串联型稳压直流电源课程设计实验报告.doc

串联型直流稳压电源的设计报告一. 题目: 串联型直流稳压电源的设计。二. 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-p5mv；三. 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、三极管等元件器件。220V的交流电经变压器变压后变成电压值较少的交流，再经过桥式整流电路和滤波电路形成直流，稳压部分采用串流型稳压电路。比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，所以其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，并保持射极输出形式，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.用晶体管和集成运放组成基本串联型直流稳压电源方案二.用晶体管和集成运放组成的具有保护换届的串联型直流稳压电源.方案三：用晶体管和集成运放组成的实用串联型直流稳压电压可行性分析： 上面三种方案中，方案一最简单，但功能也最少，没有保护电路和比较放大电路，因而不够实用，故抛弃方案一。方案三功能最强大，但是由于实验室条件和经济成本的限制，我们也抛弃方案三，因为它牺牲了成本来换取方便。所以从简单、合理、可靠、经济从简单而且便于购买的前提出发，我选择方案二未我们最终的设计方案。2.结合设计的要求，电路框图如下 稳压电路 稳压电路变压电路全波整流正极滤波电路负极滤波电路比较放大采样电路基准电压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调整管保护电路调整管保护电路3.单元电路设计与元器件选择 （1）变压器的选择直流电的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对电流电压处理。电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。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，为饱和管压降，而=9V为输出最大电压，为最小的输入电压，以饱和管压降=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0.5A9V=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双15V，额定功率20W的变压器。（2）整流滤波电路：桥式整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。1.桥式整流器的选择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。查阅资料可知单相整流电路有半波整流电路、单相桥式整流电路（全波整流电路）。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、脉动系数小等优点。所以在电路中采用单相桥式整流电桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。 二极管的平均电压为：=0.9其中为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得=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，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是，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 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的二极管的桥式整流器。2.滤波电路的选择与器件的选择。整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的直流和交流成分(称为纹波电压)。这样的直流电压作为电镀、蓄电池充电的电源还是允许的，但作为大多数电子设备的电源，将会产生不良影响，甚至不能正常工作。在整流电路之后，需要加接，尽量减小输出电压中交流分量，使之接近于理想的直流电压。滤波电路作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LC型滤波和RC型滤波等)。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。无源滤波电路的结构简单，易于设计，通常用在功率电路中，所以这里采用无源滤波电路，电容滤波器和电感滤波器相比，导通角小，但其脉动系数大，适用与小电流负载，同时还可吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源串入的干扰，使得电子电路的工作性能更加稳定，结合本设计的具体要求，本次设计采用电容滤波器进行滤波。滤波电容容量大因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑，当滤波电容偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而偏大时，整流二极管导通角偏小，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500mA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=(35) 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25V的铝电解电容。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，所以需要一个小的电容来滤去这些高频信号。我们可以选择一个0.33uF的电解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 从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，串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流，在电路中引入深度的电压负反馈使输出电压稳定；并且通过改变反馈网络参数使输出电压可调。稳压电路组要由四部分构成：调整管，保护电路，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=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中功率PNP型三极管TIP42。在集成稳压器电路内部含有各种保护电路，使集成稳压器在出现不正常情况时不至于损坏。因为串联型稳压电路的调整管是其核心器件，它流过的电路近似等于负载电流，且电网电压波动或输出电压调节时管压降将产生相应的变化，所以这些保护电路都与调整管紧密相关。过流保护电路能够在稳压管输出电流超过额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值或使之迅速减少，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏， TIP41也足够在作为保护电路中的三极管使用。