串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源

1、 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源 所在學(xué)院： 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2016年6月串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源一、 設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求1、設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路，可輸出穩(wěn)定的直流電壓，實(shí)現(xiàn)預(yù)定技術(shù)指標(biāo)；2、電路形式和元器件不限，要求設(shè)計(jì)過流保護(hù)電路；3、完成主要元器件選擇和電路參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算；4、在 Multisim 或 Proteus 下仿真測(cè)試通過。5、其它合理功能。6、輸入AC36V7、輸出4V12V/3A可調(diào)電壓 -12V/1A穩(wěn)定電壓8、電壓調(diào)整率（%）3% 9、電流調(diào)整率(%) 1% 10、過流保護(hù)（%）Iom=3.3A/1.1A 二、 工作

2、原理及數(shù)據(jù)分析采用變壓器、二極管、集成運(yùn)放，電阻、穩(wěn)壓管、三極管等元器件。將36V的交流電經(jīng)變壓器變壓后變成電壓值較小的交流，再經(jīng)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(yùn)算電路的輸入電壓為穩(wěn)定電壓，且比例系數(shù)可調(diào)，所以其輸出電壓也可以調(diào)節(jié)；同時(shí)，為了擴(kuò)大輸出大電流，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。如下圖1電路原理圖。圖 1電路原理圖電源變壓器直流電源的輸入為36V的交流電壓，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，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對(duì)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。根

3、據(jù)經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)壓電路的輸入電壓一般選取。所以選擇U1:U2為3:1.5的變壓器。進(jìn)入濾波電路為18V交流電。整流電路在整流電路的選擇中由于單相半波整流電路只利用了交流電壓的半個(gè)周期，所以輸出的電壓低，交流分量大（及脈動(dòng)大），效率低。因此我選擇了單相橋式整流電路做為本次課程設(shè)計(jì)的整流電路。其工作原理為：圖 2整流電路圖當(dāng)變壓器副邊線圈U2在正半周，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)，由二極管的單向?qū)щ娦钥芍狣1和D3導(dǎo)通，D2和D4截止。此時(shí)的電流通路為：AD1RLD3B.此時(shí)的輸出波形為U2的上半周。當(dāng)B點(diǎn)電位高于A電位是。D2和D4導(dǎo)通，D1和D3截止。此時(shí)的電流通路為：BD2RLD4A。此時(shí)的輸出電壓波形為U2

4、波形的負(fù)半周的負(fù)值，即輸出的電壓負(fù)半周關(guān)于時(shí)間軸的對(duì)稱波形。兩對(duì)二極管周而復(fù)始地交替導(dǎo)通和截止，使負(fù)載RL上的電壓始終是正電壓。整流電路輸出的波形為： 圖 3整流后電壓波形 圖 4整流前電壓波形 Uo（）.（）.×由于橋式整流電路的每只二極管只在半個(gè)周期導(dǎo)通，因而流過的平均電流僅為輸出平均電流的一半，即Id(av)0.45×U2/RL.二極管截止時(shí)所承受的最大反向電壓使變壓器副邊線圈電壓的峰值，即Urm=1.414×U2濾波電路一般的濾波電路主要由電容（6.3.1）構(gòu)成，電容容量一半大于470uf.其工作原理為：圖 5濾波電路當(dāng)U2>Uc時(shí)，二極管D1和D3

5、導(dǎo)通，對(duì)電容C充電，時(shí)間常數(shù)很小；當(dāng)U2<Uc時(shí)，所有二極管均截止，電容對(duì)RL放電，時(shí)間常數(shù)為RL*C；若變壓器副邊電壓U2在正半周，且電容上的電壓在A點(diǎn)，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為T1，則當(dāng)T>T1是時(shí)，D1和D3因加正向電壓而導(dǎo)通，U2一方面提供負(fù)載電流，另一方面對(duì)C充電；若變壓器副邊內(nèi)阻、二極管導(dǎo)通電阻均可忽略不計(jì)，則UO將按U2的變化規(guī)律充電至峰值電壓，如圖B點(diǎn)，伺候U2的下降使得U2<UC，所有二極管均截止，濾波電容C向負(fù)載電阻RL放電，時(shí)間常數(shù)為RL*C。再放電的BC段，UO基本按U2的變化規(guī)律下降；但到C點(diǎn)后，UO按指數(shù)規(guī)律下降，二U2按正弦規(guī)律下降，UOB比U2變得緩慢

6、，見曲線的CD段。電容C放電到圖中的D點(diǎn)后，又重復(fù)上述A點(diǎn)以后的過程。如此周而復(fù)始形成了電容的周期性充、放電過程。最終濾波后的波形如下：圖 6濾波電路后波形當(dāng)RL*C=（35）T/2時(shí)，UO(av)1.2U2.濾波電容C可由下式估算： 式中T為電網(wǎng)交流電壓的周期（T=0.02s），RL為負(fù)載電阻。根據(jù)給定條件在實(shí)際中電容容量應(yīng)略大于這個(gè)數(shù)值所以選擇了13000uf的電容。在設(shè)計(jì)-12V穩(wěn)壓電路的時(shí)候，經(jīng)計(jì)算得到，為了使電壓更加穩(wěn)定選擇了10000uf的電容。穩(wěn)壓電路圖 7穩(wěn)壓電路作用原理：設(shè)負(fù)載不變，當(dāng)輸入電壓U1升高時(shí)，因而UO隨之增大，即穩(wěn)壓管端電壓UZ增大嗎。 由圖6.4.2所示穩(wěn)壓管伏

