串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計(jì)方案報(bào)告

1、 .wd. .wd. .wd.串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)報(bào)告一. 題目: 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。二. 要求：設(shè)計(jì)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(shí)具備正負(fù)極性輸出；2、輸出電流：額定電流為150mA，最大電流為500mA； 3、在最大輸出電流的時(shí)候紋波電壓峰值Vop-p5mv；三. 電路原理分析與方案設(shè)計(jì) 采用變壓器、二極管、集成運(yùn)放，電阻、穩(wěn)壓管、三極管等元件器件。220V的交流電經(jīng)變壓器變壓后變成電壓值較少的交流，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路和濾波電路形成直流，穩(wěn)壓局部采用串流型穩(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)，

2、所以其輸出電壓也可以調(diào)節(jié)；同時(shí)，為了擴(kuò)大輸出電流，集成運(yùn)放輸出端加晶體管，并保持射極輸出形式，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：方案一.用晶體管和集成運(yùn)放組成 基本串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源方案二.用晶體管和集成運(yùn)放組成的具有保護(hù)換屆的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源.方案三：用晶體管和集成運(yùn)放組成的實(shí)用串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電壓可行性分析： 上面三種方案中，方案一最簡(jiǎn)單，但功能也最少，沒(méi)有保護(hù)電路和比較放大電路，因而不夠?qū)嵱茫蕭仐壏桨敢?。方案三功能最?qiáng)大，但是由于實(shí)驗(yàn)室條件和經(jīng)濟(jì)成本的限制，我們也拋棄方案三，因?yàn)樗鼱奚顺杀緛?lái)?yè)Q取方便。所以從簡(jiǎn)單、合理、可靠、經(jīng)濟(jì)從簡(jiǎn)單而且便于購(gòu)置的前提出發(fā)，我選擇方

3、案二未我們最終的設(shè)計(jì)方案。2.結(jié)合設(shè)計(jì)的要求，電路框圖如下 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路變壓電路全波整流正極濾波電路負(fù)極濾波電路比較放大采樣電路基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓比較放大采樣電路輸出濾波電路輸出濾波電路正極輸出端負(fù)極輸出端共地端調(diào)整管保護(hù)電路調(diào)整管保護(hù)電路3.單元電路設(shè)計(jì)與元器件選擇1變壓器的選擇直流電的輸入為220V的電網(wǎng)電壓，一般情況下，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(guò)電源變壓器降壓后，再對(duì)電流電壓處理。電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。本次課程設(shè)計(jì)的要求是輸出正負(fù)9

4、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，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(jì)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(xiǎn)起見(jiàn)，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0.5A9V=4.5w，所以變壓器的功率絕對(duì)不能低于4.5w，并且串聯(lián)穩(wěn)壓電源工作時(shí)產(chǎn)生的熱量較大，效率不高，所以變壓器功率需要選擇相對(duì)大些的變壓器。結(jié)合市場(chǎng)上常見(jiàn)的變壓器的型號(hào)，可以選擇常見(jiàn)的變壓范圍為雙15V，額定功率20W的變壓器。2整流濾波電路：橋式整流電路將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓。

5、再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓。1.橋式整流器的選擇為了將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動(dòng)電壓，還需要通過(guò)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，在一樣的變壓器副邊電壓下，對(duì)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(dòng)系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。所以在電路中采用單相橋式整流電橋式整流器是利用二極管的單向?qū)ㄐ赃M(jìn)展整流的最常用的電路，常用來(lái)將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟?二極管的平均電壓為：=0.9其中為變壓器次級(jí)交流電壓的有效值。我們可以求得=13.5v。對(duì)于全波整流來(lái)說(shuō)，如果兩個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓有

