串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1、.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)電氣與電子工程 系 電氣工程及其自動(dòng)化 專業(yè)題目： 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源學(xué)生姓名： 班號(hào)： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師;時(shí)間： 年 月 日 年 月 日指導(dǎo)教師評(píng)語：成績(jī)：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)題目題目：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源二、設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作用晶體管、集成運(yùn)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(biāo)：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(hù)電路：過流保護(hù)、短路保護(hù)。三、理電路和程序設(shè)計(jì)：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(dòng)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(fù)載的變化波動(dòng)不利于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行；（4） 將輸出電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路后輸出電壓不會(huì)隨電網(wǎng)和負(fù)載的變化而變化從而提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，保障設(shè)備的正常使用；（5） 關(guān)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(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)電壓再對(duì)其進(jìn)行變換，電壓在檔位間的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)電位器來進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)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(zhǔn)電壓，電路引入電壓負(fù)反饋，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起R2兩端電壓的變化增大（減?。r(shí)，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?。ㄉ撸?dǎo)致基極電流和發(fā)射極電流的減小（增大），使得R兩端的電壓降低（升高），從而達(dá)到穩(wěn)壓的效果。負(fù)電源部分與正電源相對(duì)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(diào)整管（Q1、Q2組成的復(fù)合管），比較電路（集成運(yùn)放U2A），基準(zhǔn)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(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時(shí)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(jìn)行比較放大，運(yùn)放的輸出電壓，即調(diào)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(duì)以上兩個(gè)方案進(jìn)行比較，可以發(fā)發(fā)現(xiàn)第一個(gè)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(diào)整管電路，輸出電壓不可調(diào)，而且輸出電流不大，而第二個(gè)方案使用了集成運(yùn)放和調(diào)整管作為穩(wěn)壓電路，輸出電壓可以通過開關(guān)J1在3-6V、6-9V、9-12V之間調(diào)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(gè)方案要好，所以選擇第二個(gè)方案作為本次課程設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行變壓，變壓后再對(duì)其進(jìn)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(zhǔn)電路三個(gè)小的單元電路組成的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓后為了進(jìn)一步得到更加穩(wěn)定的電壓，在穩(wěn)壓電路后再對(duì)其進(jìn)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(zhǔn)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(shè)計(jì)及元器件選擇；（1）、變壓器的設(shè)計(jì)和選擇本次課程設(shè)計(jì)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(diào)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(jì)算，為了使調(diào)整管工作在放大區(qū)，輸入電壓最小不能小于15V，為保險(xiǎn)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(yīng)該為1A15V=15w，所以變壓器的功率絕對(duì)不能低于15w，由于串聯(lián)穩(wěn)壓電源工作時(shí)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(duì)大些的變壓器。結(jié)合市場(chǎng)上常見的變壓器的型號(hào)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)可以選擇常見的單相橋式整流電路，由4個(gè)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(dāng)忽略二極管的開啟電壓與導(dǎo)通壓降，且當(dāng)負(fù)載為純阻性負(fù)載時(shí)，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(jí)交流電壓的有效值。我們可以求得=17v。對(duì)于全波整流來說，如果兩個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓有效值為，則處于截止?fàn)顟B(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(dòng)（通常波動(dòng)為10%，為保險(xiǎn)起見取30%的波動(dòng)）我們可以得到實(shí)際的應(yīng)該大于22.1V，最大反向電壓應(yīng)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(dāng)濾波電容偏小時(shí)，濾波器輸出電壓脈動(dòng)

8、系數(shù)大；而偏大時(shí)，整流二極管導(dǎo)通角偏小，整流管峰值電流增大。不僅對(duì)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(yán)重，功率因數(shù)低。所以電容的取值應(yīng)當(dāng)有一個(gè)范圍，由前面的計(jì)算我們已經(jīng)得出變壓器的次級(jí)線圈電壓為15V，當(dāng)輸出電流為1A時(shí)，我們可以求得電路的負(fù)載為18時(shí)，我們可以根據(jù)濾波電容的計(jì)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(xiǎn)起見我們可以取標(biāo)準(zhǔn)值為2200uF額定電壓為35V的鋁點(diǎn)解電容。另外，由于實(shí)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(hào)，所以需要一個(gè)小的陶瓷電容來濾去這些高頻信號(hào)。我們可以選擇一個(gè)50uF的陶瓷電容來作為高頻濾波電容。（4）、穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電路組要由四部分構(gòu)成：調(diào)整管，基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路，比較放大電路，采樣電路。當(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時(shí)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(jìn)行比較放大，運(yùn)放的輸出電壓，即調(diào)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(dá)到1A，為防止電流過大燒壞調(diào)整管，需要選擇功率中等或者較大的三極管，調(diào)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(yīng)該大于

