串联直流稳压电源工程实训研究报告整理文档格式.docx
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二、滤波电路………………………………………………8
三、稳压输出电路部分相关参数的计算……………………8
2.4电路选择………………………………………………8
第三章Proteus及AltiumDesigner软件的介绍与使用
3.1Proteus原理图绘制与仿真图…………………………………13
3.2AltiumDesigner绘制原理图与导入PCB……………………15
第四章PCB板的制作与元器件的安装
4.1PCB板的制作流程介绍……………………………………23
4.2生成PCB图及制板………………………………………24
4.3安装元器件…………………………………………………24
第五章调试分析与性能测试……………………………………………25
第六章心得体会………………………………………………………26
附录:
工程训练成绩评定表
第一章串联反馈型稳压电源整体简介
1.1制作串联反馈型稳压电源的目的要求
一、基本目的
此次工程训练选择使用分立式元器件构成串联反馈型直流稳压电源。
学生通过实训了解相关分立式元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源的工作原理、原理图的设计和参数的计算、元器件的选用、计算机软件实现硬件的仿真、PCB板的设计、电路的安装和调试,最后完成达到技术指标要求的标准产品。
二、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AltiumDesigner基本知识,并运用其绘制电源sch原理图和PCB图;
3、学习Proteus知识,对本电源电路进行仿真,最终确定sch和pcb图;
4、掌握电子电路板制作的全过程,实现电源的制作;
5、测量电源相关各项技术指标,完成系统调试。
1.2基本知识介绍
一、电源变压器知识
1.初级(PrimaryWinding):
是指电源变压器的电源输入端。
2.次级(SecondaryWinding):
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,U=230V;
对BS变压器来说,U=240V。
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,即变压器的价格也应相差无几。
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。
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=η,式中η是变压器的效率。
副边功率P/vA
〈10
10-30
30-80
80-200
效率η
0.6
0.7
0.8
0.85
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。
二、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、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,D2\D4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。
二、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,
LC滤波电路
LC滤波波形
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=0.9U2
四、串联型稳压电路
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。
稳压电路的主要指标:
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。
集成稳压器有两种:
输出固定电压和可调输出电压的稳压块。
1.3主要元器件简介
一、三极管:
(1)、9013NPN低频放大40V-50V0.5A0.625W150MHZhFE:
100~1000(放大倍数分段可选
(2)、9012PNP50V500mA600mW低频管放大倍数30-90
(3)、大功率三极管2SC2563NPN通用参数:
8.0A/120V
二、常用整流二极管参数
IN5399耐压1000V1.5A
1N4007硅整流二极管1000V,1A,
1N4735A1W6.2V稳压管
1N4727A1W3V稳压管
三、芯片
1、数显部分芯片:
ICL7107(31/2位双积分型A/D转换器,)主要参数:
电源电压ICL7107V+toGND6V
温度范围0℃to70℃
ICL7107V-toGND-9V
热电阻PDIP封装qJA(℃/W)50
MQFP封装80
模拟输入电压V+toV-最大结温150℃
参考输入电压V+toV-最高储存温度范围-65℃to150℃
时钟输入GNDtoV+
2、7805芯片输出5V电压具体参数见集成电路查询网
四、电磁继电器
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)释放。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;
处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
2.1串稳压电路原理
当电网电压降低或负载电阻减小而使输出端电压有所下降时,其取样电压UB2相应减小,T2基极电位下降。
但因T2发射极电位既稳压管的稳定Uz保持不变,所以发射极电压UBE2减小,导致T2集电极电流减小而集电极电位Uc2升高。
由于放大管T2的集电极与调整管T1的基极接在一起,故T1基极电位升高,导致集电极电流增大而管压降UCE1减小。
因为T1与RL串联,所以,输出电压Uo基本不变。
同理,当电网电压或负载发生变化引起输出电压Uo增大时,通过取样、比较放大、调整等过程,将使调整管的管压降UCE1增加,结果抑制了输出端电压的增大,输出电压仍基本保持不变。
调节电位器Rp,可对输出电压进行微调。
从图可见,调整管T1与负载电阻RL组成的是射极输出电路,所以具有稳定输出电压的特点。
在串联型稳压电源电路的工作过程中,要求调整管始终处在放大状况。
通过调整管的电流等于负载电流,因此必须选用适当的大功率管作调整管,并按规定安装散热装置。
为了防止短路或长期过载烧坏调整管,在直流稳压器中一般还设有短路保护和过载保护等电路。
2.2实验设计原理图
2.3电路整体结构的设计与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
一、整流电路
1、整流输出电压平均值:
(Uo)
Uo=1/2ρ∫02ρuod(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,经计算知S=2/3≈0.67
RLC愈大→电容放电越慢→Uo越大一般取
td=RLC≥(3~5)T/2(T:
电源电压的周期)
近似估算:
Uo=1.2U2
三、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/R5
2.4电路选择
