串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計(jì)

1、低頻數(shù)字電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告一、任務(wù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，將電網(wǎng)電壓變?yōu)樗蟮妮敵鲭妷海⒕哂蟹€(wěn)定的輸出 具體的設(shè)計(jì)要求如下：1 .直流輸出電壓Uo為12V。2 .最大輸出電流Io為500mA。3 .穩(wěn)壓系數(shù)Sr小于等于0.05。4 .具有過流保護(hù)功能。5 .用仿真軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。6 .完成并上交設(shè)計(jì)報(bào)告。二、總體設(shè)計(jì)思想1 .基本原理直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路這幾大部分組成。變壓器把電網(wǎng)電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姟Ｕ麟娐钒呀涣麟妷鹤優(yōu)橹绷麟妷骸?為了減小電壓的脈動(dòng)，需要通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路的作用是使輸出 直流電壓基

2、本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性?；驹矸治觯喝鐖D1是簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源，T1是調(diào)整管，D1是基準(zhǔn)電壓源，1R 是限流電阻，R2是負(fù)載。由于T1基極電壓被D1固定在UD1, T1發(fā)射結(jié)電壓（UT1） BE在T1正常工作時(shí)基本是一個(gè)固定值（一般硅管為 0.7V,錯(cuò)管為0.3V）,所以輸出電 壓UO = UD1 （UT1） BE。當(dāng)輸出電壓遠(yuǎn)大于T1發(fā)射結(jié)電壓時(shí)，可以忽略（UT1） BE, 貝U U8 UD1。丁 1圖1 簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源假設(shè)由于某種原因引起輸出電壓 UO降低，即T1的發(fā)射極電壓（UT1） E降低，由 于UD1保持不變，從而造成T1發(fā)射結(jié)電壓（UT1）

3、 BE上升，引起T1基極電流（IT1） B上升，從而造成T1發(fā)射極電流（IT1） E被放大B倍上升，由晶體管的負(fù)載特性可知， 這時(shí)T1導(dǎo)通更加充分管壓降（UT1） CE將迅速減小，輸入電壓U更多的 加到負(fù)載上，UO得到快速回升。這個(gè)調(diào)整過程可以使用下面的變化關(guān)系圖表示：UQ-（UT1） EJ -UD1 恒定-（UT1） BET- （IT1） B （IT1） E （ UT1） CEj -UOb當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，整個(gè)分析過程與上面過程的變化相反,""這里我們就不再重復(fù)，只 是簡(jiǎn)單的用下面的變化關(guān)系圖表示：UOT f (UT1) ET - UD1 恒定-(UT1) BE(IT1)

4、 Bl IT1) E W UT1) CET - UO； 輸入電壓UI降低等其他情況下的穩(wěn)壓工作原理都與此類似，最終都是反應(yīng)在輸出電壓 UO降低上，因此工作原理大致相同。從電路的工作原理可以看出，穩(wěn)壓的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值UD1要保持穩(wěn)定；二是調(diào)整管T1要工作在放大區(qū)且工作特性要好。由于電路是一個(gè)射極輸出器，屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，電路的輸出電壓為UO =(UT1) E= (UT1) B,由于(UT1) B保持穩(wěn)定，所以輸出電壓 UO也保持穩(wěn)定。簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源由于使用固定的基準(zhǔn)電壓源D1,所以當(dāng)需要改變輸出電壓時(shí)只有更換穩(wěn)壓管D1,這樣調(diào)整輸出電壓非常不方便。另外由于直接通過輸出

5、電壓UO的變化來(lái)調(diào)節(jié)T1的管壓降(UT1) CE,這樣控制作用較小，穩(wěn)壓效果還不夠理想。因此這種穩(wěn) 壓電源僅僅適合一些比較簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合。穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)及對(duì)穩(wěn)壓電源的要求： 穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類： 一 類是特性指標(biāo)，如輸出電壓、輸出電濾及電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類是質(zhì)量指標(biāo)，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內(nèi)阻(輸出電阻)、紋波電壓及溫度系數(shù)等。主要要求 有：穩(wěn)定性好，輸出電阻阻值小，系統(tǒng)溫度系數(shù)小。2 .系統(tǒng)框圖實(shí)用的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路至少包含調(diào)整管， 基準(zhǔn)電壓電路，采樣電路和比較放大電路等 四個(gè)部分。止匕外，為使電路安全工作，還常在電路中加保護(hù)電路，所以串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的 系統(tǒng)

