串联型直流稳压电源课程设计Word文件下载.docx
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如图1是简易串联稳压电源,T1是调整管,D1是基准电压源,1R是限流电阻,R2是负载。
由于T1基极电压被D1固定在UD1,T1发射结电压(UT1)BE在T1正常工作时基本是一个固定值(一般硅管为0.7V,锗管为0.3V),所以输出电压UO=UD1-(UT1)BE。
当输出电压远大于T1发射结电压时,可以忽略(UT1)BE,则UO≈UD1。
图1简易串联稳压电源
假设由于某种原因引起输出电压UO降低,即T1的发射极电压(UT1)E降低,由于UD1保持不变,从而造成T1发射结电压(UT1)BE上升,引起T1基极电流(IT1)B上升,从而造成T1发射极电流(IT1)E被放大β倍上升,由晶体管的负载特性可知,这时T1导通更加充分管压降(UT1)CE将迅速减小,输入电压UI更多的
加到负载上,UO得到快速回升。
这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示:
UO↓→(UT1)E↓→UD1恒定→(UT1)BE↑→(IT1)B↑→(IT1)E↑→(UT1)CE↓→UO↑。
当输出电压上升时,整个分析过程与上面过程的变化相反,这里我们就不再重复,只是简单的用下面的变化关系图表示:
UO↑→(UT1)E↑→UD1恒定→(UT1)BE↓→(IT1)B↓→(IT1)E↓→(UT1)CE↑→UO↓输入电压UI降低等其他情况下的稳压工作原理都与此类似,最终都是反应在输出电压UO降低上,因此工作原理大致相同。
从电路的工作原理可以看出,稳压的关键有两点:
一是稳压管D1的稳压值UD1要保持稳定;
二是调整管T1要工作在放大区且工作特性要好。
由于电路是一个射极输出器,属于电压串联负反馈电路,电路的输出电压为UO=(UT1)E≈(UT1)B,由于(UT1)B保持稳定,所以输出电压UO也保持稳定。
简易串联稳压电源由于使用固定的基准电压源D1,所以当需要改变输出电压时只有更换稳压管D1,这样调整输出电压非常不方便。
另外由于直接通过输出电压UO的变化来调节T1的管压降(UT1)CE,这样控制作用较小,稳压效果还不够理想。
因此这种稳压电源仅仅适合一些比较简单的应用场合。
稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求:
稳压电源的技术指标可以分为两大类:
一类是特性指标,如输出电压、输出电滤及电压调节范围;
另一类是质量指标,反映一个稳压电源的优劣,包括稳定度、等效内阻(输出电阻)、纹波电压及温度系数等。
主要要求有:
稳定性好,输出电阻阻值小,系统温度系数小。
2.系统框图
实用的串联型稳压电路至少包含调整管,基准电压电路,采样电路和比较放大电路等四个部分。
此外,为使电路安全工作,还常在电路中加保护电路,所以串联型稳压电源的系统框图如下图所示。
UI
图2串联型直流稳压电源的系统框图
三、具体设计
1.总体设计电路
串联型直流稳压电源各个部分在总体电路中所起的作用可参见下图,从图中可大致能够直观的了解各部分存在的意义,尤其是对电网电压波形所起的作用,通过这样一系列的过程最终可以达到预期的目的。
图3串联型直流稳压电源设计电路
总体设计思路:
输出电压的变化量△Uo是很微弱的,它对调整管的控制作用也很弱,因此稳压效果不够好,带有放大环节的稳压电源,就是在电路中增加一个直流放大器,把微弱的输出电压变化量先加以放大,再去控制调整管,从而提高对调整管的控制作用,使稳压电源的稳定性能得到改善。
图3是带有放大环节的稳压电源电路。
图中,Q1是调整管,U1A是比较放大管。
输出电压变化量△Uo的一部分与基准电压Uw比较,并经放大器放大后进到了Q1的基极。
R2是B2的集电极电阻,又是Q1的上偏置电阻。
