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 日精品.目 錄一、設(shè)計任務(wù)與要求 。 。 。 。 。 。1二、電路原理分析與方案設(shè)計 。 。 。 。 。 。11、方案比較 。 。 。 。 。 。1 2、電路的整體框圖 。 。 。 。 。 。33、單元設(shè)計及參數(shù)計算、元器件選擇 。 。 。 。 。 。34、電路總圖 。 。 。 。 。 。75、元器件清 。 。 。 。 。 。76、電路仿真過程及結(jié)果 。

2、。 。 。 。 。83、 電路調(diào)試過程及結(jié)果 。 。 。 。 。 。104、 總結(jié) 。 。 。 。 。 。105、 心得體會 。 。 。 。 。 。116、 組裝后的實物電路圖 。 。 。 。 。 。12精品.串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計報告1、 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、在最大輸出電流的時候紋波電壓峰值vop-p5mv；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)

3、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。2、 電路原理分析與方案設(shè)計 采用變壓器、二極管、集成運放、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，為了擴大輸出電流，集成運放輸出端加晶體管，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。精品.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(yīng)，用電解電容對其進行濾

4、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的基準電壓，電路引入電壓負反饋，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動引起r2兩端電壓的變化增大（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，所以由可知將減?。ㄉ撸?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），從而達到穩(wěn)壓的效果。負電源部分與正電源相對稱，原理一樣。圖1 方案一穩(wěn)壓部分電路方案二： 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

5、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行比較放大，運放的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低（升高）；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。精品.圖2 方案二穩(wěn)壓部分單元電路 對以上兩個方案進行比較，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)

6、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、電路的整體框圖精品.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極輸出端負極輸出端共地端 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：1）電源變壓器變

7、壓 直流電源的輸入為220v，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效只相差太大，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9伏和正負6負的雙電壓電源，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，精品.為最小的輸入電壓，以飽和管壓降=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0.5a9v=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

8、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。所以在電路中采用單相橋式整流電路，如圖所知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)負載為純阻性

9、負載時，我們可以得到二極管的平均電壓為：=0.9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精品.，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in4007.3）濾波電路整流后的電壓仍含有較大交流分量，會影負載電路的正常工作。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

10、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，如圖所示濾波電容偏小時，濾波器輸出電壓脈動系數(shù)大；而偏大時，整流二極管導(dǎo)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(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

11、值為2200uf額定電壓為35v的鋁點解電容。精品.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)電壓波動和負載電阻變化的影響，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

12、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(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%的電網(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)該達到精品.=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

13、降為100v，遠遠滿足調(diào)整管的條件。負極的調(diào)整管則選擇與之相對應(yīng)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(yīng)該做成可調(diào)的，固采樣電路由兩個電阻和一個可調(diào)電阻組成，根據(jù)公式： 求出。其中為運放正反相輸入端的電阻，為輸出端正極（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(dāng)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。可以輸出6v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

14、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。 為了使輸出電壓更穩(wěn)定，輸出紋波更小，需奧對輸出端進行再次濾波，可在輸出端接一個10uf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(zhì)更好，電壓更穩(wěn)定。4、電路總圖精品.5、元器件清元件清單名稱及標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103ra

15、d-0.12個電阻4.7kaxial-0.32個330axial-0.32個精品.1.5kaxial-0.32個可變電阻1ksip32個運放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)指標分為兩種：一種是特性指標，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，用來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

16、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)整率均說明負載電流變化對輸出電壓的響，因此也只需要測試其中之一即可。精品.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

17、負輸出的可調(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：精品.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準的直線，達到設(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。3、 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5.93uz9.185.66uz9.86電阻元件的分散性精品.-5.93uz-9.18-5.76uz-9.78四、總結(jié)本課程設(shè)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，輸出理論可變范圍為5.772v-9.622v而實際可調(diào)范圍為5.78v-10.45v的

18、正負直流穩(wěn)壓電源?？偨Y(jié)如下：優(yōu)點：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)濟實惠，輸出功率大，調(diào)整管可承受的范圍也很大，。缺點：電壓缺少一個保護電路，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：可以在穩(wěn)壓電路那里再接一個過保護電路電路。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)計提升了認識。在本次