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1、四川航天职业技术学院电子工程系课程设计 专业名称： 电子信息工程技术 课程名称： 电子技术课程设计 课题名称： 串联型稳压电源设计 设计人员： 李林阳 指导教师： 简元金 2012年6月12日串联型稳压电源课程设计任务书一、课题名称：串联型直流稳压电源二、技术指标：输出电压Uo可调：612V输出额定电流：Io=500mA电压调整率Ku0.5电源内阻Rs0.1纹波电压S5 mV过载电流保护:输出电流为600mA，限流保护电路工作三、要求：稳压系数 Sv输出电阻r0温度系数ST纹波电压U0r及纹波系数Sv纹波电压S5 mV指导教师：简元金学 生：李林阳电子工程系G11套读班2012年 6 月12日
2、课程设计报告书评阅页课题名称：串联型稳压电源设计班 级：电子信息套读班姓 名：李林阳 2012年 6 月12日指导教师评语：考核成绩： 指导教师签名：2012年 月 日摘要 任何一种电路都需要电源，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，再经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。本设计的主要内容是围绕着如何使串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点
3、，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。 关键词： 电源、 稳压、 整流、 滤波、 保护 Abstract Any kind of circuits are needed for power electronic circuit, it is the energy and power. Different circuit for the power supply requirement is different. In many electronic devices and ci
4、rcuit needs a when the grid voltage fluctuation or the load changes, the output voltage can still remains essentially constant power. Electronic equipment in the power supply general by the AC grid is provided, then by transformer, rectifier, filter, and a voltage of four major parts. The main conte
5、nts of this design is centered around how to make the series adjustable DC power supply DC output voltage stable, the pulsation ingredient reduces launches. First introduced the full wave rectifier circuit working principle, then introduced the capacitor filtering circuit and performance characteris
6、tics, and then introduced with amplifying link and auxiliary power series adjustable regulated power supply, and used in the electric circuit improves the stability, improving the temperature stability and the current-limiting type over-current protection circuit of the specific measures, in order t
7、o ensure circuit safe and stable work. Key word:Power supply, voltage regulator, rectifier, filter, protection目录摘要.1目录.31. 方案比较.41.1方案比较.41.2方案决定.52. 串联型稳压电路组成.52.1制作串联型稳压电源的目的要求.52.2基本知识介绍.63. 电路的工作原理.103.1稳压过程.103.2输出电压调整过程.103.3过流保护过程.104. 电路参数计算及元器件选择.104.1整流电路.114.2滤波电路.124.3稳压电路.124.4电源变压器.145
8、. 参数的确定.145.1各部分相关参数的计算.145.2小结.166. 元件清单.177. 总结.188. 参考文献.199附录.20 1 方案比较1.1 方案比较 方案一：该方案稳压电路部分如下图所示，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D1 BZV55-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