6、效值為，那么處于截止?fàn)顟B(tài)的二極管承受的最大反向電壓將是，即為34.2v，考慮電網(wǎng)波動(dòng)通常波動(dòng)為10%，為保險(xiǎn)起見(jiàn)取30%的波動(dòng)我們可以得到 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，反向耐壓為1000V的二極管的橋式整流器。2.濾波電路的選擇與器件的選擇。整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，但其中含有大量的直流和交流成分(稱(chēng)為紋波電壓)。這樣的直流電壓作為電鍍、蓄電池充電的電源還是允許的，但作為大多數(shù)電子設(shè)備的電源，將會(huì)產(chǎn)生不良影響，甚至不能正常工作。在整流電路之后，需要加接，盡量減小輸出電壓中交流分量，使之接近于理想的直流電

7、壓。濾波電路作用是盡可能減小脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，保存其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。常用的濾波電路有無(wú)源濾波和有源濾波兩大類(lèi)。假設(shè)濾波電路元件僅由無(wú)源元件電阻、電容、電感組成，那么稱(chēng)為無(wú)源濾波電路。無(wú)源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波(包括倒L型、LC濾波、LC型濾波和RC型濾波等)。假設(shè)濾波電路不僅由無(wú)源元件，還由有源元件雙極型管、單極型管、集成運(yùn)放組成，那么稱(chēng)為有源濾波電路。無(wú)源濾波電路的構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，通常用在功率電路中，所以這里采用無(wú)源濾波電路，電容濾波器和電感濾波器相比，導(dǎo)通角小，但其脈動(dòng)系數(shù)大，適用與小電流負(fù)載，同時(shí)還可吸收電子電路工作

8、過(guò)程中產(chǎn)生的電流波動(dòng)和經(jīng)由交流電源串入的干擾，使得電子電路的工作性能更加穩(wěn)定，結(jié)合本設(shè)計(jì)的具體要求，本次設(shè)計(jì)采用電容濾波器進(jìn)展濾波。濾波電容容量大因此一般采用電解電容，在接線時(shí)要注意電解電容的正、負(fù)極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑，當(dāng)濾波電容偏小時(shí)，濾波器輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)大；而偏大時(shí)，整流二極管導(dǎo)通角偏小，整流管峰值電流增大，不僅對(duì)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(gè)范圍，由前面的計(jì)算我們已經(jīng)得出變壓器的次級(jí)線圈電壓為15V，當(dāng)輸出電流為500mA時(shí)，我們可以求得電路的負(fù)載為18歐，我們可

9、以根據(jù)濾波電容的計(jì)算公式：C=(35)來(lái)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那么電容的取值范圍為1667-2750uF，保險(xiǎn)起見(jiàn)我們可以取標(biāo)準(zhǔn)值為2200uF額定電壓為25V的鋁電解電容。另外，由于實(shí)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(hào)，所以需要一個(gè)小的電容來(lái)濾去這些高頻信號(hào)。我們可以選擇一個(gè)0.33uF的電解電容來(lái)作為高頻濾波電容。濾波電路如上圖。4、穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì) 從整流濾波后的電壓是不穩(wěn)定的電壓，在電網(wǎng)電壓或負(fù)載變化時(shí)，該電壓都會(huì)產(chǎn)生變化，而且紋波電壓又大。所以，整流濾波后，還須經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路，才能使輸出電壓在一定的范

10、圍內(nèi)穩(wěn)定不變，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為根基，利用晶體管的電流放大作用，增大負(fù)載電流，在電路中引入深度的電壓負(fù)反響使輸出電壓穩(wěn)定；并且通過(guò)改變反響網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。穩(wěn)壓電路組要由四局部構(gòu)成：調(diào)整管，保護(hù)電路，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(shí)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)展比較放大，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，到達(dá)500mA，為防止電流過(guò)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

11、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%的電網(wǎng)波動(dòng)，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)該到達(dá)=6.5W。我們可以選擇適合這些參數(shù)，并且在市場(chǎng)上容易買(mǎi)到的中功率三極管TIP41，它的最大功率為60W,最大電流超過(guò)6A，所能承受的最大管壓降為100V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足調(diào)整管的條件。負(fù)極的調(diào)整管那么選擇與之相對(duì)應(yīng)的中功率PNP型三極管TIP42。在集成穩(wěn)壓器電路內(nèi)部含有各種保護(hù)電路，使集成穩(wěn)壓器在出現(xiàn)不正常情況時(shí)不至于損壞。因?yàn)榇?lián)型穩(wěn)壓電路的調(diào)整管是其核心器件，它流過(guò)的電路近似等于負(fù)載電流，且電網(wǎng)電壓波動(dòng)或輸出電壓調(diào)節(jié)時(shí)管壓降將產(chǎn)生相應(yīng)的

