分立式元器件串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源的設(shè)計與制作(共16頁)

1、工程(gngchng)訓(xùn)練3 分立式元器件串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源設(shè)計(shj)與制作直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用(yngyng)廣泛，幾乎所有電子設(shè)備都毫無例外地需要穩(wěn)定的直流電壓（電流）供電。然而，我們提供電能的主要方式卻是交流電壓（電流）供電。如何將交流電壓（電流）變?yōu)橹绷麟妷海娏鳎┕╇?？又如何使直流電壓（電流）穩(wěn)定？這是電子技術(shù)的一個基本問題。解決這個問題的方案很多，歸納起來大致可分為線性電子穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩類，它們又各自可以用集成電路或分立元件構(gòu)成。根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度，我們了解到，半導(dǎo)體二極管和晶體管是電子電路中常用的半導(dǎo)體器件，也是構(gòu)成集成電路的基本單元。它們的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和參數(shù)是學(xué)

2、習(xí)電子技術(shù)和電子電路設(shè)計與應(yīng)用必不可少的基礎(chǔ)。本工程訓(xùn)練正是主要利用這兩種元器件設(shè)計制作一個分立式元器件串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源，它在實(shí)際應(yīng)用電路中應(yīng)用非常廣泛，是電子技術(shù)課程的教學(xué)重點(diǎn)之一,正確理解其工作原理,設(shè)計出符合要求的電路具有重要意義。此工程訓(xùn)練為期兩周，學(xué)生要完成此工程訓(xùn)練首先要修完“模擬電子技術(shù)”、“自動控制理論”、 “電路”、“電工電子實(shí)踐指導(dǎo)”、 “PROTEL電路設(shè)計與制板”、“PROTEUS電路設(shè)計與仿真”六門課程知識。在加深理解對上述課程理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，學(xué)會綜合應(yīng)用這六門課程的知識，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)、分析和解決利用分立元器件進(jìn)行電路設(shè)計與制作問題的能力。 目的要求：3.1

3、.1 基本目的此工程訓(xùn)練選擇分立元件構(gòu)成串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)，了解相關(guān)分立元器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和參數(shù)以及由它們構(gòu)成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源電路的工作原理、原理圖的設(shè)計和參數(shù)計算、元器件選用、計算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)硬件仿真、PCB板的設(shè)計、電路的安裝和調(diào)試，最后完成達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求的準(zhǔn)產(chǎn)品。3.1.2 基本要求1、依據(jù)性能指標(biāo)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(xùn)練為實(shí)例學(xué)習(xí)protel基本知識，并運(yùn)用其繪制電源sch（原理）和pcb（印刷電路板）圖；3、學(xué)習(xí)proteus知識，對本電源進(jìn)行仿真，最終確定sch與pcb圖；4、掌握

4、電子電路板制作全過程，實(shí)現(xiàn)電源的制造；5、測量電源相關(guān)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，完成系統(tǒng)調(diào)試； 基本知識介紹“分立式元器件串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源設(shè)計與制作”這一項(xiàng)目涉及到的知識（或技術(shù)）面比較廣，在進(jìn)行此工程訓(xùn)練前，學(xué)生應(yīng)必須對這些方面的知識要理解透徹、掌握熟練。主要相關(guān)基本知識（或技術(shù)）有：電源變壓器知識、整流電路知識、濾波電路知識、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路知識、PCB板電路設(shè)計與制板技術(shù)、PROTEUS電路設(shè)計與仿真技術(shù)、熱轉(zhuǎn)印腐蝕制板技術(shù)、焊接工藝技術(shù)、電路安裝與調(diào)試技術(shù)等，其中串聯(lián)型穩(wěn)壓電路知識是本次工程訓(xùn)練項(xiàng)目中的重中之重，現(xiàn)簡要的介紹一下下列基本知識。321 電源(dinyun)變壓器一、電源(dinyun

