串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì).doc

1課程設(shè)計(jì)的目的通過(guò)課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用本門(mén)課程及有關(guān)先修課程的基本知識(shí)去解決某一實(shí)際問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，加深對(duì)該課程知識(shí)的理解。主要培養(yǎng)以下能力:查閱資料：搜集與本設(shè)計(jì)有關(guān)部門(mén)的資料(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中搜集)的能力；方案的選擇：樹(shù)立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性,又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性,并注意提高分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力；迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力,計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；用簡(jiǎn)潔的文字,清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2課程設(shè)計(jì)的題目描述和要求（1） 設(shè)計(jì)要求直流輸出電壓UO=20V，最大輸出電流IOmax=200mA 穩(wěn)定程度：當(dāng)電網(wǎng)電壓變化10時(shí)，輸出電壓UO的變化小于0.5；電源內(nèi)阻RO0.5（即IO由變到200mA時(shí)，輸出電壓的變化值UO0.5200mA=0.1V，為輸出電壓UO=20V的0.5）輸出端紋波電壓有效值小于5mV 工作溫度：-10+40（2） 電路可以達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)輸出電壓UO=20V，輸出電流IO=0200mA電網(wǎng)電壓波動(dòng)10，輸出電壓變化小于0.1電源內(nèi)阻RO0.1輸出紋波電壓有效值小于2mV3課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容3.1設(shè)計(jì)方案的選用和說(shuō)明串聯(lián)型穩(wěn)壓電路：串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)，利用晶體管的電流放大作用，增大負(fù)載的電流；在電路中引入深度電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定；并且，通過(guò)改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路：工作在放大區(qū)的晶體管，它的集-射極之間的電壓Uce和集電極電流Ic隨基極電流Ib的大小而變動(dòng)。當(dāng)基極電流Ib增加時(shí)，Uce將減小，Ic將增大，這相當(dāng)于晶體管集電極與發(fā)射極間的電阻減??；而當(dāng)基極電流Ib減小時(shí)，Uce將增大，Ic將減小，這就相當(dāng)于晶體管集電極與發(fā)射極之間所呈現(xiàn)的電阻增大。由此可見(jiàn)，在線性放大區(qū)工作的晶體管，在基極電流的控制下，集-射極之間的電阻是可以改變的。所以，晶體管完全可以充當(dāng)串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路的調(diào)整元件，稱(chēng)為調(diào)整管。用晶體管作調(diào)整管的串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路叫做反饋型晶體管穩(wěn)壓電路。 所以，可以選用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)。3.2設(shè)計(jì)方案的各部分工作原理單相交流電經(jīng)過(guò)電源變壓器，整流電路和穩(wěn)壓電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，其方框及各電路的輸出電壓波形如圖3.2.1所示，下面就各部分的作用加以介紹。 圖3.2.1 直流穩(wěn)壓電源方框圖直流電源的輸入為220V的電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的數(shù)值相差較大，因而需要通過(guò)電源變壓器降壓后，再對(duì)交流電壓進(jìn)行處理。變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的需要。目前有些電路不用變壓器，利用其他的方法升壓或者降壓。 變壓器副邊電壓通過(guò)整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動(dòng)電壓。半波整流電路和全波整流電路的波形如圖中所畫(huà)。可以看出，它們均含有較大的交流分量，會(huì)影響負(fù)載電路的正常工作；例如，交流分量會(huì)混入輸入信號(hào)被放大電路放大，甚至在放大電路的輸出端所混入的電源交流分量大于有用信號(hào)，因而不能直接作為電子電路的供電電源。