6、框圖如下圖所示。圖2 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的系統(tǒng)框圖3低頻數(shù)字電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告低頻數(shù)字電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告三、具體設(shè)計(jì)1.總體設(shè)計(jì)電路串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源各個(gè)部分在總體電路中所起的作用可參見下圖， 從圖中可大致能 夠直觀的了解各部分存在的意義，尤其是對(duì)電網(wǎng)電壓波形所起的作用，通過這樣一系列的 過程最終可以達(dá)到預(yù)期的目的。4*$LM324AD I I 圖3串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路總體設(shè)計(jì)思路：輸出電壓的變化量 U0是很微弱的，它對(duì)調(diào)整管的控制作用也很弱， 因此穩(wěn)壓效果不夠好，帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源，就是在電路中增加一個(gè)直流放大器， 把 微弱的輸出電壓變化量先加以放大，再去控制調(diào)整管，從而提高對(duì)

7、調(diào)整管的控制作用，使 穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性能得到改善。圖 3是帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源電路。圖中， Q1是調(diào)整 管，U1A是比較放大管。輸出電壓變化量a Uo的一部分與基準(zhǔn)電壓Uw比較，并經(jīng)放大 器放大后進(jìn)到了 Q1的基極。R2是B2的集電極電阻，又是 Q1的上偏置電阻。R5、R6 是B2的上、下偏置電阻，組成分壓電路，把 AUo的一部分作為輸出電壓的取樣，送給 B2的基極，因此又叫取樣電路 R2上的電壓Ub2:叫取樣電壓。DW和R3組，成穩(wěn)壓 電路，提供基準(zhǔn)電壓Uw從電路路中可以看出，當(dāng)輸出電壓 Uo下降的時(shí)候，通過R5、 R6組成的分壓電路的作用，B2的基極電位Ub2也下降了。由于基準(zhǔn)電壓UW使

8、B2的發(fā) 射極電位保持不變，Ubc2 =Ub2, UW 隨之減小。于是 B1集電極電流Ic：減小，Uc2 增高，即B1的基極電位Ub1增高，使Icl增加，管壓降Uce1減小，從而導(dǎo)致輸出電壓 Uo保持基本穩(wěn)定。B2的放大倍數(shù)越大，調(diào)整作用就越強(qiáng)，輸出電壓就越穩(wěn)定。如果輸出 電壓Uo增高時(shí)，同樣道理，又會(huì)通過反饋?zhàn)饔檬?Uo減小，保持輸出電壓基本不變。2.模塊設(shè)計(jì)變壓電路：這一部分主要計(jì)算變壓器 B1次級(jí)輸出電壓UB1和變壓器的功率PB1一般整流濾波 電路有2V以上的電壓波動(dòng)(設(shè)為 AUD 。調(diào)整管T1的管壓降(UT1) CE應(yīng)維持在3V 以上，才能保證調(diào)整管T1工作在放大區(qū)。橋式整流輸出電壓是

9、變壓器次級(jí)電壓的1.2倍。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降一10%時(shí)，變壓器次級(jí)輸出的電壓應(yīng)能保證后續(xù)電路正常工作，那么變壓器 B1 次級(jí)輸出電壓(UB1) OMIN 應(yīng)該是：(UB1) OMIN= ( A UM ( UT1) CE+UO) T.2= (2V + 3V+12V)勺.2= 17V+1.2= 14.16V,則變壓器 B1 次級(jí)額定電壓為：(Ubi) =(UB1) OMIN 0.9= 14.16V田.9= 15.74V。當(dāng)電網(wǎng)電壓上升+ 10%時(shí)，變壓器B1的輸出功率最大。這時(shí)穩(wěn)壓電源輸出的最大電 流(IO) MAX為500mA。此時(shí)變壓器次級(jí)電壓(UB1) OMAX為：(UB1) OMAX = (U

10、B1) OX 1.1= 15.74VX 1.1= 17.31V 變壓器 B1 的設(shè)計(jì)功率為：PB1= (UB1) OMAX 乂 (IO) MAX17.31V X 500mA = 8.66VA。為保證變壓器留有一定的功率余量，確定變壓器B1的額定輸出電壓為15.7V,額定功率為10VA。實(shí)際購(gòu)買零件時(shí)如果沒有輸出電壓為 15.7V的變壓器可以選用輸出電壓為 15.7V或以上的變壓器。當(dāng)選用較高輸出電壓的變壓器時(shí)，后面各部分電路的參數(shù)需要重 新計(jì)算，以免由于電壓過高造成元件損壞。變壓器如圖中所示 ： V1 220 Vpk)50 Hzn JFa a « J ，0。T1NLT_PQ4 109

