線性穩(wěn)壓電源的設計與實現(xiàn)教材

1、 學校代碼： 11068 學 號：0705073008 論文題目： 線性穩(wěn)壓電源的設計與實現(xiàn) 學位類別： 工學學士 學科專業(yè)： 電子信息工程 作者姓名： 李 小 英 導師姓名： 倪 敏 浩 完成時間： 2011年5月20日 線性穩(wěn)壓電源的設計與實現(xiàn)中文摘要電子設備給人們日常生活帶來極大便利，所有的電子設備只有在電源電路的支持下才能正常工作。電子設備對電源電路的要求是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源1。論文詳細討論了穩(wěn)壓電源的設計原理以及整個電源涉及的變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓和電源在電流過高時候的保護電路。以

2、實現(xiàn)此電源的設計要求，在這個要求下選擇各元部件的參數(shù)，經(jīng)過反復的驗證來確定最終的參數(shù)。電源可以輸入220V的交流電壓，經(jīng)過變壓后降低電壓，將交流電壓經(jīng)過整流后變?yōu)橹绷麟妷海?jīng)過整流后的電壓還存在脈動部分，所以就要經(jīng)過濾波盡量濾除電壓中的脈動部分。這樣經(jīng)過濾波后的電壓就接近于直流電壓。濾波后的直流電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路后就會維持在穩(wěn)定的范圍，進一步達到穩(wěn)壓電源的要求。穩(wěn)壓電路是通過一個調整管來工作的，當調整管的基極電流發(fā)生變化時，相應的會改變集電極和發(fā)射極之間的電壓，從而達到穩(wěn)壓的目的。這時候還要考慮電流過大的情況設計中要加入過流保護電路。綜合測試后，此電源可以達到輸入220V交流電壓，輸出電壓30V

3、、電流0.5A的直流電壓。關鍵詞：穩(wěn)壓電源；整流；濾波；穩(wěn)壓The design and implementation of Linear manostatAbstractElectronic equipments bring so much conveniences to people in daily life.All the electronic equipments can not wok properly without the support of the power circuit. Electronic equipments require power circuit to p

4、rovide sustained and stable power,to meet the load requirements.And usually it requires steady direct current,which DC Regulated power supply can just provide.This article discussed in detail the design principle of the voltage stabilizer and the entire power involving variable pressure, rectifier,

5、filtering, high voltage power supply when the current and the protection circuit. In order to realize the design requirements of the power in this request, select parameters of each script, after repeated validation to determine the final parameters.It can reduce voltage after variable pressure,the

6、ac voltage after rectifying canbe into a dc voltage ，after rectifier the voltage still exist pulsing parts ，so it is necessary to filter the pulsing parts in the voltage as far as possible。 So after filtered the voltage will close to dc voltage the dc voltage after filtering through voltage circuit

7、can maintain in a stable range ,further achieve the requirements of manostat。The function of voltage circuit be to realize through a tube when the base current of the tube has changed ,the corresponding will change the voltage between the collector and emitter,thus to reach the purpose of voltage.At

8、 the same time we will consider that we should add over-current protection circuit when the current was higher.After comprehensive test ,the power can be reached input 220V ac voltage, output voltage 30V, current 0.5 A dc voltage。Key Word: manostat; rectifier; filtering; voltage-stabilizing目錄第一章 前言1

9、1.1課題的研究背景及意義11.2穩(wěn)壓電源的發(fā)展21.3課題研究方法21.4 課題設計要求2第二章 穩(wěn)壓電源的設計32.1 穩(wěn)壓源的基本原理32.2 穩(wěn)壓電壓的具體實現(xiàn)42.2.1整流電路42.2.2濾波電路72.2.3穩(wěn)壓電路102.2.4保護電路152.3元器件的選擇182.3.1 采樣電阻的選擇182.3.2 調整管三極管182.3.3 運算放大器的選擇18第三章 穩(wěn)壓電源的具體實現(xiàn)203.1 原理圖的實現(xiàn)203.1.1 設計工具203.1.2 原理圖設計步驟203.2 仿真實現(xiàn)213.2.1 設計工具213.2.2 仿真步驟213.3 仿真結果223.4 仿真調試223.4.1紋波比2

10、2第四章 總結23參考文獻24致謝25附件一26線性穩(wěn)壓電源原理圖26附件二27經(jīng)過調試后修改的穩(wěn)壓電源原理圖27附件三28仿真的結果28第一章 前言1.1課題的研究背景及意義穩(wěn)壓電源是各種電子電路的動力源，被人譽為電路的心臟。人所皆知，所有用電設備，包括電子儀器儀表、家用電器等，對供電電壓都有一定的要求。例如：有些電視機要求220V的電網(wǎng)電壓變化不能超過20%，即從198V到242V之間，如果超出這個范圍，電視機就不能正常收看，甚至會因電壓過高而燒壞電視機。至于精密電子儀器，對供電電壓保持穩(wěn)定不變的要求就更加嚴格。為解決用電設備要求供電穩(wěn)定，而市電電網(wǎng)電壓又難以保證的供求矛盾，人們便研制了各