R5、R6是B2的上、下偏置电阻,组成分压电路,把ΔUo的一部分作为输出电压的取样,送给B2的基极,因此又叫取样电路R2上的电压Ub2:
叫取样电压。
DW和R3组,成稳压电路,提供基准电压Uw从电路路中可以看出,当输出电压Uo下降的时候,通过R5、R6组成的分压电路的作用,B2的基极电位Ub2也下降了。
由于基准电压UW使B2的发射极电位保持不变,Ubc2=Ub2,UW随之减小。
于是B1集电极电流Ic:
减小,Uc2增高,即B1的基极电位Ub1增高,使Icl增加,管压降Uce1减小,从而导致输出电压Uo保持基本稳定。
B2的放大倍数越大,调整作用就越强,输出电压就越稳定。
如果输出电压Uo增高时,同样道理,又会通过反馈作用使Uo减小,保持输出电压基本不变。
2.模块设计
(1)变压电路:
这一部分主要计算变压器B1次级输出电压UB1和变压器的功率PB1一般整流滤波电路有2V以上的电压波动(设为ΔUD)。
调整管T1的管压降(UT1)CE应维持在3V以上,才能保证调整管T1工作在放大区。
桥式整流输出电压是变压器次级电压的1.2倍。
当电网电压下降-10%时,变压器次级输出的电压应能保证后续电路正常工作,那么变压器B1次级输出电压(UB1)OMIN应该是:
(UB1)OMIN=(ΔUD+(UT1)CE+UO)÷
1.2=(2V+3V+12V)÷
1.2=17V÷
1.2=14.16V,则变压器B1次级额定电压为:
(UB1)=(UB1)OMIN÷
0.9=14.16V÷
0.9=15.74V。
当电网电压上升+10%时,变压器B1的输出功率最大。
这时稳压电源输出的最大电流(IO)MAX为500mA。
此时变压器次级电压(UB1)OMAX为:
(UB1)OMAX=(UB1)O×
1.1=15.74V×
1.1=17.31V变压器B1的设计功率为:
PB1=(UB1)OMAX×
(IO)MAX17.31V×
500mA=8.66VA。
为保证变压器留有一定的功率余量,确定变压器B1的额定输出电压为15.7V,额定功率为10VA。
实际购买零件时如果没有输出电压为15.7V的变压器可以选用输出电压为15.7V或以上的变压器。
当选用较高输出电压的变压器时,后面各部分电路的参数需要重新计算,以免由于电压过高造成元件损坏。
变压器如图中所示:
图4稳压电路中的变压器
下图是变压前后波形幅值的对比:
图5变压前后电压幅值对比
(2)整流部分:
这一部分主要计算整流管的最大电流(ID1)MAX和耐压(VD1)RM。
由于四个整流管D1~D4参数相同,所以只需要计算D1的参数。
整流管D1的最大整流电流为:
(ID1)MAX=0.5×
IO=0.5×
500mA=0.25A考虑到取样和放大部分的电流,可选取最大电流(I)MAXD1为0.3A。
整流管D1的耐压(VD1)RM即当市电上升10%时D1两端的最大反向峰值电压为:
(VD1)RM≈1.414×
(UB1)OMAX=1.414×
1.1×
(UB1)O≈1.555×
(UB1)O(VD1)RM≈1.555×
15.74V≈24V
得到这些参数后可以查阅有关整流二极管参数表,这里我们选择额定电流1A,反向峰值电压50V的IN4001作为整流二极管。
如图是安装整流电路后的电路图。
图6-1整流桥
图6-2整流以后的波形
(3)滤波部分:
这里主要计算滤波电容的电容量C1和其耐压VC1值。
根据滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为(3-5)×
0.5×
T÷
R,一般系数取5,由于市电频率是50Hz,所以T为0.02S,R为负载电阻。
输出电压为12V,负载电流为500mA时:
C1=5×
(UO÷
IO)=5×
0.02S÷
(12V÷
0.5A)≈2083μF