7、安特性可知，穩(wěn)壓管電壓微小增大，使流過穩(wěn)壓管的電流Idz急劇增大，Ir隨之增大，以致電阻R上的壓降Ur增大，從而抵消了Ui的升高，時(shí)輸出電壓Uo基本不變。同理當(dāng)輸入電壓Ui降低時(shí)，各值的變化與上述相反，從而使得輸出電壓穩(wěn)定。 圖 8穩(wěn)壓管特性輸出電壓調(diào)節(jié)圖 9 4V-12V局部電路圖 10 -12V局部電路工作原理：一般流過調(diào)整管的電流比較大，因而可以在調(diào)整管后再加一個(gè)保護(hù)晶體管，R1為采樣電阻，當(dāng)電流較小時(shí)，R1上的壓降小于調(diào)整管的導(dǎo)通電壓，因而保護(hù)電路不工作，當(dāng)電流較大時(shí)，可將調(diào)整管的基極分流，限制了調(diào)整管Ice的增長(zhǎng)；電路中的運(yùn)放和電阻和電位器構(gòu)成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，設(shè)運(yùn)放同向端的基準(zhǔn)電壓

8、為U5，則輸出電壓的范圍為：R6+R7+RL1R7+RL1Uz<Uo<R6+R7+RL1R7Uz三、 主要元器件的參數(shù)計(jì)算、選擇整流電路通過單相橋式整流電路將變壓后的交變電壓整流為單相的直流電壓設(shè)計(jì)要求中要求最大輸出IL為3A 于是：最大允許流經(jīng)每個(gè)二極管的電流 于是整流橋部分采用的是四個(gè)二極管構(gòu)成的。在multisim中選擇的是1N4001型號(hào)的二極管濾波電路的選擇濾波電容C可由下式估算： 式中T為電網(wǎng)交流電壓的周期（T=0.02s），RL為負(fù)載電阻。根據(jù)給定條件在實(shí)際中電容容量應(yīng)略大于這個(gè)數(shù)值所以選擇了13000uf的電容。在設(shè)計(jì)-12V穩(wěn)壓電路的時(shí)候，經(jīng)計(jì)算得到，為了使電壓更

9、加穩(wěn)定選擇了10000uf的電容。調(diào)整管選擇最大電流 ICM>ILMAX ICM>3A最大管壓降UCEO>UIMAX-UOMIN UCEO>9.2V最大集電極功耗PCM>IMAXUIMAX-UOMIN PCM>3×9.2=27.6W根據(jù)以上的數(shù)據(jù)我選擇了T1管2N4922,。最大集電流-基極直流電壓：最大值60V .最大耗散率30W,最大電流ICMMAX=3A。T2管2N5671，最大電流ICMMAX=10A。在-12v的電源設(shè)計(jì)中選擇了2N2907型號(hào)的三極管，ICMMAX=1A。保護(hù)電路IOM=3.3A/1.1A,取電阻R=0.212/0.63

10、 .URO=0.212×3.3=0.7V/1.1×0.63=0.693V取樣電路的選擇輸出電壓的范圍為：R6+R7+RL1R7+RL1Uz<Uo<R6+R7+RL1R7Uz而我們要求輸出電壓有4-12V檔和-12V檔，因此Uz4V，選擇Uz=2.43V，型號(hào)為1N4307A。計(jì)算得到=8.9K是可調(diào)電阻為10K=4.7K經(jīng)計(jì)算穩(wěn)壓值為3.897VUz12.178V.符合我們要求輸出的4V-12V檔。在輸出-12V的電路中我使用同樣是穩(wěn)壓2.43V的1N4307A。=1K=3.94K四、 仿真測(cè)試及分析總電路圖：圖 11 總電路圖1、 測(cè)試目標(biāo)；（1）輸出電壓范圍

11、（表 1）可調(diào)輸出應(yīng)覆蓋范圍，余量不超過 10%，如第 1 組輸出 1 最小電壓允許范圍為 3.6V-4.0V，最大電壓允許范圍為 12.0-13.2V；固定輸出誤差不超過±5%，如第 1 組輸出 2 允許范圍為-11.4-12.6V測(cè)試中應(yīng)保持輸出電流為滿載。表 1 輸出電壓范圍測(cè)試測(cè)試條件：輸入電壓：AC220V±10%，輸出電流：100%。輸入電壓(AC:V)32.4V36V39.6V備注輸出 1輸出電壓范圍(V)3.883V-12.147V3.893V-12.178V3.883V-12.206V符合要求輸出 2輸出電壓(V)-11.963V-11.993V-12.0

