毕业设计---串联直流稳压电源.doc

毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 论文题目 论文题目 串联型直流稳压电源 所属系部 所属系部 电子工程系 指导老师 指导老师 王传清 职职 称 称 教授 学生姓名 学生姓名 xxx 班级 学号班级 学号 xxx 专专 业 业 xxx 2010 年年 11 月月 18 日日 1 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 题目 题目 串联型直流稳压电源 任务与要求 任务与要求 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 输出电压 6V 9V 两档 正负极性输出 输出电流 额定电流为 150mA 最大 电流为 500mA 纹波电压峰值 Vop p 5mv 时间 时间 年 月 日 至 年 月 日 所属系部 所属系部 电子工程系 学生姓名 学生姓名 xxx 学学 号 号 xxx 专业 专业 航空电子设备维修 指导单位或教研室 指导单位或教研室 指导教师 指导教师 xxx 职职 称 称 xxx 2 目录 一 设计题目一 设计题目 2 二 设计任务和要求二 设计任务和要求 2 三 串联型直流稳压电源基本原理三 串联型直流稳压电源基本原理 2 一一 交流电和直流电 交流电和直流电 2 二二 整流电路和滤波电路 整流电路和滤波电路 2 1 二极管的单向导电功能 3 2 半波整流 全波整流和桥式整流 3 3 注意 整流电路中的二极管是作为开关运用的 7 4 滤波电路 7 四 直流稳压电路四 直流稳压电路 11 一 基本原理 11 二 串联型稳压电源的改进 12 五 程序设计五 程序设计 13 1 方案比较 13 2 电路框图 14 3 电路设计及元器件选择 15 1 变压器的设计和选择 15 2 整流电路的设计及整流二极管的选择 15 3 滤波电容的选择 16 4 稳压电路的设计 16 六 画出系统的电路总图六 画出系统的电路总图 18 七 电路的调试及仿真数据七 电路的调试及仿真数据 19 八 参考文献八 参考文献 22 九 总结九 总结 23 十 谢辞十 谢辞 24 3 串联型直流稳压电源毕业设计串联型直流稳压电源毕业设计 一 设计题目一 设计题目 题目 串联型直流稳压电源 二 设计任务和要求二 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 正负极性输出 2 输出电流 额定电流为 150mA 最大电流为 500mA 3 纹波电压峰值 Vop p 5mv 三 串联型直流稳压电源基本原理三 串联型直流稳压电源基本原理 一一 交流电和直流电 交流电和直流电 1 两种电流的特点 大小和方向随时间变化的电流叫做交流电流 大小和方向恒定 的电流叫做直流电流 2 两种电流的应用 从发电厂输出的电流极大多数是交流电 这主要因为交流电到 达用户端后其电压的大小容易通过变压器进行变换 以适应各种不同电器的需要 但是 有相当多的电器用的是直流电 所以我们又必须把交流电变换成直流电 这 一过程就是变压 整流 滤波和稳压电路的任务 二二 整流电路和滤波电路 整流电路和滤波电路 1 二极管的单向导电功能 1 PN 结加正向电压时 可以有较大的正向扩散电流 即呈现低电阻 我们称 PN 结导通 PN 结加反向电压时 只有很小的反向漂移电流 呈现高电阻 我们称 PN 结 截止 这就是 PN 结的单向导电性 2 加正向电压 正偏 电源正极接 P 区 负极接 N 区时外电场的方向与内电 场方向相反 外电场削弱内电场 耗尽层变窄 扩散运动 漂移运动 多子扩散形成正 向电流 与外电场方向一致 I F 3 加反向电压 反偏 电源正极接 N 区 负极接 P 区时外电场的方向与内电 场方向相同 外电场加强内电场 耗尽层变宽 漂移运动 扩散运动 少子漂移形成反 向电流 I R 2 半波整流 全波整流和桥式整流 1 单相桥式整流电路 A 工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路 其电路如图 1 所示 4 a 整流电路 b 波形图 图 1 单相桥式整流电路 在分析整流电路工作原理时 整流电路中的二极管是作为开关运用 具有单向导电性 根据图 10 1 2 a 的电路图可知 当正半周时二极管 D1 D3 导通 在负载电阻上得到正弦波的正半周 当负半周时二极管 D2 D4 导通 在负载电阻上得到正弦波的负半周 在负载电阻上正负半周经过合成 得到的是同一个方向的单向脉动电压 单相桥 式整流电路的波形图见图 2 b B 参数计算 根据图 2 b 可知 输出电压是单相脉动电压 通常用它的平均值与直流电压等效 输出平均电压为 