串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　電子工程系課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　專業(yè)名稱： 電子信息工程技術(shù)1班 </p><p>　　課程名稱： 模擬電子技術(shù) </p><p>　　課題名稱： 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源

2、 </p><p>　　設(shè)計(jì)人員： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 雒嘉 </p><p>　　2009年06月20日</p><p>　　摘要 電子設(shè)備中都需要穩(wěn)定的直流電源，功率較小的直流

3、電源大多數(shù)都是將50Hz的交流電經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后獲得。整流電路用來將交流電壓變換為單向脈動(dòng)的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動(dòng)電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)輸入交流電源電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。電子設(shè)備都離不開直流電源。許多電子設(shè)備要由電力網(wǎng)上的交流電所變化的直流電來提供電。根據(jù)電子設(shè)備的不同，對(duì)電源的要求也不一樣。比如說，有的電子設(shè)備消耗功率大些，就要求直流電源提供

4、較大的功率；有的電子設(shè)備的工作性能對(duì)電壓波動(dòng)很敏感，就要求電源的輸出電壓要穩(wěn)定、紋波系數(shù)要??；也有的要求直流電源輸出的電壓可調(diào)?？梢?，穩(wěn)定的直流電源在電子設(shè)備中的重要作用?！娟P(guān)鍵詞】：整流 濾波 穩(wěn)壓 可調(diào)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 性能指標(biāo)........................................

5、............1</p><p>　　第二章原理電路和程序設(shè)計(jì)...........................................1</p><p>　　2.1 方案比較.......................................................1</p><p>　　2.2 電路框圖..........

6、.............................................2</p><p>　　2.3 電路設(shè)計(jì)及元器件選擇...........................................3</p><p>　　2.3.1 變壓器的設(shè)計(jì)和選擇...........................................3</p>

7、<p>　　2.3.2 整流電路的設(shè)計(jì)及整流二極管的選擇.............................3</p><p>　　2.3.3 濾波電容的選擇...............................................4</p><p>　　2.3.4 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)....................................

8、...........5</p><p>　　第三章 系統(tǒng)電路總圖................................................6</p><p>　　第四章 電路的調(diào)試及仿真數(shù)據(jù)........................................7</p><p>　　第五章 元件清單.................

9、..................................10</p><p>　　第六章 總結(jié).......................................................11</p><p><b>　　第一章 性能指標(biāo)</b></p><p>　　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

10、流穩(wěn)壓電源。具體指標(biāo)如下：</p><p>　　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>　　第二章 原理電路和程序設(shè)計(jì)</p><p><b>　　

11、2.1 方案比較</b></p><p>　　方案一：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1），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

12、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?。ㄔ龃螅?，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。</p><p>　　圖1 方案一穩(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擦用四個(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

13、兩個(gè)電容組成，先用一個(gè)較大阻值的點(diǎn)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2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

14、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。</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)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，

15、所以選擇第二個(gè)方案作為本次課程設(shè)計(jì)的方案。</p><p><b>　　2.2 電路框圖</b></p><p>　　整體電路的框架如下圖所示，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

16、波，最后得到正負(fù)輸出的穩(wěn)壓電源。</p><p>　　2.3 電路設(shè)計(jì)及元器件選擇：</p><p>　　2.3.1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負(fù)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，由，為飽和管壓降，而=9V為輸出最大電壓，為最小的輸入電壓，以飽和管壓降=3伏計(jì)算，為了使調(diào)整管工作

17、在放大區(qū)，輸入電壓最小不能小于12V，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0.5A×9V=4.5w，所以變壓器的功率絕對(duì)不能低于4.5w，并且串聯(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12W，額定電流1A的變壓器。</p><p>　　2

18、.3.2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3所示。</p><p>　　圖3單相橋式整流電路</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

19、壓為：</p><p><b>　　===0.9</b></p><p>　　其中為變壓器次級(jí)交流電壓的有效值。我們可以求得=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，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34.2v</p><p>　　考慮電網(wǎng)波動(dòng)（通常波動(dòng)為10

20、%，為保險(xiǎn)起見取30%的波動(dòng)）我們可以得到 應(yīng)該大于19.3V，最大反向電壓應(yīng)該大于48.8V。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>　　2.3.3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

21、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18歐，我們可以根據(jù)濾波電容的計(jì)算公式：</p><p><b>　　C=(3～5)</b></p><p>　　來求濾波電容的取值范圍，其中在電路

22、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。</p><p>　　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)104的陶瓷電容來作為高頻濾波電容。濾波電路如上圖。</p><p>　　

23、2.3.4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）；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，

24、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)，并且在市場(chǎng)上容易買到的中功率三極管TIP41，它的最大功率為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

25、TIP42?；鶞?zhǔn)電路由5.1V的穩(wěn)壓管和4.7V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，固采樣電路由兩個(gè)電阻和一個(gè)可調(diào)</p><p>　　求出。其中為運(yùn)放正反相輸入端的電阻，為輸出端正極（負(fù)極）與共地端之間的電阻 ，為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。固可以取330、和1.5k的固定電阻置于1k的滑阻兩旁避免當(dāng)滑為0.所以根據(jù)此公式可求的電路的輸出電壓為5

26、.772-9.622V。可以輸出6V和9V的電壓，運(yùn)放選用工作電壓在15V左右前對(duì)電壓穩(wěn)定性要求不是很高的運(yùn)放，由于uA741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。正穩(wěn)壓電路的正極和負(fù)極分別如下圖</p><p>　　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)10uf的

27、點(diǎn)解電容和一個(gè)103的陶瓷電容，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>　　第三章 系統(tǒng)電路總圖</p><p>　　第四章 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：</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

28、數(shù)據(jù)如下：</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(cè)量時(shí)也是這樣，輸出波形基本為一條直線</p><p><b>　　電路輸出紋</b></p><p>　　紋波電壓在2.5mV左右，比要求的5

29、mV要低，而實(shí)際測(cè)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>　　第五章 元件清單</b></p><p><b>　　第六章 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，輸出理論可變范圍為5.772V-9.

30、622V而實(shí)際可調(diào)范圍為5.78V-10.45V的正負(fù)直流穩(wěn)壓電源。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，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，。</p><p>　　缺點(diǎn)：電壓缺少一個(gè)保護(hù)電路，當(dāng)電路由于偶然原因出現(xiàn)高的電壓脈沖時(shí)，有可能對(duì)電路造成危害，使得電路故障率提高。</p><p>　　

31、改進(jìn)：可以在穩(wěn)壓電路那里再接一個(gè)過保護(hù)電路電路。減少接電或斷電時(shí)產(chǎn)生的瞬間高電壓對(duì)電路元件的破壞。另外，ua741芯片較為古老，性能不穩(wěn)定，已跟不上時(shí)代的需要所以運(yùn)放可以重新選擇性能更好，更穩(wěn)定的芯片。</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。同時(shí)實(shí)物的制作也提升了我的動(dòng)手能力，實(shí)踐能力得到了一定的鍛煉，加深了我對(duì)模擬電路

32、設(shè)計(jì)方面的興趣。理論與實(shí)踐得到了很好的結(jié)合。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 王遠(yuǎn).模擬電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20062 王增福李昶魏永明. 新編線性直流穩(wěn)壓電源.北京：電子工業(yè)出版社，20053 何希才.穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 北京：中國電力出版社，20004 周志敏周紀(jì)海紀(jì)愛華.線性集成穩(wěn)壓電源實(shí)用電路.