模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告---串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源

1、<p><b>　　綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告</b></p><p>　　課程名稱 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　實(shí)驗(yàn)名稱 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源 </p><p>　　一、題目名稱：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　要求：設(shè)計(jì)并制作用晶體管和集成運(yùn)算放大器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。</

2、p><p>　　指標(biāo)：1、輸出電壓6V、9V兩檔，正負(fù)極性輸出；</p><p>　　2、輸出電流：額定電流為150mA，最大電流為500mA；</p><p>　　3、紋波電壓峰值▲Vop-p≤5mv；</p><p>　　二、方案設(shè)計(jì)及電路框圖</p><p><b>　　1、方案比較</b>&l

3、t;/p><p>　　方案一：如圖1，先對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓，然后用單相橋式二極管對(duì)其進(jìn)行整流，整流后利用電容的充放電效應(yīng)，用電解電容對(duì)其進(jìn)行濾波，將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)楦悠交闹绷麟妷?，穩(wěn)壓部分的單元電路由穩(wěn)壓管和三極管組成（如圖2），以穩(wěn)壓管D1電壓作為三極管Q1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RL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

4、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?。ㄔ龃螅沟肦兩端的電壓降低（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。</p><p>　　圖1 方案一的穩(wěn)壓部分電路</p><p>　　方案二：經(jīng)有中間抽頭的變壓器輸出后，整流部分同方案一一樣采用四個(gè)二極管組成的單相橋式整流電路，整流后的脈動(dòng)直流接濾波電路，濾波電路由兩個(gè)電容組成，先用一個(gè)較大阻值的

5、電解電容對(duì)其進(jìn)行低頻濾波，再用一個(gè)較低阻值的陶瓷電容對(duì)其進(jìn)行高頻濾波，從而使得濾波后的電壓更平滑，波動(dòng)更小。濾波后的電路接接穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓部分的電路如圖3所示，方案二的穩(wěn)壓部分由調(diào)整管，比較放大電路，基準(zhǔn)電壓電路，采樣電路組成。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）

6、，從而使輸出電壓得到穩(wěn)定。</p><p>　　圖2 方案二穩(wěn)壓部分單元電路</p><p>　　對(duì)以上兩個(gè)方案進(jìn)行比較，可以發(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)方案使用了運(yùn)放和調(diào)整管作為穩(wěn)壓電路，輸出電壓可調(diào)，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

7、案。</p><p><b>　　2、電路框圖</b></p><p>　　整體電路的框架如圖3，先有22V-15V的變壓器對(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)行小小的率波，最后得到正負(fù)輸出的穩(wěn)壓電源。</p&

8、gt;<p>　　圖3 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路方框圖</p><p>　　三、電路設(shè)計(jì)及元器件選擇</p><p>　?。?）變壓器的設(shè)計(jì)和選擇</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的要求是輸出正負(fù)9伏和正負(fù)6伏的雙電壓電源，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，而 12-3=9V為輸出最大電壓，6V 為最小的輸入電壓，以飽和管壓降 為3伏

9、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12V,故可以選擇220V-15V的變壓器</p><p>　　（2）整流電路的設(shè)計(jì)及整流二極管的選擇</p><p>　　由于輸出電流最大只要求500mA，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，具體電路如圖4所示。</p><p>　　圖4 單相橋式整流電路<

10、;/p><p>　　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 0.9V</p><p>　　其中15V為變壓器次級(jí)交流電壓的有效值。我們可以求得 U0=15×0.9=13.5v。</p><p>　　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15V ，則處于截止?fàn)顟B(tài)的二極管承受的最大反向電壓

11、將是15× ，即為21.1V。 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)），最大反向電壓應(yīng)該大于27.4V。在輸出電流最大為500mA的情況下我們可以選擇額定電流為1A，反向耐壓為1000V的二極管IN4007。</p><p>　?。?）濾波電容的選擇</p><p>　　當(dāng)濾波電容偏小時(shí)，濾波器輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)大；而偏大時(shí)，整

12、流二極管導(dǎo)通角θ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0.5A時(shí)，我們可以求得電路的負(fù)載為30 歐，我們可以根據(jù)濾波電容的計(jì)算公式：</p><p>　　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則容的取

13、值范圍為1250-2083uF，保險(xiǎn)起見我們可以取標(biāo)準(zhǔn)值為2200uF額定電壓為35V的鋁電解電容 </p><p>　?。?）穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　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）；

14、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500mA，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500mA，又由于三極管CE間的承受的最大管壓降應(yīng)該大于12-6=3V，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10V，最小功率應(yīng)該達(dá)到 10×0.5=5W。綜合以上參數(shù)，我們可以選用功率三極管TIP41，它

15、的最大功率為60W,最大電流超過6A，所能承受的最大管壓降為100V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足調(diào)整管的條件。負(fù)極的調(diào)整管則選擇與之相對(duì)應(yīng)的的中功率三極管TIP42?；鶞?zhǔn)電路由1個(gè)4.3v IN4731A的穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓和4.7KΩ的保護(hù)電阻組成。由于輸出電壓要求為6伏和9伏，如果采樣電路取固定值則容易造成誤差，所以采樣電阻最好應(yīng)該做成可調(diào)的，固采樣電路由兩</p><p>　　如上圖，把R2= 10Ω（ 相當(dāng)于公式中的R1）,R

