串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源課程設計

1、17四川航天職業(yè)技術學院電子工程系課程設計專業(yè)名稱:電子信息工程技術班課程名稱:模擬電子技術課題名稱:串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設計人員:指導教師:雒嘉200拜06月20日摘要電子設備中都需要穩(wěn)定的直流電源，功率較小的直流電源大多數(shù)都是將50Hz的交流電經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后獲得。整流電路用來將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分， 使 之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電源電壓波動、 負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。電子設備都離不開直流電源。許多電子設備要由電力網(wǎng)上的交流電所變化的直流 電來提供電。根據(jù)電子設備的不同，對電源的要求也

2、不一樣。比如說，有的電子 設備消耗功率大些，就要求直流電源提供較大的功率；有的電子設備的工作性能 對電壓波動很敏感，就要求電源的輸出電壓要穩(wěn)定、 紋波系數(shù)要??；也有的要求直流電源輸出的電壓可調(diào)?？梢姡€(wěn)定的直流電源在電子設備中的重要作用?！娟P鍵詞】：整流 濾波 穩(wěn)壓 可調(diào)目錄第一章性能指標1第二章原理電路和程序設計 12.1方案比較12.2電路框圖22.3電路設計及元器件選擇 32.3.1變壓器的設計和選擇32.3.2整流電路的設計及整流二極管的選擇 32.3.3濾波電容的選擇42.3.4 穩(wěn)壓電路的設計5第三章系統(tǒng)電路總圖6第四章 電路的調(diào)試及仿真數(shù)據(jù) 7第五章 元件活單10第六章總結(jié)11第

3、一章性能指標設計并制作用晶體管和集成運算放大器組成的申聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。具體指標如下：1、輸出電壓6V、9V兩檔，正負極性輸出；2、輸出電流：額定電流為150mA,最大電流為500mA;3、紋波電壓峰值 Vop-pWmv;第二章原理電路和程序設計2.1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，用電解電容對其進行濾波，將脈動的直流電壓變?yōu)?更加平滑的直流電壓，穩(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

4、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?。ㄉ撸е禄鶚O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，

5、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） ；由丁電 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) aEo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)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

6、個方案要好，所以選擇第二個方 案作為本次課程設計的方案。2.2電路框圖整體電路的框架如下圖所示，先有22V-15V的變壓器對其進行變壓，變壓后 再對其進行整流，整流后是高低頻的濾波電路，最后是由采樣電路、比較放大電 路和基準電路三個小的單元電路組成的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓后為了進一步得到更加穩(wěn)定的電壓，在穩(wěn)壓電路后再對其進行小小的率波，最后得到正負輸出的穩(wěn)壓電源。共地端正極輸出端負極輸出端2.3電路設計及元器件選擇：2.3.1變壓器的設計和選擇本次課程設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Uce =Umax Uomin ， Uce為

7、飽和管壓降，而Umax=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，變壓器的功率應該為 0.5A X 9V=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12VV額定電流1A的變壓器。2.3.2整流電路的設計及整流二極管的選擇由于輸出電流最大只要求500mA電流比較低，所以整

8、流電路的設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，具體電路如圖3所示。圖3單相橋式整流電路二極管的選擇：當忽略 二極管的開啟電壓與導通壓降，且當負載為純阻性負載時， 我們可以得到二極管的平均電壓為U°（AV）:0（ AV ）.1二.，、2.2U2.U 0（ AV）=0 w'2U2 sin cc>t ,d （切t） =0.9U 23TTE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） =13.5v。對于全波整流來說，如果兩個次級線圈輸出電壓有效值為U2,則處于截止狀態(tài)的二極管承受的最大反向電壓將是2<2U2,即為34.2v考慮

9、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）應該大于19.3V，最大反向電壓應該大于 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IN4007.2.3.3濾波電容的選擇當濾波電容Ci偏小時，濾波器輸出電壓脈動系數(shù)大；而Ci偏大時，整流二極管導通角 。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。所以電容的取值應當有一個范圍，由前面的計算我們已33十Cl|032200uF11+C2C4220Ou= 1U4經(jīng)得出變壓器的次

10、級線圈電壓為15V,當輸出電流為 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：T C=（3 5）- 2Rl 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值為 2200uF額定電壓 為35V的鋁點解電容。另外，由丁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。 2.3.4穩(wěn)壓電路的設計穩(wěn)壓電路組要由四部分構(gòu)成：調(diào)整管，基準穩(wěn)壓電路，

11、比較放大電路，采樣 電路。當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（高）；由丁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。由丁輸出電流較大，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 大丁 500mA 乂由丁三極管CE問的承受的最大管壓降應該大丁 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該大丁13V,最小功率應該達到P習l（1.1Ui -U0min ） =6.

12、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 之相對應的的中功率三極管 TIP42。基準電路由5.1V的穩(wěn)壓管和4.7V的保護電 阻組成。由丁輸出電壓要求為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：RUmax = = UdRd求出。其中Rd為運放正反相輸入端的電阻， AR為輸出端正極（負極）與共地 端之間的電阻,Ud為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。固可以取330、和1.

13、5k的固定電阻置于1k的滑阻兩旁避免當滑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。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)定性要求不是很高的運放，由丁 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。 正穩(wěn)壓電路的正極和負極分別如下圖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，第三章

14、系統(tǒng)電路總圖第四章電路的調(diào)試及仿真數(shù)據(jù)正負輸出的可調(diào)的最大值和最小值電壓數(shù)據(jù)如下圖:,窯 Kult iKeter.岡多 lultlatter.1|9.572 V|5 .74 V|-9 5分P|1 v q | 前 | ElF" jlI Jdl1一| i r+ P鈿1 rrSet. Ic十<*浦一,1理論值為±5.772V ±9.66V，而實際 的測量值是在 ±5.8V -土 10.45V ,造 成0.89V的可調(diào)誤差，原因是由于可調(diào) 電阻的實際調(diào)節(jié)范圍偏大，導致輸出電 壓偏大。調(diào)節(jié)可變電阻，可以得到課程設計所要求輸出的6V和9V的電壓，仿真數(shù)據(jù)如下:

15、電路輸出直流電的波形圖如下圖電壓的直流電波形為標準的直線，達到設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:一T1:71m* Ch3iwel_A Channel_B CharmeLC Channel_D219.91$9.572 V -0.569 VSagGKD LScale 110 ms/Div X position |dpTT /ve a>b|TriggerEdge|T 毛&* CLeveloI VChannelScale B g"Y position |Dfic o IFdc"苛np.| Nor.| Ajto匝W電路輸出紋紋波電壓在2.5mV左右

16、，比要求的5mV要低，而實際測量時，紋波的電壓只有0.9mV,遠遠低丁所要求的5mV,所以符合要求。第五章元件清單名稱及標V型號及大小封裝形式數(shù)量變倘220V-15V無1個二極管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個可變電阻1kSip32個運放uA741DIP82個穩(wěn)壓管5.1vDIODE-0.42個調(diào)整管TIP41TO2202個TIP42TO2201個第六章總結(jié)本課程設計運用了模擬電路

17、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 直流穩(wěn)壓電源?？偨Y(jié)如下：優(yōu)點：該電路設計簡單。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，當電路由丁偶然原因出現(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。心得體會：通過這次課程設計，我對丁模電