太原理工大学模电课设串联型直流稳压电源 (2)

1一、设计题目：串联型直流稳压电源二、设计目的：（1）通过本课题设计，学习电子系统设计的一般方法，要求学会选择变压器、整流二极管、滤波电容级三极管来设计直流稳压电源；（2）掌握稳压电源的主要性能参数；（3）掌握Multisum仿真软件的应用；（4）掌握常用元器件的识别和测试；（5）了解电路调试的基本方法。三、设计要求（1）稳压电路要加有放大环节以改善稳定性；（2）输出电压在一定范围内连续可调；（3）要加有保护电路；四、技术指标输入电压：220V/50Hz输出直流电压：VU15~90输出电流：mAI3000mAI300max电源内阻：1.00R稳压系数：05.0rS五、设计原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如图所示：图1稳压电源框图电网供电电压交流220V/50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压；降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大；变化幅度大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，变化幅度小的直流电压，将交流成份滤掉，保留其直流成份；滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载LR。六、总体方案的选择方案一：调整管、集成运算放大器组成的稳压电路2方案二：三端稳压器、集成运放组成的稳压电路七、单元电路的设计与元件选择1、单元电路的设计及原理a、桥式整流：整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正选交流电压整流为单方向的脉动电压。但是，这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差的很远。在小功率直流电源中，经常采用单向半波，单向全波和单向桥式整流电路。经综合分析选用了单向桥式整流电路。对于单向桥式整流电路，在2u的正半周，二极管1D、2D导电，3D、4D截止，电流21,DDii3最终流过LR，在负载得到的输出电压极性为上正下负。在2u的负半轴，3D、4D导通，1D、2D截止，43,DDii最终流过LR时产生的电压极性也是上正下负，因此在后面的电路得到一个单方向的脉动电压。桥式整流电路图、波形图如下：图2桥式整流电路图图3、单相桥式整流电路电压、电流波形图b、滤波电容：整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。综合分析后，我们选择了电容滤波电路，由于电容有维持其两端电压不变的特性，将电路与后面的负载并联，将4使其后输出的电压波形比较平滑。单相桥式滤波整流电路图、波形图如下：图4、单相桥式滤波整流电路图图5、单相桥式滤波整流电压、电流波形图c、采样电阻：定性地看，当2R2R2R的滑动端向上移动时，反馈电压FU增大，放大电路的差模输入电压减小，使调整管的BEU减小，则CEU增大，于是输出电压oU减小。反之，若2R的滑动端向下移动，则oU增大。当wR的滑动端调至最上端时，1Rw=0，w2R=wR，此时oU达到最小值，5UOmin=RRRRRWW221UZ。当wR的滑动端调至最下端时，1Rw=wR，w2R=0，此时oU达到最大值，Umax0=RRRRW221UZ。d、稳压管及其限流电阻R：假设稳压电路的输入电压保持不变，当负载电阻减小，负载电流增大时，由于电流在电阻R上的压降升高，输出电压将下降。而稳压管并联在输出端，由图中稳压管两端的电压有一个很小的下降时，稳压管的电流将减小很多。此时IR也有减小的趋势。实际上利用IZ的减小来补偿流过负载的电流的增大，使IR基本保持不变，从而使输出电压也保持基本稳定。假设负载电阻保持不变，由于电网电压升高而使电容两端电压升高时，自输出电压也将随之上升。