12、變化，所以這些保護(hù)電路都與調(diào)整管?chē)?yán)密相關(guān)。過(guò)流保護(hù)電路能夠在穩(wěn)壓管輸出電流超過(guò)額定值時(shí)，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(hù)調(diào)整管不會(huì)因電流過(guò)大而燒壞，TIP41也足夠在作為保護(hù)電路中的三極管使用。輸出的最大電流為500mA,根據(jù)公式:IOmsxIEmaxUBE2/R所以保護(hù)電路中的采樣電阻選用1歐姆的，負(fù)極的保護(hù)電路那么選擇與之相對(duì)應(yīng)的中功率PNP型三極管TIP42和1歐姆電阻。基準(zhǔn)電路由4.7V的穩(wěn)壓管和4.7K歐姆的保護(hù)電阻組成。由于輸出電壓要求為6伏和9伏，如果采樣電路使用固定值的電阻，由于各種因素如本身阻值的誤差等很容易造成誤差，為了使輸出電壓準(zhǔn)確值高，所以采樣電阻

13、最好應(yīng)該做成可調(diào)的，固采樣電路由一個(gè)電阻和一個(gè)可調(diào)電阻組成，根據(jù)公式：求出。其中為運(yùn)放正反相輸入端的電阻，為輸出端正極負(fù)極與共地端之間的電阻，為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。固可以取220歐姆、和0.5k歐姆的固定電阻置于中間的滑阻兩旁防止當(dāng)使為0.所以根據(jù)此公式可求的電路的輸出電壓為4.7-15.381V，可以輸出6V和9V的電壓。為了方便輸出6V和9V兩檔的電壓，用單刀雙擲開(kāi)關(guān)接兩個(gè)電位器，用開(kāi)關(guān)來(lái)控制6V和9V兩個(gè)檔位。運(yùn)放選用工作電壓在15V左右前對(duì)電壓穩(wěn)定性要求不是很高的常見(jiàn)的741運(yùn)算放大器，由于741的工作電壓為正負(fù)12V至正負(fù)22V，范圍較大，可以用其作為運(yùn)放，因?yàn)檎鳛V波后的電壓波動(dòng)不是很

14、大，所以運(yùn)放的工作電源可以利用整流后的電壓來(lái)對(duì)其進(jìn)展供電。正負(fù)端的穩(wěn)壓電路為了使輸出電壓更穩(wěn)定，輸出紋波更小，可以對(duì)輸出端進(jìn)展再次濾波，可在輸出端接一個(gè)100nf的電解電容和一個(gè)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，輸出紋波更小。四、畫(huà)出系統(tǒng)的電路總圖元器件清單元件類(lèi)型元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量變壓器T2雙15V20W1個(gè)集成運(yùn)算放大器U1、U27412個(gè)三極管Q1、Q2、Q3、Q4TIP41、TIP42中功率各2個(gè)電解電容C1、C2、C3、C4、C5、C6、2.2uF25V、330nF25V、0.1uF25V各2個(gè)陶瓷電容C7、C81032個(gè)電阻R1、

15、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R9、R11、R12、1K、1、220、202個(gè)、2個(gè)、2個(gè)、4個(gè)電位器R8、R10、R13、R145004個(gè)整流橋D1KBP2061個(gè)開(kāi)關(guān)J1、J2單刀雙擲2個(gè)穩(wěn)壓管D1、D2ZPD4.74.7V2個(gè)電源線一條元器件介紹：TIP41三極管TIP42三極管型號(hào)：TIP41C 型號(hào)：TIP42C 封裝：TO-220封裝：TO-220極性：NPN極性：PNP主要參數(shù)：100V，6A，65W，3MHZ，HFE=15-75主要參數(shù)：100V，6A，65W，3MHZ，HFE=15-75對(duì)管：TIP42對(duì)管：TIP41 HYPERLINK :/ xsaige /Uplo

