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1、晶体管扩流5V/3A线性稳压电源设计一、线性稳压电源1.1工作原理电源是各种电子设备必不可缺的组成部分。线性稳压电源具有性能可靠，构造简单， 反应速度快，纹波干扰小等特点，在电路中得以广泛的应用。目前，虽然各种开关电源得 到了很大的发展，但在性能要求较高的模拟电路，如音响电路、高精度测量等电路中，仍 然无法替代线性稳压电源。线性稳压电源主要由工频变压器、整流电路、线性稳压电路等 组成，其结构如图1。图1线性稳压电源结构图常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压 型）。例如7805，输出电压为5V）； LM317 （可调正电压型），LM337 （可调负电压型
2、）; 1117 （低压差型，有多种型号，用尾数表示电压值。如1117-3.3为3.3V，1117-ADJ为 可调型），LM2940。通常这些线性稳压电源IC内部由调整管、参考电压、取样电路、误差 放大电路等几个基本部分组成。线性稳压电源的主要缺陷，除了工频变压器的体积较大外， 就是变换效率较低，通常只能达到35%-60%。而变换效率低的主要原因在于线性稳压电路 的效率较低。使线性稳压电路中的电压调整管上承受较大的功耗，需要使用大面积的散热 片对其散热，这就进一步加大了线性稳压电源的体积。常用的5V线性稳压电源如7805的输出电流通常不超过1A，因此在需要线性稳压电源 输出电流达到3A的时候需要
3、对现有的线性稳压电源进行扩流。常用的线性稳压电源扩流方 法有使用品体管电流放大的特性进行扩流。为降低损耗，此次设计选用了低压差线性稳压 电源LM2940。图2是利用品体利用品体管扩流的3A/5V线性稳压电源的扩流设计。图2晶体管扩流线性稳压电路1.2线性稳压电源扩流的原理UIN接直流输入电源，其输入电压的范围跟选用的芯片有关，UOUT为线性稳压电源 的输出端接负载。如图所示流过负载的电流为Io, Io由源LM2940的输出电流I2和PNP 的输出电流I1两部分。IR为流过电阻的电流，Ib为PNP的基极电流，Iin为源LM2940的 输出电流。分析时忽略源LM2940的静态工作电流。假设晶体管的
4、放大倍数为。，晶体管基 极导通电压为Ueb。如图3所示。Io=I1+I2(1-1)Iin=IR+Ib(1-2)I1=pib(1-3)I2= Iin=IR+Ib(1-4)IR=Ueb/R1(1-5)Io=I1+I2=pib+ Iin邛Ib+ IR+Ib=(1+0) Ib+Ueb /R1(1-6)由式(1-6)可知是，输出电流和晶体管的放大倍数以及电阻R1的值相关，由于晶体管输 出电流与基极的电流成正比，晶体管的放大倍数为。，当晶体管处于线性放大区工作时，只 要较小的Ib电流，就能获得较大的I2输出，当参数选取合适时，I2的电流将是Io输出电 流的主要部分，从而实现了扩流。在使用时要确保PNP处于
5、线性放大区。图3晶体管扩流线性稳压电路原理分析1.3晶体管扩流的优点电路简单，稳定.调试方便。电路中几乎没有产生高频或者低频辐射信号的元件,工作频率低,EMI等方面易于控制。1.4晶体管扩流的缺点：此电源是线性稳压电路,所有有其特有的内部功率损耗大,全部压降均转换为热量损失 了,效率低.所以散热问题要特别注意。由于核心的元件源LM2940的工作速度不太高，所以对于输入电压或者负载电流的急剧 变化的响应慢。此电路没有加电源保护电路，源LM2940本身有过流和温度保护，但是扩流三极管没有 加保护，所以存在一个很大的缺点，如果源LM2940在保护状态以后，电路的输出会是Vin-Vce, 电路输出超过
6、预期值，因此在设计时应做相应的措施。二、5V/3A线性稳压电源系统设计指标本课程设计的设计目标为，设计一个电路，实现对LM2940线性稳压电源的输出电流 扩流，使得扩流后的电路能够最大工作在3A的负载下，并满足如下要求：(1) 电压调整率忍0.2%(输入电压220V变化范围+ 10%一10%下，满载)(2) 负载调整率1%(最低输入电压下，空载到满载)；(3) 效率40%(输出电压5V.输入电压220V下，满载)；(4)PNP管子外壳温升不超过70摄氏度三、电路设计：根据线性稳压电源扩流的原理，设计扩流电路。如图2为晶体管扩流电路原理图， 其组成由变压器，整流桥以及晶体管放大型扩流电路组成。图