但是，由于稳压管的伏安特性课件，此时稳压管的电流将急剧增加，于是电阻R上的压降增大，以此抵消电容两端电压的升高，从而使输出电压基本保持稳定。图6、稳压管电路图e、调整管与放大电路：假设由于IU增大或LI减小而导致输出电压OU增大，通过采样以后反馈到放大电路反相输入端的电压FU也按比例增大，但同相输入端基准电压ZU保持不变故放大电路的差模输入量将减小，于是放大电路的输出电压减小，使调整管的基极输入电压BEU减小，则调整管的集电极电流CI随之减小，同时集电极电压CEU增大，最后使输出电压OU保持基本不变。f、三端集成稳压器：三端集成稳压器的组成如图。电路内部包括：调整管、基准电源、启动电路、保护电路。2、参数计算与元件选择a、调整管、集成运算放大器作为稳压电路a1.整流电路参数：6二极管正向平均电流DI(AV)：在桥式整流电路中，二极管VD1、VD2和VD3、VD4轮流导电，则每个整流二极管的平均电流等于输出电流平均值的一半，即：DI(AV)=0.5oI(AV)由于输出电流：oI=300mA，则DI(AV)=150mA二极管最大反向峰值电压RMU：每个整流管的最大反向峰值电压RMU是指整流管不导电时，在它两端出现的最大反向电压。选管时应选耐压值比这个数值高的管子，以免被击穿，则整流二级管承受的最大反向电压就是变压器二次电压的最大值，即：RMU=221.1U=1.1*2*20≈31.11V选用1B4B42,参数：RRMV=100~600V,oI=1.0A(Ta=25℃)。a2.滤波电容:IC为滤波电容放电电流，一般可取最大负载电流；△VC为滤波电容上电压在平均值上下的波动量t为电容放电时间，因用桥式整流，最大放电时间可取交流电源的半周期（10ms）；本实验取t=10msI0=300mA△VC=5VC=ICt/△VC=600μF选择耐压值应考虑电网电压最高，负载电流最小的最不利情况，即UCmax=1.1√2U2=31.11V选用耐压50V，容量为680μF电解电容。a3.稳压管及其限流电阻R：一般是由稳压器提供的稳定直流电压，其电压值由决定，其中n为取样电阻分压比。选用5-7V或内部具有温度补偿的稳压管；为减小稳压管内阻及变化电流对稳压值的影响，稳压管工作电流应取大一些，一般为10mA左右；选ZU=7V，故选1N4736A,参数：6.8VzzI37mARU=maxoU-ZU=15-6.8=8.2VRRU/37mA=8.2V/37mA=222Ω实际仿真取2kΩa4.调整管：是由工作在放大区的调整管构成的。因为输出电压稳定，要通过调整管的调节作用来实现，输出的最大电流要由调整管的最大允许电流来决定。调整管的选择：1、最大集电极允许电流ICM=1.5Iomax=450mA2、集电极和发射级之间的最大允许反向电压U(BR)CEO=U’Imax=1.1√2U2=31.11V3、集电极最大耗散功率PCM=(UImax-Uomin)Icmax=(1.1*1.2√2U2-Uomin)*Icmax=(31.11-9)*0.45=9.95W7故选用BCX38B,参数为：CEOV=60V,EBOV=10V,CI=800mA。a5.采样电阻：minOU=(1R+2R+3R)*ZU/(2R+R3)maxOU=(1R+2R+3R)*ZU/R31R+2R+3R=2000Ω1R=489Ω2R=604Ω3R=907Ω故采样电阻选：1R=490Ω2R=604Ω3R=909Ωa6.理想运放：选用理想运算放大器:OPAMP_3T_VIRTULa7.验算OR:OR=△OU/△OI=（14.912-14.91）/（74.548-49.701）mA=0.08Ω0.1Ωa8.I.所选器件的规格和型号：名称型号器件参数调整管1B4B42RRMV=100~600VoI=1.0ATa=25℃电容C1普通容值680uF耐压35V稳压管1N4736A稳压值6.8V电流20mA电阻R=2kΩ1R=490Ω2R=604Ω3R=909Ω负载LR=300Ω运算放大器OPAMP_3T_VIRTUL调整管BCX38BCEOV=60VEBOV=10VCI=800mA交流电源U=20Vf=50Hzb：三端稳压器、集成运放组成的稳压电路b1.