串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設計

1、.電子技術課程設計電氣與電子工程 系 電氣工程及其自動化 專業(yè)題目： 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源學生姓名： 班號： 學號： 指導教師;時間： 年 月 日 年 月 日指導教師評語：成績：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設計報告一、設計題目題目：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源二、設計任務：設計并制作用晶體管、集成運算放大器電阻、電阻器、電容組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。指標：1、輸入電壓：2、輸出電壓：3- 6V、6-9V、9-12V三檔直流電壓；3、輸出電流：最大電流為1A； 4、保護電路：過流保護、短路保護。三、理電路和程序設計：一 電路原理方框圖：二原理說明：（1） 單相橋式整流電路可以將單相交流電變換為直流電；（2） 整流后的

2、電壓脈動較大，需要濾波后變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓用來供電；（3） 濾波后的輸出電壓容易隨電網(wǎng)電壓和負載的變化波動不利于設備的穩(wěn)定運行；（4） 將輸出電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路后輸出電壓不會隨電網(wǎng)和負載的變化而變化從而提高設備的穩(wěn)定性和可靠性，保障設備的正常使用；（5） 關于輸出電壓在不同檔位之間的變換，可以將穩(wěn)壓電源的電壓設置為標準電壓再對其進行變換，電壓在檔位間的調節(jié)可以通過調節(jié)電位器來進行調節(jié)，從而實現(xiàn)對輸出電壓的調節(jié)。四：方案選擇一：變壓、濾波電路方案一和方案二的變壓電路和濾波電路相同，二者的差別主要體現(xiàn)在穩(wěn)壓電路部分。圖1 變壓和濾波電路二：穩(wěn)壓電路方案一：此方案以穩(wěn)壓管D1的電壓作為三極管Q

3、1的基準電壓，電路引入電壓負反饋，當電網(wǎng)電壓波動引起R2兩端電壓的變化增大（減小）時，晶體管發(fā)射極電位將隨著升高（降低），而穩(wěn)壓管端的電壓基本不變，故基極電位不變，所以由可知將減小（升高）導致基極電流和發(fā)射極電流的減?。ㄔ龃螅沟肦兩端的電壓降低（升高），從而達到穩(wěn)壓的效果。負電源部分與正電源相對稱，原理一樣。圖2 方案一穩(wěn)壓部分電路方案二：該方案穩(wěn)壓電路部分如圖2所示，穩(wěn)壓部分由調整管（Q1、Q2組成的復合管），比較電路（集成運放U2A），基準電壓電路（穩(wěn)壓管D1 BZV55-B3V0），采樣電路組成（采樣電路由R2、R3、R4、R5組成）。當采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時采樣電路將這

4、一變化送到A的反相輸入端，然后與同相輸入端的電位進行比較放大，運放的輸出電壓，即調整管的基極電位降低（升高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升高），從而使輸出電壓得到穩(wěn)定。圖3 方案二穩(wěn)壓部分單元電路對以上兩個方案進行比較，可以發(fā)發(fā)現(xiàn)第一個方案為線性穩(wěn)壓電源，具備基本的穩(wěn)壓效果，但是只是基本的調整管電路，輸出電壓不可調，而且輸出電流不大，而第二個方案使用了集成運放和調整管作為穩(wěn)壓電路，輸出電壓可以通過開關J1在3-6V、6-9V、9-12V之間調節(jié)，功率也較高，可以輸出較大的電流。穩(wěn)定效果也比第一個方案要好，所以選擇第二個方案作為本次課程設計的方案。三：電路框圖和電路圖整體電

