最强大的可调直流稳压电源

直流稳压电源设计预报告 模电课程设计实验 电信二班第三组 小组成员介绍 组长 谭建军组员 龙广凤唐佳芯罗俊王红云秦鹏彭佩 前言 当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利 但是任何电子设备都有一个共同的电路 电源电路 大到超级计算机 小到袖珍计算器 所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作 当然这些电源电路的样式 复杂程度千差万别 超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统 通过这套电源系统 超级计算机各部分都能够得到持续稳定 符合各种复杂规范的电源供应 袖珍计算器则是简单多的电池电源电路 可以说电源电路是一切电子设备的基础 没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备 一 课题名称 直流稳压电源设计 1 1参数要求 1 输入电压在220V 10 时 输出电压从5 12V可调 且尽量向低端扩展 输出电流大于0 5A 2 输出纹波电压小于5mV 稳压系数小于5 10 2 输出内阻小于0 2 3 主要调整元件由晶体管构成 4 发挥部分 具有过流保护 过压保护功能 输出电流超过0 7A时电路自动过流保护 输入交流电压超过250V时电路自动过压保护 二 设计方案 1 电网供电电压交流220V 有效值 50Hz 要获得低压直流输出 首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压 2 降压后的交流电压 通过整流电路变成单向直流电 但其幅度变化大 即脉动大 3 脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑 脉动小的直流电 即将交流成份滤掉 保留其直流成份 4 滤波后的直流电压 再通过稳压电路稳压 便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出 供给负载RL 5 差分放大电路可以用来常用来抑制温度等外界因素的变化对电路性能的影响 三 实验原理图 1 电路原理方框图 3 1 1变压器变压器的作用是将220V交流电降压到负载所需要的电压 根据本课题设计要求 变压器选用220V输入 17V输出 功率不小于13W的普通型 带中心抽头更好 容易扩充 3 1 2整流滤波电路 整流滤波电路的结构如下图1所示 220V交流电压经变压器降压后 其次级电压变为U2 经二极管D1 D4 电容C实现桥式整流电容滤波 图1桥式整流滤波电路 整流电路的作用是将变压器副边交流电压U2变换成脉动直流电 滤波电路的作用是将来自整流电路的脉动直流进行平波 整流和滤波 3 1 3稳压电路图带过流保护的稳压电路稳压电路采用典型串联调整结构 一种带过流保护和指示电路的稳压电路结构如图2所示 图2 稳压电路的作用就是将滤波后的直流电源进一步平波 在电源和负载发生变化 允许的范围 时仍然提供恒定电压 对于线性稳压电路 常采用集成稳压电路和分立元件串联稳压电路等 它们各有优缺点 分别用在不同的场合 本课题主要设计分立元件串联稳压电路 这种电路可以根据要求得到输出在一定范围可调的直流电源电压 稳压效果好 输出功率大 系统效率高等优点 3 1 4保护电路 为避免在使用中因非正常原因造成输出短路或过载 致使调整管流过很大的电流 使之损坏 故需有快速保护措施 常见保护电路有 过流保护 调整管安全保护 过热保护等 根据设计要求 本电源采用过流保护 过流保护又分限流型和截流型 电路形式如图1 4 4 a b 所示 其中图1 4 4 a 是限流型 图1 4 4 b 是截流型 图1 4 4 a 图1 4 4 b 3 1初步电路图 取样部分 比较放大部分 调整管 稳压管 3 2电路图仿真 过压保护 过流保护 3 3电路图仿真 3 4电路图仿真 3 5电路图仿真 3 6电路图仿真 过压保护 恒流源 过流保护 差分放大 3 7电路图仿真 3 8电路图仿真 最终电路图 3 3参数计算 1 变压部分这一部分主要计算变压器B1次级输出电压 UB1 O和变压器的功率PB1 一般整流滤波电路有2V以上的电压波动 设为 UD 调整管Q1的管压降 UQ1 CE应维持在3V以上 才能保证调整管Q1工作在放大区 整流输出电压最大值为12V 根据第二章 常用整流滤波电路计算表 