5、)變壓器中常用的幾個術(shù)語：1、初級(primary winding)：是指電源(dinyun)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u1：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。4、空載電流i0：是指電源變壓器的初級接上額定輸入電壓u1而次級不帶負(fù)載（即開路）時，流過初級的電流。i0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i0也可能不同。5、空載電壓u0：是指變壓器初級接受上額定輸入電壓u1而次級不帶負(fù)載（即開路）時，次級兩端的電壓。u0與變壓器的設(shè)計有關(guān)，即使是兩個不同廠家

6、生產(chǎn)的相同規(guī)格的電源變壓器，其u0也可能不同。6、負(fù)載電流i2：是指變壓器初級接上額定輸入電壓u1，次級接上額定負(fù)載時，流過負(fù)載的電流。7、負(fù)載電壓u2：是指變壓器初級接上額定輸入電壓u1，次級接上額定負(fù)載時，負(fù)載兩端的電壓。8、定輸出功率p2：是指變壓器在額定輸入電壓u1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，p2越大，變壓器的尺寸越大；p2相同，即使輸出電壓u2不同，變壓器的尺寸也相同，即變壓器的價格也應(yīng)相差無幾。 由公式p2=u2*i2可知若輸出功率p2一定，若輸出電壓u2越高，則輸出電流i2越低。舉例來說，一個輸出功率p2=10W的變壓器，若輸出電壓u2=24

7、V，則輸出電流i2= p2/u2=10W/24v0.416A；若u2=12V， 則輸出電流i2=0.833A。二、電源變壓器在本工程訓(xùn)練中應(yīng)用電源變壓器在本工程訓(xùn)練中是將交流電網(wǎng)電壓u（市網(wǎng)電壓：220V/50Hz）變?yōu)楹线m的交流電壓u2 (本工程訓(xùn)練選用降壓變壓器)，以提供后續(xù)電路所需的電壓。三、電源變壓器的選擇與確定在本工程訓(xùn)練中，對電源變壓器的要求主要為次級輸出電壓大小和極性，額定工作功率，因此如何選擇與確定電源變壓器主要圍繞這幾個參數(shù)并根據(jù)后續(xù)電路要求進(jìn)行計算選擇，假定后續(xù)電路要求初級輸入電壓為U，輸出電流為I，則電源變壓器次級輸出電壓V為U，額定工作功率為（ ）VI。舉例說明：假定后

8、續(xù)電路要求初級輸入電壓為U=10V，輸出電流為I=1A，則電源變壓器最佳次級輸出電壓V為10V，額定工作功率為（ ）VI=？W。322 整流(zhngli)電路知識整 流 電 路濾 波 電 路穩(wěn) 壓 電 路u1u2u3u4uo圖3.1 直流穩(wěn)壓電源的組成(z chn)和功能框圖(kungt)如上述框圖3.1所示，整流電路的作用將交流電壓u2變?yōu)閱畏较虻闹绷麟妷簎3，在本工程訓(xùn)練中是利用二極管單向?qū)щ娦?，把正、?fù)交變的50Hz變壓器次級輸出電網(wǎng)電壓變成單方向脈動的直流電壓。由整流二極管組成的小功率整流電路常見的有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流電路等。后兩者的紋波系數(shù)要小。就整流二極管而言，

9、承受的最大整流電流相同，但承受的最大有效電壓，前者是后兩者的2倍。另外最大反向電壓也不相同。下面簡單分析上述幾個整流電路（把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大）一、半波整流電路圖3.2 半波整流電路半波整流電路如圖3.2所示, u20時，二極管導(dǎo)通。忽略二極管正向壓降：u= u2u20 時，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，電流(dinli)通路:AD1RLD3B；u2I，這樣可保證取樣不受比較放大的影響，另一方面，為了使穩(wěn)壓電路空載時調(diào)整管也能工作在放大區(qū)，以保證足夠的放大倍數(shù)，選I+I=40 mA,則I=30 mA。由此可得R+R但從減小電流損耗來看，R+R