11、圖4穩(wěn)壓電路中的變壓器下圖是變壓前后波形幅值的對(duì)比：圖5變壓前后電壓幅值對(duì)比(2)整流部分：這一部分主要計(jì)算整流管的最大電流(ID1) MAX和耐壓(VD1) RM。由于四個(gè)整 流管D1D4參數(shù)相同，所以只需要計(jì)算D1的參數(shù)。整流管D1的最大整流電流為：(ID1) MAX =0.52=0.5 500mA = 0.25A考慮到取樣和放大部分的電流，可選取最大電流(I) MAX D1為0.3A。整流管D1的耐壓(VD1) RM即當(dāng)市電上升10%時(shí)D1兩端的最大反 向峰值電壓為：(VD1 ) RMk 1.414 X(UB1) OMAX =1.414 X.1 X(UB1) 01.555X (UB1)

12、O (VD1) RM 1.555 15.74V=24V得到這些參數(shù)后可以查閱有關(guān)整流二極管參數(shù)表，這里我們選擇額定電流1A ,反向峰值電壓50V的IN4001作為整流二極管。如圖是安裝整流電路后的電路圖。圖6-1整流橋圖6-2整流以后的波形(3)濾波部分：這里主要計(jì)算濾波電容的電容量 C1和其耐壓VC1值。根據(jù)濾波電容選擇條件公式 可知濾波電容的電容量為(35) >0.5k+R, 一般系數(shù)取5,由于市電頻率是50Hz,所 以T為0.02S, R為負(fù)載電阻。輸出電壓為12V,負(fù)載電流為500mA時(shí)：C1 = 5X0.5k+(U> IO) =5X0.5W02S + (12V-0.5A)

13、磴083 卜 F當(dāng)市電上升10%時(shí)整流電路輸出的電壓值最大，此時(shí)濾波電容承受的最大電壓為：VC1 = (UB1) OMAX = 17.31V實(shí)際上普通電容都是標(biāo)準(zhǔn)電容值，只能選取相近的容量， 這里可以選擇2200口的鋁質(zhì)電解電容。耐壓可選擇18V以上，一般為留有余量并保證長(zhǎng) 期使用中的安全，可將濾波電容的耐壓值選大一點(diǎn)，這里選擇35V。Rc是放大級(jí)的負(fù)載電阻，又相當(dāng)于調(diào)整管的偏置電阻。Rc大，放大倍數(shù)大，有利于提高穩(wěn)壓器指標(biāo)，但Rc過大會(huì)使B2和調(diào)整管電流太小，限制了負(fù)載電流和調(diào)整范圍。通常Rc根據(jù)下列公式選?。篣srmin為整流輸出的最小電壓。輸入電壓Usr應(yīng)大于輸 出電壓Uo38伏。Usr

14、過小，調(diào)整管容易飽和而起不到調(diào)整作用； Usr過大，則增加管 子耗損，并浪費(fèi)功率。整流紋波小的， Usr可取低些；紋波大的，Usr應(yīng)取高些。則 Usrmin=15v,Usrmax=20v. Ic2可取13毫安。則取2MA。穩(wěn)壓管DW 的穩(wěn)定電壓Uw , 選擇范圍比較寬，只要不使 BG2飽和(即Uw比Uo低2伏以下)均可。Uw取得大，取 樣電壓可大些，有利于提高穩(wěn)壓性能 Rc= (Usrmin-Uo)/Ic2= (15-12) /0.002=1500Q限流電阻 R3通過的電流I3,應(yīng)該等于 DW的穩(wěn)定電流，那應(yīng)滿足下述關(guān)系 R3=(Uo-Uw)/Iw=2/0.002=1000 Q調(diào)整管B1的0值

