模拟电子技术实训

-1--2-课题：串联型直流稳压电源（分立元件）的设计与制作一、电路的构成与技术指标分析（基础知识）：1、电路构成原理：串联稳压电路工作构成如图1所示，通过改变R两端的电压降来实现稳压的目的。如果用三极管代替可变电阻，利用负反馈的原理，以输出电压的变化量去控制三极管集电极与发射极之间的电阻值。由于这个三极管起调整作用的，故称为调整管。这种将调整管与负载串联的稳压电源，称为串联型晶体管稳压电源。2、串联型稳压电源的基本组成方框图一个稳压电源一般都由变压器、整流滤波、调整管、比较放大、基准电压和取样电路等六部分组成。在实际电路中，除了上述六个基本组成部分外，往往还加有保护电路，以防止输出电流过大或负载短路时烧坏调整管。方框图的工作过程是：不论是由于输入交流电源电压发生变化，或是由于负载电流发生变化而引起输出电压UL发生变化时，通过取样电路取出变化信号与基准电压相比较，放大电路再将比较后的变化信号放大，送到调整管的基极，调整其集电极—发射极之间的电压，以达到稳压输出的目的。3、电路工作原理BG1是调整管，起电压调整作用。电阻R3和R4组成分压电路，取出电压变化量△UL的一部分，加到放大电路BG2的基极上，所以叫取样电路。稳压管D2和串联电阻R2组成稳压电路，用来提供基准电压U2。放大电路BG2-3-起比较和放大信号的作用，R1是它的集电极负载，从BG2输出的调整信号加到调整管BG1的基极。Ud是整流滤波输出的直流电压。4、稳压过程Ud↓或IL↑→UL↓→Ub2↓→Ube2↓→IC2↓→UC2↑→Ub1↑→Ube1↑→Ie1↑→Uce1↓→UL↑同理，当电网电压增大或负载电流减小，而使输出UL增大时，又会通过反馈作用使输出电压UL减小，保持输出电压基本不变。5、电路分析（1）直流电路的简单分析由1-1可解得1-2由1-2式可见，改变分压比R4/（R3+R4），可调节输出电压UL的大小。UL与R4/（R3+R4）成反比关系。其物理概念是：当R4/（R3+R4）增大时，UL×R4/（R3+R4）增大，由于UZ基本固定，所以，UL×R4/（R3+R4）－UZ=Ube2增大，这将使Ib2增大，IC2增大，并使BG2的集电极电位和BG1的基极电位降低，从而引起Ib1减小和BG1的管压降增大，使UL减小，即UL与R4/（R3+R4）成反比关系。（2）交流电路简单分析由式1—3可以看出，稳压系数S与分压比R4/R3+R4放大管的β2及负载电阻R1成反比。因为BG2的β及R1越大，其放大倍数就越大，控制调整管BG1的能力就越强，稳压系数自然变小；R4/R3+R4越大，说明把输出电压的变量ΔU1从取样电路中取得更多的部分。加到BG2的基极给予放大，再去控制调整管，所以稳压系数也越小。要提高BG2的电压放大倍数，可选用β比较大rbe比较小的三极管，电阻值比较大的R1。还可以采用多级放大电路，但必须注意使稳压电路处于负反馈状态，否则达不到稳压的目的。由1—3还可看出，要减小S，还得选较小的取样电阻及动态电阻RZ较小的稳压管。(rbe=300+（1+β）26/Ie）-4-由式（1—4）和（1—5）可以看出，调整管和放大管的电流放大系数β1和β2越大，分压比R4/R3+R4越大以及稳压管的RZ越小，则等效内阻RO越小；整流滤波电路的输出电阻RO’及BG2的负载电阻R1越大，则等效内阻RO越大；同时还可以看出，BG1和BG2的输入电阻rbe1、rbe2越大，则等效内阻RO越大。要提高稳压电源性能，应采取以下措施：（1）选用动态电阻RZ小的稳压二极管做基准电压。（2）增大调整管和放大级的电流放大系数β1，β2。（3）分压比R4/R3+R4要选得大一些，因为R4×UL/（R3+R4）≈UZ。（4）减小分压电阻R3和R4，选择流过分压电阻的电流大于放大管基极电流的（5—10）倍。（5）整流滤波电容选择：一般选放电时间常数RLC大于电容C的充电周期的3—5倍。