可知 桥式整流输出电压是变压器次级电压的1 2倍 当电网电压下降 10 时 变压器次级输出的电压应能保证后续电路正常工作 那么变压器B1次级输出电压 UB1 OMIN应该是 UB1 OMIN UD UQ1 CE UR8 UO MAX 1 2 UB1 OMIN 2V 3V 1 0 7 12V 1 2 17 7V 1 2 14 75V 则变压器B1次级额定电压为 UB1 O UB1 OMIN 0 9 UB1 O 14 75V 0 9 16 38V 当电网电压上升 10 时 变压器B1的输出功率最大 这时稳压电源输出的最大电流 IO MAX为700mA 此时变压器次级电压 UB1 OMAX为 UB1 OMAX UB1 O 1 1 UB1 OMAX 16 38V 1 1 18 02V 变压器B1的设计功率为 PB1 UB1 OMAX IO MAXPB1 18 02V 700mA 12 61VA 为保证变压器留有一定的功率余量 确定变压器B1的额定输出电压为17V 额定功率为15VA 实际购买零件时如果没有输出电压为17V的变压器可以选用输出电压为17 5V或以上的变压器 当选用较高输出电压的变压器时 后面各部分电路的参数需要重新计算 以免由于电压过高造成元件损坏 2 整流部分这一部分主要计算整流管的最大电流 ID1 MAX和耐压 VD1 RM 由于四个整流管D1 D4参数相同 所以只需要计算D1的参数 根据第二章 常用整流滤波电路计算表 可知 整流管D1的最大整流电流为 ID1 MAX 0 5 IO ID1 MAX 0 5 700mA 0 35A 考虑到取样和放大部分的电流 可选取最大电流 ID1 MAX为0 4A 整流管D1的耐压 VD1 RM即当市电上升10 时D1两端的最大反向峰值电压为 VD1 RM 1 414 UB1 OMAX 1 414 1 1 UB1 O 1 555 UB1 O VD1 RM 1 555 16 38V 25 48V得到这些参数后可以查阅有关整流二极管参数表 这里我们选择额定电流1A 反向峰值电压50V的IN4001作为整流二极管 3 滤波部分这里主要计算滤波电容的电容量C1和其耐压VC1值 根据根据第二章滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为 3 5 0 5 T R 一般系数取5 由于市电频率是50Hz 所以T为0 02S R为负载电阻 当最不利的情况下 即输出电压为15V 负载电流为700mA时 C1 5 0 5 T UO IO C1 5 0 5 0 02S 12V 0 7A 2924 F 当市电上升10 时整流电路输出的电压值最大 此时滤波电容承受的最大电压为 VC1 UB1 OMAX 18 02V 实际上普通电容都是标准电容值 只能选取相近的容量 这里可以选择3000 F的铝质电解电容 耐压可选择25V以上 一般为留有余量并保证长期使用中的安全 可将滤波电容的耐压值选大一点 这里选择35V 4 调整部分调整部分主要是计算调整管Q1和Q2的集电极 发射极反向击穿电压 BVQ1 CEO 最大允许集电极电流 IQ1 CM 最大允许集电极耗散功率 PQ1 CM 在最不利的情况下 市电上升10 同时负载断路 整流滤波后的出电压全部加到调整管Q1上 这时调整管Q1的集电极 发射极反向击穿电压 BVQ1 CEO为 BVQ1 CEO UB1 OMAX 18 02V 考虑到留有一定余量 可取 BVQ1 CEO为25V 这样大允许集电极耗散功率 PQ1 CM为 PQ1 CM UB1 OMAX UOMIN IQ1 CM PQ1 CM 18 02V 5V 800mA 10 4W 考虑到留有一定余量 可取 PQ1 CM为12W 当负载电流最大时最大允许集电极电流 IQ1 CM为 IQ1 CM IOMAX 700mA 考虑到放大取样电路需要消耗少量电流 同时留有一定余量 可取 IQ1 CM为800mA 查询晶体管参数手册后选择3DD155A作为调整管Q1 该管参数为 PCM 20W ICM 1A BVCEO 50V 完全可以满足要求 如果实在无法找到3DD155A也可以考虑用3DD15A代替 该管参数为 PCM 50W ICM 5A BVCEO 60V 选择调整管Q1时需要注意其放大倍数 40 调整管Q2各项参数的计算原则与Q1类似 下面给出各项参数的计算过程 BVQ2 CEO BVQ1 CEO UB1 OMAX 18 02V同样考虑到留有一定余量 取 BVT2 