当市电上升10%时整流电路输出的电压值最大,此时滤波电容承受的最大电压为:
VC1=(UB1)OMAX=17.31V实际上普通电容都是标准电容值,只能选取相近的容量,这里可以选择2200μF的铝质电解电容。
耐压可选择18V以上,一般为留有余量并保证长期使用中的安全,可将滤波电容的耐压值选大一点,这里选择35V。
Rc是放大级的负载电阻,又相当于调整管的偏置电阻。
Rc大,放大倍数大,有利于提高稳压器指标,但Rc过大会使B2和调整管电流太小,限制了负载电流和调整范围。
通常Rc根据下列公式选取:
Usrmin为整流输出的最小电压。
输入电压Usr应大于输出电压Uo3~8伏。
Usr过小,调整管容易饱和而起不到调整作用;
Usr过大,则增加管子耗损,并浪费功率。
整流纹波小的,Usr可取低些;
纹波大的,Usr应取高些。
则Usrmin=15v,Usrmax=20v.Ic2可取1~3毫安。
则取2MA。
稳压管DW的稳定电压Uw,选择范围比较宽,只要不使BG2饱和(即Uw比Uo低2伏以下)均可。
Uw取得大,取样电压可大些,有利于提高稳压性能Rc≈(Usrmin-Uo)/Ic2=(15-12)/0.002=1500Ω
限流电阻R3通过的电流I3,应该等于DW的稳定电流,那应满足下述关系R3=(Uo-Uw)/Iw=2/0.002=1000Ω调整管B1的β值要尽量大,为此可以使用复仓管。
调整管的功耗也要足够大,应满足下式要求:
Pcm﹥(Usrmanx-Uo)IscUsrmax为电网电压最高时的整流输出电压。
放大管B2也要选用β值大的管子,以增强对调整管的控制作用,使输出的更稳定。
在Uo较大的稳压电路中,还应注意B2所能承受的反向电压,应选取BVceo﹥(Uo-Uw)=2v的晶体管。
分压电阻(R1+R2)要适当小些,以提高电路性能。
通常取流过分压电阻的电流大于放大管基极电流的5-10倍。
分压比R2/(R1+R2)决定于输出电压Uo和参考电压Uw,由下式决定:
Uo≈Uw(R1+R2)/R2分压比要选得大些,一般选0.5~0.8。
取R1=240ΩR2=160Ω。
加入滤波电容后的电路如图:
图7-1稳压电路中的滤波电容
图7-2加入滤波电容后的波形
(4)保护电路:
在稳压电路中,要采取短路保护措施,才能保证安全可靠地工作。
普通保险丝熔断较慢,用加保险丝的办法达不到保护作用,而必须加装保护电路。
保护电路的作用是保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。
其基本方法是,当输出电流超过某一致值时,使调整管处于反向偏置状态,从而截止,自动切断电路电流。
如图是三极管保护电路。
由三极管B2和分压电阻R4、R5组成。
电路正常工作时,通过R4与R5的压作用,使得B2的基极电位比发射极电位高,发射结承受反向电压。
于是B2处于截止状态(相当于开路),对稳压电路没有影响。
当电路短路时,输出电压为零,B2的发射极相当于接地,则B2处于饱和导通状态(相当于短路),从而使调整管B1基极和发射极近于短路,而处于截止状态,切断电路电流,而达到保护目的。
图8保护电路
(5)稳压电路:
为了加深电压负反馈以提高输出电压的稳定性,通常在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。
若同相比例运算电路的输入电压为稳定电压,且比例系数可调,则其输出电压就可调节;
同时,为了扩大输出电流,集成运放输出端加晶体管,并保持射极输出形式,就构成具有放大环节的串联型直流稳压电路。
稳压原理:
当由于某种原因(如电网电压波动或负载电阻的变化等)使输出电压Uo升高(降低)时,采样电路将这一变化趋势送到放大器的反相端,并与同相输入端进行比较放大;
放大器的输出电压,即
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