11、種各樣的穩(wěn)壓電源1。事實上，穩(wěn)壓電源的輸出，是相對穩(wěn)定而并非絕對不變的，它只是變化很小，小到可以允許的范圍之內。產(chǎn)生這些變化的原因主要有以下幾個方面：(1)由于電網(wǎng)輸入電壓不穩(wěn)定所導致。電網(wǎng)供電有高峰期和低谷期，不可能始終穩(wěn)定如初；(2)由于供電對象引起的，即由負載變化引起。如果負載短路，負載電流會很大，電源的輸出電壓會趨近于零，時間一長還會燒壞電源；如果負載開路，沒有電流流過負載，輸出電壓將會升高。即使不是這兩種極端情況，負載電阻的變化也會引起穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化；(3)由于穩(wěn)壓電源本身造成的。構成穩(wěn)壓電源的元器件質量不好，參數(shù)有變化或完全失效，就不可能有效地調節(jié)前兩種原因引起的波動；(4

12、)由于元器件受溫度、濕度等環(huán)境影響而性能改變也會影響穩(wěn)壓電源輸出不穩(wěn)定。一般來說，穩(wěn)壓電源電路的設計首先考慮前兩種因素，并針對這兩種因素設計穩(wěn)壓電源中放大器的放大量等。在選擇元器件時，要重點考慮第三個因素。但在設計高精度穩(wěn)壓電源時，必須要高度重視第四個因素。因為在高穩(wěn)定度電源中，溫度系數(shù)和溫漂這兩個關鍵的技術指標的好壞都由這個因素決定2。本次畢業(yè)設計針對線性穩(wěn)壓電源，其在日常生活中的應用相當普遍，選擇做此項目，可以熟練的掌握此項技術，更利于所學知識的鞏固及能力的提高，理論更貼近實際，對自已的長遠發(fā)展有著深遠的影響。學習制作直流穩(wěn)壓電源可以：(1)學習基本理論在實踐中應用的初步經(jīng)驗，掌握模擬電路

13、設計的基本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調試能力；(2)學會直流穩(wěn)壓電源的設計方法和性能指標測試方法；(3)培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。1.2穩(wěn)壓電源的發(fā)展說到穩(wěn)壓問題，可以追溯到19世紀，愛迪生發(fā)明電燈時，就曾考慮過穩(wěn)壓電源。到20世紀初，就已經(jīng)出現(xiàn)了鐵磁穩(wěn)壓電源及相應的技術文獻。電子管問世不久，就有人設計了電子管直流穩(wěn)壓電源。在20世紀40年代后期，電子器件與磁飽和元件相結合，構成了電子控制的磁飽和交流穩(wěn)壓電源，至今還在應用。20世紀50年代，隨著半導體工業(yè)的飛速發(fā)展，晶體管的誕生使串聯(lián)調整型晶體管穩(wěn)壓電源構成了直流穩(wěn)壓電源的中心，這種局面一直維持到20世紀60年代中期。這

14、種電源雖然性能優(yōu)良，但它最大的缺點是由于功率調整管與負載串聯(lián)，并且晶體管工作在線性區(qū)域，穩(wěn)壓電源的輸出電壓調節(jié)與穩(wěn)定借助于功率晶體管上電壓降的調整來實現(xiàn)，因而在輸出電壓低、電流大的場合，效率非常低且功率晶體管發(fā)熱也很厲害，散熱便成了很大的問題。隨著半導體技術的進步，電子設備開始從分立元器件進入集成電路時代，體積日益減小，裝機密度不斷提高，規(guī)模容量逐漸增大。這種晶體管串聯(lián)型常規(guī)電源難以滿足形勢發(fā)展的問題日益暴露。20世紀60年代后期，科技工作者對穩(wěn)壓電源技術進行了一次新的總結，使開關電源和可控硅電源得到了快速發(fā)展。與此同時，將穩(wěn)壓電源的大部分元器件都集成在一塊硅基片上的集成穩(wěn)壓電源也在不斷發(fā)展。

15、從1967年美國Bob Widlar發(fā)明了第一塊集成穩(wěn)壓電源uA723至今，集成穩(wěn)壓電源品種之多、系列之全使人們刮目相看。目前，線性集成穩(wěn)壓電源已經(jīng)發(fā)展到幾百個品種，類型也多種多樣。按結構形式可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型集成穩(wěn)壓電源；按輸出電壓類型可以分為固定式和可調式集成穩(wěn)壓電源；按管腳的引線數(shù)目可以分為三端式和多端式集成穩(wěn)壓電源；按制造工藝可以分為半導體式、薄膜混合式和厚膜混合式集成穩(wěn)壓電源；按輸入和輸出之間的壓差又可以分為一般壓差和低壓差兩大類，等等3。1.3課題研究方法直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設備，在科研及實驗中都是必不可少的。本課題根據(jù)技術指標要求進行電源設計，目的在于盡可能節(jié)約成本的前

