分立式元器件串联反馈型稳压电源的设计与制作

工程训练3分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与制作直流稳压电源应用广泛，几乎所有电子设备都毫无例外地需要稳定的直流电压（电流）供电。然而，我们提供电能的主要方式却是交流电压（电流）供电。如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？又如何使直流电压（电流）稳定？这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。根据学习进度，我们了解到，半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。它们的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和电子电路设计与应用必不可少的基础。本工程训练正是主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源，它在实际应用电路中应用非常广泛，是电子技术课程的教学重点之一,正确理解其工作原理,设计出符合要求的电路具有重要意义。此工程训练为期两周，学生要完成此工程训练首先要修完“模拟电子技术”、“自动控制理论”、“电路”、“电工电子实践指导”、“PROTEL电路设计与制板”、“PROTEUS电路设计与仿真”六门课程知识。在加深理解对上述课程理论和实验的教学内容基础上，学会综合应用这六门课程的知识，培养发现、分析和解决利用分立元器件进行电路设计与制作问题的能力。3.1目的要求：3.1.1基本目的此工程训练选择分立元件构成串联型直流稳压电源。学生通过实训，了解相关分立元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源电路的工作原理、原理图的设计和参数计算、元器件选用、计算机软件实现硬件仿真、PCB板的设计、电路的安装和调试，最后完成达到技术指标要求的准产品。3.1.2基本要求1、依据性能指标和器件状况，设计稳压电源电子电路，并计算器件参数确定选择器件。(含散热设计)；2、以本工程训练为实例学习protel基本知识，并运用其绘制电源sch（原理）和pcb（印刷电路板）图；3、学习proteus知识，对本电源进行仿真，最终确定sch与pcb图；4、掌握电子电路板制作全过程，实现电源的制造；5、测量电源相关各项技术指标，完成系统调试；3.2基本知识介绍“分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与制作”这一项目涉及到的知识（或技术）面比较广，在进行此工程训练前，学生应必须对这些方面的知识要理解透彻、掌握熟练。主要相关基本知识（或技术）有：电源变压器知识、整流电路知识、滤波电路知识、串联型稳压电路知识、PCB板电路设计与制板技术、PROTEUS电路设计与仿真技术、热转印腐蚀制板技术、焊接工艺技术、电路安装与调试技术等，其中串联型稳压电路知识是本次工程训练项目中的重中之重，现简要的介绍一下下列基本知识。3．2．1电源变压器一、电源变压器中常用的几个术语：1、初级(primarywinding)：是指电源变压器的电源输入端。2、次级(secondarywinding)：是指电源变压器的输出端。3、额定输入电压u1：是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。4、空载电流i0：是指电源变压器的初级接上额定输入电压u1而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。i0与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其i0也可能不同。5、空载电压u0：是指变压器初级接受上额定输入电压u1而次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。u0与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其u0也可能不同。6、负载电流i2：是指变压器初级接上额定输入电压u1，次级接上额定负载时，流过负载的电流。7、负载电压u2：是指变压器初级接上额定输入电压u1，次级接上额定负载时，负载两端的电压。8、定输出功率p2：是指变压器在额定输入电压u1时的输出功率，它表示变压器传送能量的大小。一般来说，在相同频率下，p2越大，变压器的尺寸越大；p2相同，即使输出电压u2不同，变压器的尺寸也相同，即变压器的价格也应相差无几。由公式p2=u2*i2可知若输出功率p2一定，若输出电压u2越高，则输出电流i2越低。举例来说，一个输出功率p2=10W的变压器，若输出电压u2=24V，则输出电流i2=p2/u2=10W/24v＝0.416A；若u2=12V，则输出电流i2=0.833A。二、电源变压器在本工程训练中应用电源变压器在本工程训练中是将交流电网电压u1（市网电压：220V/50Hz）变为合适的交流电压u2(本工程训练选用降压变压器)，以提供后续电路所需的电压。三、电源变压器的选择与确定在本工程训练中，对电源变压器的要求主要为次级输出电压大小和极性，额定工作功率，因此如何选择与确定电源变压器主要围绕这几个参数并根据后续电路要求进行计算选择，假定后续电路要求初级输入电压为Umaxo，输出电流为I，则电源变压器次级输出电压VS为Umaxo，额定工作功率为（）VSI。举例说明：假定后续电路要求初级输入电压为Umaxo=10V，输出电流为I=1A，则电源变压器最佳次级输出电压VS为10V，额定工作功率为（）VSI=？W。3．2．2整流电路知识图3.1直流稳压电源的组成和功能框图如上述框图3.1所示，整流电路的作用将交流电压u2变为单方向的直流电压u3，在本工程训练中是利用二极管单向导电性，把正、负交变的50Hz变压器次级输出电网电压变成单方向脉动的直流电压。由整流二极管组成的小功率整流电路常见的有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路等。后两者的纹波系数要小。就整流二极管而言，承受的最大整流电流相同，但承受的整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo最大有效电压，前者是后两者的2倍。另外最大反向电压也不相同。