22 0 2LO 9 0 22 dsin2 1 VVttVVV V2 ID1 0 ID2 0 I0 0 V0 0 VD1 0 wt wt wt wt wt wt 5 流过负载的平均电流为 流过二极管的平均电流为 二极管承受的最大反向电压 VRmax 2V2 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量 可将脉动电压做傅里叶分析 此 时谐波分量中的二次谐波幅度最大 最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S C 单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线 该曲线如图 10 1 3 所示 曲线的斜率代表了整流电路的内阻 图 3 负载特性曲线 2 单相半波整流电路 L 2 L 2L D 45 0 2 2R V R VI I 4cos 15 4 2cos 3 4 2 2 2O ttVv 67 0 3 2 22 3 24 22 VV S OO IfV L 2 L 2 L 9 0 22 R V R V I I0 0 9V2 0 V0 6 单相整流电路除桥式整流电路外 还有单相半波和全波两种形式 单相半波整流电 路如图 2 a 所示 波形图如图 2 b 所示 a 电路图 其波形图如下 b 波形图 图 2 单相半波整流电路 根据图 2 可知 输出电压在一个工频周期内 只是正半周导电 在负载上得到的是半 个正弦波 负载上输出平均电压为 I0 V2 V0 V1 VD RL V2 0 I0 ID 0 V0 0 VD 0 wt wt wt wt 7 流过负载和二极管的平均电流为 ID IL 二极管所承受的最大反向电压为 VRmax 2V2 3 单相全波整流电路 单相全波整流电路 波形图如图 3 b 所示 b 波形图 图 3 单相全波整流电路 根据图 3 b 可知 全波整流电路的输出 与桥式整流电路的输出相同 输出平均 电压为 L 2 L 2 Lo 9 0 22 R V R V II 流过负载的平均电流为 二极管所承受的最大反向电压 VRmax 2 2V2 22 0 2LO 45 0 2 d sin2 2 1 VV ttVVV 22 0 2LO 9 0 22 d sin2 1 VVttVVV 2V2 RL 0 45V2 RL 8 单相全波整流电路的脉动系数 S 与单相桥式整流电路相同 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过 而半波和全波整流电路中均有直流 分量流过 所以单相桥式整流电路的变压器效率较高 在同样的功率容量条件下 体积可 以小一些 单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路 故广泛应用于直 流电源之中 3 注意 整流电路中的二极管是作为开关运用的 整流电路既有交流量 又有直流量 通常对 输入 交流 用有效值或最大值 输出 交直流 用平均值 整流管正向电流 用平均值 整流管反向电压 用最大值 4 滤波电路 1 电容滤波电路 A 滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交 直流阻抗的不同 实现滤波 电容器 C 对直流 开路 对交流阻抗小 所以 C 应该并联在负载两端 电感器 L 对直流阻抗小 对交流阻抗 大 因此 L 应与负载串联 经过滤波电路后 既可保留直流分量 又可滤掉一部分交流 分量 改变了交直流成分的比例 减小了电路的脉动系数 改善了直流电压的质量 B 电容滤波电路 现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明 电容滤波电路如图 4 所示 在负 载电阻上并联了一个滤波电容 C 67 0 3 2 22 3 24 22 VV S V1 V2 V0 I0 RL D4 D1 D3 D2 C 9 图 4 单相桥式电容滤波整流电路 C 滤波原理 若电路处于正半周 二极管 D1 D3 导通 变压器次端电压 v2 给电容器 C 充电 此时 C 相当于并联在 v2 上 所以输出波形同 v2 是正弦形 图 5 桥式整流 电容滤波时的电压 电流波形 当 v2 到达 90 时 v2 开始下降 先假设二极管关断 电容 C 就要以指数规律向负载 L 放电 指数放电起始点的放电速率很大 在刚过 90 时 正弦曲线下降的速率很慢 所以刚过 90 时二极管仍然导通 在超过 90 后的某个点 正弦曲线下降的速率越来越 快 当刚超过指数曲线起始放电速率时 二极管关断 所以 在 t1 到 t2 时刻 二极管导电 充电 vC vL 按正弦规律变化 t2 到 t3 时 刻二极管关断 vC vL 按指数曲线下降 