16、提下，使其性能更加穩(wěn)定。在設計之前，應先了解穩(wěn)壓電源的基本構成及其工作原理，在此基礎上，依據(jù)技術指標要求和設計規(guī)范進行優(yōu)化設計。1.4 課題設計要求設計一臺穩(wěn)壓電源，技術參數(shù)為：輸入為220V交流電壓，輸出電壓為30V，輸出電流為0.5A。紋波1%，穩(wěn)定度1%，同時電源具有過壓保護功能。 第二章 穩(wěn)壓電源的設計2.1 穩(wěn)壓源的基本原理基本的穩(wěn)壓源電路主要是由輸入級和輸出級構成，輸入級輸入的是交流電壓，經(jīng)過各個部分的的作用來使得電源輸出所需的穩(wěn)定電壓。其原理圖如圖1所示：圖1穩(wěn)壓電源原理圖整個穩(wěn)壓源的工作原理為：由輸入的交流電壓進過變壓后得到一個變壓后的合適的電壓，經(jīng)過整流后將交流電變?yōu)橹绷麟姡?/p>

17、整流后的直流電存在的脈動分量要通過濾波電路濾除，經(jīng)過濾波后的電壓，就是需要通過調整管來調整的電壓，調整管使用的是2N3250，由于電路中負載較大，所經(jīng)過的電流較小，無法使得2N3250正常工作，這時候就需要一個驅動三極管來使得2N3250工作,這時要在比較器的輸出端與調整管的基極連接一個BC337作為驅動電路的一部分。穩(wěn)壓的主要過程是，OP07的反相端采樣電壓，而其正相端連接的是基準電壓。當基準電壓大于采樣電壓，正相輸入端高于反相輸入端，比較器OP07輸出高電平，2N3250由于工作在線性放大區(qū)，它的基極電流IB受比較放大電路輸出的控制，它的改變又可使集電極電流Ic和集、射電壓Uce改變，從而

18、達到自動調整穩(wěn)定輸出電壓的目的。當輸入電壓或輸出電流I變化引起輸出電壓U增加時，取樣電壓相應增大，使BC337管的基極電流和集電極電流隨之增加，BC337管的集電極電位下降，因此2N3250管的基極電流下降，使得集電極電流下降，Uce增加，Uo下降，使Uo保持基本穩(wěn)定4。由于在電路中需要加入過流保護電路，當輸入的電流大于額定的電流時，作為比較器的LM324的輸出端就會輸出高電平，使得可控硅單向導通，接地，這時候與其相連的調整管也接地，斷開電路，從而達到保護的目的。2.2 穩(wěn)壓電壓的具體實現(xiàn)2.2.1整流電路把交流變成脈動直流的過程叫整流。常用的整流電路有單相半波、單相全波、單相橋式等幾種。（1

19、）單相半波整流電路單相半波整流電路如圖2所示：圖2單相半波整流電路當u2為正半周時，二極管D承受正向電壓而導通，此時有電流流過負載，并且和二極管上的電流相等，即io= id。忽略二極管的電壓降，則負載兩端的輸出電壓等于變壓器副邊電壓，即uo=u2 ，輸出電壓uo的波形與u2相同。當u2為負半周時，二極管D承受反向電壓而截止，使電阻RL兩端的輸出電壓uo成為單向脈動直流電壓，因此叫做半波整流5。單相半波整流電壓的平均值為： (2-1)流經(jīng)二極管的電流平均值與負載電流平均值相等，即： (2-2)二極管截止時承受的最高反向電壓為u2的最大值，即： (2-3)考慮到電網(wǎng)電壓波動范圍為20，二極管的極限

20、參數(shù)應滿足： IF1.20.45U2RL URM1.22U2單相半波整流電路雖然結構簡單，但輸出電壓脈動系數(shù)大，直流成分低，變壓器只有半個周期工作，利用率低。（2）單相全波整流電路單相全波整流電路如圖3所示。變壓器副邊具有中心抽頭，感應出兩個幅值相等而相位相差180o的電壓u2 。當u2處于正半周時，D1導通，D2截止；當u2處于負半周時，D2導通，D1截止。單相全波整流電壓的平均值為： (2-4) 流過負載電阻的輸出電流平均值為：Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL (2-5)流經(jīng)每個二極管的電流平均值為負載電流的一半，即： ID=12IO (2-6)二極管承受的最高反向電壓：UR