16、7=1kΩ（相當(dāng)于公式中的R2）,R3=620Ω, =4.3V代入以上公式可求的電路的輸出電壓為4.255-11.118V。可以輸出6V和9V的電壓，運(yùn)放選用工作電壓在12V左右前對(duì)電壓穩(wěn)定性要求不是很高的運(yùn)放，由于LM358的工作電壓可達(dá)+15V～- 15V，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，需再對(duì)輸出端進(jìn)行再次濾波，可在

17、輸出端接一個(gè)47uf的電解電容，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</p><p><b>　　(5)保護(hù)電路</b></p><p>　　過流保護(hù)電路能夠在穩(wěn)壓管輸出電流超過額定值時(shí)，限制調(diào)整管發(fā)射極電流在某一數(shù)值或使之迅速減少，從而保護(hù)調(diào)整管不會(huì)因電流過大而燒壞。在過流時(shí)使調(diào)整管發(fā)射極電流迅速減小到較小數(shù)值的電路，稱為截流型過流保護(hù)電路。

18、如下圖（a）所示為截流型過流保護(hù)電路，T1為調(diào)整管，Ro為電流采樣電阻，它與T2,R1和R2構(gòu)成保護(hù)電路，當(dāng)Io增大，UBE2將隨之增大。未過流時(shí)，UBE2< Uon ，使T2截止。當(dāng)Io增大到一定數(shù)值或輸出端短路時(shí)，T2導(dǎo)通，對(duì)調(diào)整管T1的基極分流，使Io減少，從而導(dǎo)致輸出電壓Uo減少；此時(shí)雖然UB隨Uo的下降而下降，但是Uo下降的幅值大于UB，使得T2的電流進(jìn)一步增大，T1的電流進(jìn)一步減少，最終減少到較小數(shù)值。輸出特性如下圖（

19、b）所示。通常，在截流型過流保護(hù)電路啟動(dòng)后，均有一個(gè)正反饋過程，使輸出電流迅速減少。</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　四、總體的電路圖</b></p><p>　　五、電路的調(diào)試及仿真數(shù)據(jù)</p><p>　　正負(fù)輸出的可調(diào)的最大值和最小值電壓數(shù)據(jù)如下圖：<

20、/p><p>　　調(diào)節(jié)可變電阻，可以得到課程設(shè)計(jì)所要求輸出的6V和9V的電壓，仿真數(shù)據(jù)如上。</p><p>　　電路輸出直流電的波形圖如下圖</p><p>　　電壓的直流電波形為標(biāo)準(zhǔn)的直線，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求</p><p>　　而實(shí)際測量時(shí)也是這樣，輸出波形基本為一條直線</p><p>　　電路輸出紋波波形紋波電壓在1

21、.8mV左右，比要求的5mV要低，而實(shí)際測量時(shí)，紋波的電壓只有0.9mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所要求的5mV，所以符合要求。</p><p><b>　　六、總結(jié)</b></p><p>　　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，總結(jié)如下：</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：該電路設(shè)計(jì)簡單。輸出電壓穩(wěn)定，紋波值小，而且使用的元件較少

22、，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，也有保護(hù)電路，當(dāng)電路由于偶然原因出現(xiàn)較大的電流時(shí)，有可能造成損害，所以使得電路故障率降低了。</p><p>　　缺點(diǎn)：對(duì)電阻的選擇，我們有的極端，因?yàn)閯傋龀鰧?shí)物時(shí)發(fā)現(xiàn)有問題所以不斷地修改采樣電路的電阻（把R2=R11=10歐），最終盡管修改好問題了，修改太多了，我們只好保留。只因沒有1.5歐電阻了，所以這個(gè)電路中的R4=R12=1.5歐的電阻用兩個(gè)4.7歐的電阻

23、并聯(lián)得到，與實(shí)際有點(diǎn)不符。</p><p>　　改進(jìn)：可以在穩(wěn)壓電路那里接一個(gè)調(diào)整管的安全工作區(qū)保護(hù)電路。這樣可使調(diào)整管既不因過電流而燒壞，又不因?yàn)檫^壓而擊穿。保護(hù)電路將更好！</p><p>　　心得體會(huì)：通過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)于模電知識(shí)有了更深的了解，尤其是對(duì)與線性直流穩(wěn)壓電源方面的知識(shí)有了進(jìn)一步的研究，希望以后有空還是再做做開關(guān)直流電源，讓自己更熟悉這方面的知識(shí)。同時(shí)實(shí)物的制作也提升

24、了我的動(dòng)手能力，實(shí)踐能力得到了一定的鍛煉，思考問題也更加細(xì)心，和思考問題的思維也得到了一定的提升，又一次覺得自己的焊接技術(shù)還好，做出來的實(shí)物也相當(dāng)滿意，這加深了我對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)方面的興趣。理論與實(shí)踐得到了很好的結(jié)合，但在做仿真實(shí)驗(yàn)很成功的同時(shí)，做出實(shí)物卻有比較大的誤差，所以仿真還是存在一定的錯(cuò)誤，需要自己再耐心的思考和修改！而這個(gè)過程中跟組員合作也是一個(gè)合作能力的培訓(xùn)，曾我們大家的意見不一致時(shí)大家不停地爭論，而最后還是能得到最完美的結(jié)論

25、！同時(shí)在做課程設(shè)計(jì)過程中，遇到不懂的地方，又讓我們明白到請(qǐng)教的重要性！所以很感謝師兄的指導(dǎo)。</p><p>　　（七）裝配圖（正反面）</p><p><b>　　附錄：元件清單</b></p><p>　　注：兩個(gè)4.7歐電阻并聯(lián)作用相當(dāng)于仿真中1.5歐的電阻。</p><p>　　參考文獻(xiàn)：1、童詩白、華成英，《模