10、也不易太小，故限R+R=500，分壓比應(yīng)保證輸出電壓U=20V，根據(jù)公式U=得1+= 即 =故選R=200，R=3005、放大部分R的選擇(xunz)一方面要保證V能夠(nnggu)經(jīng)240 mA的負(fù)載電流(dinli)，即要求II=;另一方面又希望V集電極電阻R盡可能大,以便獲得較大的放大倍數(shù),提高電路的穩(wěn)定度,所以選R為R=比較放大管采用硅高頻小功率晶體管,BV,II,選取3DG4E即可滿足要求。此外，為了消除穩(wěn)壓電路自激，可在穩(wěn)壓電路的輸出端并接470uF電容。 三、影響穩(wěn)壓特性的主要因素及其改進(jìn)措施1、主要因素(1)、電路對電網(wǎng)電壓的波動抑制能力較差。例：UVUo (2)、流過穩(wěn)壓管的

11、電流隨U波動，使U不穩(wěn)定，降低了穩(wěn)壓精度。(3)、溫度變化時，V組成的放大電路產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，輸出電壓的穩(wěn)定度變差。2、改進(jìn)措施(1)、選用差動放大器或運(yùn)放構(gòu)成的放大器代替V管構(gòu)成的放大器，可以解決零點(diǎn)漂移的問題。由于單只三極管比較放大器在溫度變化時輸出電壓會產(chǎn)生很大的漂移，影響穩(wěn)壓電路輸出電壓的穩(wěn)定。為此，采用零點(diǎn)漂移小的差動放大器作比較放大器，該電路原理如圖3.6所示。電路中、T組成單端輸入、單端輸出的直流差動放大器。其穩(wěn)壓過程如下：當(dāng)輸入電壓U增加而使輸出電壓Uo升高時，通過取樣電路使加到T的基極電壓U增加，但的基極由于穩(wěn)壓管D作用保持不變,迫使T集電極電壓降低,調(diào)整管T基極電壓亦隨之減小

12、,I減小,導(dǎo)致其內(nèi)阻變大,保持輸出電壓Uo不變。采用差動放大器作比較放大器后 ,由于零點(diǎn)漂移很小,使電路具有很好的溫度穩(wěn)定性。圖3.6(2)、采用輔助(fzh)電源(比較(bjio)放大部分的電源)如下例示圖圖3.7所示，電阻(dinz)R既是比較放大管T的集電極負(fù)載，又是調(diào)整管T的偏置電阻。由于R接在穩(wěn)壓電路的輸入端， 當(dāng)U變化（例如升高）時，通過R使調(diào)整管T偏流變化（增加）,造成調(diào)整管內(nèi)阻變化（減?。?導(dǎo)致輸出電壓起伏（增加） 。為了克服這一缺點(diǎn), R必須接到一個穩(wěn)定的電源電壓上 。若用一個穩(wěn)定的輔助電源為調(diào)整管提供偏置電壓 ,這個問題就迎刃而解了。具有輔助電源的穩(wěn)壓電路輔助電源由電源變壓

13、器一組單獨(dú)繞組提供，經(jīng)整流管D整流、電容C濾波，然后經(jīng)電阻R和穩(wěn)壓二極管D得到穩(wěn)壓的輔助電壓U，D的負(fù)端接穩(wěn)壓電路輸出端，避免了輸入電壓變化的影響。圖3.7(3)、采用恒流源負(fù)載代替集電極電阻以提高增益在串聯(lián)型穩(wěn)壓電路中，為了使放大管電壓增益盡可能提高，就需要使放大管集電極動態(tài)電阻很大，而且工作電流又不致于太低， “恒流源負(fù)載 ”就可解決這個矛盾，它選用晶體管代替負(fù)載電阻。放大部分采用 “恒流源負(fù)載 ”的穩(wěn)壓電路原理圖如圖3.8所示 。三極管T、電阻R、R和穩(wěn)壓二極管D組成恒流源電路,作為T的集電極負(fù)載電阻，利用恒流源直流電阻小、對交變電壓動態(tài)電阻較大的特性提高了T的增益，從而改善了穩(wěn)壓效果。

