串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源課程設計

1、<p><b>　　電子工程系課程設計</b></p><p>　　專業(yè)名稱： 電子信息工程技術1班 </p><p>　　課程名稱： 模擬電子技術 </p><p>　　課題名稱： 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源

2、 </p><p>　　設計人員： </p><p>　　指導教師： 雒嘉 </p><p>　　2009年06月20日</p><p>　　摘要 電子設備中都需要穩(wěn)定的直流電源，功率較小的直流

3、電源大多數(shù)都是將50Hz的交流電經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后獲得。整流電路用來將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。電子設備都離不開直流電源。許多電子設備要由電力網(wǎng)上的交流電所變化的直流電來提供電。根據(jù)電子設備的不同，對電源的要求也不一樣。比如說，有的電子設備消耗功率大些，就要求直流電源提供

4、較大的功率；有的電子設備的工作性能對電壓波動很敏感，就要求電源的輸出電壓要穩(wěn)定、紋波系數(shù)要??；也有的要求直流電源輸出的電壓可調(diào)?？梢?，穩(wěn)定的直流電源在電子設備中的重要作用?！娟P鍵詞】：整流 濾波 穩(wěn)壓 可調(diào)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 性能指標........................................

5、............1</p><p>　　第二章原理電路和程序設計...........................................1</p><p>　　2.1 方案比較.......................................................1</p><p>　　2.2 電路框圖..........

6、.............................................2</p><p>　　2.3 電路設計及元器件選擇...........................................3</p><p>　　2.3.1 變壓器的設計和選擇...........................................3</p>

7、<p>　　2.3.2 整流電路的設計及整流二極管的選擇.............................3</p><p>　　2.3.3 濾波電容的選擇...............................................4</p><p>　　2.3.4 穩(wěn)壓電路的設計....................................

8、...........5</p><p>　　第三章 系統(tǒng)電路總圖................................................6</p><p>　　第四章 電路的調(diào)試及仿真數(shù)據(jù)........................................7</p><p>　　第五章 元件清單.................

9、..................................10</p><p>　　第六章 總結.......................................................11</p><p><b>　　第一章 性能指標</b></p><p>　　設計并制作用晶體管和集成運算放大器組成的串聯(lián)型直

10、流穩(wěn)壓電源。具體指標如下：</p><p>　　1、輸出電壓6V、9V兩檔，正負極性輸出；</p><p>　　2、輸出電流：額定電流為150mA，最大電流為500mA；</p><p>　　3、紋波電壓峰值▲Vop-p≤5mv；</p><p>　　第二章 原理電路和程序設計</p><p><b>　　

11、2.1 方案比較</b></p><p>　　方案一：先對輸入電壓進行降壓，然后用單相橋式二極管對其進行整流，整流后利用電容的充放電效應，用電解電容對其進行濾波，將脈動的直流電壓變?yōu)楦悠交闹绷麟妷海€(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的基準電壓，電路引入電壓負反饋，當電網(wǎng)電壓波動引起R2兩端電壓的變化增大（減?。r，晶體管發(fā)射極電位將隨著升高（降低），而

12、穩(wěn)壓管端的電壓基本不變，故基極電位不變，所以由可知將減?。ㄉ撸е禄鶚O電流和發(fā)射極電流的減?。ㄔ龃螅?，使得R兩端的電壓降低（升高），從而達到穩(wěn)壓的效果。負電源部分與正電源相對稱，原理一樣。</p><p>　　圖1 方案一穩(wěn)壓部分電路</p><p>　　方案二：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二極管組成的單相橋式整流電路，整流后的脈動直流接濾波電路，濾波電路由

13、兩個電容組成，先用一個較大阻值的點解電容對其進行低頻濾波，再用一個較低阻值的陶瓷電容對其進行高頻濾波，從而使得濾波后的電壓更平滑，波動更小。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，基準電壓電路，采樣電路組成。當采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時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行比較放大，運放的輸出電壓，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

14、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。</p><p>　　圖2 方案二穩(wěn)壓部分單元電路</p><p>　　對以上兩個方案進行比較，可以發(fā)發(fā)現(xiàn)第一個方案為線性穩(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，而第二個方案使用 了運放和調(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)定效果也比第一個方案要好，