應(yīng)當(dāng)指出，圖中整流電路輸出端所畫(huà)波形是未接濾波電路時(shí)的波形，輸入濾波電路后將有所變化。為了減小電壓的脈動(dòng)，需要通過(guò)低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。理想情況下，應(yīng)將交流分量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。然而，由于濾波電路為無(wú)源電路，所以接入負(fù)載后勢(shì)必影響其濾波效果，對(duì)于穩(wěn)定性要求不高的電子電路，整流，濾波后的直流電壓可以作為供電電源。交流電壓通過(guò)整流，濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者負(fù)載變化時(shí)，其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變換的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。（1）整流電路采用單相橋整流電路單相橋式整流電路，它由四個(gè)二極管接成電橋形式構(gòu)成。其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊電壓U2的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓和電流方向始終不變。若達(dá)到這一目的，就要在U2的正、負(fù)半周期內(nèi)正確引導(dǎo)流向負(fù)載的電流，使其方向不變，所以要接二極管，以引導(dǎo)電流，如圖3.2.2所示。 圖3.2.2 單相橋式整流電路的幾種畫(huà)法設(shè)變壓器副邊電壓u2=U2sint。U2為其有效值。當(dāng)u2為正半周時(shí)，電流由a點(diǎn)流出，經(jīng)D1、RL、D3流入B點(diǎn)，如圖3.2.2（a）所示，因而負(fù)載電阻RL上的電壓等于變壓器副邊電壓，即uo=u2。D2和D4管承受的反向電壓為-u2。當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，電流由b點(diǎn)流出，經(jīng)D2、RL、D4流入a點(diǎn)，如圖3.2.2（a）所示，負(fù)載電阻RL上的電壓是-u2，D1、D3承受的反向電壓是u2。這樣，由于D1、D3和D2、D4兩對(duì)二極管交替導(dǎo)通，致使負(fù)載電阻RL上在u2的整個(gè)周期內(nèi)都有電流通過(guò)，而且方向不變，輸出電壓uo=U2sint。圖3.2.3所示為單相橋式整流電路各部分的電壓和電流的波形。圖3.2.3 單相橋式整流電路的波形圖（2）濾波電路整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，但其中含有大量的直流和交流成分(稱(chēng)為紋波電壓)。這樣的直流電壓作為電鍍、蓄電池充電的電源還是允許的，但作為大多數(shù)電子設(shè)備的電源，將會(huì)產(chǎn)生不良影響，甚至不能正常工作。在整流電路之后，需要加接，盡量減小輸出電壓中交流分量，使之接近于理想的直流電壓。電容濾波電路是最常見(jiàn)的也是最簡(jiǎn)單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容濾波電路，如圖3.2.4所示。圖3.2.4 橋式整流電容濾波電路假定在t = 0時(shí)接通電路，u2為正半周，當(dāng)u2由零上升時(shí)，VD1、VD3導(dǎo)通，C被充電，因此uO=uCu2，在u2達(dá)到最大值時(shí)，uO也達(dá)到最大值，見(jiàn)圖3.2.4(b)中a點(diǎn)，然后u2下降，此時(shí)uCu2，VD1、VD3截止，電容C向負(fù)載電阻RL放電，由于放電時(shí)間常數(shù)=RLC一般較大，電容電壓uC按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。當(dāng)uO(uC)下降到圖3.2.4(b)中b點(diǎn)后，u2uC，VD2、VD4導(dǎo)通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充、放電過(guò)程。整流電路接入濾波電容后，不僅使輸出電壓變得平滑、紋波顯著減小，同時(shí)輸出電壓的平均值也增大了。電容濾波電路簡(jiǎn)單，輸出電壓平均值UO較高，脈動(dòng)較小，但是二極管中有較大的沖擊電流。因此，電容濾波電路一般適用于輸出電壓較高、負(fù)載電流較小并且變化也較小的場(chǎng)合。（3）穩(wěn)壓電路 三極管被稱(chēng)為調(diào)整管。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路組成框圖如圖3.2.5(a)所示，它由調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓和比較放大電路等部分組成。圖3.2.5(b)所示為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的原理電路圖。 圖3.2.5 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路VT為調(diào)整管，它工作在線性放大區(qū)，故又稱(chēng)為線性穩(wěn)壓電路。