串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)課程名稱模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)題目名稱串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源學(xué)生學(xué)院物理與光電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)09級(jí)電子科學(xué)與技術(shù) 3班學(xué) 號(hào) 68學(xué)生姓名崔文鋒指導(dǎo)教師何榕禮2010年12月20 日一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求二、電路原理分析與方案設(shè)計(jì)1、方案比較2、電路的整體框圖3、單元設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算、元器件選擇4、電路總圖5、元器件清6、電路仿真過(guò)程及結(jié)果三、電路調(diào)試過(guò)程及結(jié)果四、總結(jié)五、心得體會(huì)六、組裝后的實(shí)物電路圖10101112串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求要求 ：設(shè)計(jì)并制作用晶體管和集成運(yùn)算放大器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。指標(biāo) ： 1、輸出電壓6V、 9V 兩檔，同時(shí)具備正負(fù)極性輸出；2、輸

2、出電流：額定電流為150mA最大電流為500mA3、在最大輸出電流的時(shí)候紋波電壓峰值上Vop-pw 5mM任務(wù) ：1、了解帶有的組成和工作原理：2 、識(shí)別的電路圖：3 、仿真電路并選取元器件：4 、安裝調(diào)試帶有放大環(huán)節(jié)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路：5 、用儀器儀表對(duì)電路調(diào)試和測(cè)量相關(guān)參數(shù)：6 、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告、調(diào)試。二、 電路原理分析與方案設(shè)計(jì)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。 220V的交流電經(jīng)變壓器變壓后變成電壓值較小的電流， 再經(jīng)橋式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)，所以輸出電壓也可以調(diào)節(jié)：同時(shí)，為了擴(kuò)大輸出

3、電流，集成運(yùn)放輸出端加晶體管， 并保持射級(jí)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。1、方案比較、 . 1*方案一：先對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓， 然后用單相橋式二極管對(duì)其進(jìn)行整流， 整流后利用電容的充放電效應(yīng)， 用電解電容對(duì)其進(jìn)行濾波， 將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)楦悠交闹绷麟妷?，穩(wěn)壓部分的單元電路由穩(wěn)壓管和三極管組成（如圖 1） ，以穩(wěn)壓管D1電壓作為三極管Q1的基準(zhǔn)電壓，電路引入電壓負(fù)反饋，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起R兩端電壓的變化增大（減?。r(shí)，晶體管發(fā)射極電位將隨著升高（降低） ，而 穩(wěn)壓管端的電壓基本不變，故基極電位不變，所以由 UBE UB UE可知UBE將 減?。ㄉ撸?dǎo)致基極電流和發(fā)射極電流

4、的減小（增大），使得R兩端的電壓降 低（升高），從而達(dá)到穩(wěn)壓的效果。負(fù)電源部分與正電源相對(duì)稱，原理一樣。圖1方案一穩(wěn)壓部分電路萬(wàn)案一：經(jīng)有中間抽頭的變壓器輸出后，整流部分同方案一一樣擦用四個(gè)二極管組成 的單相橋式整流電路，整流后的脈動(dòng)直流接濾波電路，濾波電路由兩個(gè)電容組成， 先用一個(gè)較大阻值的點(diǎn)解電容對(duì)其進(jìn)行低頻濾波，再用一個(gè)較低阻值的陶瓷電容 對(duì)其進(jìn)行高頻濾波，從而使得濾波后的電壓更平滑，波動(dòng)更小。濾波后的電路接 接穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓部分的電路如圖2所示，方案二的穩(wěn)壓部分由調(diào)整管，比較放 大電路，基準(zhǔn)電壓電路，采樣電路組成。當(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降低） 時(shí)采樣電路將這一變化送到A的反相輸入

5、端，然后與同相輸入端的電位進(jìn)行比較 放大，運(yùn)放的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低（升高）；由于電路采用射極 輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升高），從而使輸出電壓得到穩(wěn)定。圖2方案二穩(wěn)壓部分單元電路對(duì)以上兩個(gè)方案進(jìn)行比較，可以發(fā)發(fā)現(xiàn)第一個(gè)方案為線性穩(wěn)壓電源， 具備基 本的穩(wěn)壓效果，但是只是基本的調(diào)整管電路，輸出電壓不可調(diào)，而且輸出電流不 大，而第二個(gè)方案使用 了運(yùn)放和調(diào)整管作為穩(wěn)壓電路，輸出電壓可調(diào)，功率也 較高，可以輸出較大的電流。穩(wěn)定效果也比第一個(gè)方案要好，所以選擇第二個(gè)方 案作為本次課程設(shè)計(jì)的方案。2、電路的整體框圖3、單元設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算、元器件選擇交流電經(jīng)過(guò)電源變壓器變壓、整流電路、濾