7、4晶体管扩流电路原理图四、元器件选型4.1不可控整流部分参数选取依据：如图3所示a图为单相电容滤波不可控整流电路的原理图，b图为工作波形图。图5可控整流电路的原理图工作原理：在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2 (3- 5)T/2, 此时输出电压为：udQi.2y。电流平均值输出电流平均值IR为：IR=Ud /R二极管电流ID平均值为：ID=Id/2=IR/2二极管承受的最高反向电压： 2U 2由LM2940的输入电压范围在6.25V忍Vin26V,为了减小线性电源的损耗，因此希望 变压器二次侧整流后获得的直流电压的值在LM2940的输入范围内，且值尽量的小。在选 型时由于常用的工频变压器
8、有交流220转5、9、12、等几个固定值范围。因此变压器选择220V转9V的工频变压器，二次侧电压峰值约为、2u2约为12.7V。为保 证输出电流不小于3A,因此该变压器的功率应大于27W,购买时根据实际情况选择功率大 于30W的变压器。4.2器件具体选型(1)整流二极管：在不可控整流电路中二极管承受最大的反向电压为 (2 口 3)左U 2因为变压器二次侧有效值为9V，即有5u2约为12.7V，所以设计选取二极管的反向电压 为二级管所承受的反向电压峰峰值的3倍时有VHRM 3、由 2VHRM 38.07二极管正向电压有效值为vRMf虑裕量则有：VRMS *3)U 2/2设计选取正向有效值电压裕
9、量为3倍时则有：Vq 3 2/2VrmS 135二极管的正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此在使用时应该按照 工作中实际波形的电流与正向平均电流造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取 二极管的电流额定值，并且留有一定的裕量。线性电源的输入输出电流大小相等，因此流 过二极管的电流的平均值为么U2 = 2 = L5A假定二级管正向平均电流为/(叫，在选取二极管电流大小时通常选取二极管正向平均电 流为实际电流的1.5-2倍，所以有：1 (AV) 口机设计选取2倍的安全裕量则有：/ (AV)身 41 (AV)普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高， 只
10、要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的普通整流二极。表1整流二极管参数要求项目正向平均电流I(AV)正向电压有效值VpMcRMS反向电压峰峰值VHRM类型要求1 (AV) 3 AVRMsP.WVHRM N 38-07 V普通根据上诉要求，选取普通整流二极管，正向平均电流电流3A以上的整流二极管，反向 峰值电压大于38.07V的二级管。查阅相关二级管参数手册，设计选用6A系列二极管可以 满足要求，因此整流二级管选用6A05即可满足要求6A系列主要参数如下表所示:(Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage为最大重复反向峰峰值电压，Maxim
11、um RMS Voltage有效值电压， Maximum DC Blocking Voltage最大直流阻断电压，Maximum Average Forward Rectified Current最大正向 平均电流)表2 6A系列二级管参数CharacteristicSymbol6A056A16A26A46A6BAB6A10UnitMaximum Recurrent Peak Reverse VoltageVhhm50100200400600BOO1000VMaximum RMS VoltageVhm35701402B0420560700VMaximum DC Blocking Voltage