放电时间常数为 RLC 电容滤波过程见上图 5 wt wt wt V2 0 V0 Vc 0 ID 0 10 图 6 RLC 不同时 VO 的波形 需要指出的是 当放电时间常数 RLC 增加时 t1 点要右移 t2 点要左移 二极管关断时间加长 导通角减小 见曲线 3 反之 RLC 减少时 导通角增加 显 然 当 L 很小 即 IL 很大时 电容滤波的效果不好 见图 6 滤波曲线中的 2 反之 当 L 很大 即 IL 很小时 尽管 C 较小 RLC 仍很大 电容滤波的效果也很好 见滤波曲线中的 3 所以电容滤波适合输出电流较小的场合 D 电容滤波的计算 电容滤波的计算比较麻烦 因为决定输出电压的因素较多 工程上有详细的曲线 可供查阅 一般常采用以下近似估算法 一种是用锯齿波近似表示 即 另一种是在 RLC 3 5 T 2 的条件下 近似认为 VL VO 1 2V2 或者 电容滤波要 获得较好的效果 工程上也通常应满足 RLC 6 10 E 外特性 整流滤波电路中 输出直流电压 VL 随负载电流 IO 的变化关系曲线如图 7 所示 图 7 纯电阻和电容滤波电路的输出特性 4 1 2 L 2OL CR T VVV 2V2 0 9V2 电容滤波 电阻负载 11 RL V0 2V2 C 0 V0 0 9V2 t RLC 3 5 T 2 V0 1 2V2 名 称VL 空载VL 带载二极管反向最 大电压 每管平均 电流 半波整流 2V20 45V2 2V2IL 全波整流 电容滤波 2V21 2V22 2V20 5IL 桥式整流 电容滤波 2V21 2V2 2V20 5IL 桥式整流 电感滤波 2V20 9V2 2V20 5IL 2 电感滤波电路电感滤波电路 利用储能元件电感器 的电流不能突变的性质 把电感 与整流电路的负载 L 相串 联 也可以起到滤波的作用 由纯电感电路中欧姆定律的表达式 I U XL 和线圈的感 抗公式 XL 2 fL 可知 感抗跟通过的电流的频率有关电感 L 越大 频率 f 越高 感抗就 越大 电流就越小 所以电感线圈在电路中有 通直流 阻交流 的说法 所以电感有滤 波作用 电感滤波电路如图 8 所示 电感滤波的波形图如图 9 所示 图 8 电感滤波电路 电感滤波的波形图如下 wt wt wt V2 0 V1 0 V0 0 V2 V1 D4 D1 D3 D2 C V0 I0 RL L 12 图 9 电感滤波的波形图 当 v2 正半周时 D1 D3 导电 电感中的电流将滞后 v2 当负半周时 电感中的电流将经由 D2 D4 提供 因桥式电路的对称性 和电感中电流的 连续性 四个二极管 D1 D3 D2 D4 的导通角都是 180 四 直流稳压电路 四 直流稳压电路 一 基本原理 利用三极管工作在放大区时 其集电极与发射极之间电压 Uce 受到基极电流 Ib 控 制的特性 以 NPN 型三极管为例 如图 1 c b e UceIb Ic 图 1 当 Ib Ic Uce 反之 Ib Ic Uce 现在我们来分析串联型稳压电路的工作原理 图 2 R D RL Uce Uo Ui Uz 图 2 Ui 输入电压 Uo 输出电压 Uce 三极管 C E 极电压降 Uz 基准电压 RL 负载电阻 分两种情况分析稳压过程 1 当输入电压 Ui 波动而负载不变时 Ui Uo Ube Uz Uo Ic Uce Uo 如果输入电压 Ui 下降 可以同样分析 但最后结论时一样的 得到反相补賞 使 输出电压稳定 13 2 当输入电压 Ui 不变而负载变化时 RL Uo Ib Uce Uo 反之 当负载电阻 RL 变大时 也会使输出电压因反相补賞而稳定 二 串联型稳压电源的改进 上述的简单串联型稳压电路虽能在一定程度上稳定输出电压 但是当输出电压变化 较小时 如果用它直接去控制调整管的基极 对调整管的控制作用就不明显 稳压效果 也不理想 为了提高稳压效果 通常采用具有放大环节的串联型稳压电路 组成框图如 图 3 RL 图 3 图 4 是我们制作的稳压电路原理图 T 1 2 3 4 BG2 8050 W BG1 9014 C2 220uF R1 5 1 D1 D4 R3 330 R2 1K C1 470uF 16V 1K LED 图 4 T 电源变压器 D1 D4 桥式整流电路 R1 输出短路保护电阻 R2 基准电压限流电阻兼调整管偏流电阻和放大三极管 BG1 集电极负载电阻 BG1 取样电压放大 BG2 调整管 14 W 取样电位器 C1 C2 滤波电容 现在看一个稳压电路工作的例子 如果输入电压变小 即 Ui 这时输出电压 Uo 也会下降 电位器 W 取得的电压 也下降 导致 BG1 基极电位下降 而 BG1 的发射极 E 因为 LED 关系有一个比较稳定 的电位 这样 Ube 变小 Ib 也变小 Ib 变小的结果使 R2 两端电压降变小 