15、所以選擇第二個方案作為本次課程設計的方案。</p><p><b>　　2.2 電路框圖</b></p><p>　　整體電路的框架如下圖所示，先有22V-15V的變壓器對其進行變壓，變壓后再對其進行整流，整流后是高低頻的濾波電路，最后是由采樣電路、比較放大電路和基準電路三個小的單元電路組成的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓后為了進一步得到更加穩(wěn)定的電壓，在穩(wěn)壓電路后再對其進行小小的率

16、波，最后得到正負輸出的穩(wěn)壓電源。</p><p>　　2.3 電路設計及元器件選擇：</p><p>　　2.3.1變壓器的設計和選擇</p><p>　　本次課程設計的要求是輸出正負9伏和正負6負的雙電壓電源，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，為飽和管壓降，而=9V為輸出最大電壓，為最小的輸入電壓，以飽和管壓降=3伏計算，為了使調(diào)整管工作

17、在放大區(qū)，輸入電壓最小不能小于12V，為保險起見，可以選擇220V-15V的變壓器，再由P=UI可知，變壓器的功率應該為0.5A×9V=4.5w，所以變壓器的功率絕對不能低于4.5w，并且串聯(lián)穩(wěn)壓電源工作時產(chǎn)生的熱量較大，效率不高，所以變壓器功率需要選擇相對大些的變壓器。結合市場上常見的變壓器的型號，可以選擇常見的變壓范圍為220V-15V，額定功率12W，額定電流1A的變壓器。</p><p>　　2

18、.3.2整流電路的設計及整流二極管的選擇 </p><p>　　由于輸出電流最大只要求500mA，電流比較低，所以整流電路的設計可以選擇常見的單相橋式整流電路，由4個串并聯(lián)的二極管組成，具體電路如圖3所示。</p><p>　　圖3單相橋式整流電路</p><p>　　二極管的選擇：當忽略二極管的開啟電壓與導通壓降，且當負載為純阻性負載時，我們可以得到二極管的平均電

19、壓為：</p><p><b>　　===0.9</b></p><p>　　其中為變壓器次級交流電壓的有效值。我們可以求得=13.5v。</p><p>　　對于全波整流來說，如果兩個次級線圈輸出電壓有效值為，則處于截止狀態(tài)的二極管承受的最大反向電壓將是，即為34.2v</p><p>　　考慮電網(wǎng)波動（通常波動為10

20、%，為保險起見取30%的波動）我們可以得到 應該大于19.3V，最大反向電壓應該大于48.8V。在輸出電流最大為500mA的情況下我們可以選擇額定電流為1A，反向耐壓為1000V的二極管IN4007.</p><p>　　2.3.3濾波電容的選擇</p><p>　　當濾波電容偏小時，濾波器輸出電壓脈動系數(shù)大；而偏大時，整流二極管導通角θ偏小，整流管峰值電流增大。不僅對整

21、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，諧波失真嚴重，功率因數(shù)低。所以電容的取值應當有一個范圍，由前面的計算我們已經(jīng)得出變壓器的次級線圈電壓為15V，當輸出電流為0.5A時，我們可以求得電路的負載為18歐，我們可以根據(jù)濾波電容的計算公式：</p><p><b>　　C=(3～5)</b></p><p>　　來求濾波電容的取值范圍，其中在電路

22、頻率為50HZ的情況下， T為20ms則電容的取值范圍為1667-2750uF，保險起見我們可以取標準值為2200uF額定電壓為35V的鋁點解電容。</p><p>　　另外，由于實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，所以需要一個小的陶瓷電容來濾去這些高頻信號。我們可以選擇一個104的陶瓷電容來作為高頻濾波電容。濾波電路如上圖。</p><p>　　

23、2.3.4穩(wěn)壓電路的設計 </p><p>　　穩(wěn)壓電路組要由四部分構成：調(diào)整管，基準穩(wěn)壓電路，比較放大電路，采樣電路。當采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時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行比較放大，運放的輸出電壓，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，達到500mA，為防止電流過大燒壞調(diào)整管，

24、需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該大于15-6=9V，考慮到30%的電網(wǎng)波動，我們的調(diào)整管所能承受的最大管壓降應該大于13V，最小功率應該達到=6.5W。我們可以選擇適合這些參數(shù)，并且在市場上容易買到的中功率三極管TIP41，它的最大功率為60W,最大電流超過6A，所能承受的最大管壓降為100V，遠遠滿足調(diào)整管的條件。負極的調(diào)整管則選擇與之相對應的的中功率三極管