12、Vuc50100200400600BOO1000VMaximum Average Forward Rectified Current 9.5mm lead lencflhi (S Ta= 75C (See Fig. 1)I岫6.0APeak Forward Surge Cur rent 8.3 ms single half sine-wave superimposed on rated load (JEDEC method)l|-SM400AMaximum Instantaneous Forward Current at 6.0A DCVh0.90V（2）咐既况旨碾目最球urrent T a
13、=滤波电:容选择甘T h=100巷Ih10100网Operating and Storage Temperature RangeTj,-65ta+175C单相桥式不可控整流电路，在设/I时根w据负载的I月况号旦择电容CI值，使RC (3 5)T / 2 ,此时输出电压为：Ud1.2U2。当满足该要求是可以得到Ud1.2U2=10.08V,根据负载电流最 大值为3A所以负载的阻值R=Ud/I3.3o T为交流电源的周期为1/50。所以取时间常数RC 3T/2 有：C 9100uF忽略二极管压降，整流输出电压的峰值为、粉2，因此电容承受的最大电压为为12.7V， 在选取电解电容的电压时，当输入电压
14、比较低时，选取电解电容电压为实际承受电压峰值 的两倍。因此选择电解电容的耐压值为：U 25.4V电容电压等级大于25.4V的电容且接近25.4V常用电压电压等级为35V，因此选取电容 耐压为35V。当按照上述选取滤波电容，可得整流后的输出直流电压为Ud=1.2U2=10.8V再 减去两个6A系列整流二级管压降1.8V得到PNP的输入电压为9V。整流后的电压需要经 过电阻R1，R1的电阻两端的压降和Ueb相等，Ueb可以通过PNP所给的图6的集电极电流 和Ube的关系得到。查阅图中信息可以得到，当集电极输出电流3A时，Ube的电压接近0. 7V，从而求得LM2940的输入端电压为8.3V，满足L
15、M2940的输入要求。LM2940的最小 输入电压为最小输入电压为6.25V，因此滤波电容可以根据实际情况适当减小。同时为了滤 除整流后的高频谐波，可以加上104/35V的瓷片电容。Ic, COLLECTOR CURRENT (AMPS)亦|-_|0山0 NQlyccrdvs(3)功率 PNP：变压器二次侧输出电压峰值为12.7V,因此PNP的Uec最大电压以两倍裕量计算应大 于25.4V。当输出的所有电流都从PNP流过时，PNP的电流最大，因此选择Iec电流考虑1.RatingSymbolValueUnitCollector-Emitter Voltage D44H8, D45H8 D44H
16、11. D45H11|VCEO6080VdcEmitter Base VoltageVeb5.0VdcCollector Current - Continuouslc10AdcCollector Current - Peak (Note 1)Icm20AdeTatal Power Dissipation Tc = 25C Ta = 25C:由舶洒制Pd70 2.0Wk电阻R1选型：Operating and Storage Junction限制经过LM2940的电流过大，流过电阻的电Tj. TstgL流等于PI-55 to +150P的Uec值除C 宓电阻5倍裕量为不小于4.5A。设计选用D4
17、5H11主要参数如下:表3 D45H11参数的值。为让大部分电流从PNP经过，因此选取。为10，Uec等于0.7V，因此电阻电流为0.7V/R,因此选取电阻为10R/1W即可满足要求。此时3A负载时由LM2940提供的电流约为0.3A功为了满足要求。由此可知LM2940的流比较小，在使用中可以不加散热片。(5)C3,C4滤波电容选型：三端稳压器的典型应用电路如图33所示，其中Vi接整流滤波电路，在靠近三端集成 稳压器输入、输出端处，一般要接入0.33uF和0.1uF电容，其目的是使稳压器在整个输入 电压、输出电流变化范围内，提高其工作稳定性和改善瞬变响应，0.33uF是为减小纹波以 及抵消输入