15、要盡量大，為此可以使用復(fù)倉(cāng)管。調(diào)整 管的功耗也要足夠大，應(yīng)滿足下式要求：Pcm> (Usrmanx-Uo)Isc Usrmax為電網(wǎng)電壓最高時(shí)的整流輸出電壓。放大管B2也要選用B值大的管子，以增強(qiáng)對(duì)調(diào)整管的控制作用，使輸出的更穩(wěn)定。在Uo較大的穩(wěn)壓電路中，還應(yīng)注意B2所能承受的反向電壓，應(yīng)選取BVceo > (Uo-Uw)=2v的晶體管。分壓電阻(R1 + R2)要適當(dāng)小些，以提高電路性能。通常取流過分壓電阻的電流大 于放大管基極電流的5-10倍。分壓比R2/(R1+R2)決定于輸出電壓Uo和參考電壓Uw , 由下式?jīng)Q定：Uo=Uw(R1+R2)/R2分壓比要選得大些，一般選 0.

16、 50. 8。取R1=240Q R2=160QO加入濾波電容后的電路如圖：T1：圖7-1穩(wěn)壓電路中的濾波電容圖7-2加入濾波電容后的波形保護(hù)電路：在穩(wěn)壓電路中，要采取短路保護(hù)措施，才能保證安全可靠地工作。普通保險(xiǎn)絲熔斷較 慢，用加保險(xiǎn)絲的辦法達(dá)不到保護(hù)作用，而必須加裝保護(hù)電路。.保護(hù)電路的作用是保護(hù)調(diào)整管在電路短路、電流增大時(shí)不被燒毀。其基本方法是，當(dāng)輸出電流超過某一致信時(shí)，使調(diào)整管處于反向偏置狀態(tài)，從而截止，自動(dòng)切斷電路電流。如圖是三極管保護(hù)電路。由三極管 B2和分壓電阻R4、R5組成。電路正常工作時(shí)， 通過R4與R5的壓作用，使得B2的基極電位比發(fā)射極電位高，發(fā)射結(jié)承受反向電壓。于 是B2

17、處于截止?fàn)顟B(tài)（相當(dāng)于開路），對(duì)穩(wěn)壓電路沒有影響。當(dāng)電路短路時(shí)，輸出電壓為 零，B2的發(fā)射極相當(dāng)于接地，則B2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)（相當(dāng)于短路），從而使調(diào)整管B1 基極和發(fā)射極近于短路，而處于截止?fàn)顟B(tài)，切斷電路電流，而達(dá)到保護(hù)目的。輸 出 電 壓（5）穩(wěn)壓電路：為了加深電壓負(fù)反饋以提高輸出電壓的穩(wěn)定性，通常在基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)上 引入放大環(huán)節(jié)。若同相比例運(yùn)算電路的輸入電壓為穩(wěn)定電壓，且比例系數(shù)可調(diào)，則其輸出電 壓就可調(diào)節(jié)；同時(shí)，為了擴(kuò)大輸出電流，集成運(yùn)放輸出端加晶體管，并保持射極輸出形式， 就構(gòu)成具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓原理：當(dāng)由于某種原因（如電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電阻的變化等）使輸

18、出電壓Uo升 高（降低）時(shí)，采樣電路將這一變化趨勢(shì)送到放大器的反相端 ，并與同相輸入端進(jìn)行比較放 大；放大器的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低（升高）；因?yàn)殡娐凡捎蒙錁O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.o可簡(jiǎn)述如下：輸 出 電 壓輸 出 電 壓圖9穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理可見，電路是靠引入深度電壓負(fù)反饋來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的。穩(wěn)壓電路的原理電路如下圖所示低頻數(shù)字電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告圖10-2 穩(wěn)壓電路輸出波形113.仿真及仿真結(jié)果分析圖10-1穩(wěn)壓電路輸入波形低頻數(shù)字電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告輸出電壓值如圖:圖10-3輸出電壓值通過對(duì)電路的測(cè)試，所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源基本上能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的目的，同時(shí)也通過測(cè)試發(fā) 現(xiàn)，輸出電壓發(fā)生變化的原因基本上是由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)及負(fù)載電阻的變化而引起的。 當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)使輸入電壓發(fā)生變化或是負(fù)載變動(dòng)使負(fù)載電阻改變，經(jīng)過串聯(lián)穩(wěn)壓 后，使電路依然保持輸出電壓基本保持不變， 從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。這便是直流穩(wěn)壓電源 所實(shí)現(xiàn)的功能所在。四、結(jié)論電網(wǎng)電壓經(jīng)過變壓器、整流橋、濾波電路、穩(wěn)壓電路最后