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串联型直流稳压电源课程设计一、设计题目题目：串联型直流稳压电源二、设计任务和要求要求：设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的串联型直流稳压电源。指标：1、输出电压6V、9V两档，同时具备正负极性输出；2、输出电流：额定电流为150mA，最大电流为500mA；3、在最大输出电流的时候纹波电压峰值▲Vop-p≤5mv三、原理电路和程序设计：1、方案比较方案一：先对输入电压进行降压，然后用单相桥式二极管对其进行整流，整流后利用电容的充放电效应，用电解电容对其进行滤波，将脉动的直流电压变为更加平滑的直流电压，稳压部分的单元电路由稳压管和三极管组成（如图1），以稳压管D1电压作为三极管Q1的基准电压，电路引入电压负反馈，当电网电压波动引起R2两端电压的变化增大（减小）时，晶体管发射极电位将随着升高（降低），而稳压管端的电压基本不变，故基极电位不变，所以由EBBEUUU可知BEU将减小（升高）导致基极电流和发射极电流的减小（增大），使得R两端的电压降低（升高），从而达到稳压的效果。负电源部分与正电源相对称，原理一样。图1方案一稳压部分电路方案二：经有中间抽头的变压器输出后，整流部分同方案一一样擦用四个二极管组成的单相桥式整流电路，整流后的脉动直流接滤波电路，滤波电路由两个电容组成，先用一个较大阻值的点解电容对其进行低频滤波，再用一个较低阻值的陶瓷电容对其进行高频滤波，从而使得滤波后的电压更平滑，波动更小。滤波后的电路接接稳压电路，稳压部分的电路如图2所示，方案二的稳压部分由调整管，比较放大电路，基准电压电路，采样电路组成。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。图2方案二稳压部分单元电路对以上两个方案进行比较，可以发现第一个方案为线性稳压电源，具备基本的稳压效果，但是只是基本的调整管电路，输出电压不可调，而且输出电流不大，而第二个方案使用了运放和调整管作为稳压电路，输出电压可调，功率也较高，可以输出较大的电流。稳定效果也比第一个方案要好，所以选择第二个方案作为本次课程设计的方案。2、电路框图整体电路的框架如下图所示，先有22V-15V的变压器对其进行变压，变压后再对其进行整流，整流后是高低频的滤波电路，最后是由采样电路、比较放大电路和基准电路三个小的单元电路组成的稳压电路，稳压后为了进一步得到更加稳定的电压，在稳压电路后再对其进行小小的率波，最后得到正负输出的稳压电源。3、电路设计及元器件选择；（1）、变压器的设计和选择本次课程设计的要求是输出正负9伏和正负6负的双电压电源，输出电压较低，而一般的调整管的饱和管压降在2-3伏左右，由OminImaxCEUUU，CEU为饱和管压降，而ImaxU=9V为输出最大电压，OminU为最小的输入电压，以饱和管压降CEU=3伏计算，为了使调整管工作在放大区，输入电压最小不能小于12V，为保险起见，可以选择220V-15V的变压器，再由P=UI可知，变压器的功率应该为0.5A×9V=4.5w，所以变压器的功率绝对不能低于4.5w，并且串联稳压电源工作时产生的热量较大，效率不高，所以变压器功率需要选择相对大些的变压器。结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的变压范围为220V-15V，额定功率12W，额定电流1A的变压器。（2）、整流电路的设计及整流二极管的选择由于输出电流最大只要求500mA，电流比较低，所以整流电路的设计可以选择常见的单相桥式整流电路，由4个串并联的二极管组成，具体电路如图3所示。图3单相桥式整流电路变压电路全波整流正极滤波电路负极滤波电路稳压电路比较放大采样电路基准电压稳压电路基准电压比较放大采样电路输出滤波电路输出滤波电路正极输出端负极输出端共地端二极管的选择：当忽略二极管的开启电压与导通压降，且当负载为纯阻性负载时，我们可以得到二极管的平均电压为)(AVoU：)(AVoU=)(sin2102tdtU=222U=0.92U其中2U为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得)(AVoU=13.5v。对于全波整流来说，如果两个次级线圈输出电压有效值为2U，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是222U，即为34.2v考虑电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%的波动）我们可以得到)(AVoU应该大于19.3V，最大反向电压应该大于48.8V。在输出电流最大为500mA的情况下我们可以选择额定电流为1A，反向耐压为1000V的二极管IN4007.（3）、滤波电容的选择当滤波电容1C偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而1C偏大时，整流二极管导通角θ偏小，整流管峰值电流增大。不仅对整流二极管参数要求高，另一方面，整流电流波形与正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。