10、15-6=9V，考慮到30%的電網(wǎng)波動(dòng)，我們的調(diào)整管所能承受的最大管壓降應(yīng)該大于13V，最小功率應(yīng)該達(dá)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。基準(zhǔn)電路由3V的穩(wěn)壓管和10K的保護(hù)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(yīng)該可調(diào)，則采樣電路由一個(gè)電阻和三個(gè)可調(diào)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(yùn)放選用工作電壓在15V左右前對(duì)電壓穩(wěn)定性要求不是很高

11、的運(yùn)放，由于AD704JN的工作電壓為正負(fù)12V-正負(fù)22V，范圍較大，可以用其作為運(yùn)放，因?yàn)檎骱蟮碾妷翰▌?dòng)不是很大，所以運(yùn)放的工作電源可以利用整流后的電壓來對(duì)其進(jìn)行供電。為了使輸出電壓更穩(wěn)定，輸出紋波更小，需奧對(duì)輸出端進(jìn)行再次濾波，可在輸出端接一個(gè)5uf電容，這樣電源不容易受到負(fù)載的干擾。使得電源的性質(zhì)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(biāo)號(hào)型號(hào)及大小數(shù)量變壓器220V-15V2個(gè)電容200uF4個(gè)50uF1個(gè)電阻10k2個(gè)30K2個(gè)1k2個(gè)31個(gè)可變電阻10k1個(gè)20k1個(gè)60k1個(gè)集成運(yùn)放AD704JN2個(gè)穩(wěn)壓管BZV60-B151個(gè)B

12、ZV60-B121個(gè)BZV55-B3V01個(gè)調(diào)整管2N50391個(gè)2N49221個(gè)橋式整流二極管3N2582個(gè)保護(hù)三極管2N38791個(gè)七、電路的調(diào)試及仿真數(shù)據(jù)理論值3V-6V、6V-9V、9V-12V，而實(shí)際的測(cè)量、值是在3V-5.989V、5.99 V-9.003V-11.832V，造成0.01V-0.2V的可調(diào)誤差，原因是由于可調(diào)電阻的實(shí)際調(diào)節(jié)范圍偏大，導(dǎo)致輸出電壓偏大調(diào)節(jié)可變電阻R2、R3、R4，可以得到課程設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)直流電壓的輸出波形如圖8所示：在高壓的12V輸出時(shí)電壓有0.02V的電壓波動(dòng)

13、，基本上對(duì)輸出的影響不大，可也不考慮其影響；在低壓的3V時(shí)輸出波形為一直線，基本無電壓波動(dòng)符合理論的要求。圖9 ：3V、6V 、9 V、 12 V 輸出波形圖八 總結(jié)本課程設(shè)計(jì)運(yùn)用了模擬電路的基本知識(shí)，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(shí)際可調(diào)范圍為3V-5.989V、5.99 V-9.003V-11.832V的直流穩(wěn)壓電源?？偨Y(jié)如下：優(yōu)點(diǎn)：該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。輸出電壓穩(wěn)定，紋波值小，而且使用的元件較少，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，輸出功率大，調(diào)整管可承受的范圍也很大。缺點(diǎn)：電路電壓檔位的調(diào)整如果改用大胡子開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源檔位的數(shù)字控制；在調(diào)節(jié)不同檔位時(shí)無外部指示，實(shí)用價(jià)值較低。改進(jìn)一：將開關(guān)J1用三個(gè)NPN MOS代替，用集成JK觸發(fā)器構(gòu)成T觸發(fā)器通過時(shí)鐘脈沖實(shí)現(xiàn)輸出Q高低電位的控制，以此來控制MOS管的通斷來調(diào)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(diào)節(jié)也便于使用、維護(hù)和檢修。改進(jìn)二：改進(jìn)如下圖所示（比較具有實(shí)用價(jià)值）心得體會(huì)：通過這