6、波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，其方框圖及各電路的輸出波形如圖所示，下面就各個(gè)部分的作用加以介紹：1）電源變壓器變壓直流電源的輸入為220V, 一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的 有效只相差太大，因而需要通過(guò)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。本次課程設(shè)計(jì)的要求是輸出正負(fù) 9伏和 正負(fù)6負(fù)的雙電壓電源，輸出電壓較低，而一般的調(diào)整管的飽和管壓降在2-3伏左右，由Uce Uimax U°min , Uce為飽和管壓降，而U*=9丫為輸出最大電 壓，Uomin為最小的輸入電壓，以飽和管壓降 Uce=3伏計(jì)算，為了使調(diào)整管工作 在放大

7、區(qū)，輸入電壓最小不能小于 12V,為保險(xiǎn)起見(jiàn)，可以選擇 220V-15V的變 壓器，再由P=UI可知，變壓器的功率應(yīng)該為X 9V=所以變壓器的功率絕對(duì)不能 低于，并且串聯(lián)穩(wěn)壓電源工作時(shí)產(chǎn)生的熱量較大，效率不高，所以變壓器功率需要選擇相對(duì)大些的變壓器。結(jié)合市場(chǎng)上常見(jiàn)的變壓器的型號(hào)，可以選擇常見(jiàn)的變 壓范圍為220V-15V,額定功率20W2）整流電路為了將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動(dòng)電壓，還需要通過(guò)整流電路。單相橋式整流電路和半波整流電路相比， 在相同的變壓器副邊電壓下，對(duì)二極管的參 數(shù)要求一樣，并且還具有輸出電壓高，變壓器利用率高，脈動(dòng)系數(shù)小等特點(diǎn)。所 以在電路中采用單相橋式整流電路，如圖所

8、知由于輸出電流最大只要求500mA電流比較低，所以整流電路的設(shè)計(jì)可以選 擇常見(jiàn)的單相橋式整流電路，由4個(gè)串并聯(lián)的二極管組成。二極管的選擇：當(dāng)忽略二極管的開(kāi)啟電壓與導(dǎo)通壓降，且當(dāng)負(fù)載為純阻性負(fù) 載時(shí)，我們可以得到二極管的平均電壓為 Uo（AV）:1.、2、2U2Uo(AV)=0 2U 2 sin t ?d( t) = =U 2其中U2為變壓器次級(jí)交流電壓的有效值。我們可以求得Uo（AV）=o對(duì)于全波整流來(lái)說(shuō)，如果兩個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓有效值為U2,則處于截止?fàn)顟B(tài)的二極管承受的最大反向電壓將是 2瓜2,即為考慮電網(wǎng)波動(dòng)（通常波動(dòng)為10%為保險(xiǎn)起見(jiàn)取30%勺波動(dòng)）我們可以得到 Uo（av）應(yīng)該大于，最

9、大反向電壓應(yīng)該大于。在輸出電流最大為500mAl勺情況下我 們可以選擇額定電流為1A,反向而t壓為1000V的二極管IN4007.3）濾波電路整流后的電壓仍含有較大交流分量，會(huì)影負(fù)載電路的正常工作。所以為了減 小電壓的脈動(dòng)，需通過(guò)低通濾波電路，使輸出電壓平滑。理想情況下，應(yīng)將交流分量全部濾掉，使輸出電壓僅為直流電壓。而在電路中采用復(fù)式濾波電路效果最佳，如圖所示6J & -(c I濾波電容Ci偏小時(shí)，濾波器輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)大；而 Ci偏大時(shí)，整流二極 管導(dǎo)通角8偏小，整流管峰值電流增大。不僅對(duì)整流二極管參數(shù)要求高，另一方 面，整流電流波形與正弦電壓波形偏離大，諧波失真嚴(yán)重，功率因數(shù)低。所