25、TIP42。基準電路由5.1V的穩(wěn)壓管和4.7V的保護電阻組成。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，所以采樣電阻最好應該做成可調(diào)的，固采樣電路由兩個電阻和一個可調(diào)</p><p>　　求出。其中為運放正反相輸入端的電阻，為輸出端正極（負極）與共地端之間的電阻 ，為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。固可以取330、和1.5k的固定電阻置于1k的滑阻兩旁避免當滑為0.所以根據(jù)此公式可求的電路的輸出電壓為5

26、.772-9.622V?？梢暂敵?V和9V的電壓，運放選用工作電壓在15V左右前對電壓穩(wěn)定性要求不是很高的運放，由于uA741的工作電壓為正負12V-正負22V，范圍較大，可以用其作為運放，因為整流后的電壓波動不是很大，所以運放的工作電源可以利用整流后的電壓來對其進行供電。正穩(wěn)壓電路的正極和負極分別如下圖</p><p>　　為了使輸出電壓更穩(wěn)定，輸出紋波更小，需奧對輸出端進行再次濾波，可在輸出端接一個10uf的

27、點解電容和一個103的陶瓷電容，這樣電源不容易受到負載的干擾。使得電源的性質(zhì)更好，電壓更穩(wěn)定，</p><p>　　第三章 系統(tǒng)電路總圖</p><p>　　第四章 電路的調(diào)試及仿真數(shù)據(jù)</p><p>　　正負輸出的可調(diào)的最大值和最小值電壓數(shù)據(jù)如下圖：</p><p>　　調(diào)節(jié)可變電阻，可以得到課程設計所要求輸出的6V和9V的電壓，仿真

28、數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　電路輸出直流電的波形圖如下圖</p><p>　　電壓的直流電波形為標準的直線，達到設計的要求</p><p>　　而實際測量時也是這樣，輸出波形基本為一條直線</p><p><b>　　電路輸出紋</b></p><p>　　紋波電壓在2.5mV左右，比要求的5

29、mV要低，而實際測量時，紋波的電壓只有0.9mV，遠遠低于所要求的5mV，所以符合要求。</p><p><b>　　第五章 元件清單</b></p><p><b>　　第六章 總結</b></p><p>　　本課程設計運用了模擬電路的基本知識，通過變壓，整流，濾波、穩(wěn)壓等步驟，輸出理論可變范圍為5.772V-9.

30、622V而實際可調(diào)范圍為5.78V-10.45V的正負直流穩(wěn)壓電源?？偨Y如下：</p><p>　　優(yōu)點：該電路設計簡單。輸出電壓穩(wěn)定，紋波值小，而且使用的元件較少，經(jīng)濟實惠，輸出功率大，調(diào)整管可承受的范圍也很大，。</p><p>　　缺點：電壓缺少一個保護電路，當電路由于偶然原因出現(xiàn)高的電壓脈沖時，有可能對電路造成危害，使得電路故障率提高。</p><p>　　

31、改進：可以在穩(wěn)壓電路那里再接一個過保護電路電路。減少接電或斷電時產(chǎn)生的瞬間高電壓對電路元件的破壞。另外，ua741芯片較為古老，性能不穩(wěn)定，已跟不上時代的需要所以運放可以重新選擇性能更好，更穩(wěn)定的芯片。</p><p>　　心得體會：通過這次課程設計，我對于模電知識有了更深的了解，尤其是對與線性直流穩(wěn)壓電源方面的知識有了進一步的研究。同時實物的制作也提升了我的動手能力，實踐能力得到了一定的鍛煉，加深了我對模擬電路

32、設計方面的興趣。理論與實踐得到了很好的結合。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 王遠.模擬電子技術.北京：機械工業(yè)出版社，20062 王增福李昶魏永明. 新編線性直流穩(wěn)壓電源.北京：電子工業(yè)出版社，20053 何希才.穩(wěn)壓電源電路的設計與應用. 北京：中國電力出版社，20004 周志敏周紀海紀愛華.線性集成穩(wěn)壓電源實用電路.