使 BG1 的 集电极电位升高 也就是使 BG2 的基极电位升高 导致 BG2 的集电极电流增加 使 Uce 电压变小 从而使输出电压升高 补賞下降的趋势 维持输出电压稳定 五 程序设计 五 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 所以由可知将减小 升高 导致基极电流和发射极电流的减小 EBBE UUU BE U 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 15 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 16 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 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 为饱和管压降 而 OminImaxCE UUU CE U 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 Imax U Omin U CE U 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 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 AVo U 17 0 9 AVo U sin2 1 0 2 tdtU 2 22U 2 U 其中为变压器次级交流电压的有效值 我们可以求得 13 5v 2 U AVo U 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 2 U 大反向电压将是 即为 34 2v 2 22U 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 AVo U 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 1 C 1 C 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 L R T 2 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 18 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 min01L UU1 1IP 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 D U D max R R U 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 D RR 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为 0 所以 D U D R 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 19 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 20 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 六 画出系统的电路总图六 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 2200uFRB 3 62 个 电解电容 10uFRB 2 42 个 104RAD 0 22 个 电容 陶瓷电容 103RAD 0 12 个 4 7KAXIAL 0 32 个 330AXIAL 0 32 个电阻 1 5kAXIAL 0 32 个 可变电阻1kSip32 个 运放uA741DIP82 个 稳压管5 1vDIODE 0 42 个 TIP41TO2201 个 调整管 TIP42TO2201 个 21 七 电路的调试及仿真数据七 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 理论值为 而实VV66 9772 5 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 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 22 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 23 八 参考文献八 参考文献 胡宴如主编 模拟电子技术 北京 高等教育出版社 2000 童诗白主编 模拟电