21、M=22U2 (2-7)圖3單相全波整流電路（3）單相橋式整流電路單相全波整流電路如圖4所示： 圖4 單相橋式整流電路u2為正半周時，a點電位高于b點電位，二極管D1、D3承受正向電壓而導通，D2、D4承受反向電壓而截止6。此時電流的路徑為：aD1RLD3b；u2為負半周時，b點電位高于a點電位，二極管D2、D4承受正向電壓而導通，D1、D3承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：bD2RLD4a。單相橋式整流電壓的平均值為： (2-8)流過負載電阻RL的電流平均值為： (2-9)流經(jīng)每個二極管的電流平均值為負載電流的一半，即： (2-10)每個二極管在截止時承受的最高反向電壓為u2的最大值，即

22、： (2-11)(4) 具體實現(xiàn)對于要求輸出30V，0.5A的電源，有分析可知單相橋式整流電路的利用率較高，故輸出電路采用橋式整流，下面來說明怎樣選擇：30V輸出電路采用單相橋式整流電路,由公式知，變壓器二次側電壓的有效值為U2=Uo/0.9=30/0.9=33.3V (2-12)考慮到變壓器二次側繞組及管子上的壓降，其值大約要高出20%，即33.3 1.2=33.96V (2-13)變壓器二次側電流的有效值為I2=Io/0.9=0.5/0.9=0.56A (2-14)變壓器的變比為n=220/33.96=6.48 (2-15)變壓器的容量為S=U2I2=33.960.56=19VA (2-1

23、6)流經(jīng)每個二極管的電流平均值為負載電流的一半，即：ID=0.5IO=0.50.5=0.25A (2-17) 每個二極管在截止時承受的最高反向電壓為u2的最大值，即：URM=U2M=2U2=233.3=47V (2-18) 所以可以選擇二極管40CPQ060，其最大平均正向電流IF=40A0.5A，其URM=60V47V。2.2.2濾波電路（1）電容濾波電路電容濾波電路及波形如圖中(5a)、(5b)所示：圖（5a）電容濾波電路及波形假設電路接通時恰恰在u2由負到正過零的時刻，這時二極管D開始導通，電源u2在向負載RL供電的同時又對電容C充電。如果忽略二極管正向壓降，電容電壓uC緊隨輸入電壓u2

24、按正弦規(guī)律上升至u2的最大值。然后u2繼續(xù)按正弦規(guī)律下降，且，使二極管D截止，而電容C則對負載電阻RL按指數(shù)規(guī)律放電。uC降至u2大于uC時，二極管又導通，電容C再次充電。這樣循環(huán)下去，u2周期性變化，電容C周而復始地進行充電和放電，使輸出電壓脈動減小，如下圖(5b)所示。電容C放電的快慢取決于時間常數(shù)（）的大小，時間常數(shù)越大，電容C放電越慢，輸出電壓uo就越平坦，平均值也越高7。電容濾波電路的輸出特性曲線如圖(5b)所示。從圖中可見，電容濾波電路的輸出電壓在負載變化時波動較大，說明它的帶負載能力較差，只適用于負載較輕且變化不大的場合。圖(5b) 電容濾波電路的輸出特性曲線般常用如下經(jīng)驗公式估

25、算電容濾波時的輸出電壓平均值： 半波： 全波： 為了獲得較平滑的輸出電壓，一般要求，即： (2-19)式中T為交流電壓的周期。濾波電容C一般選擇體積小，容量大的電解電容器。應注意，普通電解電容器有正、負極性，使用時正極必須接高電位端，如果接反會造成電解電容器的損壞。加入濾波電容以后，二極管導通時間縮短，且在短時間內承受較大的沖擊電流（），為了保證二極管的安全，選管時應放寬裕量。（2）電感濾波電路電感濾波電路如圖6所示。由于通過電感的電流不能突變，用一個大電感與負載串聯(lián),流過負載的電流也就不能突變，電流平滑，輸出電壓的波形也就平穩(wěn)了。其實質是因為電感對交流呈現(xiàn)很大的阻抗，頻率愈高，感抗越大，則交

26、流成分絕大部分降到了電感上,若忽略導線電阻，電感對直流沒有壓降，即直流均落在負載上，達到了濾波目的。在這種電路中，輸出電壓的交流成分是整流電路輸出電壓的交流成分經(jīng)XL和RL分壓的結果，只有LRL時，濾波效果才好8。圖6電感濾波電路輸出電壓平均值Uo一般小于全波整流電路輸出電壓的平均值，如果忽略電感線圈的銅阻，則Uo0.9U2。雖然電感濾波電路對整流二極管沒有電流沖擊，但為了使L值大，多用鐵芯電感，但體積大、笨重，且輸出電壓的平均值Uo較低。電感濾波適用于負載電流較大的場合，其缺點是制作復雜、體積大、笨重且存在電磁干擾。（3）復合濾波電路幾種常見的復合濾波電路如圖7所示：圖7復合濾波電路LC、C