18、端接线较长时的电感效应防止自激，并抑制高频干扰。在安装时，要注意尽量 使滤波电容和0.1uF电容靠近稳压器，这样可以有效地防止瞬态过电压。同时在输出端并联 一个0.1uF用以改善负载的瞬态响应并抑制高频，为了获得最佳的效果，电容器应选用频率 特性好的陶瓷电容或钽电容为宜，另外为了进一步减小输出电压的纹波，一般在集成稳压 器的输出端并入一只容量为1000uF的点解电容，该点解电容的大小由输出电流决定，通常 在输出电流较大时需用的值要大一些。C3,C4选型如下表4 C3,C4的选型元件耐压值容量类型C3351000uF电解电容C4500.1uF陶瓷电容(6)PNP散热片：相关参数注释：R.:管芯到
19、管壳的热阻RJC:器件与散热器之间的热阻R：散热器将热量散到周围空间的热阻值R；：总热阻值 Rja=Rjc+Rcs+RsaPD -半导体器件使用的耗散功率，W；%：最大允许结温Ta：环境温度要求 Rja (Tj-Ta)/PD最大允许的散热器到环境热阻Rsa _(Tj - Ta)+ Pd - (Rjc - Rcs)Rcs与安装技术器件的封装有关加导热油脂或导热垫Rcs为0102C/W设计在安装是选用导热硅胶可以取Rcs为0.2C/W，再根据数据手册提供的Rjc管芯到 管壳的热阻，即可以计算出散热器与空气之间的热阻所需要满足的条件。就可以通过散热 器材料的热阻数据，查出散热器的表面积。下图为铝散热
20、板的热阻的数据。实际选用时还 需要进行负载测试，以确定散热器的尺寸。在设计中选用了 D45H11,其热阻的相关参数如下表所示:表5D45H11热阻CharacteristicSymbolMaxUnitThermal Resistance, Junction-to-CaseR9JG1.8C/WThermal Resistance, J u ncti on -to-Am bi entroja62.5c/w通过D45H11数据，可知其工作最大结温TJ为150摄氏度，变压器选用的是有效值为9V变 压器，二次侧整流滤波输出电压按1.2U2计算则有Ud=1.2 U2=9.8V，在负载最大时，假定所 有电流
21、流经PNP时，三极管的损耗为PD，其中耗损功率PD的计算公式为：PD=(VinVout)*Iout输出电压稳定在5V，输入为14.4V,电流为3A，所以三极管的耗散功率PD为：PD=(9.85) *3=14.4W对于D45H11允许最大结温为150，假定该电路工作在30度的环境中则有Rja (150-30)/ 14.4Rja 8.3C/W设计在安装是选用导热硅胶因此可以取Rcs为0.2CW，再根据数据手册提供的Rjc管芯到管 壳的热阻为1.8C/W，即可以计算出散热器与空气之间的热阻为：Rsa(8.3-0.2-1.8)C/WR揍6.3C/WC）铝平板散熟器主垂直放置情况下的恭I且图8铝材料热阻
22、参数图通过查阅数据当铝材的厚度为1.5mm时，满足散热器到空气热阻Rsa6.3C/ W时， 该散热器的面积A不小于100cm2，因此散热器的面积已比较大。（7）熔断器的选择：为了防止输出短路造成PNP的损坏，在PNP的射极串入熔断器，熔断器的选择其最大 电流不超过PNP所允许的最大电流Iecmax的值。D45H11的最大电流Iecmax为10A，设计输 出电流为3A选取5A/250熔断器。五、附件D45H11:PNP型三极管管脚图正对我们到的面：13基极23集电极 33发射机稳压芯片：LM2940正对我们到的面：13输入23地33输出附表1三极管方案器件清单DescriptionPart Ty
23、peDesignatorFootprintquantity整流二极管6A10D1-D5DIODE0.75保险丝5A/250VF1FUSE11功率电阻10R/1WR1AXIAL0.71电解电容4700uF/35VC1RB-.3/.61电解电容1000uF/15VC3RB.2/.61瓷片电容104/25VC2CAP11瓷片电容104/50VC4CAP11变压器AC220V/9VT11H-H L_L 芯片LM2940U1TO-2201三极管PNPQ1TO-2201散热片100cm2 *1.5mm1附表2三极管方案BOM表DescriptionPart TypeDesignatorFootprintq