9、使输出电压得到稳定。流程图如下： 方案二：用晶体管和集成运放组成的具有保护环节的串联型直流稳压电源流程图如下：1.2方案决定：上面两种方案中，方案一功能最强大，但是由于制作繁琐和实验室条件和经济成本的限制，我们放弃方案一，因为它牺牲了成本来换取方便。所以从简单、合理、可靠、经济从简单而且便于购买的前提出发，我们选择方案二为我们最终的设计方案。2 串联型稳压电路组成2.1制作串联型稳压电源的目的要求 2.1.1基本要求 1、依据性能指标和器件状况，设计稳压电源电子电路，并计算器件参数确定选择器件。（含散热设计）； 2、以本工程训练为实例先学习Altium Designer基本知识，并运用其绘制电
10、源原理图和PCB图； 3、掌握电子电路板制作的全过程，实现电源的制作； 4、测量电源相关各项技术指标，完成系统调试。 2.1.2设计思路由于桥式整流、电容滤波电路十分成熟，这里选择桥式整流、电容滤波电路作为电源的整流、滤波部分。由于要求电源输出电压有一定的调整范围，稳压电源部分选择串联负反馈稳压电路。同时由于对输出电流要求比较大，调整管必须采用复合管。整个电路设计分为变压部分、整流部分、滤波部分、调整部分、基准电源部分、取样部分、放大部分7部分，分别从每部分着手，设计整个电路图。 2.1.3设计原理2.2 基本知识介绍 2.2.1电源变压器知识1 初级(Primary Winding)：是指电
11、源变压器的电源输入端。2 次级(Secondary Winding)：是指电源变压器的输出端。3 额定输入电压U：是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。对GS变压器来说，U230V；对BS变压器来说，U240V。4 空载电流I：是指电源变压器的初级接上额定输入电压U而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。I与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其I也可能不同。5 空载电压U：是指变压器初级接受上额定输入电压U次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。U与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其U也可能不同。6 负
12、载电流I：是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，流过负载的电流。7 负载电压U：是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，负载两端的电压。8 定输出功率P：是指变压器在额定输入电压U时的输出功率，它表示变压器传送能量的大小。一般来说，在相同频率下，P越大，变压器的尺寸越大；P相同，即使输出电压U不同，变压器的尺寸也相同。 9. 由公式P=U*I可知若输出功率P一定，若输出电压U越高，则输出电流I越低。举例来说，一个输出功率P=10VA的变压器，若输出电压U=24V，则输出电流I= P/U=10VA/24V 0.416A；若U=12V， 则输出电流I=0.833A。1
13、0. 电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。副边功率 P/vA1010-3030-8080-200效率0.60.70.80.85对于本次工程训练对电源变压器的要求主要为次级空载电压大小，额定输出功率，变压器的额定容量，所以在本次工程训练中选择的是小型单相式变压器，有四组输出线分别为7V、10V、17V、10V。可根据具体功率及计算要求选择。 2.2.2整流电路 1、半波整流电路由以上图可知，半波整流电路的利用率低，一般不采用。2、全波整流电路由于变压器副线圈的接线较复杂，在实际中叶一般不采用。3
14、、桥式整流电路 电路工作原理:利用二极管正向导通反向截止的工作原理,当U2为正半周时二极管D1、D3导通,D2D4截止当U2为负半周时二极管D2、D4导通, D1、D3截止。而流过负载的电流的方向是一致的,在负载形成单方向的全波脉动电压。从而实现将交流的电压变为直流电压.主要参数：Uo=0.9*Ui 脉动系数:S=0.67 选管原则: If 1/2Io Ur 1.414U2结构简单性能优越，绝大多数整流电路采用桥式整流电路，所以本次工程训练采用桥式整流。2.2.3滤波电路滤波电路主要有：电容滤波、RC-型滤波、LV-型滤波、L滤波，LC滤波，其中LC滤波电路在负载电流较大或较小时，均有较佳的滤
15、波特性，故LC滤波对负载的适应性最强，整流管的冲击电流小，特别适用在电流变化较大的场合， 所以本电路采用LC滤波电路。根据经典电路选材：变压器220V-21V二极管IN4007三极管 NPN PNP电阻330 2k 1.5k可变电阻670稳压管BZV55-C7V5电容500uf电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用,再并上一个电容,利用电容的充放电作用,使得负载电流较大时或较小时均有较佳
16、的滤波能力. 主要参数:LC滤波电路的直流输出电压,如忽略电感上的压降,则输出直流电压等于全波整流的输出电压,则有Uo=0.9U22.2.4串联稳压电路稳压电路：它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。1 稳压电路的主要指标稳压系数Sr和稳压电路的输出电阻 稳压系数Sr：稳压系数是在有负载固定不变的前提下，输出电压的相对变化量Uo/Uo与稳压电路输入电压相对变化量Ui/Ui之比，即：该指标反映了电网波动对输出电压的影响。此外稳压电路输入电压Usc就是整流滤波以后的直流电压。2稳压电路的输出电阻 输出电阻可以衡量稳压