对桥式整流电路来说，C的充电周期等于交流电周期的一半，即选：RLC≥（3—5）T/26、输出可调稳压电源由图可见，通过调节电位器R2中间的滑动触点，可方便的改变输出电压UL，因为：式中n为分压比。7、稳压电源中调整管的过载和短路保护在串联型稳压电路中，应采用过载或短路保护措施。最简单的方法是在电路中加接保险丝，但因过载的瞬间，可能在保险丝熔断前，调整管已先损坏，所以，一般保险丝不能使用，需使用快速熔断保险丝，但效果并不理想。所以，需用速度更高的保护电路代替保险丝。保护电路的种类很多，举例两种常见保护电路的工作方式。（1）二极管（或稳压管）电流限制型保护电路正常工作时，二极管两端的电压小于导通电压，二极管不导通。当负载电流IL增大到ILmax时，由于电阻RO上的电压降加大，使二极管D导通。因为二极管的导通电压是一定的，故可利用RO的电压降来限制调整管的输出电流，到达保护调整管的目的。特点：电路简单、有效，缺点是过载时在调整管上仍消耗较大的功率。（2）三极管减流型保护电路正常工作时，RO上的电压降小于V3Ube的工作电压，三极管V3截止对电路没有影响。当负载电流IL增大到ILmax时，由于电阻RO上的电压降加大，三极管V3Ube的电压到达工作电压，使V3导通迫使V1Ube电压降低，Ub电流下降，IC1输出电流减小。-5-当负载短路时，V3发射极电压为零，RO的电压降使V3Uce的电压接近0.3V，V1基极电压根着降低，迫使V1截止，Ib1电流为零，达到短路保护的目的。所以称为减流型保护电路。这种电路的优点是损耗小，效果好。（3）可控硅断流型保护电路这种电路利用可控硅本身具有的特性，在检测电阻上的电压超过可控硅触发电压时，可控硅导通将调整管的基极电流对地短路，使调整管截止，从而切断输出电流，达到短路或过流保护的目的。这种电路的优点是损耗小，效果好。但排除故障后必须重新起动电源才能恢复正常工作。二、印制电路板的设计：元件的排列对电路的性能影响很大，不同电路在排列元件时有不同的要求。因此，在动手安装前，应先了解电路原理图，根据电路要求，将元件合理地排列在底板上。1、元件布局（1）在一般情况下，所有电气元件都应安放在底板不焊接的一面，以便于加工和安装。（2）板面上的元件应按电原理图顺序成直线排列，并力求电路安排紧凑、密集、以缩短引线。（3）在保证电性能合理的原则下，元件应相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，并且印制电路板的面积要小。2、布线要求（1）一般将公共地线布置在最边缘，便于将印刷电路板安装在机壳上，也便于与机壳相连接。（2）在一般情况下，导线宽度优先采用0.5毫米、1.5毫米。导线间距间距一般不小于1毫米。最小间距不小于0.4毫米。（3）所有印制导线不应有急剧的弯曲和尖角。应尽可能避免导线分支。在有导线分支时，分支处应圆滑，其圆半径不小于2毫米。（4）导线的焊接点须加宽成圆环形。其最小半径取为导线的宽度比较合适。环宽一般应大于0.5~0.7毫米，优先取0.5、1.0、1.5毫米。3、设计示例：（1）原理图：使用W317组成的串联直流稳压电路。-6-（2）印制电路，现印制电路板设计多采用两种方法，即专用印制电路板与多功能（万用）印制电路板。现各举一例如下：注：变压器、LED、R2与电压表，属于外接元器件。所以，印制电路板上只留有导线接口即可。三、电路技术指标测试说明稳压性能好坏的重要指标—稳压系数S和电源内阻RO。稳压系数，就是在负载电阻一定的情况下，输出电压的相对变化△UL/UL对输入电压的相对变化△Ud/Ud的比值。稳压电源等效内阻RO（输出电阻），它表示输入电压Ud不变时，由于负载电流变化△IL而引起的输出电压变化△UL。式中负号表示：当负载电流增加一个△IL时，则负载电压就减小一个△UL，它反映了负载变动时输出电压维持恒定的能力，RO越小，则IL变化时输出电压的变化也越小。因为稳压管的动态电阻RZ很小，所以稳压电源的内阻RO，就近似等于稳压管的动态电阻RZ。稳压电源的稳压系数和电源内阻越小，稳定性能越好。1、稳定程度的测试用数字电压表来测量电路输出电压的变化量。