24、uantity五套数量购买数量保险丝5A/250VF1FUSE11515二极管6A10D1-D5DIODE-0.452530电解电容1000uF/15VC3RB.2/.41525电解电容4700uF/15VC1RB-.3/.621012瓷片电容104/25VC2CAP11550瓷片电容104/50V功率电阻10R/1W三极管PNPD45H11芯片LM2940C4R1Q1U1变压器散热片AC220V/9V T1100cm2 *1.5mm/CAP1AXIAL0.7TO-220TO-220/1550151515101510万用板8*8插头两脚实验过程因注意如下事项：1：在焊接前应区分好器件的引脚，如
25、区分电容正负极，二极管正负极，7805的管脚，以及PNP的管脚，切记勿将电容焊反，电容焊反有爆炸危险。2：焊接布局时注意让散热器安装后能朝外放置3：电容器件不能靠近散热器4：焊接过程不要造成短路5：变压器一次侧二次侧不能接反6： D45H11PNP外壳散热器和C极是相连的，LM2940外壳是地测试注意事项：1：注意用电安全2：由于在满载时PNP和整流二级管的温度较高不得用手触摸实验：实验目的：模拟电子技术实验课是一门重要的实践性技术基础课程，开设实验课可以帮助学生将 所学的理论与实际联系起来，用课堂所学理论指导实验，反过来又可以通过实验结果验证 理论。可以在实验室熟悉常用仪器、仪表的使用方法，
26、熟悉各种电子元器件外形及结构， 可以根据理论设计实验电路，在实验室用实物连接，从而锻炼识图能力。通过各种电子技术实验，学生可以掌握电子技术实验的基本操作技能以及正确处理实验数据、分析实验结 果的方法，从而启发学生分析、解决问题的能力，培养学生实事求是的科学态度以及勇于 探索和创新的开拓精神。1整流电路测试实验电路如下图所示，变压器选用220/12的变压器，负载RL选用允许电流电流大于 3A滑动变阻器。该电路相当于单相桥式全控整流电路触发角a为0，负载为阻性负载的 情况。不考虑二级管压降，同时忽略变压器内阻时输出电压的平均值有如下计算公式：U = 1 技血 sin d(W)=0 = 0.9U 0
27、( a= 0)d 兀a 2兀222Ud = 0.9U 2图7桥式整流电路阻性负载电路图U2取12V作为整流电路的输入电压，在RL不同值情况下，用万用表的交流电压档 测量U2，用万用表的直流电压档测量整流桥输出UL，并用示波器分别观测U2以及UL波 形。通过该部分实验可 以验证桥式整流电路电阻负载输出电压平均值U与整流前电压(U2 )有效值有0.9倍的关系。在实际情况由于变压器有内阻，二级管存在压降。阻性负载时输出电压平均值U小于 整流前电压(U2 )有效值有0.9倍，但随着负载变化时U保持相对固定。表7整流电路测试实验数据负载RL变压器*侧有效值U25101520输出电压平均值UdUd 1 U
28、,注意事项：电源变压器原边电压较高，不能用于触摸裸露的导体，以防触电，并且不得用示波器观 察220V的交流电源电压。不能用双踪示波器同时测试整流电路前后的电压值。示波器信号测 试线是由内、外导体构成，当测试线与示波器测试通道连接时，实际双路测试线外导体是构 通的。当同时测试整流电路的前后电路时，就会造成短路，其中一个二极管正向被加上变压 器次级交流电压，该电压远远超过二极管正向电压，从而形成大电流而损坏二极管，使电路 产生故障。2稳压电路整体测试对于一个直流稳压电路，很重要的一个指标就电路在正常工作的状态下，负载的改变 对输出电压影响的大小。因此设计电路测试不同负载直流稳压电源的输出情况。测试电路 图如下，测试中电源输入条件不变，在负载RL串入电流表，调节负载RL在电流0-3A的 负载变化范围内测量输出电压。表8稳压电路整体测试实验数据负载（A）0 （开路）0.511.522.53输出电压注意事项：在进行稳压电路性能测试时，负载不允许短路，否则会产生大电流烧坏元器件。三端稳 压器性能较稳定，负载电流只要在允许范围之内，输出电压基本不随负载变化而变化。如 果在测试过程中，输出电压变化较大，则说明电路出了故障或三端稳压器质量存在问题。 换接线路或实验完毕拆线时，应先断交流电源，防止碰线造成短路事故或带电拆线伤人。