27、LC、型濾波電路適用于負載電流較大，要求輸出電壓脈動較小的場合。在負載較輕時，經(jīng)常采用電阻替代笨重的電感，構成CRC、型濾波電路，同樣可以獲得脈動很小的輸出電壓。但電阻對交、直流均有壓降和功率損耗，故只適用于負載電流較小的場合。(2)具體實現(xiàn)本次設計采用的是電容濾波電路，電感濾波一般用于負載電流大，對濾波要求不高的場合，且電感越大，濾波效果越好；RC濾波由于電阻會降低一部分直流電壓，使輸出減小，因此只適用于小電流電路；電容濾波的濾波效果好，適于各種整流電路，結合本設計的設計要求，故采用電容濾波的方式。下面確定濾波電容的容量和耐壓值。如圖8所示 電容C的容量圖8電容濾波電路在全波整流電路中，濾波

28、電容C的容量應滿足 RLC（35）T/2 (2-20) 式中RL為負載電阻，根據(jù)設計要求，周期T為交流電壓的周期，為0.02S，取在35之內的3，則求出電容C=1000F。 電容C的耐壓值U電容器耐壓值必須超過脈動電壓峰值，因此要選在變壓器次級電壓U2的2倍以上。另外，還要考慮輸入電壓的變化范圍，必須按最高輸入電壓計算。這里還應該明確一點，通常所說的變壓器次級電壓U2是指額定值時的電壓。如果電流減小或空載時，U2將會升高。這是因為繞線電阻的電壓降減小的緣故，這個因素也應該考慮進去。選取的電容考慮到整流后的電壓和輸出電壓耐壓值要達到50V。這里考慮到耐壓值是50V還有另外一個原因，經(jīng)過變壓后的電

29、壓想要到達能夠輸出穩(wěn)定電壓的目的，理論上是34V左右，但考慮到經(jīng)萬用表測量時的考慮是在濾波前的電壓，是34*2，大約為50V。2.2.3穩(wěn)壓電路在電子電路中穩(wěn)壓電路不僅實用，也是很簡單但又是最基本的，下面就常用的幾種基本穩(wěn)壓電路做一簡單介紹。(1) 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖9所示。它是利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性穩(wěn)壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化。圖9穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路當輸入電壓變化時的穩(wěn)壓過程，根據(jù)電路圖可知：Vo=Vz=VI-VR=VI-IRRIR=IL+IZ輸入電壓VI的增加，必然引起Vo的增加，即Vz增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸

30、出電壓Vo減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下： 這里Vo減小應理解為，由于輸入電壓Vz的增加，在穩(wěn)壓二極管的調節(jié)下，使Vo的增加沒有那么大而已，Vo還是要增加一點的，這是一個有差調節(jié)系統(tǒng)。 當負載電流變化時的穩(wěn)壓過程：負載電流IO的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZVO減小，IZ減小，IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩(wěn)壓過程可概括如下： 這種穩(wěn)壓電路的輸出電壓是不能調節(jié)的，負載電流變化范圍較小，輸出電阻較大，約幾個歐姆到幾10歐姆，因此穩(wěn)壓性能較差。但其電路結構簡單，負載短路時，穩(wěn)壓管不會損壞。因此僅適用于Uo固定和要求不高的場合9。（2）串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓

31、電路串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路如圖10所示。其電路主要由取樣環(huán)節(jié)、基準電壓、比較放大環(huán)節(jié)和調整環(huán)節(jié)四大部分組成，各部分的作用如下：取樣環(huán)節(jié)。由R1、RP、R2組成的分壓電路構成，它將輸出電壓Uo分出一部分作為取樣電壓UF，送到比較放大環(huán)節(jié)?；鶞孰妷?。由穩(wěn)壓二極管DZ和電阻R3構成的穩(wěn)壓電路組成，它為電路提供一個穩(wěn)定的基準電壓UZ，作為調整、比較的標準。比較放大環(huán)節(jié)。由V2和R4構成的直流放大器組成，其作用是將取樣電壓UF與基準電壓UZ之差放大后去控制調整管V1。調整環(huán)節(jié)。由工作在線性放大區(qū)的功率管Vl組成，Vl的基極電流IB1受比較放大電路輸出的控制，它的改變又可使集電極電流IC1和集、射電壓UCEl

32、改變，從而達到自動調整穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖10串聯(lián)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路的工作原理如下：當輸入電壓Ui或輸出電流Io變化引起輸出電壓Uo增加時，取樣電壓UF相應增大，使V2管的基極電流IB2和集電極電流IC2隨之增加，V2管的集電極電位UC2下降，因此Vl管的基極電流IB1下降，使得IC1下降，UCE1增加，Uo下降，使Uo保持基本穩(wěn)定。同理，當Ui或Io變化使Uo降低時，調整過程相反，UCE1將減小使Uo保持基本不變。從上述調整過程可以看出，該電路是依靠電壓負反饋來穩(wěn)定輸出電壓的。（3）集成穩(wěn)壓電路集成穩(wěn)壓電路是將穩(wěn)壓電路的主要元件甚至全部元件制作在一塊硅基片上的集成電路，因而具有體