所以电容的取值应当有一个范围，由前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为15V，当输出电流为0.5A时，我们可以求得电路的负载为18欧，我们可以根据滤波电容的计算公式：C=(3～5)LRT2来求滤波电容的取值范围，其中在电路频率为50HZ的情况下，T为20ms则电容的取值范围为1667-2750uF，保险起见我们可以取标准值为2200uF额定电压为35V的铝点解电容。另外，由于实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等因素，电路中极有可能产生高频信号，所以需要一个小的陶瓷电容来滤去这些高频信号。我们可以选择一个104的陶瓷电容来作为高频滤波电容。滤波电路如上图。（4）、稳压电路的设计稳压电路组要由四部分构成：调整管，基准稳压电路，比较放大电路，采样电路。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。由于输出电流较大，达到500mA，为防止电流过大烧坏调整管，需要选择功率中等或者较大的三极管，调整管的击穿电流必须大于500mA，又由于三极管CE间的承受的最大管压降应该大于15-6=9V，考虑到30%的电网波动，我们的调整管所能承受的最大管压降应该大于13V，最小功率应该达到）（min01LUU1.1IP=6.5W。我们可以选择适合这些参数，并且在市场上容易买到的中功率三极管TIP41，它的最大功率为60W,最大电流超过6A，所能承受的最大管压降为100V，远远满足调整管的条件。负极的调整管则选择与之相对应的的中功率三极管TIP42。基准电路由5.1V的稳压管和4.7V的保护电阻组成。由于输出电压要求为6伏和9伏，如果采样电路取固定值则容易造成误差，所以采样电阻最好应该做成可调的，固采样电路由两个电阻和一个可调电阻组成，根据公式：DUDmaxRRU求出。其中DR为运放正反相输入端的电阻，R为输出端正极（负极）与共地端之间的电阻，DU为稳压管的稳压值。固可以取330、和1.5k的固定电阻置于1k的滑阻两旁避免当滑DR为0.所以根据此公式可求的电路的输出电压为5.772-9.622V。可以输出6V和9V的电压，运放选用工作电压在15V左右前对电压稳定性要求不是很高的运放，由于uA741的工作电压为正负12V-正负22V，范围较大，可以用其作为运放，因为整流后的电压波动不是很大，所以运放的工作电源可以利用整流后的电压来对其进行供电。正稳压电路的正极和负极分别如下图为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，需奥对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个10uf的点解电容和一个103的陶瓷电容，这样电源不容易受到负载的干扰。使得电源的性质更好，电压更稳定，四、画出系统的电路总图元件清单名称及标号型号及大小封装形式数量变压器220V-15V无1二极管IN4007DIODE-0.44个电容电解电容2200uFRB.3/.62个10uFRB.2/.42个陶瓷电容104RAD-0.22个103RAD-0.12个电阻4.7KAXIAL-0.32个330AXIAL-0.32个1.5kAXIAL-0.32个可变电阻1kSip32个运放uA741DIP82个稳压管5.1vDIODE-0.42个调整管TIP41TO2201个TIP42TO2201个五、电路的调试及仿真数据正负输出的可调的最大值和最小值电压数据如下图：调节可变电阻，可以得到课程设计所要求输出的6V和9V的电压，仿真数据如下：电路输出直流电的波形图如下图电压的直流电波形为标准的直线，达到设计的要求而实际测量时也是这样，输出波形基本为一条直线理论值为VV66.9772.5，而实际的测量值是在VV45.108.5，造成0.89V的可调误差，原因是由于可调电阻的实际调节范围偏大，导致输出电压偏大。电路输出纹波波形纹波电压在2.5mV左右，比要求的5mV要低，而实际测量时，纹波的电压只有0.9mV，远远低于所要求的5mV，所以符合要求。六总结本课程设计运用了模拟电路的基本知识，通过变压，整流，滤波、稳压等步骤，输出理论可变范围为5.772V-9.622V而实际可调范围为5.78V-10.45V的正负直流稳压电源。总结如下：优点：该电路设计简单。输出电压稳定，纹波值小，而且使用的元件较少，经济实惠，输出功率大，调整管可承受的范围也很大，。缺点：电压缺少一个保护电路，当电路由于偶然原因出现高的电压脉冲时，有可能对电路造成危害，使得电路故障率提高。改进：可以在稳压电路那里再接一个过保护电路电路。减少接电或断电时产生的瞬间高电压对电路元件的破坏。另外，ua741芯片较为古老，性能不稳定，已跟不上时代的需要所以运放可以重新选择性能更好，更稳定的芯片。心得体会：通过这次课程设计，我对于模电知识有了更深的了解，尤其是对与线性直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。同时实物的制作也提升了我的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了我对模拟电路设计方面的兴趣。理论与实践得到了很好的结合。