16、adFile/2011119141948818.jpg o 點(diǎn)擊圖片看全圖 t _blank HYPERLINK :/ xsaige /UploadFile/2011119142755247.jpg o 點(diǎn)擊圖片看全圖 t _blank HA17741單運(yùn)算放大器封裝：DIP8 HYPERLINK :/xsaige /UploadFile/201062921130942.jpg o 點(diǎn)擊圖片看全圖 t _blank 特有屬性 輸入失調(diào)電壓 :9.0 mV 輸入失調(diào)電流 :200 nA 輸入偏置電流 :1100 nA 共模輸入電壓范圍 :-12 V 12 V 共模抑制比 :70 dB 大信號(hào)電壓

17、增益 :86 dB 輸出峰-峰電壓 :-10 V 10 V 電壓轉(zhuǎn)換速率 :1.0 V/us 電源電壓 :18 V 功耗 :100 mW橋式整流器是由多只整流二極管作橋式連接，外用絕緣塑料封裝而成。2A整流橋型號(hào)：KBP206封裝：塑封DIP4 主要參數(shù)：2A，600V 橋式整流器是由多只整流二極管作橋式連接，外用絕緣塑料封裝而成 HYPERLINK :/ xsaige /UploadFile/201112415322359.jpg o 點(diǎn)擊圖片看全圖 t _blank HYPERLINK :/ xsaige /UploadFile/2011122205338293.jpg o 點(diǎn)擊圖片看全圖

18、 t _blank 五、電路的調(diào)試及仿真數(shù)據(jù)1.仿真測(cè)試.正負(fù)輸出的可調(diào)的最大值和最小值電壓仿真數(shù)據(jù)如以以下圖：用理論數(shù)據(jù)計(jì)算出電路的輸出電壓為4.7-15.381V.，所以仿真數(shù)據(jù) 基本符合理論計(jì)算.調(diào)節(jié)可變電阻，可以得到課程設(shè)計(jì)所要求輸出的6V和9V的電壓，仿真數(shù)據(jù)如下：由于仿真軟件中的電位器只能每次5%的移動(dòng)，所以不能準(zhǔn)確調(diào)整成正負(fù)6V、9V。電路輸出直流電的波形圖如以以下圖仿真軟件中用示波器測(cè)量電壓的直流電波形為標(biāo)準(zhǔn)的直線，到達(dá)設(shè)計(jì)的要求仿真電路輸出的紋波波形圖如下電路的紋波電壓在1.7mV左右，比要求的5mV要低實(shí)際調(diào)試： 一開(kāi)場(chǎng)焊好電路后隨便測(cè)試一下輸入輸出端有沒(méi)有短路后就接上電源

19、進(jìn)展測(cè)試，用萬(wàn)用表測(cè)量一下，發(fā)現(xiàn)輸出端沒(méi)有示數(shù)，檢查電路才發(fā)現(xiàn)有一條線忘記連接了。把電路焊接好幾經(jīng)檢查后就再行實(shí)際調(diào)試，但是在調(diào)試中，作為正負(fù)端負(fù)載的4個(gè)20歐姆的電阻燒壞了。為了使輸出電壓為6V時(shí)，為定電流150mA ，所以負(fù)載使用 兩個(gè)20歐姆電阻串聯(lián)，由于沒(méi)意識(shí)到6V時(shí)負(fù)載的功率為0.9W，而電阻的額定功率為0.25w，因?yàn)槌^(guò)電阻的承受能力，所以就燒了。于是我就把電阻拆下來(lái)，沒(méi)有要負(fù)載了。再進(jìn)展調(diào)試，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出正端電壓輸出可調(diào)范圍是4.74V-15.84V，負(fù)端電壓輸出可調(diào)范圍為-4.71V-15.48V，與理論數(shù)據(jù)計(jì)算出電路的輸出電壓范圍4.7-15.381V在誤差允許的范圍內(nèi)

