串联型直流稳压电源设计

电子技术课程设计电气与电子工程系电气工程及其自动化专业题目：串联型直流稳压电源学生姓名：班号：学号：指导教师;时间：年月日~年月日1指导教师评语：成绩：2串联型直流稳压电源设计报告一、设计题目题目：串联型直流稳压电源二、设计任务：设计并制作用晶体管、集成运算放大器电阻、电阻器、电容组成的串联型直流稳压电源。指标：1、输入电压：2、输出电压：3-6V、6-9V、9-12V三档直流电压；3、输出电流：最大电流为1A；4、保护电路：过流保护、短路保护。三、理电路和程序设计：一电路原理方框图：二原理说明：（1）单相桥式整流电路可以将单相交流电变换为直流电；（2）整流后的电压脉动较大，需要滤波后变为交流分量较小的直流电压用来供电；（3）滤波后的输出电压容易随电网电压和负载的变化波动不利于设备的稳定运行；（4）将输出电压经过稳压电路后输出电压不会随电网和负载的变化而变化从而提高设备的稳定性和可靠性，保障设备的正常3使用；（5）关于输出电压在不同档位之间的变换，可以将稳压电源的电压设置为标准电压再对其进行变换，电压在档位间的调节可以通过调节电位器来进行调节，从而实现对输出电压的调节。四：方案选择一：变压、滤波电路方案一和方案二的变压电路和滤波电路相同，二者的差别主要体现在稳压电路部分。图1变压和滤波电路二：稳压电路方案一：此方案以稳压管D1的电压作为三极管Q1的基准电压，电路引入电压负反馈，当电网电压波动引起R2两端电压的变化增大（减小）时，晶体管发射极电位将随着升高（降低），而稳压管端的电压基本不变，故基极电位不变，所以由EBBEUUU可知BEU将减小（升高）导致基极电流和发射极电流的减小（增大），使得R两端的电压降低（升高），从而达到稳压的效果。负电源部分与正电源相对称，原理一样。4图2方案一稳压部分电路方案二：该方案稳压电路部分如图2所示，稳压部分由调整管（Q1、Q2组成的复合管），比较电路（集成运放U2A），基准电压电路（稳压管D1BZV55-B3V0），采样电路组成（采样电路由R2、R3、R4、R5组成）。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。U2AAD704JN321141R320kΩKey=A50%R410kΩKey=A50%R530kΩJ1R110kΩQ12N4922Q22N5039D1BZV55-B3V0R260kΩKey=A50%Q32N3879R61kΩR71kΩR83ΩD2BZV60-B12R910kΩ图3方案二稳压部分单元电路对以上两个方案进行比较，可以发发现第一个方案为线性稳压电源，具备基本的稳压效果，但是只是基本的调整管电路，输出电压不可调，而5且输出电流不大，而第二个方案使用了集成运放和调整管作为稳压电路，输出电压可以通过开关J1在3-6V、6-9V、9-12V之间调节，功率也较高，可以输出较大的电流。稳定效果也比第一个方案要好，所以选择第二个方案作为本次课程设计的方案。三：电路框图和电路图整体电路的框架如下图所示，先有变压器对其进行变压，变压后再对其进行整流，整流后是高低频的滤波电路，最后是由采样电路、比较放大电路和基准电路三个小的单元电路组成的稳压电路，稳压后为了进一步得到更加稳定的电压，在稳压电路后再对其进行，最后得到滤波稳压电源。图4电路框图图5串联直流稳压总电路图变压电路全波整流正极滤波电路稳压电路比较放大采样电路基准电压输出滤波电路正极输出端共地端6五电路设计及元器件选择；（1）、变压器的设计和选择本次课程设计的要求是输出为3V-6V、6V-9V、9V-12V的稳压电源，输出电压较低，而一般的调整管的饱和管压降在2-3伏左右，由OminImaxCEUUU，CEU为饱和管压降，而ImaxU=12V为输出最大电压，OminU=3V为最小的输入电压，以饱和管压降CEU=3V计算，为了使调整管工作在放大区，输入电压最小不能小于15V，为保险起见，可以选择220V-15V的变压器，再由P=UI可知，变压器的功率应该为1A×15V=15w，所以变压器的功率绝对不能低于15w，由于串联稳压电源工作时产生的热量较大，效率不高，所以变压器功率需要选择相对大些的变压器。结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的变压范围为220V-15V，额定功率20W，额定电流2A的变压器。（2）、整流电路的设计及整流二极管的选择由于输出电流最大只要求1A，电流比较低，所以整流电路的设计可以选择常见的单相桥式整流电路，由4个串并联的二极管组成，具体电路如图3所示。图6单相桥式整流电路二极管的选择：当忽略二极管的开启电压与导通压降，且当负载为纯阻性负载时，我们可以得到二极管的平均电压为)(AVoU：7)(AVoU=)(sin2102tdtU=222U=0.92U其中2U为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得)(AVoU=17v。对于全波整流来说，如果两个次级线圈输出电压有效值为2U，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是222U，即为42.42v考虑电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%的波动）我们可以得到实际的)(AVoU应该大于22.1V，最大反向电压应该大于55.2V。在输出电流最大为1A的情况下我们可以选择额定电流为2A，反向耐压为1000V的二极管IN4007.（3）、滤波电容的选择当滤波电容1C偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而1C偏大时，整流二极管导通角θ偏小，整流管峰值电流增大。