串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

1、課程設(shè)計課程名稱模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)題目名稱串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源學(xué)生學(xué)院物理與光電工程學(xué)院專業(yè)班級09級電子科學(xué)與技術(shù)3班學(xué)號3109008668學(xué)生姓名崔文鋒指導(dǎo)教師何榕禮2010年12月20日一、設(shè)計任務(wù)與要求二、電路原理分析與方案設(shè)計1、方案比較2、電路的整體框圖3、單元設(shè)計及參數(shù)計算、元器件選擇4、電路總圖5、元器件清6、電路仿真過程及結(jié)果三、電路調(diào)試過程及結(jié)果四、總結(jié)五、心得體會六、組裝后的實物電路圖10101112串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計報告一、設(shè)計任務(wù)與要求要求：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，同時具備正負(fù)極性輸出；2、輸出電

2、流：額定電流為150mA,最大電流為500mA;3、在最大輸出電流的時候紋波電壓峰值Vop-p十mv;任務(wù)：1、了解帶有的組成和工作原理：2、識別的電路圖：3、仿真電路并選取元器件：4、安裝調(diào)試帶有放大環(huán)節(jié)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路：5、用儀器儀表對電路調(diào)試和測量相關(guān)參數(shù)：6、撰寫設(shè)計報告、調(diào)試。二、電路原理分析與方案設(shè)計采用變壓器、二極管、集成運(yùn)放、電阻、穩(wěn)壓管、三極管等元器件。220V的交流電經(jīng)變壓器變壓后變成電壓值較小的電流，再經(jīng)橋式整流電路和濾波電路形成直流穩(wěn)壓部分采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。比例運(yùn)算電路的輸入電壓為穩(wěn)定電壓，且比例系數(shù)可調(diào)，所以輸出電壓也可以調(diào)節(jié)：同時，為了擴(kuò)大輸出電流，集成運(yùn)放輸出端加

3、晶體管，并保持射級輸出形式就構(gòu)成了具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。1、方案比較先對輸入電壓進(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悠交闹绷麟妷海€(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將減小（升高）導(dǎo)致基極電流和發(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(dá)到穩(wěn)壓的效果

4、。負(fù)電源部分與正電源相對稱，原理一樣。圖1方案一穩(wěn)壓部分電路經(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）

5、；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。圖2方案二穩(wěn)壓部分單元電路對以上兩個方案進(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、電路的整體框圖3、單元設(shè)計及參數(shù)計算、元器件選擇交流電經(jīng)過電源變壓器變壓、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，下面就各個部分的作用加以介紹：

6、有效只相差太大，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對交流電壓處理。變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的需要。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=5max-Uomin,Uce為飽和管壓降，而Uax=9V為輸出最大電壓，Uomin為最小的輸入電壓，以飽和管壓降Uce=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0.5AX9V=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

7、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20W。2)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。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)小等特點(diǎn)。所以在電路中采用單相橋式整流電路，如圖所知B6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。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

8、到二極管的平均電壓為Uo(AV)：一1二22U2-Uo(AV)=門2U2sint*d(t)=0.9U20二其中U2為變壓器次級交流電壓的有效值。我們可以求得Uo(av)=13.5vo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2J2u2,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,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,反向而t壓為1000V的二極管IN4007.3)濾波電路整流后的電壓仍含有較大交流分量，會影負(fù)載

9、電路的正常工作。所以為了減小電壓的脈動，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。而在電路中采用復(fù)式濾波電路效果最佳，如圖所示O+7Q*I%cq*«n_(c).一._,_._濾波電容C1偏小時，濾波器輸出電壓脈動系數(shù)大；而C1偏大時，整流二極管導(dǎo)通角8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

10、計算公式：C=(35)工來求濾波電容的取值范圍，其中在電路2Rl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(biāo)準(zhǔn)值為2200UF額定電壓為35V的鋁點(diǎn)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(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)壓電路交流電壓通過整流、濾波后最然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)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)電壓波動和負(fù)載電阻變化的影響，

11、從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。穩(wěn)壓電路主要由四部分構(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)

12、該達(dá)到P>IL（1.1Ui-U0mJ=6.5WZ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R組成，根據(jù)公式：Umax=Ud求出。其中Rd為運(yùn)放正反相輸入端的電阻，RdR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

13、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uA741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，因為整流后的電壓波動不是很大，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。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。4、電路總圖5、元器件清元件清單名稱

14、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個103RAD-0.12個電阻4.7KAXIAL-0.32個330AXIAL-0.32個1.5kAXIAL-0.32個可交電阻1kSip32個運(yùn)放uA741DIP82個穩(wěn)壓管5.1vDIODE-0.42個調(diào)整管TIP41TO2201個TIP42TO2201個6、電路仿真過程及結(jié)果A、穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等：另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來

15、衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或穩(wěn)壓調(diào)整率）、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。1）穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)載電流、環(huán)境溫度不變的情況下輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即：電壓調(diào)整率：輸入電壓相對變化為+10%時的輸出電壓相對變化量，穩(wěn)壓系數(shù)和調(diào)整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。2）輸出電阻及電流調(diào)整率：輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當(dāng)輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比絕對值。電流調(diào)整率：輸出電流從0變到最大值時所產(chǎn)生的出電壓相對變化值。輸出電阻和輸出電流調(diào)整率均說明負(fù)載電流變化對輸出電壓的響，因此也只

16、需要測試其中之一即可。3）紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級，也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。B、仿真結(jié)果正負(fù)輸出的可調(diào)的最大值和最小值電壓數(shù)據(jù)如下圖：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:-11115934V電路輸出直流電壓的波形圖如下圖電壓的直流電波形為標(biāo)準(zhǔn)的直線，達(dá)到設(shè)計的要求而實際測量時也是這樣，輸出波形基本為一條直線，所以符合要求。三、電路調(diào)試過程及結(jié)果項目理論數(shù)據(jù)實測數(shù)據(jù)誤差原因分析可調(diào)電壓范圍5.93<Uz<9.185.66<Uz<9.86電阻

17、元件的分散性-5.93<Uz<-9.18-5.76<Uz<-9.78四、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。減少接電或斷電時產(chǎn)生的瞬間高電壓對電路元件的

18、破壞。另外，ua741芯片較為古老，性能不穩(wěn)定，已跟不上時代的需要所以運(yùn)放可以重新選擇性能更好，更穩(wěn)定的芯片。五、心得體會本次課程設(shè)計讓我受益匪淺，通過這次對簡單電子電路的設(shè)計，讓我更加充分地理解了課本上的知識，很多從課本上學(xué)到的知識都在此次的設(shè)計中用到了，使我對電子電子電路設(shè)計提升了認(rèn)識。在本次課程中，我了解到了設(shè)計、組裝一個電子電路的步驟，需要通過調(diào)查研究、查閱資料、方案論證與選定；設(shè)計和選取電路元器件；組裝和調(diào)試電路，設(shè)計指標(biāo)及分析討論，完成設(shè)計任務(wù)。雖然這次課程設(shè)計提高了我的動手能力，增加了我對電子電路設(shè)計的興趣，但其中我也看到了自己的不足，如對課本知識掌握得不夠牢固，不夠深入，還有在組裝電路時，由于大意