33、積小、使用方便、工作可靠等特點。集成穩(wěn)壓電源的種類很多，按引出端不同可分為三端固定式、三端可調式和多端可調式等。作為小功率的直流穩(wěn)壓電源，應用最為普遍的是3端式串聯(lián)型集成穩(wěn)壓電源。3端式是指穩(wěn)壓電源僅有輸入端、輸出端和公共端3個接線端子。如W78和W79系列穩(wěn)壓器。W78系列輸出正電壓有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多種，若要獲得負輸出電壓選W79系列即可。例如W7805輸出+5 V電壓，W7905則輸出-5 V電壓。這類3端穩(wěn)壓電源在加裝散熱器的情況下，輸出電流可達1.52.2A，最高輸入電壓為35V，最小輸入、輸出電壓差為23V，輸出電壓變化率為0.10.

34、210。（4）具體實現(xiàn)由前面的敘述已經(jīng)知道，本設計采用串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路實現(xiàn)電路的穩(wěn)壓，其主要由4部分組成，下面就這4部分的分別選取做介紹。 選取調整管在穩(wěn)壓電路的設計中，調整管的選擇是一項重要工作。如果調整管的耐壓和功率選的較小,使用時易損壞；如果過大，非但不經(jīng)濟而且也增大了重量和體積。為了保證調整管在各種不利條件下可靠地工作，并保證管子的安全，在選擇調整管時應該滿足耐壓和最大功耗的要求。當要求穩(wěn)壓電路輸出電流超過幾安以上時，調整管需用多管并聯(lián)。并聯(lián)管子應選擇特性基本相同的，以便使輸出電流平均分配。除此之外，還應加均流電阻，一般串聯(lián)約零點幾歐到幾歐的均流電阻。這時，每支并聯(lián)管子的漏極電流應是

35、并聯(lián)管子個數(shù)的平均值，為留有余地，也可以大一些。選擇晶體管時主要考慮以下3個參數(shù)，即擊穿電壓、最大漏極允許功耗和最大漏極電流。30V輸出電路要求輸出為0.5A的電流，由于電流較小所以只選取一個三極管BJT，BJT是電流控制型原件，本次調整管選擇的是2N3050大功率管，它是PNP型金屬外殼功率管，耐壓達到100V，電流15A，功率117W。完全可以承受本次設計的指標要求。 計算取樣電阻具體的穩(wěn)壓電路如圖11所示：圖11穩(wěn)壓電路取樣電阻實際上是一個電阻分壓器，輸出電壓的大小，直接由分壓比和基準電壓來決定。改變分壓比就可以改變輸出電壓。本次設計要求輸出一個30V的直流電壓，在確定采樣的電阻之前要與

36、基準電壓相聯(lián)系，由上述電路圖可知，OP07正相連接了滑動變阻器和一個固定電阻，接入了+15V的電源，此電源就是用來計算分壓電阻。 確定基準電壓基準電壓由有以下公式可求出：設基準電壓為UREF，輸出電壓Uo=UREF(1+R1/R3),由此可求出因為輸出已知是30V，可求出UREF=3V，基準電壓確定后就可以利用分壓來確定取樣電阻，可得出滑動變阻器上所選用的電阻為Rp=1.7K。 比較放大環(huán)節(jié)此環(huán)節(jié)由一個OP07構成，芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓，所以OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP0

37、7A為2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放 大傳感器的微弱信號等方面。在這個電路中OP07起到了比較的作用，在基準電壓與采樣電壓進行比較的時候，來判定是否反饋到調整管的基極，流過基極的電流Ib來控制Uce的電壓，進行調整，達到穩(wěn)壓的目的。2.2.4保護電路（1）過流保護串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路一個最大的缺點，是在使用中當負載變小或者短路時，會有很大的電流流過調整管，非常容易燒壞調整管，因此必須加保護電路。電流保護電路的具體形式很多，按工作原理主要分為限流型和截止型。限流保護電路是指負載電流超過規(guī)定值時，電

38、源輸出電壓下降，以保證負載電流不再繼續(xù)增加。截止型保護電路是指在負載電流超過規(guī)定值時，穩(wěn)壓電路自動被切斷，輸出電壓為零或很小11。限流型保護電路是指負載電流超過規(guī)定值時，電源輸出電壓下降，以保證負載電流不再繼續(xù)增加，其原理電路如圖12所示：圖12限流型保護電路當Io 較小時在RS上產(chǎn)生的壓降不能使TS導通,TS不起作用 。當IoIOM (負載短路)時在RS上產(chǎn)生的壓降足以使TS導通,TS對IA分流，從而使IB、Io減小，保護了調整管T。限流型保護電路有很多形式，有二極管和晶體三極管等多種。截止型保護電路是在負載電流超過規(guī)定值時，穩(wěn)壓電路自動被切斷，輸出電壓為零或很小，其原理電路如圖13所示：圖