12、2V符合要求備注：備注請(qǐng)說明哪些指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，哪些未達(dá)到。輸入32.4V輸入36V輸入39.6V（2）電壓調(diào)整率（表 2 ）電壓調(diào)整率又叫線路調(diào)整率、源效應(yīng)等，表示穩(wěn)壓電源適應(yīng)電源變化的能力。在輸出滿載的情況下，輸入電壓變化會(huì)引起輸出電壓波動(dòng)，測(cè)試輸入電壓在全輸入范圍內(nèi)變化時(shí)輸出電壓偏離輸出整定電壓的百分比。測(cè)試方法：1. 設(shè)置可調(diào)負(fù)載裝置，使電源滿載輸出2. 調(diào)節(jié) AC 輸入電壓為下限值 198V，記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓 U13. 增大輸入電壓到額定值 220V，記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓 U04. 調(diào)節(jié)輸入電壓為上限值 242V，記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓 U2；5. 按下式計(jì)算：電壓調(diào)整率=(U- U0

13、)/U0×100式中：U 為 U1 和 U2 中相對(duì) U0 變化較大的值；表 2 電壓調(diào)整率測(cè)試 1測(cè)試條件：輸入電壓：AC220V±10%，輸出電流：100%。輸入電壓(AC:V)32.4V36V39.6V計(jì)算電壓調(diào)整率（%）輸出 1上限輸出電壓(V)12.147V12.178V12.206V0.22%輸出 2輸出電壓(V)-11.963V-11.993-12.020.25%輸入32.4V輸入36V輸入39.2V（3）電流調(diào)整率（表 3）電流調(diào)整率又稱負(fù)載調(diào)整率，表示穩(wěn)壓電源適應(yīng)負(fù)載變化的能力。輸入電壓為額定值時(shí)，因變換負(fù)載引起的輸出電壓波動(dòng)不應(yīng)超過規(guī)定的范圍。測(cè)試方法：

14、1. 輸入電壓為額定值，輸出電流取最小值，記錄最小負(fù)載量的輸出電壓 U12. 調(diào)節(jié)負(fù)載為 50%滿載，記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓 U03. 調(diào)節(jié)負(fù)載為滿載，記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓 U24. 負(fù)載調(diào)整率按以下公式計(jì)算負(fù)載調(diào)整率=(U- U0)/U0×100式中：U 為 U1 和 U2 中相對(duì) U0 變化較大的值；表 3 電流調(diào)整率測(cè)試測(cè)試條件：輸入電壓：AC220V，輸出電流：10%/50%/100%。測(cè)試項(xiàng)目數(shù)據(jù)記錄計(jì)算電流調(diào)整率（%）輸出 1輸出電流(A0.3A1.5A3A上限輸出電壓(V)12.197V12.194V12.178V0.13%輸出 2輸出電流(A)0.1A0.5A1A輸出電壓(

15、V)-12.002V-12.001V-11.993V0.06%輸出電流10%輸出電流50%輸出電流100%（3）過流保護(hù)（表 4表 4 過流保護(hù)測(cè)試測(cè)試條件：輸入電壓：AC220V。 測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)值測(cè)試值過流保護(hù)點(diǎn)（%）輸出 1過流保護(hù)電流(A)3.3A輸出 2過流保護(hù)電流(A)1.1A在測(cè)試過流保護(hù)電路的時(shí)候，電路沒有實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能，所以本項(xiàng)指標(biāo)未能測(cè)試出數(shù)據(jù)。2、 測(cè)試結(jié)果匯總；在測(cè)試中，輸出可調(diào)的4V-12V/3A電壓指標(biāo)達(dá)成，輸出-12V/1A 電壓的指標(biāo)達(dá)成。在本次課程設(shè)計(jì)中要求電壓調(diào)整率（%）3%，實(shí)際數(shù)值為0.022%/0.025%達(dá)到了目標(biāo)要求。電流調(diào)整率(%)1%，在實(shí)際的

16、仿真中電流調(diào)整率為0.13%和0.06%，可以看到是在規(guī)定之內(nèi)的。在課程設(shè)計(jì)中需要有過流保護(hù)=110%，但是在本次的設(shè)計(jì)中沒有達(dá)成這個(gè)要求。3、 結(jié)果與誤差分析；在本次的課程設(shè)計(jì)中，主要的誤差在電流調(diào)整率和過流保護(hù)電路上面?？梢钥吹诫娏髡{(diào)整率是不達(dá)標(biāo)的，過流保護(hù)電路沒有成功。對(duì)于誤差的分析，主要還是因?yàn)椴涣私鈓ultisim軟件中繁多的元件參數(shù)。在查閱相關(guān)的資料之后，還是和計(jì)算的結(jié)果有所不同。五、 總結(jié)在兩周的時(shí)間里面，我們從一無(wú)所知的狀態(tài)開始慢慢的摸索本次課程設(shè)計(jì)的要求。在查閱書籍和咨詢老師的情況之下，最終還是初步完成的本次的課程設(shè)計(jì)。我要特別感謝知道老師對(duì)我孜孜不倦的教導(dǎo)，在遇到困難的時(shí)候耐心的對(duì)電路提出修改的意見。在這兩周里，通過自主的學(xué)習(xí)