串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設計

1、課程設計課程名稱模擬電子技術基礎題目名稱串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源學生學院物理與光電工程學院專業(yè)班級09級電子科學與技術 3班學 號 68學生姓名崔文鋒指導教師何榕禮2010年12月20 日一、 設計任務與要求二、電路原理分析與方案設計1、方案比較2、電路的整體框圖3、單元設計及參數(shù)計算、元器件選擇4、電路總圖5、元器件清6、電路仿真過程及結(jié)果三、電路調(diào)試過程及結(jié)果四、總結(jié)五、心得體會六、組裝后的實物電路圖10101112串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設計報告一、設計任務與要求要求 ：設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

2、出電流：額定電流為150mA最大電流為500mA3、在最大輸出電流的時候紋波電壓峰值上Vop-pw 5mM任務 ：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)節(jié)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路：5 、用儀器儀表對電路調(diào)試和測量相關參數(shù)：6 、撰寫設計報告、調(diào)試。二、 電路原理分析與方案設計采用變壓器、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

3、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。1、方案比較、 . 1*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)楦悠交闹绷麟妷?，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

4、的減小（增大），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)壓部分電路萬案一：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，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

5、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。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、電路的整體框圖3、單元設計及參數(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

6、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 Uimax U°min , Uce為飽和管壓降，而U*=9丫為輸出最大電 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

7、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X 9V=所以變壓器的功率絕對不能 低于，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20W2）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

8、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 Uo（AV）:1.、2、2U2Uo(AV)=0 2U 2 sin t ?d( t) = =U 2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）=o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瓜2,即為考慮電網(wǎng)波動（通常波動為10%為保險起見取30%勺波動）我們可以得到 Uo（av）應該大于，最

9、大反向電壓應該大于。在輸出電流最大為500mAl勺情況下我 們可以選擇額定電流為1A,反向而t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，應將交流分量全部濾掉，使輸出電壓僅為直流電壓。而在電路中采用復式濾波電路效果最佳，如圖所示6J & -(c I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8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

10、以電 容的取值應當有一個范圍，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,當輸出電流為時，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)工 來求濾波電容的取值范圍，其中在電路頻率2Rl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

11、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。比較放左TTOOID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

12、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該大于 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于13V,最小功率應該達到P Il（1.1UiU°min）=。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?；鶞孰娐酚傻姆€(wěn)壓管和的保護電阻組成。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

13、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 Ud求出。其中Rd為運放正反相輸入端的電阻，R為輸出端正極Rd（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?？梢暂敵?V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，

14、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IN40074個電容電解電容2200uF.62個10uF.42個陶瓷電容1042個1032個電阻2個3302個2個口艾電阻1kSip32個運放uA741DIP82個穩(wěn)壓管2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

15、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AU U起輸出電壓的相對變化，即：電壓調(diào)整率：輸入電壓相對變化為+10%寸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 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)

16、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。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)果正負輸出的可調(diào)的最大值和最小值電壓數(shù)據(jù)如下圖:5696 V田|-5£ 麗/A | V G | 曲 | 1 . |Set,P_殳_| Z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: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。三、電路調(diào)

17、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<Uz<<Uz<電阻元件的分散性<Uz<<Uz<四、總結(jié)本課程設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而實際可調(diào)范圍為的正負直流穩(wěn)壓電源。總結(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計讓我受益匪淺， 通過這次對簡單電子電路的設計， 讓我更加充分地理解了課本上的知識，很多從課本上學到的知識都在此次的設計中用到了，使我對電子電子電路設計提升了認識。在本次課程中， 我了解到了設計、 組裝一個電子電路的步驟， 需要通過調(diào)查研究、查閱資料、方案論證與選定；設計和選取電路元器件；組裝和調(diào)試電路，設計指標及分析討論，完成設計任務。雖然這次課程設計提高了我的動手能力，增加了我對電子電路設計的興趣， 但其