14、圖3.8(4)、調(diào)整(tiozhng)管采用復(fù)合三極管以擴(kuò)大輸出電流的范圍。如圖3.9所標(biāo)，調(diào)整(tiozhng)管由T、T接成復(fù)合管以使其電流(dinli)放大系數(shù)為兩管之積 ,進(jìn)一步增大控制輸出電壓的能力。圖3.933 完成工程訓(xùn)練的主要儀器、設(shè)備、工作環(huán)境分立式元器件串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源設(shè)計與制作需要一臺目前實(shí)驗(yàn)室使用的計算機(jī)，要安裝以下軟件：（1）中文版Windows XP（2）原理圖、印刷電路板繪制軟件，如PROTEL DXP、POWERPCB、PROTEUS等任選其一 （3）電路仿真軟件，如PROTEUS、MULTISISM等任選其一（4）中文版Microsoft Office 20

15、03,其中包括Microsoft Office Visio 2003需用到下列儀器：（1）原裝墨打印機(jī) （2）熱轉(zhuǎn)印機(jī) （3）腐蝕箱及環(huán)保腐蝕液（4）電路板鉆孔機(jī)（5）電路板切割機(jī)上述儀器都必須配置相符合的工程訓(xùn)練場所，同時還需要用于安裝和焊接元器件以及調(diào)試電路的相關(guān)工具，如烙鐵、烙鐵架、萬用表、尖嘴鉗、斜嘴鉗、鑷子、吸焊槍、焊錫、防氧化漆等等。34 工程訓(xùn)練的主要內(nèi)容設(shè)計(shj)、安置、調(diào)試510V、1015V兩檔直流電壓和01A直流電流輸出(shch)的分立元件串聯(lián)反饋(fnku)型直流穩(wěn)壓電源。需達(dá)到下列技術(shù)指標(biāo)（1）輸出直流電壓U分兩檔分別為510V、1015V，連續(xù)可調(diào)（2）輸出直

16、流電流 I為01A（3）交流電源電壓 220V220V10%、50Hz（4）放大管具有恒流源負(fù)載、輔助電源（5）有過流保護(hù)，當(dāng)I1.5A時，保護(hù)電路工作（6）內(nèi)阻R1（7）當(dāng)輸出額定值U=10V和15V時，穩(wěn)壓系數(shù)S0.01（8）要求設(shè)計PCB板和制作PCB板、電路實(shí)物（9）安裝電路并仿真、實(shí)物調(diào)試達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求并完成下列實(shí)訓(xùn)任務(wù)：（1）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，提出可行性方案，經(jīng)分析比較選出符合我們教學(xué)要求的實(shí)際實(shí)施方案（2）畫出串聯(lián)反饋型直流穩(wěn)壓電源的原理圖（3）撰寫串聯(lián)反饋型直流穩(wěn)壓電源的原理圖的工作原理（4）根據(jù)串聯(lián)反饋型直流穩(wěn)壓電源的原理圖工作原理，對原理圖上的各個（或主要）元器件進(jìn)行設(shè)計計算

17、并求出各個（或主要）元器件的參數(shù)要求（5）使用電子元器件手冊選定各個元器件，并列出元器件型號、規(guī)格和特性（6）根據(jù)性能要求，利用電路仿真軟件對所設(shè)計的電路原理圖進(jìn)行性能仿真（7）根據(jù)串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的原理圖和元器件的尺寸大小設(shè)計PCB板，并進(jìn)行制作（8）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，使用有關(guān)儀器、儀表進(jìn)行調(diào)試（9）撰寫技術(shù)報告35 工程訓(xùn)練的實(shí)際步驟或操作方法工程訓(xùn)練的實(shí)際步驟或操作方法要根據(jù)主要內(nèi)容來制定，此次工程訓(xùn)練主要分為下面幾個實(shí)際步驟或操作方法：（1）根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)，提出可行性方案，經(jīng)分析比較選出符合技術(shù)要求的實(shí)際實(shí)施方案（2）畫出原理圖（先初步設(shè)計，再通過下述步驟最終修改整理確定）（3）根據(jù)工