（1）测定稳压系数S：接上负载，使ILMAX=额定最大值，调节调压器，人为地改变电网电压，在电网电压波动±10%（242—198）时，分别测出输出电压变化量ΔUL和输入电压变化量ΔUd，则可求出稳压系数S。（在此基础上计算电压调整率：ΔUL/UL。一般-7-为1%、0.1%、0.01%）（2）测定电源内阻电网电压维持在220V不变，改变负载电阻，使IL从零—额定最大范围内变化，测出输出电压相应的变化量ΔUL，则可求出稳压电源的内阻RO。（在此基础上计算电流调整率：ΔUL/UL。）2、输出端纹波电压的测定可用电子毫伏表在稳压电源的输出端直接测得，或用示波器观察波形。（最大波纹电压：是电源输出端的交流分量，通常用有效值或峰值表示。）四、电路设计与制作任务要求变压器根据需要选用成品件，外壳可选用成品件或自己加工制作。设计技术指标要求：（1）输出直流电压V0=7-9V。（2）输出直流电流IO=0mA-100mA。（3）输出波纹电压小于5mV。（4）输出内阻r＜2Ω。（5）电网电压波动±10%，S＜0.1。（6）过流保护限流0.2A。五、电路设计过程：1、电路设计总体方案选择：根据设计任务、要求、条件，将总体功能要求合理地分配给若干个单元电路，并画出一个能够表示各单元功能和总体工作原理的框图。2、设计单元电路（单元原理图）：明确对各单元电路的要求，详细拟定出单元电路的性能指标，注意到各单元电路的配合。3、参数计算：计算电路参数时应注意下列问题。(1)元器件的工作电流、电压和功耗等应符合要求，并留有适当余量。(2)对元器件的极限参数必须留有足够余量，—般应大于额定值的1.5倍以上。(3)对于环境温度、交流电网电压等作条件应按最不利的情况考虑。(4)电阻、电容的参数应选计算值附近的标称值。(5)在保证电路功能指标的前提下，应尽量减少元器件的品种、价格、体积等。4、选择元器件（元件型号、规格、参数的详细清单）电子电路的设计就是选择最合适的元器件，并把它们最好地组合起来。第一，根据具体问题和方案，需要哪些元器件?每个元器件应具有哪些功能和性能指标?第二，有哪些元器件实验室有，哪些在市场上能买到?性能如何?价格如何?体积多大?-8-5、绘制电路原理图（电路工作过程原理分析）电路图原理图是在总框图、单元电路设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的，它是组装、调试、印制电路板设计和维修的依据。因此电路原理图具有重要作用。绘电路原理图时应注意信号流向，一般从输入端画起，由左至右(或由上至下)按信号流向依次绘出各单元电路，使全图易于阅读和理解。6、印制电路板设计（组装）图使用万用印制电路板设计。7、电路组装与调试：（1）电路组装工艺流程方案（或流程图）。（2）电路组装工艺要求与实施步骤（工艺流程方案中各步骤的工艺）。（3）整机安装示意图（4）元器件数据检测要求。（5）各部件的检测与调整：静态测试数据要求、动态测试数据要求。（6）整机检测数据：输出电压范围、输出电流范围、稳压系数、电源内阻、电压调整率、电流调整率和最大波纹电压。（7）电路理论设计与实测数据分析。六、课程设计报告：1、课题名称。2、内容摘要。3、设计任务和要求。4、总体方案选择的论证,内容含曾考虑过的各方案框图（至少应有两个方案）、简要原理和优缺点以及所选定方案之理由等。5、单元电路的设计、参数计算和元器件的选择。6、绘出电路原理图及必要的波形图，并说明电路的工作原理。7、组装与调试，内容应含：①使用的主要仪器、仪表。应列出名称、列号、出产厂家和生产年月等。②部件组装与整机组装示意图。③测试的数据和波形，必要时应与计算结果比较并进行误差分析。④组装与调试的方法、技巧和注意事项。⑤调试中出现的故障、原因及诊断与排除方法。8、所设计电路的特点及改进意见。9、所用元器件的编号列表。列表项目为序号、符号与编号：名称、型号与规格、数量以及必要的说明等。10、收获、体会与建议。-9-附：直流串联型（分立元件）稳压电