17、电路受载电阻的影响程度,即： 除了上述两个指标外,有时还用其它指标:电压调整率，指当电网电压（u2）变化10%时，输出电压的相对变化量；电流调整率，指当输出电流Io从零到最大时，输出电压的相对变化 ；最大波纹电压，反映在输出端存在的HZ或者100Hz交流分量，通常以有效值或峰峰值表示；温度系数，指电网电压和负载都不变时，由于温度变化面引起的输出电压漂移等。直流稳压电路的类型很多，有：硅稳压管稳压电路、串联某型稳压电路、集成稳压电路，开关稳夺电路，其中集成稳压电路相对于其它类型的稳夺电路来讲具有体积小、稳定性高、输出电阻小、温度性能好、使用方便、外围元件少等优点，在实际应用中得到广泛应用。集成稳
18、压器有两种：输出固定电压和可调输出电压的稳压块。 3 电路的工作原理220V交流电经双18V的低压交流电，VD1，VD2和C1构成整流滤波电路，产生20V的直流电压，VT4，VD3，VD4和R2为恒流源负载，VT5和R0为过流保护电路，VT1和VT2为电压调整电器，VT3，VD5，R3，RP1，R5和R4构成输出电压取样比较电路，RP1调整输出电压大小。3.1稳压过程当输出电压U0因某种原因下降时，VT3的基极电压UB也下降，VD5两端的电压恒定，因此VT3和UBE电压随之下降，VT3的工作点往截止区靠近，就造成VT3的集电极电压UC上升，即VT2的基极电压上升，从而使调整管VT1的UCE电压
19、下降，使输出电压上升，若输出电压U0因某种原因上升时，其过程恰好相反。这样输出电压因某种原因变化时，VT1和VT2构成的电压调整器就能够调整输出电压，使其保持恒定。3.2输出电压调整过程VD5用于调整输出电压大小。当RP1滑动端向上滑时，VT3的基极电压UB就上升，VD5两端的电压恒定，因此VT3的UBE电压随之上升，集电极电压UC就下降，即VT2的基极电压下降，从而使调整管VT1和UCE电压上升，使输出电压变小。若当RP1滑动端向下滑时，输出电压则会变大。3.3过流保护过程VT5和R0为过流保护电路，R0阻值较小（大约为1）。当输出电流I0较小时，在R0上产生的电压较小，不足以使调整管VT1
20、和UCE电压增大，使输出电压下降，起到保护作用。 4 电路参数计算及元器件选择交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电，其方框图及各电路的输出波形如图所示，下面就各部分的作用加以介绍。 4.1 整流电路为了将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，还需要通过整流电路。查阅资料可知单相整流电路有半波整流电路、单相桥式整流电路（全波整流电路）。单相桥式整流电路和半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求一样，并且还具有输出电压高，变压器利用率高、脉动系数小等优点。所以在电路中采用单相桥式整流电路，如图所示： 保护电路：在集成稳压器电路内部含有各种保护电路
21、，使集成稳压器在出现不正常情况时不至于损坏。因为串联型稳压电路的调整管是其核心器件，它流过的电路近似等于负载电流，且电网电压波动或输出电压调节时管压降将产生相应的变化，所以这些保护电路都与调整管紧密相关。过流保护电路能够在稳压管输出电流超过额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值或使之迅速减少，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏。 主要参数：输出电压平均值Uo（av）：负载电阻上电压的平均值输出电流平均值：负载电阻上电路的平均值=整流输出电压的脉动系数S：整流输出电压的基波峰值与输出电压平均值之比，因而S越大，脉动越大。二极管的选择： 考虑到电网电压波动范围为10%，整流二极管的极限参数最高反
22、向工作电压和最大整流平均电流应满足：1.1和1.1 1.10.007A所以选择1.1V4.2 滤波电路整流后的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，会影响电路的正常工作。一般在整流后，还需要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。所以需通过低通滤波电路，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使输出电压仅为直流电压。在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足C=(35)T/2的条件，为了获得更好的滤波效果，电容容量应选得更大些。查阅资料可知滤波电路有电容滤波、电感滤波电路和复式滤波电路三种，其中复式滤波电路的效果最好，所以在电路中采用RC型的复式滤波电路，如图所示：