电容的选择：3C=600μF1C=330nF2C=100nFb2.三端稳压器的选择1）为了使输出的电压为正值，所以选7800系列2）由书上所给式子可知：OU=（1+（''2R+3R）/(1R+'2R)）*'OU8其中'2R是滑动变阻器的上半部分，'2R是滑动变阻器的下半部分，OU为输出电压，'OU为三端稳压器稳压后电压。由于电路所输出电压为9~15V，所以三端稳压器输出电压不能超过9V，故最终选择型号为：LM7806KC。b3.确定采样电阻minUO=（1+3R/(1R+2R)）*'OUmaxUO=（1+（2R+3R）/1R）*'OU1R+2R+3R=2000Ω1R=800Ω2R=532Ω3R=668Ωb4.确定运算放大器选用理想运算放大器:3288RT.b5.验算OROR=△OU/△OU=（15.012-15.01）/（75.058-50.041）mA=0.002/25.017mA=0.08Ω0.1Ω故所选电路符合要求b6.II.所选器件的规格和型号：名称型号器件参数电容2C普通容值100nF电容3C普通容值600uF耐压35V电容1C普通容值330nF电阻R=1.21KΩ1R=800Ω2R=532Ω3R=668Ω负载LR=300Ω运算放大器3288RT交流电源U=20Vf=50Hz八、仿真电路图Multisim仿真过程方案（一）：调整管、集成运算放大器作为稳压电路1.仿真电路如下：92.仿真结果如下：a.电源及电源经过整流滤波后的波形图实验结果分析：由整流滤波后的波形图变为一条准直线可以看出，原来的交流电压经过整流桥的作用已经变为直流电压，只是整流滤波之后的直流电压波动较大。b.电源电压及经过桥式整流电容滤波后电压：电源电压：20V10经过整流滤波后电压：26.358V理论IU=1.2OU，实际IU=1.3OU，误差不是太大。c.无负载时输出电压及输出波形此时的滑动变阻器接入电路部分为：50%实验结果分析：输出波形已由最初的交流电压变为直流电压，且比单纯的经过桥式整流电容滤波出来的电流更平直，说明稳压电路起到了预期作用。d.无负载时输出电压随滑动变阻器的变化范围:11实验结果分析：本实验设计要求输出直流电压OU=9~15V；实际测量电路输出电压OU=8.991~14.99V，说明本实验所设计电路基本满足实验要求，能达到预期效果。e.有负载时输出电压及输出波形：负载电压：RL=300Ω滑动变阻器接入电路部分为：50%实验结果分析：通过有无负载时输出波形和电压的比较可以看出两者几乎无差别，说明电路带负载能力强，输出电压不会随负载的改变而改变。f.有负载时输出电压随滑动变阻器的变化范围：12负载电压：LR=300Ω实验结果分析：通过有负载电压和无负载电压的比较可以看出，输出电压无变化，说明输出电阻较小，带负载能力较强。附：负载为300Ω时的输出最大电压电流：负载为200Ω时的输出最大电压电流：用于计算输出电阻方案（二）：三端稳压器、集成运放组成的稳压电路1.所用仿真电路如下：132.仿真结果如下：a.电源及电源经过整流滤波后的波形图:与方案（一）结果一样。b.原电源电压及经过桥式整流电容滤波后电压：与方案（一）结果相同。c.无负载时输出电压及输出波形：此时的滑动变阻器接入电路部分为50%14实验结果分析：输出波形已由最初的交流电压变为直流电压，且比单纯的经过桥式整流电容滤波出来的电流更平直，说明稳压电路起到了预期作用。d.无负载时输出电压随滑动变阻器的变化范围：实验结果分析：本实验设计要求输出直流电压OU=9~15V；实际测量电路输出电压OU=9.193~14.799V，说明本实验所设计电路基本满足实验要求，能达到预期效果。e.有负载（LR=300Ω）时输出电压及输出波形:滑动变阻器接入电路部分为：50%15实验结果分析：通过有无负载时输出波形和电压的比较可以看出两者几乎无差别，说明电路带负载能力强，输出电压不会随负载的改变而改变。f.有负载（LR=300Ω）时输出电压随滑动