输出的最大电流为500mA,根据公式: IOmsxIEmaxUBE2/R 所以保护电路中的采样电阻选用1欧姆的，负极的保护电路则选择与之相对应的中功率PNP型三极管TIP42和1欧姆电阻。基准电路由4.7V的稳压管和4.7K欧姆的保护电阻组成。由于输出电压要求为6伏和9伏，如果采样电路使用固定值的电阻，由于各种因素（如本身阻值的误差等）很容易造成误差，为了使输出电压准确值高，所以采样电阻最好应该做成可调的，固采样电路由一个电阻和一个可调电阻组成，根据公式：求出。其中为运放正反相输入端的电阻，为输出端正极（负极）与共地端之间的电阻 ，为稳压管的稳压值。固可以取220欧姆、和0.5k欧姆的固定电阻置于中间的滑阻两旁避免当使为0.所以根据此公式可求的电路的输出电压为4.7-15.381V，可以输出6V和9V的电压。为了方便输出6V和9V两档的电压，用单刀双掷开关接两个电位器，用开关来控制6V和9V两个档位。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常见的741运算放大器，由于741的工作电压为正负12V至正负22V，范围较大，可以用其作为运放，因为整流滤波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。正负端的稳压电路为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，可以对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个100nf的电解电容和一个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，输出纹波更小。四、画出系统的电路总图元器件清单元件类型元件序号型号主要参数数量变压器T2双15V20W1个集成运算放大器U1、U27412个三极管Q1、Q2、Q3、Q4TIP41、TIP42中功率各2个电解电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、2.2uF25V、330nF25V、0.1uF25V各2个陶瓷电容C7、C81032个电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R9、R11、R12、1K、1、220、202个、2个、2个、4个电位器R8、R10、R13、R145004个整流桥D1KBP2061个开关J1、J2单刀双掷2个稳压管D1、D2ZPD4.74.7V2个电源线一条元器件介绍：TIP41三极管 TIP42三极管型号：TIP41C 型号：TIP42C 封装：TO-220 封装：TO-220 极性：NPN 极性：PNP 主要参数：100V，6A，65W，3MHZ，HFE=15-75 主要参数：100V，6A，65W，3MHZ，HFE=15-75对管：TIP42 对管：TIP41 HA17741单运算放大器封装：DIP8特有属性 输入失调电压 :9.0 mV 输入失调电流 :200 nA 输入偏置电流 :1100 nA 共模输入电压范围 :-12 V 12 V 共模抑制比 :70 dB 大信号电压增益 :86 dB 输出峰-峰电压 :-10 V 10 V 电压转换速率 :1.0 V/us 电源电压 :18 V 功耗 :100 mW桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成。2A整流桥 型号：KBP206封装：塑封DIP4 主要参数：2A，600V 桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成五、电路的调试及仿真数据1.仿真测试.正负输出的可调的最大值和最小值电压仿真数据如下图： 用理论数据计算出电路的输出电压为4.7-15.381V.，所以仿真数据基本符合理论计算.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： 由于仿真软件中的电位器只能每次5%的移动，所以不能准确调整成正负6V、9V。电路输出直流电的波形图如下图仿真软件中用示波器测量电压的直流电波形为标准的直线，达到设计的要求仿真电路输出的纹波波形图如下电路的纹波电压在1.7mV左右，比要求的5mV要低实际调试： 一开始焊好电路后随便测试一下输入输出端有没有短路后就接上电源进行测试，用万用表测量一下，发现输出端没有示数，检查电路才发现有一条线忘记连接了。把电路焊接好几经检查后就再行实际调试， 但是在调试中，作为正负端负载的4个20欧姆的电阻烧坏了。为了使输出电压为6V时，为定电流150mA ，所以负载使用 两个20欧姆电阻串联，由于没意识到6V时负载的功率为0.9W，而电阻的额定功率为0.25w，因为超过电阻的承受能力，所以就烧了。于是我就把电阻拆下来，没有要负载了。再进行调试，用万用表测量输出正端电压输出可调范围是4.74V-15.84V，负端电压输出可调范围为-4.71V-15.48V，与理论数据计算出电路的输出电压范围4.7-15.381V 在误差允许的范围内一致。而且电位器能够准确的使输出是正负6V、9V，配合开关使用就可以6V 、9V两档输出。基本达到了课程设计的要求。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4.7V-15.3814V而实际正端电压输出可调范围是4.74V-15.84V，负端电压输出可调范围为-4.71V-15.48V的正负直流稳压电源。总结如下：优点：该电路设计简单。输出电压稳定并且可调，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：体积比用稳压芯片的大得多，且电路中只有一个过流保护电路，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，长时间大电流工作也可能使得调整管或者运放过热而损坏，使得电路故障率提高。改进：可以在稳压电路那里再接一个保护电路。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。焊接的量较大，焊接得不好容易碰线或者对结果造成较大误差，如果采用PCB版效果会更好。为了使电源的适应范围更为广，可以设计成输出可调再加上数码管显示，有同学就是这样设计的，最后出来的效果不错。心得体会： 一分耕耘一分收获，付出的汗水总会浇灌出一些果实。经过一个课程设计，我受益匪浅，对于模电的体会或者与上个学期一整个学期相比，也不成多让。上个学期学完模电之后总觉得缺少了什么，当老师在布置课程设计的时候，听到老师说的那句话：“你们学了模电是不是好像没学一样。”瞬间，我触动了，我知道缺少什么了。在学习模电的时候，我们只是在应付期末考试，完全没有去深入了解，也没有去动手做过什么作，单纯地为了期末的六十分而肤浅的去学习。或许这是大学生的通病，于是乎模电课程设计很好地弥补了这一点。做课程设计会让你更好更深入地了解模电知识，并让了明白了实际与理论的区别。我做的是直流稳压电源，为了这一块的知识，我不得不重新把模电书的相关部分认真地研究一次，并且比以前更加深入了解，如果不是课程设计，我只是简单地知道整流滤波稳压这几个过程，根本不会去深入了解每个过程的原理。在研究每个单元电路的时候还把要用的基础元件的知识也复习了一遍，或许我这时才是真正的在学习模电。当把要知道的知识掌握后，就到自己设计，参考着书