CEO为25V IQ2 CM IQ1 CM Q1 IQ2 CM 700mA 40 18mA PQ2 CM UB1 OMAX UOMIN IQ2 CM PQ2 CM 18 02V 5V 18mA 0 234W考虑到留有一定余量 可取 PQ2 CM为250mW 5 基准电源部分基准电源部分主要计算稳压管D1和限流电阻R1的参数 稳压管D1的稳压值应该小于最小输出电压UOMIN 但是也不能过小 则会影响稳定度 这里选择稳压值为3 3V的1N4728A 该型稳压管的最大工作电流为76mA 最大功耗为250mW 为保证稳定度 稳压管的工作电流ID1应该尽量选择大一些 而其工作电流ID1 IR1 IQ3 B 由于 IQ3 B在工作中是变化值 为保证稳定度取IR1 IQ3 B 则ID1 IR1 这里初步确定IR1MIN 6mA 则R1为 R1 UOMIN UD1 IR1MINR1 5V 3 3V 6mA 283 实际选择时可取R1为300 当输出电压UO最高时 IR1MAX为 IR1MAX UOMAX R2IR1MAX 12V 3 3V 300 29mA这时的电流IR1MAX小于稳压管D1的最大工作电流 可见选择的稳压管能够安全工作 6 取样部分取样部分主要计算取样电阻RV1 R4 R5的阻值 由于取样电路同时接入Q4的基极 为避免Q4基极电流IQ4B对取样电路分压比产生影响 需要让IQ4B IR4 另外为了保证稳压电源空载时调整管能够工作在放大区 需要让IR4大于调整管Q1的最小工作电流 IQ1 CEMIN 由于3DD155A最小工作电流 IQ1 CEMIN为1mA 因此取IR4MIN 10mA 则可得 RV1 R4 R5 UOMIN IR4MINRV1 R4 R5 5V 10mA 500 当输出电压UO 5V时 UD1 RV1 R5 RV1 R4 R5 UO RV1 R5 UD1 RV1 R4 R5 UO RV1 R5 3 3V 500 5V 330 当输出电压UO 12V时 UD1 R5 RV1 R4 R5 UOR5 UD1 RV1 R4 R5 UOR5 3V 500 12V 137 5 实际选择时可取R5为140 这样RV1为200 R3为160 7 放大部分 放大部分主要是计算恒流源电路和差分放大管Q3 Q4的参数 先计算Q4的参数 由于这部分电路的电流比较小 主要考虑Q4的放大倍数 和集电极 发射极反向击穿电压 BVQ4 CEO 这里需要Q4工作在放大区 可通过控制Q4的集电极电流 IQ4 C来达到 而 IQ4 C是由恒流源控制 并且有 IR7 IQ4 C IQ2 B 7 放大部分 一方面 为保证Q1能够满足负载电流的要求 要求满足IR3 IQ2 B 另一方面 为保证Q4稳定工作在放大区 以保证电源的稳定度 其集电极电流 IQ4 C不能太大 这里可以选IR7为1mA 则R7为 R7 UD2 UQ5 BE IR7R7 4 3V 0 7V 1mA 3 6K 实际选择时可取R7为4K 有恒流源 所以无论输出电压是多大 对Q4工作点都没影响 可达到很稳定的效果 由于放电电路的电流并不大 各项电压也都小于调整电路 可以直接选用3GD6D或9014作为放大管T3 8 其他元件在Q2的基极与地之间并联有电容C2 此电容的作用是为防止发生自激振荡影响电路工作的稳定性 一般可取0 05 F 35V 在电源的输出端并联的电容C3是为提高输出电压的稳定度 特别对于瞬时大电流可以起到较好的抑制作用 可选470 F 25V铝电解电容 9 保护部分 过流保护4 3V 1 4V 2 9V2 9V 0 7 4 14 所以取R3 4 过压保护0 7V 4 3V 5V 220V 17V 250 X 得X 19 3V 5V 19 3 X 16K 得X 4 14K 1K 3 14K 3 14K 5K 0 63 10 指示部分 红色LED 一般取2V 所以R6 18V 15mA 1200 因为要长期工作 所以取为1 5K 绿色LED 一般取2 2V 所以R13 23 16V 2 2V 20V 3mA 320 一般取300 蓝色LED 一般取3V 所以UO最小时 R14 5V 3V 10mA 200 UO最大时 R14 12V 3V 10mA 900 所以 取R14 500 取I0 300mA 改变整流电路输入电压U2 模拟电网电压波动 分别测出相应的稳压器输入电压UI及输出直流电压U0 记录数据 根据测量结果计算稳压系数 S 220 242 198 Uo1 Uo2 Uo 5 0 000579 0