不仅对整流二极管参数要求高，另一方面，整流电流波形与正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。所以电容的取值应当有一个范围，由前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为15V，当输出电流为1A时，我们可以求得电路的负载为18Ω时，我们可以根据滤波电容的计算公式：C=(3～5)LRT2来求滤波电容的取值范围，其中在电路频率为50HZ的情况下，T为20ms则电容的取值范围为1667-2750uF，保险起见我们可以取标准值为2200uF额定电压为35V的铝点解电容。另外，由于实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等因素，电路中极有可能产生高频信号，所以需要一个小的陶瓷电容来滤去这些8高频信号。我们可以选择一个50uF的陶瓷电容来作为高频滤波电容。（4）、稳压电路的设计稳压电路组要由四部分构成：调整管，基准稳压电路，比较放大电路，采样电路。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。由于输出电流较大，达到1A，为防止电流过大烧坏调整管，需要选择功率中等或者较大的三极管，调整管的击穿电流必须大于1A，又由于三极管CE间的承受的最大管压降应该大于15-6=9V，考虑到30%的电网波动，我们的调整管所能承受的最大管压降应该大于13V，最小功率应该达到）（min01LUU1.1IP=6.5W。我们可以选择适合这些参数最大功率为60W,最大电流超过6A，所能承受的最大管压降为100V。基准电路由3V的稳压管和10KΩ的保护电阻组成。由于输出电压要求为3V-6V、6V-9V和9V-12V，因此采样电路的采样电阻应该可调，则采样电路由一个电阻和三个可调电阻组成，根据公式：DUDmaxRRU求出。其中DR为输入端的电阻，R为输出端与共地端之间的电阻，DU为稳压管的稳压值。.所以根据此公式可求的电路的输出电压为3V-12V。可以输出3V-12V的电压，运放选用工作电压在15V左右前对电压稳定性要求不是很高的运放，由于AD704JN的工作电压为正负12V-正负22V，范围较大，可以用其作为运放，因为整流后的电压波动不是很大，所以9运放的工作电源可以利用整流后的电压来对其进行供电。为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，需奥对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个5uf电容，这样电源不容易受到负载的干扰。使得电源的性质更好，电压更稳定，六画出系统的电路总图和元件列出清单图7系统总电路图元件清单名称及标号型号及大小数量变压器220V-15V2个电容200uF4个50uF1个电阻10k2个30K2个1k2个3Ω1个可变电阻10k1个1020k1个60k1个集成运放AD704JN2个稳压管BZV60-B151个BZV60-B121个BZV55-B3V01个调整管2N50391个2N49221个桥式整流二极管3N2582个保护三极管2N38791个七、电路的调试及仿真数据调节可变电阻R2、R3、R4，可以得到课程设计所要求输出的3V-6V、6V-9V、9V-12V的电压，仿真数据如下理论值3V-6V、6V-9V、9V-12V，而实际的测量、值是在3V-5.989V、5.99V-9.003V-11.832V，造成0.01V-0.2V的可调误差，原因是由于可调电阻的实际调节范围偏大，导致输出电压偏大11图8不同档位最高和最低电压实测直流电压的输出波形如图8所示：在高压的12V输出时电压有0.02V的电压波动，基本上对输出的影响不大，可也不考虑其影响；在低压的3V时输出波形为一直线，基本无电压波动符合理论的要求。1213图9：3V、6V、9V、12V输出波形图八总结本课程设计运用了模拟电路的基本知识，通过变压，整流，滤波、稳压等步骤，输出理论可变范围为3V-6V、6V-9V、9V-12V，实际可调范围为3V-5.989V、5.99V-9.003V-11.832V的直流稳压电源。总结如下：优点：该电路设计简单。输出电压稳定，纹波值小，而且使用的元件较少，经济实惠，输出功率大，调整管可承受的范围也很大。缺点：电路电压档位的调整如果改用大胡子开关就可以实现对电源档位的数字控制；在调节不同档位时无外部指示，实用价值较低。改进一：将开关J1用三个NPNMOS代替，用集成JK触发器构成T触发器通过时钟脉冲实现输出Q高低电位的控制，以此来控制MOS管14的通断来调节档位，还可以在MOS管和电位器的链接处链接不同颜色的二极管来指示不同的档位，从而方便了电压的调节也便于使用、维护和检修。改进二：改进如下图所示（比较具有实用价值）15心得体会：通过这次课程设计，我对于模电知识有了更深的了解，尤其是对串联直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。在电路的仿真过程中也提升了我的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了对模拟电路设计方面的兴趣，理论与实践得到了很好的结合，加深自己对实用价值和理论的统一的了解。但对于理论和实际应用的统一和对于器件在实际中的使用还有很大的不足，不能在使用器件时选择合适的参数的器件，不能根据器件的编号知道器件的基本功能。在这方面需要很大的提高。