5、路的框架如下圖所示，先有變壓器對其進行變壓，變壓后再對其進行整流，整流后是高低頻的濾波電路，最后是由采樣電路、比較放大電路和基準電路三個小的單元電路組成的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓后為了進一步得到更加穩(wěn)定的電壓，在穩(wěn)壓電路后再對其進行，最后得到濾波穩(wěn)壓電源。變壓電路全波整流正極濾波電路穩(wěn)壓電路比較放大采樣電路基準電壓輸出濾波電路正極輸出端共地端圖4電路框圖圖5 串聯(lián)直流穩(wěn)壓總電路圖五 電路設計及元器件選擇；（1）、變壓器的設計和選擇本次課程設計的要求是輸出為3V-6V、6V-9V、9V-12V的穩(wěn)壓電源，輸出電壓較低，而一般的調整管的飽和管壓降在2-3伏左右，由，為飽和管壓降，而=12V為輸出最大電壓，=

6、3V為最小的輸入電壓，以飽和管壓降=3V計算，為了使調整管工作在放大區(qū)，輸入電壓最小不能小于15V，為保險起見，可以選擇220V-15V的變壓器，再由P=UI可知，變壓器的功率應該為1A15V=15w，所以變壓器的功率絕對不能低于15w，由于串聯(lián)穩(wěn)壓電源工作時產(chǎn)生的熱量較大，效率不高，所以變壓器功率需要選擇相對大些的變壓器。結合市場上常見的變壓器的型號，可以選擇常見的變壓范圍為220V-15V，額定功率20W，額定電流2A的變壓器。（2）、整流電路的設計及整流二極管的選擇 由于輸出電流最大只要求1A，電流比較低，所以整流電路的設計可以選擇常見的單相橋式整流電路，由4個串并聯(lián)的二極管組成，具體電

7、路如圖3所示。圖6單相橋式整流電路二極管的選擇：當忽略二極管的開啟電壓與導通壓降，且當負載為純阻性負載時，我們可以得到二極管的平均電壓為：=0.9其中為變壓器次級交流電壓的有效值。我們可以求得=17v。對于全波整流來說，如果兩個次級線圈輸出電壓有效值為，則處于截止狀態(tài)的二極管承受的最大反向電壓將是，即為42.42v考慮電網(wǎng)波動（通常波動為10%，為保險起見取30%的波動）我們可以得到實際的應該大于22.1V，最大反向電壓應該大于55.2V。在輸出電流最大為1A的情況下我們可以選擇額定電流為2A，反向耐壓為1000V的二極管IN4007.（3）、濾波電容的選擇當濾波電容偏小時，濾波器輸出電壓脈動

8、系數(shù)大；而偏大時，整流二極管導通角偏小，整流管峰值電流增大。不僅對整流二極管參數(shù)要求高，另一方面，整流電流波形與正弦電壓波形偏離大，諧波失真嚴重，功率因數(shù)低。所以電容的取值應當有一個范圍，由前面的計算我們已經(jīng)得出變壓器的次級線圈電壓為15V，當輸出電流為1A時，我們可以求得電路的負載為18時，我們可以根據(jù)濾波電容的計算公式：C=(35)來求濾波電容的取值范圍，其中在電路頻率為50HZ的情況下， T為20ms則電容的取值范圍為1667-2750uF，保險起見我們可以取標準值為2200uF額定電壓為35V的鋁點解電容。另外，由于實際電阻或電路中可能存在寄生電感和寄生電容等因素，電路中極有可能產(chǎn)生高

9、頻信號，所以需要一個小的陶瓷電容來濾去這些高頻信號。我們可以選擇一個50uF的陶瓷電容來作為高頻濾波電容。（4）、穩(wěn)壓電路的設計 穩(wěn)壓電路組要由四部分構成：調整管，基準穩(wěn)壓電路，比較放大電路，采樣電路。當采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時采樣電路將這一變化送到A的反相輸入端，然后與同相輸入端的電位進行比較放大，運放的輸出電壓，即調整管的基極電位降低（高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升高），從而使輸出電壓得到穩(wěn)定。由于輸出電流較大，達到1A，為防止電流過大燒壞調整管，需要選擇功率中等或者較大的三極管，調整管的擊穿電流必須大于1A，又由于三極管CE間的承受的最大管壓降應該大于