23、C越大，R越大，T放电将越大，曲线越平滑，脉动越小。所以C选择2.2mF。4.3 稳压电路 交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或负载变化时，其平均值也随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。由于经济成本、元件购买及仿真软件的限制，稳压电路只采取一个具有放大环节的基本串联型稳压电路加一个载流型过流保护电路。a稳压原理：若由于某种原因使UO增大，则UOUNUBUOb输出电压的调节范围：故6V,取=5.6V402, 1000K(100), 820c串联型稳压电路的基本组成部分及其作用：调节管：是电路
24、的核心，UFE随UI和负载产生变化以稳定Uo。基准电压：是Uo的参考电压。采样电阻：对Uo的采样，与基准电压共同决定Uo。比较放大：将Uo的采样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。d串联型稳压电源中调整管的选择：要想使调整管起到调整作用，必须使之工作在放大状态，因此其管压降应大于饱和管压降；调整管极限参数的确定，必须考虑到输出电压由于电网电压波动而产生的变化，以及输出输出电压的调节和负载电流的变化所产的影响。根据极限参数ICM、U（BR）CEO、PCM选择调整管：=-= R电网电压最低且负载电流最小时，稳压管的电流最大。= R4.4 电源变压器直流电的输入为220V的电网电压，一般情
25、况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对电流电压处理。变压器副边电压有效值决定后面电路的需要。根据经验，稳压电路的输入电压一般选取Ui=(23)Uo。所以选择15V30W的变压器。5 参数的确定5.1各部分相关参数的计算直流稳压电源电路可分为以下几个模块：变压器（220V50Hz）整流滤波稳压电路（反馈调整、取样电路）稳定直流 5.1.1整流电路1、整流输出电压平均值：（Uo） Uo= 1/202uod(wt)=0.9U2负载上的平均电流：IL=0.9U2/RL 2、脉动系数S S定义为：整流输出电压的基波峰值Uom与平均值Uo的比值。所以 ，经计
26、算知 S=2/30.67 5.1.2滤波电路 RLC愈大电容放电越慢 Uo越大 一般取td=RLC(35)T/2 ( T :电源电压的周期)近似估算：Uo=1.2U2 5.1.3稳压输出电路部分相关参数的计算可分析得知该电路具有稳压功能。对应原理图看有(一个档位)：UQ5b=（R1+R4）Uo/(R1+R4+R8)所以, 输出最小： Uo=(R1+R4+R8) UQ5b/(R4+R8) 输出最大：Uo= (R1+R4+R8) UQ5b/R55.2小结通过前面的计算，已经得到了所有元件的参数。这样就得到完整的串联负反馈稳压电源电路图，这里计算的其实都还只是初步的参数，实际组装完毕后应该仔细测量电
27、源的各项指标是否符合要求，各部分元件工作是否正常。如果发现问题，应该根据实际情况作出调整。根据调整的结果来修正原理图中的电路参数，最终完成稳压电源的设计。 6 元件清单实际电路连接和数据测量元件清单名称及标号型号及大小数量变压器220V-21V1个二极管IN40074个电阻3301个2k1个1.5k2个可变电阻6701个三极管NPN4个三极管PNP1个稳压管BZV55-C7V51个电容500uf3个桥式整流管1B4B421个运放OPAMP_3T_VIRTUAL1个电路的连接：一、 按电路图在面包板上连出实际电路，测出电源通过变压器的电压U1。二、 测出有电容滤波电路的输出电压Uc1，和无电容滤
28、波的输出电压Uc2。三、 滑动滑动变阻器的触头至两端，分别测得电路输出电压Uo1和Uo2，数据记录：项目U1Uc1Uc2Uo1Uo2数据20.8925.3019.028.6215.33 7 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5.772V-9.622V而实际可调范围为5.78V-10.45V的正负直流稳压电源。这次课程设计，我做的是直流稳压电源，不仅在将来的工程实训中会用到，而且在平时的电子兴趣班也是很好的电源工具，这次我们做的直流稳压电源的带负载能力强，最大负载电流可达到1A左右。在这次课程是设计中，我学习到了许多关于设计的东西，这些在
29、书本上无法学到。我们在课程设计过程中，需要对每个电子元件十分熟悉，这就要求我们自己上网查资料，自学它们的一些相关特性，知道它们的相关参数。虽然有一些元器件我们在书本上已经学过，但在实际应用中还是有一定的困难。这是我们缺乏实践的原因所致。只有经常参与实践，才能对自己所学到的东西有更好的应用。此次工程实训就给予了我们这样的机会，让我们有机会把理论与实际联系起来，让我们学以致用。此外，这次工程训练中，我们还学到了更为重要的东西，那就是在遇到困难时，如何去解决问题。我们在做完直流稳压电源后，可能会遇到不能正常工作的情况，此时，我们需要分析出问题出现在那里，是什么原因导致错误。我们该如何检查元器件的好坏
30、问题，这些分析的过程是十分重要的，解决这些问题，我们既需要对电路十分了解，也要靠平时经验的积累。只有这样，我们才能完成这次工程实训，才能学到应该学到的东西。 8 参考文献1电子线路(上、下册)M陈其纯.北京:高等教育出版社，1992.2电子技术基础(模拟部分教师手册)M.陈大钦.北京:高等教育出版社,2000.3模拟电子技术基础M.刘仁宇.北京:机械工业出版社,1998.4模拟电子技术基础M.叶树江.北京:机械工业出版社,2004.5模拟电子技术(第二版)M.江晓安,董秀峰.西安:西安电子科技大学出版社,2002.6电子技术基础实验M.叶致诚.北京:高等教育出版社,1995.附录1电路原理图附录2PCB图附录3实物图