10、以電 容的取值應(yīng)當(dāng)有一個(gè)范圍，由前面的計(jì)算我們已經(jīng)得出變壓器的次級(jí)線圈電壓為 15V,當(dāng)輸出電流為時(shí)，我們可以求得電路的負(fù)載為18歐，我們可以根據(jù)濾波電 容的計(jì)算公式：C=(35)工 來(lái)求濾波電容的取值范圍，其中在電路頻率2Rl為50HZ的情況下，T為20ms則電容的取值范圍為1667-2750UF,保險(xiǎn)起見(jiàn)我們 可以取標(biāo)準(zhǔn)值為2200UF額定電壓為35V的鋁點(diǎn)解電容。另外，由于實(shí)際電阻或電路中可能存在寄生電感和寄生電容等因素， 電路中 極有可能產(chǎn)生高頻信號(hào)，所以需要一個(gè)小的陶瓷電容來(lái)濾去這些高頻信號(hào)。 我們 可以選擇一個(gè)104的陶瓷電容來(lái)作為高頻濾波電容。濾波電路如上圖。4)穩(wěn)壓電路交流電壓

11、通過(guò)整流、濾波后最然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓但是當(dāng)電網(wǎng)電 壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，其平均值也隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓 基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。比較放左TTOOID穩(wěn)壓電路主要由四部分構(gòu)成：調(diào)整管，基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路，比較放大電路，采樣 電路。當(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時(shí)采樣電路將這一變化送到A的反 相輸入端，然后與同相輸入端的電位進(jìn)行比較放大， 運(yùn)放的輸出電壓，即調(diào)整管 的基極電位降低（高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升 高），從而使輸出電壓得到穩(wěn)定。由于輸出電流較大，達(dá)到 500mA為防止電流 過(guò)大燒壞調(diào)整管，需

12、要選擇功率中等或者較大的三極管， 調(diào)整管的擊穿電流必須 大于500mA又由于三極管CE間的承受的最大管壓降應(yīng)該大于 15-6=9V,考慮到 30%勺電網(wǎng)波動(dòng)，我們的調(diào)整管所能承受的最大管壓降應(yīng)該大于13V,最小功率應(yīng)該達(dá)到P Il（1.1UiU°min）=。我們可以選擇適合這些參數(shù)，并且在市場(chǎng)上容易買(mǎi)到的中功率三極管TIP41,它的最大功率為60W最大電流超過(guò)6A,所能承 受的最大管壓降為100V,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足調(diào)整管的條件。負(fù)極的調(diào)整管則選擇與之相對(duì)應(yīng)的的中功率三極管TIP42?；鶞?zhǔn)電路由的穩(wěn)壓管和的保護(hù)電阻組成。由于輸 出電壓要求為6伏和9伏，如果采樣電路取固定值則容易造成誤差， 所以

13、采樣電 阻最好應(yīng)該做成可調(diào)的，固采樣電路由兩個(gè)電阻和一個(gè)可調(diào)電阻組成， 根據(jù)公式：RUmax Ud求出。其中Rd為運(yùn)放正反相輸入端的電阻，R為輸出端正極Rd（負(fù)極）與共地端之間的電阻 ,Ud為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。固可以取 330、和的固定電阻置于1k的滑阻兩旁避免當(dāng)滑Rd為0.所以根據(jù)此公式可求的電路的輸出電壓為?？梢暂敵?V和9V的電壓，運(yùn)放選用工作電壓在15V左右前對(duì)電壓穩(wěn)定 性要求不是很高的運(yùn)放，由于UA741的工作電壓為正負(fù)12V-正負(fù)22V,范圍較大， 可以用其作為運(yùn)放，因?yàn)檎骱蟮碾妷翰▌?dòng)不是很大，所以運(yùn)放的工作電源可以利用整流后的電壓來(lái)對(duì)其進(jìn)行供電為了使輸出電壓更穩(wěn)定，輸出紋波更小，

14、需奧對(duì)輸出端進(jìn)行再次濾波，可在 輸出端接一個(gè)10uf的點(diǎn)解電容和一個(gè)103的陶瓷電容，這樣電源不容易受到負(fù) 載的干擾。使得電源的性質(zhì)更好，電壓更穩(wěn)定。4、電路總圖5、元器件清元件清單名稱及標(biāo)號(hào)型號(hào)及大小封裝形式數(shù)量變壓器220V-15V無(wú)1二極管IN40074個(gè)電容電解電容2200uF.62個(gè)10uF.42個(gè)陶瓷電容1042個(gè)1032個(gè)電阻2個(gè)3302個(gè)2個(gè)口艾電阻1kSip32個(gè)運(yùn)放uA741DIP82個(gè)穩(wěn)壓管2個(gè)調(diào)整管TIP41TO2201個(gè)TIP42TO2201個(gè)6、電路仿真過(guò)程及結(jié)果A、穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍

15、等：另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來(lái)衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或 穩(wěn)壓調(diào)整率）、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。1）穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)載電流、環(huán)境溫度不變的情況下輸入電壓的相對(duì)變化引AU U起輸出電壓的相對(duì)變化，即：電壓調(diào)整率：輸入電壓相對(duì)變化為+10%寸的輸出電壓相對(duì)變化量，穩(wěn)壓系數(shù) 和調(diào)整率均說(shuō)明輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響，因此只需測(cè)試其中之一即可。2）輸出電阻及電流調(diào)整率：輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當(dāng) 輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比絕對(duì)值。電流調(diào)整率： 輸出電流從0變到最大值時(shí)所產(chǎn)生的出電壓相對(duì)變化值。 輸出電阻和輸出電流調(diào)

16、整率均說(shuō)明負(fù)載電流變化對(duì)輸出電壓的響，因此也只需要測(cè)試其中之一即可。3）紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測(cè)其峰峰值 一般為毫伏量級(jí)，也可用交流毫伏表測(cè)量其有效值， 但因紋波不是正弦波，所以 有一定的誤差。B、仿真結(jié)果正負(fù)輸出的可調(diào)的最大值和最小值電壓數(shù)據(jù)如下圖:5696 V田|-5£ 麗/A | V G | 曲 | 1 . |Set,P_殳_| Z調(diào)節(jié)可變電阻，可以得到課程設(shè)計(jì)所要求輸出的 6V和9V的電壓，仿真數(shù)據(jù)如下:電路輸出直流電壓的波形圖如下圖電壓的直流電波形為標(biāo)準(zhǔn)的直線，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求而實(shí)際測(cè)量時(shí)也是這樣，輸出波形基本為一條直線，所以符合要求。三、電路調(diào)

17、試過(guò)程及結(jié)果項(xiàng)目理論數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差原因分析可調(diào)電壓范圍<Uz<<Uz<電阻元件的分散性<Uz<<Uz<四、總結(jié)本課程設(shè)計(jì)運(yùn)用了模擬電路的基本知識(shí)，通過(guò)變壓，整流，濾波、穩(wěn)壓等步 驟，輸出理論可變范圍為而實(shí)際可調(diào)范圍為的正負(fù)直流穩(wěn)壓電源?？偨Y(jié)如下：優(yōu)點(diǎn)：該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。輸出電壓穩(wěn)定，紋波值小，而且使用的元件較少, 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，輸出功率大，調(diào)整管可承受的范圍也很大，。缺點(diǎn)：電壓缺少一個(gè)保護(hù)電路，當(dāng)電路由于偶然原因出現(xiàn)高的電壓脈沖時(shí), 有可能對(duì)電路造成危害，使得電路故障率提高。改進(jìn)：可以在穩(wěn)壓電路那里再接一個(gè)過(guò)保護(hù)電路電路減少接電或斷電時(shí)產(chǎn)生的瞬間高電壓對(duì)電路元件的破壞。另外， ua741 芯片較為古老，性能不穩(wěn)定， 已跟不上時(shí)代的需要所以運(yùn)放可以重新選擇性能更好，更穩(wěn)定的芯片。五、心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺， 通過(guò)這次對(duì)簡(jiǎn)單電子電路的設(shè)計(jì)， 讓我更加充分地理解了課本上的知識(shí)，很多從課本上學(xué)到的知識(shí)都在此次的設(shè)計(jì)中用到了，使我對(duì)電子電子電路設(shè)計(jì)提升了認(rèn)識(shí)。在本次課程中， 我了解到了設(shè)計(jì)、 組裝一個(gè)電子電路的步驟， 需要通過(guò)調(diào)查研究、查閱資料、方案論證與選定；設(shè)計(jì)和選取電路元器件；組裝和調(diào)試電路，設(shè)計(jì)指標(biāo)及分析討論，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。雖然這次課程設(shè)計(jì)提高了我的動(dòng)手能力，增加了我對(duì)電子電路設(shè)計(jì)的興趣， 但其