串联型直流稳压电源设计

武汉理工大学《模拟电子技术》课程设计说明书摘要直流稳压电源一般由直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压为正负三伏与九伏。伏与九伏。关键词：直流；稳压；变压第1页共22页武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第第10页目录绪论 3设计目的及意义 3设计的任务及要求 3设计方案 4直流稳压电源电路设计 4采用三端集成稳压器电路 4用单片机制作的可调直流稳压电源 晶体管串联式直流稳压电路 4最终决定的直流稳压电源电路设计方案 直流稳压电源方案的确定 7电源变压器 7整流电路 7滤波电路 10稳压电路 12元件选择 13变压器的设计和选择 14整流电路的设计及整流二极管的选择4.3滤波电容的选择 154.4稳压电路的设计 154..5总体电路 17电路仿真及数据分析 18电路仿真 18数据整理及最终分析 19稳压模块的数据结果 19整体分析 19稳定直流稳压源的制作 207.总结 20参考文献 21附录元件清单 22绪论设计目的及意义本次设计的串联型直流稳压电源具有较高的实用价值。通过本次设计让我充西：较熟练的掌握了电子线路仿真软件（Multisim）的使用。设计的任务及要求要求完成的主要任务：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-p≤5mv设计方案直流稳压电源电路设计采用三端集成稳压器电路0V路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。用单片机制作的可调直流稳压电源LM317，LM337AT89CS510～24V，0.1V1A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分。晶体管串联式直流稳压电路UOUIUO0VV性能比较好且对瞬时变化的适应性较好。故选择此方案。最终决定的直流稳压电源电路设计方案220V-15V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。波样波正极输出端变全电电电压波路基准电压路路正极滤正极滤稳压电路比较放大采输出滤电路整流共地端负极滤波电路稳压电路比较放大采样电路输出滤波电路负极输出端基准电压电路设计直流稳压电源组成：3.1.11．电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压较小。整流电路：量。滤波电路：电压和负载电流的变化而变化。稳压电路：稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。整滤稳整滤稳流波压负载工频交流 脉动直流 直流图3.1.1串联型直流稳压电源原理框图直流稳压电源方案的确定根据设计的要求，电路分为四个模块，每个模块的选择如下：电源变压器

高23V，输出的电压为6V和9V，在桥式I O15V1/1.513V15V的变压器。整流电路流信号变成直流信号。（1）半波整流半波整流电路如图3-2-1所示。为分析方便起见，可设二极管为理想的。DTrTRL图3-2-1 半波整流电路22m该电路工作原理：设变压器次级电压U2=U 22m

Usint，其中U 为2 2其幅值，2 2

为有效值。当U

变化的正半周期时，二极管D受正向电压偏置而导2通，U2

=UUD=0。L 2 2 L和2 U U 2-2-2和2 性，且是半波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。由理论分析可得，输出单向脉冲电压的平均值即直流分量为：U =UL0

2m/= 2≈0.45

（1）（里可通称为谐波，这些谐波的总和称为纹波，它叠加与直流分量之上。常用纹波系数来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即U U （2）lr lo12U2L12U2L2U2L0U2 UU2 U2 L2 L4

（3）由式1(）和）流电路的输出电压纹波较大。UUULU2ωU2oωtoωtULULoωt oωt图3-2-2半波整流电路波形半波整流电路中的二极管安全工作条件为：二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即I＞I =U /R=0.45U

（4）F D0 L0 L 2 LR二极管的最大反向工作电压R

必须大于二极管实际所承受的最大反向峰2RM2值电压U ，2RM2

＞ ＞ R

U （5）（2．全波桥式整流电路全波桥式整流电路如图(a)4整流之称。图(b)所示为该电路的简化画法。+U1-T+U1-TrU1+UDD432-D1DR2LU2RL + +U UL O- -图3-2-3 全波桥式整流电路 图3-2-4 全波桥式整流电路简便画法2该电路工作原理参见图3-2-3设变压器次级电压U=Usint= Usint，22 2m 2U为其幅值，UUD

因受正2m 2 2 1 3DU的负半周期时，二极管2 4 2DDDDUU的波形如下2 4 1 3 2 L图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为：22U=2U/= U22