20、一致。而且電位器能夠準(zhǔn)確的使輸出是正負(fù)6V、9V，配合開(kāi)關(guān)使用就可以6V 、9V兩檔輸出。 基本到達(dá)了課程設(shè)計(jì)的要求。六總結(jié)本課程設(shè)計(jì)運(yùn)用了模擬電路的 基本知識(shí)，通過(guò)變壓，整流，濾波、穩(wěn)壓等步驟，輸出理論可變范圍為4.7V-15.3814V而實(shí)際正端電壓輸出可調(diào)范圍是4.74V-15.84V，負(fù)端電壓輸出可調(diào)范圍為-4.71V-15.48V的正負(fù)直流穩(wěn)壓電源?？偨Y(jié)如下：優(yōu)點(diǎn)：該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。輸出電壓穩(wěn)定并且可調(diào)，紋波值小，而且使用的元件較少，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，輸出功率大，調(diào)整管可承受的范圍也很大。缺點(diǎn)：體積比用穩(wěn)壓芯片的大得多，且電路中只有一個(gè)過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)電路由于偶然原因出現(xiàn)高的電壓脈沖時(shí)，有可能

21、對(duì)電路造成危害，長(zhǎng)時(shí)間大電流工作也可能使得調(diào)整管或者運(yùn)放過(guò)熱而損壞，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(gè)保護(hù)電路。減少接電或斷電時(shí)產(chǎn)生的瞬間高電壓對(duì)電路元件的破壞。另外，ua741芯片較為古老，性能不穩(wěn)定，已跟不上時(shí)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。焊接的量較大，焊接得不好容易碰線或者對(duì)結(jié)果造成較大誤差，如果采用PCB版效果會(huì)更好。為了使電源的適應(yīng)范圍更為廣，可以設(shè)計(jì)成輸出可調(diào)再加上數(shù)碼管顯示，有同學(xué)就是這樣設(shè)計(jì)的，最后出來(lái)的效果不錯(cuò)。心得體會(huì)： 一分耕耘一分收獲，付出的汗水總會(huì)澆灌出一些果實(shí)。經(jīng)過(guò)一個(gè)課程設(shè)計(jì)，我受益匪淺，對(duì)于模電的體會(huì)或者與上個(gè)學(xué)期一整個(gè)學(xué)

22、期相比，也不成多讓。上個(gè)學(xué)期學(xué)完模電之后總覺(jué)得缺少了什么，當(dāng)教師在布置課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，聽(tīng)到教師說(shuō)的那句話：“你們學(xué)了模電是不是好似沒(méi)學(xué)一樣。瞬間，我觸動(dòng)了，我知道缺少什么了。在學(xué)習(xí)模電的時(shí)候，我們只是在應(yīng)付期末考試，完全沒(méi)有去深入了解，也沒(méi)有去動(dòng)手做過(guò)什么作，單純地為了期末的六十分而淺薄的去學(xué)習(xí)。或許這是大學(xué)生的通病，于是乎模電課程設(shè)計(jì)很好地彌補(bǔ)了這一點(diǎn)。做課程設(shè)計(jì)會(huì)讓你更好更深入地了解模電知識(shí)，并讓了明白了實(shí)際與理論的區(qū)別。我做的是直流穩(wěn)壓電源，為了這一塊的知識(shí)，我不得不重新把模電書(shū)的相關(guān)局部認(rèn)真地研究一次，并且比以前更加深入了解，如果不是課程設(shè)計(jì)，我只是簡(jiǎn)單地知道整流濾波穩(wěn)壓這幾個(gè)過(guò)程， 基本不會(huì)去深入了解每個(gè)過(guò)程的原理。在研究每個(gè)單元電路的時(shí)候還把要用的根基元件的知識(shí)也復(fù)習(xí)了一遍，或許我這