39、13截止型保護電路Ubes=Io*Rs-Ur1Io*Rs-R1*Uo/(R1+R2) （2-21）選取適當?shù)腞1，R2，當IoIom時UbesUom，則保護管TS載止，電路正常工作。截止型保護電路形式很多，可用晶體管、單結晶體管、可控硅、雙穩(wěn)態(tài)電路等。截止型穩(wěn)態(tài)電路又可分為兩種情況，一種是不能自動恢復的，一旦過載，電路自行切斷，負載電流恢復正常時，要用復位按鈕重新啟動電源；另一種是自動恢復電路，負載電流恢復正常時，電路自動恢復12。(2)具體實現(xiàn)30V輸出電路要求輸出電流為0.5A，考慮到要留有一定的裕度所以，設定的電流最大是IM為1A。過流保護分為限流型和截止型，本電路采用截止型過流保護電路

40、。截止型過流保護電路可以克服限流型保護電路的缺陷，可以徹底消除因過流產(chǎn)生的負載電流很大的現(xiàn)象，其工作原理是：當電流過流或短路時，具有記憶能力的保護電路被觸發(fā)而進入保護狀態(tài)，并把電源的輸出端徹底斷開，從而達到過流保護的目的。截止型過流保護電路方框圖 , 如圖14所示。保護電路主要由晶閘管或電壓比較器組成一個具有記憶能力的觸發(fā)器 , 檢流電阻 R對負載電流 IL 進行取樣 , 當負載電流 IL 超過一定值時 , 保護電路迅速地進入保護狀態(tài) ,然后驅動繼電器切斷負載 RL ,使 IL =0。這樣就徹底消除了過流保護后的負載大電流現(xiàn)象 , 從而達到過流保護的目的。圖14截止型過流保護電路圖本設計采取的

41、過流保護電路如圖15所示：圖15過流保護電路由一個OP07構成了差分放大電路，截取了電路中的R3兩端的電壓，取最大電流為1A，則有差分電路的方程可得，OP07的輸出端Uo=R5/R8(V+-V-),由所設定的最大電流可知: V+-V-=R3*IM=0.022*1=0.022V。通過放大器后輸出Uo= R5/R8(V+-V-)=80*0.022=1.76V。OP07的輸出端連接到LM324的正相輸入端，此電路中LM324作為電壓比較器進行工作，當同相輸入電壓高于反相輸入端時，運放輸出高電平，當同相輸入電壓低于反相輸入電壓時，運放輸出低電平。輸出端連接了一個可控硅，可用來觸發(fā)調整管的工作狀態(tài)，在這

42、個保護電路中，LM324中的反相輸入端連接一個可調的滑動變阻器，以調整不同的分壓與同相的電壓相比較，本設計中設定的最大流入同相輸入端的電壓為1.76V，所以滑動變阻器上的分壓也設定為1.76V,這時可得，Rp1=7.04K。這時的變化過程是，當電路中通過的電流沒有超過1A時，經(jīng)過OP07放大的電壓就沒有1.76V，這時候LM324同相輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，輸出為低電平，通過可控硅，使其處于導通狀態(tài)，電流可以通過。反之當電路中通過的電流超過1A時，經(jīng)過OP07放大的電壓超過了1.76V，這時候LM324同相輸入端的電壓就電壓大于反相輸入端的電壓，輸出為高電平，通過可控硅使其接地，電路

43、上通過的電流為0，與其相連的調整管基極電流為0，調整管處于截止狀態(tài)，自動切斷電路。這時候電路中電流會低于1A，自動調整。達到過流保護的目的。2.3元器件的選擇2.3.1 采樣電阻的選擇由于輸出電流通過實驗儀器不方便測量，一般采用電阻兩端加電壓的方法，通過間接計算得到。因此在產(chǎn)生電流或者測量電流值時，采樣電阻的選擇非常重要。方案一：采用普通電阻：在電流比較小的情況下，普通的 1/4W 或者 1/8W 的電阻可以被用作電流測量，但是本題需要測量的是電流源的輸出電流，最大需要達到 5 A。因此即使是比較小的電阻，如 1電阻，當通過 5A 電流時也會由于功率過大而燒毀。方案二：采用大功率電阻：為了滿足

44、流過大電流的要求，可以采用大功率電阻，當大電流流過時不會燒斷，但是會引起電阻發(fā)熱，導致電阻溫度急劇上升，產(chǎn)生比較大的溫度漂移。在測量電流的情況下，測量電流也會隨著阻值的溫度漂移而產(chǎn)生變化，將造成測量誤差變大。方案三：采用康銅絲電阻?？点~絲電阻是電流測量中很常用取樣電阻，其特點在于溫度漂移量非常小，對電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。另一方面，1的康銅絲約長 1m，由于和外界接觸面積大，即使通過大電流也能很快的散熱，進一步的減小溫度漂移帶來的影響。由于輸出電流與采樣電阻上的電流理想上是一致的，所以對采樣電阻的要求很高，一方面要求功率大于5w，另一方面要求很精確，我們選擇方案二。2.3.2 調整管三極管