18、作原理，對原理圖上的各個（或主要）元器件進(jìn)行設(shè)計計算并求出各個（或主要）元器件的參數(shù)要求（4）使用電子元器件手冊選定各個元器件，并列出元器件型號、規(guī)格和特性（5）根據(jù)串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的原理圖和元器件的尺寸大小設(shè)計PCB板，并進(jìn)行制作（6）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，使用有關(guān)儀器、儀表進(jìn)行調(diào)試，修改完善為了能明確上述步驟的實(shí)施辦法，利用綜合設(shè)計的主要設(shè)計部分來加以說明。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，原理圖應(yīng)有這幾部分：交流電源變壓部分、整流電路部分、濾波電路部分、穩(wěn)壓電路部分，其中穩(wěn)壓電路部分為重要部分，包括基準(zhǔn)部分、采樣部分、輔助電源部分、恒流源部分、過流保護(hù)部分、放大部分。初步設(shè)計原理圖如圖3.6所示：圖3.9 分

19、立式元器件串聯(lián)(chunlin)反饋型穩(wěn)壓電源原理圖一、交流電源變壓部分(b fen)根據(jù)(gnj)技術(shù)指標(biāo)要求：輸出直流電壓U分兩檔分別為510V、1015V，在這里我們采用由二極管組成的單相橋式整流電路，交流電源變壓器采用單相變壓器，根據(jù)單相橋式整流電路原理，由公式0.9U-U=3V（U為變壓器次級端輸出）得當(dāng)U=15V檔時U=20V當(dāng)U=10V檔時U=15V因?yàn)檩敵鲋绷麟娏?最大值I要求為01A，因此，我們應(yīng)該選擇有20V、15V雙電壓輸出的、額定功率為（？）UI=？W范圍內(nèi)的單相變壓器。二、整流電路部分采用由二極管組成的單相橋式整流電路，根據(jù)單相橋式整流電路原理，流過每只整流二極管的平

20、均電流I是負(fù)載平均電流的一半，則：而根據(jù)3.2.3小節(jié)所講到的電容濾波電路的特點(diǎn)可知：加上電容濾波后流過二極管瞬時電流峰值會很大，這時：二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：則考慮到過流過壓要求，根據(jù)電子元器件手冊，我們可以選用最大反向電壓為1000V、額定工作電流為1A的塑封整流二極管IN4007組成單相橋式整流電路。三、濾波電路部分選用并聯(lián)3700uF/50V電容濾掉整流電路輸出電壓中的交流成分，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。四、穩(wěn)壓電路部分（1）基準(zhǔn)部分基準(zhǔn)電壓值：10V檔取為3V n=0.60.3 15V檔取為3V n=0.60.4設(shè)流過電阻(dinz)R的最小電流(din

21、li)為5 mA，則R= （U-U）/5 mA=400（2）采樣(ci yn)部分 由取樣電阻組成，當(dāng)輸出電壓為最小值U時，取電流I為=15mA，則當(dāng)當(dāng)輸出電壓為最大值U時，電流為153=45 mA，由此得：R=U/ I=5V/15 mA=330所以R+R=0.6330=198，取200，則R=330-200=130，R=3300.3=100，取90，R=110總功率W=0.045330=0.66W，取每個電阻額定功率大于0.5W。（3）輔助電源部分 1、放大管V1兩端的電壓V=2.7V+3V+2.1V=7.7V，約為8V。2、電流I=I+I+I，現(xiàn)I5 mA，I=2 mA，而I現(xiàn)取最小電流為5 mA，此時V= V+ U=8V+5V=13V，故R=（13 -2）V /5 mA=2.2K則I=（8+ U）-2/2.2K=10 mA故I17mA,取20mA,其輸入V取10V，則其限流電阻=（10-8）V/20mA=100取限流電阻額定功率為0.04W，R=2.7V/2 mA=1.3K（4）放大部分V調(diào)整管的選