10、15-6=9V，考慮到30%的電網(wǎng)波動，我們的調整管所能承受的最大管壓降應該大于13V，最小功率應該達到=6.5W。我們可以選擇適合這些參數(shù)最大功率為60W,最大電流超過6A，所能承受的最大管壓降為100V?；鶞孰娐酚?V的穩(wěn)壓管和10K的保護電阻組成。由于輸出電壓要求為3V-6V、6V-9V和9V-12V，因此采樣電路的采樣電阻應該可調，則采樣電路由一個電阻和三個可調電阻組成，根據(jù)公式：求出。其中為輸入端的電阻，為輸出端與共地端之間的電阻 ，為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。.所以根據(jù)此公式可求的電路的輸出電壓為3V-12V?？梢暂敵?V-12V的電壓，運放選用工作電壓在15V左右前對電壓穩(wěn)定性要求不是很高

11、的運放，由于AD704JN的工作電壓為正負12V-正負22V，范圍較大，可以用其作為運放，因為整流后的電壓波動不是很大，所以運放的工作電源可以利用整流后的電壓來對其進行供電。為了使輸出電壓更穩(wěn)定，輸出紋波更小，需奧對輸出端進行再次濾波，可在輸出端接一個5uf電容，這樣電源不容易受到負載的干擾。使得電源的性質更好，電壓更穩(wěn)定，六 畫出系統(tǒng)的電路總圖和元件列出清單圖7 系統(tǒng)總電路圖元件清單名稱及標號型號及大小數(shù)量變壓器220V-15V2個電容200uF4個50uF1個電阻10k2個30K2個1k2個31個可變電阻10k1個20k1個60k1個集成運放AD704JN2個穩(wěn)壓管BZV60-B151個B

12、ZV60-B121個BZV55-B3V01個調整管2N50391個2N49221個橋式整流二極管3N2582個保護三極管2N38791個七、電路的調試及仿真數(shù)據(jù)理論值3V-6V、6V-9V、9V-12V，而實際的測量、值是在3V-5.989V、5.99 V-9.003V-11.832V，造成0.01V-0.2V的可調誤差，原因是由于可調電阻的實際調節(jié)范圍偏大，導致輸出電壓偏大調節(jié)可變電阻R2、R3、R4，可以得到課程設計所要求輸出的3V-6V、6V-9V、9V-12V的電壓，仿真數(shù)據(jù)如下 圖8不同檔位最高和最低電壓實測直流電壓的輸出波形如圖8所示：在高壓的12V輸出時電壓有0.02V的電壓波動

13、，基本上對輸出的影響不大，可也不考慮其影響；在低壓的3V時輸出波形為一直線，基本無電壓波動符合理論的要求。圖9 ：3V、6V 、9 V、 12 V 輸出波形圖八 總結本課程設計運用了模擬電路的基本知識，通過變壓，整流，濾波、穩(wěn)壓等步驟，輸出理論可變范圍為3V-6V、6V-9V、9V-12V ，實際可調范圍為3V-5.989V、5.99 V-9.003V-11.832V的直流穩(wěn)壓電源?？偨Y如下：優(yōu)點：該電路設計簡單。輸出電壓穩(wěn)定，紋波值小，而且使用的元件較少，經(jīng)濟實惠，輸出功率大，調整管可承受的范圍也很大。缺點：電路電壓檔位的調整如果改用大胡子開關就可以實現(xiàn)對電源檔位的數(shù)字控制；在調節(jié)不同檔位時無外部指示，實用價值較低。改進一：將開關J1用三個NPN MOS代替，用集成JK觸發(fā)器構成T觸發(fā)器通過時鐘脈沖實現(xiàn)輸出Q高低電位的控制，以此來控制MOS管的通斷來調節(jié)檔位，還可以在MOS管和電位器的鏈接處鏈接不同顏色的二極管來指示不同的檔位，從而方便了電壓的調節(jié)也便于使用、維護和檢修。改進二：改進如下圖所示（比較具有實用價值）心得體會：通過這