45、本設計選取的是2N3250，在室溫情況下，最大集電極功耗是360mV,最大集電極、基極電壓為50V，最大集電極發(fā)射級電壓為40V，最大射級基極電壓為5V。由于輸出的電壓較大，所以選用此管來進行設計任務。作為驅動的三極管選取的是BC337，BC337中最大的發(fā)射極電流Ic=800mA，最大集電極、基極電壓為50V，最大集電極發(fā)射級電壓為45V，最大射級基極電壓為5V。作為驅動管，它的功能可以實現(xiàn)。2.3.3 運算放大器的選擇OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07A最大為25V），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調零

46、措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。圖16 OP07 管腳圖OP07芯片引腳功能說明如圖16：1和8為偏置平衡(調零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+第三章 穩(wěn)壓電源的具體實現(xiàn)3.1 原理圖的實現(xiàn)3.1.1 設計工具本設計運用的工具主要是畫圖工具，然而在繁多的工具中我們選用功能較強的原理圖繪制工具Protel99SE。Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系

47、統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯(lián)網(wǎng)設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層。Protel99SE是Altium公司于2004年推出的最新版本的電路設計軟件，該軟件能實現(xiàn)從概念設計，頂層設計直到輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及這之間的所有分析驗證和設計數(shù)據(jù)的管理。Protel99SE已不是單純的PCB（印制電路板）設計工具，而是由多個模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是SCH（原理圖）設計、SCH（原理圖）仿真、PCB（印制電路板）設計、Auto

48、Router（自動布線器）和FPGA設計等，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計。該軟件將項目管理方式、原理圖和PCB圖的雙向同步技術、多通道設計、拓樸自動布線以及電路仿真等技術結合在一起，為電路設計提供了強大的支持。3.1.2 原理圖設計步驟利用Protel99SE繪制原理圖的一般步驟如下：(1)創(chuàng)建一個新的設計文檔管理庫；(2)加載原件庫；(3)新建一個原理圖文件；(4)放置元件；(5)繪制導線；(6)放置電源部件；(7)放置電氣連接點；(8)放置文字標注；(9)修改原件參數(shù)；(10)保存原理圖。原理圖見附件1和23.2 仿真實現(xiàn)3.2.1 設計工具Multisim是美國國家儀器（NI）有限

49、公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設計環(huán)境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學教學的

50、首選軟件工具。它的特點是，圖形界面比較直觀，有豐富的元器件可供選擇，仿真能力比較強大，還有很多的測試儀器用來測試。這些都是仿真中可以用到的比較經(jīng)常使用的功能，但是它還有許多其他功能，由于沒有用到就不一一贅述。3.2.2 仿真步驟利用NI Multisim進行仿真的一般步驟如下：(1)創(chuàng)建一個新的文件；(2)在新創(chuàng)建的文件中將電路圖的放置元件；(3)按照繪制的原理圖連接元件；(4)將需用到的仿真用示波器或萬用表接到負載端；(5)連接好后，點擊開始；(6)雙擊示波器或萬用表查看仿真結果；(7)若仿真結果與理論不符進行調試修改；注：修改過程中要終止調試，否則可能會看不到改變的結果。仿真見附件錄33.

51、3 仿真結果負載為60時，理論值的計算是30V電壓和0.5A的電流，但是由于接入的滑動變阻器的可調范圍達不到理論計算的8.5%，只能調到9%，所以輸出的結果有小小的偏差。但是結果符合Uo=Io*RL。結果如圖17、18所示：圖17負載端電壓圖18輸出電流3.4 仿真調試在調試的過程中，一開始所用到的原理圖并沒有達到所需要的輸出結果，經(jīng)過對于電路的修改終于完成了仿真的部分，電路也進行了改善，加入了驅動用的三極管。3.4.1紋波比將示波器加在負載兩端，通過示波器讀出的交流電壓既負載兩端的紋波。測試結果，當輸出電壓為30V時，紋波電流為300mV；當輸出電流為31V時，紋波電流為305mV。紋波基本能實現(xiàn)1%的要求。28第四章 總結線性直流穩(wěn)壓電源在日常生活中的應用是非常廣泛的，其性能的穩(wěn)定性是保證設備正常運行的重要前提，所以如何設計高性能、高指標的穩(wěn)壓電源具有重要意義。本次畢業(yè)設計是采用分立元器件搭建起來的電路，事實上如果用集成器件去搭的話，電路會顯得更加簡單一些，但是考慮到自己大學四年里實際動手的機會比較少，實際操作能