下面简单分析上述几个整流电路（把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大）一、半波整流电路图3.2半波整流电路半波整流电路如图3.2所示,u20时，二极管导通。忽略二极管正向压降：uo=u2u20时，二极管截止,输出电流为0。正向压降：uo=01、输出电压波形：2、二极管上的平均电流：ID=IL3、二极管上承受的最高电压:URM=2U24、输出电压平均值（Uo）：二、全波整流电路：图3.2全波整流电路tuo202245.0221UUtduUoo1、输出电压波形：2、二极管上承受的最高电压：3、二极管上的平均电流：4、uo平均值Uo：Uo=0.9U2三、单相桥式整流电路：图3.3单相桥式整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2iLtuo222UURMLDII211、输出电压波形：u20时，D1、D3导通，D2、D4截止，电流通路:AD1RLD3B；u20时，D2、D4导通，D1、D3截止，电流通路:BD2RLD4A从输出电压波形可以看出，uo输出是脉动的直流电压。(2)、uo平均值Uo：Uo=0.9U2四、整流电路的主要参数1、整流输出电压的平均值与脉动系数整流输出电压的平均值Uo和输出电压的脉动系数S是衡量整流电路性能的两个主要指标。(1)、整流输出电压平均值（Uo）全波整流时，负载电压Uo的平均值为:负载上的(平均)电流:u1u2TD4D2D1D3RLuou2ttuD4,uD2uD3,uD1tuoπooU.tduπU2029021LLRU.I290(2)、脉动系数ＳS定义：整流输出电压的基波峰值Uo1m与平均值Uo之比。用傅氏级数对全波整流的输出uo分解后可得:2、平均电流与反向峰值电压平均电流(ID)与反向峰值电压(URM)是选择整流管的主要依据。例如：在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流ID是负载平均电流的一半。二极管截止时两端承受的最大反向电压：3．2．3电容滤波电路从上述可知，交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。一、滤波原理以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图3.4所示。1、RL未接入时输出波形(忽略整流电路内阻)图3.4桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–)6cos3544cos1542cos342(22tttUuo6703222324221.πUπUUUSomoLoDRU.II24502122UURM2、RL接入（且RLC较大）时电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流iD。因此整流电路的输出电流是脉冲波。可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。二、电容滤波电路的特点1、输出电压Uo与放电时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大,一般取2)53(TCRτLd(T:电源电压的周期),近似估算:Uo=1.2U2。2、流过二极管瞬时电流很大RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短iD的峰值电u2tu0t整流电路为电容充电设t1时刻接通电源tu2tuot没有电容时的输出波形充电结束流越大，故一般选管时，取LoLDFRU~I~I21)32(2)32(3、输出特性(外特性)输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,Uo和S也随之改变。如:RL愈小(IL越大),Uo下降多,S增大。因此，从上述可以得到一个结论电容滤波电路比较适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合，如小功率直流稳压电源。3．2．4串联型稳压电路据上述可知，整流滤波后的电压是不稳定的电压，在电网电压或负载变化时，该电压都会产生变化，而且纹波电压又大。所以，整流滤波后，还须经过稳压电路，才能使输出电压在一定的范围内稳定不变。在这里我们就用串联型稳压电路对其进行稳压。串联型稳压电路是本项目设计与制作中最重要部分，下面通过最简单的实例对其进行介绍：一、串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路原理图和方框图如图3.5所示，取样环节由R1、R2构成，基准即基准源由稳压管VZ和限流电阻R3构成，比较放大器V2组成，V1为调整管，R4作用：①V2的集电极负载电阻，②V1的基极偏流电阻，使V1处于线性放大状态。故又称为线性串联型稳压电路。图3.5串联型稳压电路（a）原理图（b）方框图当电网电压升高，引起U1增加，或负载电流I0增大时，都会引起U0增大，U0增加量通过R1、R2分压取样，使V2的基极电压V2B升高，由于V2E基本不变，因此V2BE增加，V2的集电极电流I2C增加，并使V2C下降，致使U0恢复到原值附近，保证U0基本稳定。同理，当U1降低或负载电流I0减小时，U0降低，通过反馈过程，又会使U0升高，也能使U0基本不变而达到稳定。由上述分析可知，稳压过程是一个负反馈过程，负反馈顺利进行，才能实现稳压，uo电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IL上述反馈过程要求V1、V2处于放大状态，VZ处于稳压状态，在正常工作状态下，输出电压U0=)(2221BEREFVURRR改变R1或R2的值，可使输出电压U0稳定在要求的数值上，输出电压最大值Umaxo为LCLBEREFoRBRRBVUU)1()1)((111max当RC较大时CLBEREFoRRBVUU)1)((11max当RC较小时1maxBEREFoVUU输出电压最小值Umino为Umino=V2+V2BE输出电流I0为I0=LRU0改变U0或RL可改变输出电流，但在稳定U0的情况下增大RL→∞时，Imino→0，减小RL时输出电流I0，输出电流最大值为Imaxo=)1(1101BRVVVCBE从以上分析可知，稳压电路的性能由电路元件的数值决定，已知电路结构和元件数值，求解电路性能的过程称