R3和穩(wěn)壓管VD組成基準(zhǔn)電壓源，為集成運(yùn)放A的同相輸入端提供基準(zhǔn)電壓;R1、R2和Rp組成取樣電路，它將穩(wěn)壓電路的輸出電壓分壓后送到集成運(yùn)放A的反相輸入端；集成運(yùn)放A構(gòu)成比較放大電路，用來(lái)對(duì)取樣電壓與基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行放大?？梢?jiàn)，電路是靠引入深度電壓負(fù)反饋來(lái)穩(wěn)定電壓的。3.3相關(guān)的計(jì)算（1）整流濾波電路有關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)考慮 負(fù)載電流不太大，采用橋式整流電容濾波電路。為了保證調(diào)整管工作在遠(yuǎn)離飽和區(qū)的線性放大區(qū)，一般要求UCE1=510V。UCE1選的大，輸出調(diào)整范圍可寬些，但是調(diào)整管管耗大。考慮到整流濾波電壓存在一定的紋波電壓，現(xiàn)選UCE1=10V，則整流濾波電路輸出直流電壓取UI=30V。整流濾波電路輸出電流II=I1+I2+I4+IO，為了保證空載（IO=0）時(shí)，大功率管仍有較大的電流放大倍數(shù)，IE1=I1+I4不宜太大，IE1一般大于2030mA左右。另外考慮到I2，為留有一定的余量，整流濾波電路最大輸出電流設(shè)計(jì)值取IImax=240mA。由于橋是電路二極管整流電流IF為負(fù)載電流的一半，故IFmax120mA，整流二極管選2CP21即可滿足要求。濾波電容C1選500u/50V；變壓器副邊電壓有效值U2U11.225V。 （3-1）（2）調(diào)整管設(shè)計(jì)選擇VT1調(diào)整管的選擇應(yīng)該從最不利的情形考慮：UCE1max=1.1U1-UoUCEO集射極反向擊穿電壓；IC1max=I1+I4+IOmaxICM最大允許的集電極電流；PCmax=(1.1UI-UO)(I1+I4+IOmax)晶體管允許的最大損耗功率。VT1調(diào)整管最大集射電壓發(fā)生在空載時(shí)，由于電容C1的濾波作用，空載時(shí)的整流濾波輸出電壓接近UI=1.11.4U235V，再考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)10，即整流濾波輸出電壓最大值為UImax=1.11.4U239V （3-2）所以，調(diào)整管集射極承受的最大的電壓應(yīng)該滿足UCEImax=UImax-UO=39-20=19VUCEO（3-3）由前分析可知，ICLmax應(yīng)滿足 ICLmax=I1+I4+IOmax=240mAICM （3-4）晶體管的最大管耗PC1max發(fā)生在滿載、且電網(wǎng)電壓為最高時(shí)，應(yīng)滿足 PC1max=（1.11.2U2-U0）（I1+I4+IOmax）=13V240mA3.1WPCM （3-5）差晶體管手冊(cè)知，3DA1A滿足上述要求，其UCEO=40V，ICM=750mA，PCM=7.5W（散熱片1201203mm3），20。VT2管選擇與VT1管相同，最大集電極電流為 IC2max240/20=12mA （3-6）最大管壓降為 UCE1maxUImax-UO=39-20=19V （3-7）最大管耗為 PC2max=(1.11.2U2-UO)IO2max=13V12mA156mW （3-8）查手冊(cè)可知，3DG4E滿足要求，其UCEO20V,ICM=30Ma,PCM=300Mw(3) 基準(zhǔn)電壓電路 選擇的基準(zhǔn)電壓應(yīng)滿足UZUO,但UZ也不能太低，否則，取樣電路分壓比減小，會(huì)使輸出電壓的穩(wěn)壓度降低。本設(shè)計(jì)選2CW5穩(wěn)壓管，其UZ=12V，IZmin5mA。穩(wěn)壓管擊穿電流IZ適當(dāng)選大些，其動(dòng)態(tài)電阻rZ更小，基準(zhǔn)電壓UZ更穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)電路中，IZ=I4+IE3，在工作過(guò)程中IE3是變化的，為了提高基準(zhǔn)電壓UZ的穩(wěn)定度，應(yīng)滿足I4IE3，所以，IZI4，本設(shè)計(jì)選IZI4=8mA，則限流電阻R4為 R4=(UO-UZ)/I4=(20V-12V)/8mA=1K （3-9）（3）取樣電阻（R1、R2、R3）的選擇取樣電阻選擇遵循如下幾條原則：取樣電阻總阻值不易太大，取樣電阻總阻值選取應(yīng)滿足I1IB3，這樣VT3管基極電流IB3的變化才不致使取樣電路分壓比發(fā)生變化。為了使穩(wěn)壓電源空載時(shí)，大功率管VT1也能正常工作在電流放大倍數(shù)較大的線性放大區(qū)，選I1+I4=40mA，知I4=8mA，所以I1=32mA。由此可知 R1+R2+R3UO/I1=20V/32mA=625 （3-10）從減小損耗角度考慮，R1+R2+R3也不要選的太小，本設(shè)計(jì)電路選R1+R2+R3=500。分壓比應(yīng)保證輸出電壓UO=20V。如果忽略UBE3，則有 UZUO(R22+R3)/(R1+R2+R3) （3-11）將UZ=12V,UO=20V,R1+R2+R3=500代入上式，可解得R22+R3=300，因此，可選R1=150，R3=200，R2用150電位器。（4）比較放大器電路參數(shù)選擇 比較放大器中VT3管采用高頻小功率管2DG4E，并使VT3管工作在電流放大倍數(shù)較大的放大區(qū)。由圖可知：I2=IB2+IC3；因此，一方面要保證VT1管能輸出240mA的最大電流，即要求I2IB2max=