53串联型直流稳压电源设计

1课程设计课程名称模拟电子技术基础题目名称串联型直流稳压电源学生学院物理与光电工程学院专业班级09级电子科学与技术3班学号3109008668学生姓名崔文锋指导教师何榕礼2010年12月20日2目录一、设计任务与要求。。。。。。1二、电路原理分析与方案设计。。。。。。11、方案比较。。。。。。12、电路的整体框图。。。。。。33、单元设计及参数计算、元器件选择。。。。。。34、电路总图。。。。。。75、元器件清。。。。。。76、电路仿真过程及结果。。。。。。8三、电路调试过程及结果。。。。。。10四、总结。。。。。。10五、心得体会。。。。。。11六、组装后的实物电路图。。。。。。123串联型直流稳压电源设计报告一、设计任务与要求要求：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；任务：1、了解带有的组成和工作原理：2、识别的电路图：3、仿真电路并选取元器件：4、安装调试带有放大环节串联型稳压电路：5、用仪器仪表对电路调试和测量相关参数：6、撰写设计报告、调试。二、电路原理分析与方案设计采用变压器、二极管、集成运放、电阻、稳压管、三极管等元器件。220V的交流电经变压器变压后变成电压值较小的电流，再经桥式整流电路和滤波电路形成直流稳压部分采用串联型稳压电路。比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，所以输出电压也可以调节：同时，为了扩大输出电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射级输出形式就构成了具有放大环节的串联型稳压电路。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4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5对以上两个方案进行比较，可以发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、电路的整体框图3、单元设计及参数计算、元器件选择交流电经过电源变压器变压、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电，其方框图及各电路的输出波形如图所示，下面就各个部分的作用加以介绍：1）电源变压器变压直流电源的输入为220V，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的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6有效只相差太大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。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20W。2）整流电路为了将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，还需要通过整流电路。单相桥式整流电路和半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求一样，并且还具有输出电压高，变压器利用率高，脉动系数小等特点。所以在电路中采用单相桥式整流电路，如图所知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。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7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）滤波电路整流后的电压仍含有较大交流分量，会影负载电路的正常工作。所以为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使输出电压仅为直流电压。而在电路中采用复式滤波电路效果最佳，如图所示滤波电容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。84）稳压电路交流电压通过整流、滤波后最然变为交流分量较小的直流电压但是当电网电压波动或负载变化时，其平均值也随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。稳压电路主要由四部分构成：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9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。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。4、电路总图5、元器件清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10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6、电路仿真过程及结果A、稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等：另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或稳压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。1）稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即：电压调整率：输入电压相对变化为+10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。2）输出电阻及电流调整率：输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比绝对值。电流调整率：输出电流从0变到最大值时所产生的出电压相对变化值。输出电阻和输出电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的响，因此也只需要测试其中之一即可。3）纹波电压：叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级，也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。B、仿真结果正负输出的可调的最大值和最小值电压数据如下图：11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：电路输出直流电压的波形图如下图12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，所以符合要求。三、电路调试过程及结果项目理论数据实测数据误差原因分析可调电压范围5.93Uz9.185.66Uz9.86电阻元件的分散性-5.93Uz-9