得出變壓器的次級線圈電壓為15V，當輸出電流為0.5A時，我們可以求得電路的負載為18歐，我們可以根據(jù)濾波電容的計算公式：C=(35)來求濾波電容的取值范圍，其中在電路頻率為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準值為2200uF額定電壓為35V的鋁點解電容。另外，由于實際電阻或電路中可能存在寄生電感和寄生電容等因素，電路中極有可能產生高頻

21、信號，所以需要一個小的陶瓷電容來濾去這些高頻信號。濾波電路如圖 4.1.2 ： 4.1.2 濾波電路4.4 穩(wěn)壓電路的設計 穩(wěn)壓電路組要由四部分構成：調整管，基準穩(wěn)壓電路，比較放大電路，采樣電路。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，即調整管的基極電位降低（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，達到500mA，為防止電流過大燒壞調整管，需要選擇功率中等或者較大的三極管，調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

22、該大于15-6=9V，考慮到30%的電網波動，我們的調整管所能承受的最大管壓降應該大于13V，最小功率應該達到=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，遠遠滿足調整管的條件。負極的調整管則選擇與之相對應的的中功率三極管TIP42?；鶞孰娐酚?.1V的穩(wěn)壓管和4.7V的保護電阻組成。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該做成可調的，固采樣電路由兩個電阻和一個可調電阻組成，根據(jù)公式： （12）求出。其中為運放正反相輸入端的電阻，為輸出端正

23、極（負極）與共地端之間的電阻 ，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的滑阻兩旁避免當滑為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放，由于uA741的工作電壓為正負12V-正負22V，范圍較大，可以用其作為運放，因為整流后的電壓波動不是很大，所以運放的工作電源可以利用整流后的電壓來對其進行供電。正穩(wěn)壓電路的正極和負極分別如下圖：4.1.3正穩(wěn)壓電路的正極4.1.4正穩(wěn)壓電路的負極 為了使輸出電壓更穩(wěn)定，輸出紋波更小，需要對輸出端進行再次濾波，可在輸出端接一個10

24、uf的點解電容和一個103的陶瓷電容，這樣電源不容易受到負載的干擾。使得電源的性質更好，電壓更穩(wěn)定，4.5總體電路 4.1.5 電路總圖 5.電路仿真及數(shù)據(jù)分析5.1電路仿真 圖5.1.1 仿真圖調節(jié)可變電阻，可以得到課程設計所要求輸出的6V和9V的電壓，仿真數(shù)據(jù)下： 理論值為，而實際的測量值是在，造成0.89V的可調誤差，原因是由于可調電阻的實際調節(jié)范圍偏大，導致輸出電壓偏大。 5.1.2 模擬輸出圖電路輸出直流電的波形圖如下圖5.4，電壓的直流電波形為標準的直線，達到設計的要求而實際測量時也是這樣，輸出波形基本為一條直線。紋波電壓在2.5mV左右，比要求的5mV要低，而實際測量時，紋波的電

25、壓只有0.9mV，遠遠低于所要求的5mV，如圖5.5，所以符合要求。 圖 5.1.3 輸出波形 圖5.1.4 紋波波形5.2 數(shù)據(jù)整理及最終分析5.2.1.穩(wěn)壓模塊的數(shù)據(jù)結果穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍15%20%條件下：a輸出電壓為8.923V，-8.919V，5.973V,-5.967Vb電壓調整率為0.177%（輸入電壓220V變化范圍15%20%下，空載到滿載）c紋波電壓（峰-峰值）2.5mVd. 最大輸出電流為500mV5.2.2. 整體分析由以上數(shù)據(jù)可知，本次設計基本成功，但在細節(jié)處與要求有一定得偏差，分析原因主要在于，一些元件的參數(shù)與計算值有一定得偏差，且溫度等外部因素也對結果產生一定影響。6.穩(wěn)定直流穩(wěn)壓源的制作制作直流穩(wěn)壓源使用的元件比較多，在采購時，有的元件無法買到，只能用相近的元件替代，并且電路的焊接比較花費時間，在焊接的過程中，電烙鐵在電路板上停留時間太長，焊盤容易焊壞。7.總結本課程設計運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