（6）L0 2m π 2 2ωωωωU其纹波系数为：

图3-2-5 全波整流电路波形图U UL0

（7）式中，U为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为：LU U2U2 U2U2

（8）L2 L4 2 L0由式4（5）和6）全波整流电路中的二极管安全工作条件为：a）4管是两两轮流导通的，因此有I＞I=0.5U/R=0.45U

（9）F D0 L0 L 2 Lb）二极管的最大反向工作电压UR

必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压U，即RM2U＞U= U2

（10）R RM 2为了克服半波整流的缺点，故我们常采用桥氏整流电路。如图3-2-6所示：

AD+～AD+～220VuD2DDRlB整流部分整流出来的直流含有大量的纹波。方案一：电容滤波UC=Q/C。取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书武汉理工大学《模拟电子电路》课程设计说明书第第20页3-2-7电容滤波电路U0C及负载电RLtRlC>（3~5）T/2。方案二：电感滤波电感滤波是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原电流方向相反，自感电动势阻碍电位增加的同时，也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之，当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。3.2.8电容滤波电路L点。以上分析知，采用电容滤波（方案一）比较好！稳压电路1、方案比较如图1，以稳D1Q1引起R2

两端电压的变化增大（减小）（降低，而稳压管端的电压基本不变，故基极电位不变，所以由UBE

U UB

可知U 将BE减小（升高）导致基极电流和发射极电流的减小（增大R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。方案一稳压部分单元电路低A；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。方案二稳压部分单元电路第一个方案 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，本次课程设计的方案。元件选择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UCE

UImax

U

为CE饱和管压降，而U

Imax

=9V

Omin

为最小的输入电压，以饱和管压降UCE

=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，220V-15VP=UI可知，变压器的功率应器。结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的12W1A变压器。器。结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的12W1A变压器。4.2整流电路的设计及整流二极管的选择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，44.1.14.1.1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U ：o(AV)U =1o(AV)

0

sintd(t)= 22 2

=0.9U2

（11）其中U2为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得Uo(AV)=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U2，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是2 2U2，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Uo(AV)19.3V48.8500mA1A，1000VIN4007.滤波电容的选择当滤波电容C1

偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而C1

偏大时，整流二极管导通角前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为0.5A18TC=(3～5)2RL来求滤波电容的取值范围，其中在电路频率为的情况下，T为20ms则电容的取值范围为35V波电路如图4.1.2： 4.1.2滤波电路稳压电路的设计电路（降低A（高（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CE13V，最小功率应该达到PI（1.1UL 1

U 。我们可以选择适合这些参数，并且在市场0minTIP41，60W,6A，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TIP425.1V4.7V69组成，根据公式：Umax

RUR DD

（12）求出。其中R

为运放正反相输入端的电阻，R为输出端正极（负极）与共地端之间的DU为稳压管的稳压值。固可以取3301.5k1k的滑阻两旁避免D当滑R0.所以根据此公式可求的电路的输出电压为5.772-9.622V6V9V的D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的工作电压为正负正负22V正稳压电路的正极正稳压电路的负极10uf103干扰。使得电源的性质更好，电压更稳定，总体电路电路总图电路仿真及数据分析电路仿真XMM1XFG1

D11N4007

D31N4007

C1

C8

R21.5kΩ

Q1TIP41CD61N4733A

4 U1263517 D51N4733A

R5330ΩR11kΩKey=AR71.5kΩ

C6

C310µFD21N4007

D41N4007

C2

C7

R31.5kΩ

Q2TIP42C

517 U23624

R61.5kΩR81kΩKey=AR4330Ω

C5

C410µF图5.1.1仿真图理论值为5.772V理论值为5.772V9.66V10.45V，造0.89V电阻的实际调节范围偏大，导致输出电压偏大。5.1.2模拟输出图电路输出直流电的波形图如下图5.4，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。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，如图5.5，所以符合要求。图5.1.3输出波形 图5.1.4 纹波波形数据整理及最终分析稳压模块的数据结果220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20a．8.923V，-8.919V，5.973V,-5.967V0.177%（220V15%～－20到满载）纹波电压（峰-峰值）2.5mV500mV整体分析稳定直流稳压源的制作上停留时间太长，焊盘容易焊坏。总结5.772V-9.622