根据所给的电路性能指标,初选直流稳压电源设计原理图如下:
3.2、变压部分
这一部分主要计算变压器B1次级输出电压(UB1)O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。
整流输出电压最大值为15V。
根据第二章《常用整流滤波电路计算表》可知,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)MAX)÷
1.2
(UB1)OMIN=(2V+3V+15V)÷
1.2=20V÷
1.2=16.67V
则变压器B1次级额定电压为:
(UB1)O=(UB1)OMIN÷
0.9
(UB1)O=16.67V÷
0.9=18.5V
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
(UB1)OMAX=18.5V×
1.1=20.35V
变压器B1的设计功率为:
PB1=(UB1)OMAX×
(IO)MAX
PB1=20.35V×
500mA=10.2VA
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18.5V,额定功率为12VA。
实际购买零件时如果没有输出电压为18.5V的变压器可以选用输出电压为18V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。
3.3、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。
根据第二章《常用整流滤波电路计算表》可知,整流管D1的最大整流电流为:
(ID1)MAX=0.5×
IO
500mA=0.25A
考虑到取样和放大部分的电流,可选取最大电流(ID1)MAX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×
18.5V≈29V
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。
3.4、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。
根据根据第二章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。
当最不利的情况下,即输出电压为15V,负载电流为500mA时:
C1=5×
(UO÷
IO)
0.02S÷
(15V÷
0.5A)≈1666μF
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=20.35V
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25V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。
3.5、调整部分
调整部分主要是计算调整管T1和T2的集电极-发射极反向击穿电压(BVT1)CEO,最大允许集电极电流(IT1)CM,最大允许集电极耗散功率(PT1)CM。
在最不利的情况下,市电上升10%,同时负载断路,整流滤波后的出电压全部加到调整管T1上,这时调整管T1的集电极-发射极反向击穿电压(BVT1)CEO为:
(BVT1)CEO=(UB1)OMAX=20.35V
考虑到留有一定余量,可取(BVT1)CEO为25V。
当负载电流最大时最大允许集电极电流(IT1)CM为:
(IT1)CM=IO=500mA
考虑到放大取样电路需要消耗少量电流,同时留有一定余量,可取(IT1)CM为600mA。
这样大允许集电极耗散功率(PT1)CM为:
(PT1)CM=((UB1)OMAX-UOMIN)×
(IT1)CM
(PT1)CM=(20.35V-6V)×
600mA=8.61W
考虑到留有一定余量,可取(PT1)CM为10W。
查询晶体管参数手册后选择3DD155A作为调整管T1。
该管参数为:
PCM=20W,ICM=1A,BVCEO≥50V,完全可以满足要求。
如果实在无法找到3DD155A也可以考虑用3DD15A代替,该管参数为:
PCM=50W,ICM=5A,BVCEO≥60V。
选择调整管T1时需要注意其放大倍数β≥40。
调整管T2各项参数的计算原则与T1类似,下面给出各项参数的计算过程。
(BVT2)CEO=(BVT1)CEO=(UB1)OMAX=20.35V
同样考虑到留有一定余量,取(BVT2)CEO为25V。
(IT2)CM=(IT1)CM÷
βT1
(IT2)CM=600mA÷
40=15mA
(PT2)CM=((UB1)OMAX-UOMIN)×
(IT2)CM
(PT2)CM=(20.35V-6V)×
15mA=0.21525W
考虑到留有一定余量,可取(PT2)CM为250mW。
查询晶体管参数手册后选择3GD6D作为调整管T2。
PCM=500mW,ICM=20mA,BVCEO≥30V,完全可以满足要求。
还可以采用9014作为调整管T2,该管参数为:
PCM=450mW,ICM=100mA,BVCEO≥45V,也可以满足要求。
选择调整管T2时需要注意其放大倍数β≥80。
则此时T2所需要的基极驱动电流为:
(IT2)MAX=(IT2)CM÷
βT1=15mA÷
80=0.1875mA
3.6、基准电源部分
基准电源部分主要计算稳压管D5和限流电阻R2的参数。
稳压管D5的稳压值应该小于最小输出电压UOMIN,但是也不能过小,否则会影响稳定度。
这里选择稳压值为3V的2CW51,该型稳压管的最大工作电流为71mA,最大功耗为250mW。
为保证稳定度,稳压管的工作电流ID5应该尽量选择大一些。
而其工作电流ID5=(IT3)CE+IR2,由于(IT3)CE在工作中是变化值,为保证稳定度取IR2>>(IT3)CE,则ID5≈IR2。
这里初步确定IR2MIN=8mA,则R2为:
R2=(UOMIN-UD5)÷
IR2MIN
R2=(6V-3V)÷
8mA=375Ω
实际选择时可取R2为390Ω
当输出电压UO最高时,IR2MAX为:
IR2MAX=UOMAX÷
R2
IR2MAX=15V÷
390≈38.46mA
这时的电流IR2MAX小于稳压管D5的最大工作电流,可见选择的稳压管能够安全工作。
3.7、取样部分
取样部分主要计算取样电阻R3、R4、R5的阻值。
输出电压:
Ub3MAX=(R4+R5)÷
(R3+R4+R5)×
UO
UOMIN=(R3+R4+R5)÷
(R4+R5)×
Ub3MAX
Ub3MIN=R5÷
UOMAX=(R3+R4+R5)÷
R5×
Ub3MIN
其中Ub3=UD5+(UT3)BE
即可根据电阻的取值求出UO的范围
电路同时接入T3的基极,为避免T3基极电流IT3B对取样电路分压比产生影响,需要让IT3B>>IR3。
另外为了保证稳压电源空载时调整管能够工作在放大区,需要让IR3大于调整管T1的最小工作电流(IT1)CEMIN。
由于3DD155A最小工作电流(IT1)CEMIN为1mA,因此取IR3MIN=10mA。
则可得:
(1)当输出电压的档位为3~8V时,UD5=2V
变压器B1次级输出电压即UIMIN应该是:
UIMIN=(UD5+(UT3)BE+UOMAX)÷
=(2V+3V+8V)÷
=10V
R3+R4+R5=UOMIN÷
IR3MIN
R3+R4+R5=3V÷
10mA=300Ω
当输出电压UO=3V时:
UD5+(UT3)BE=(R4+R5)÷
(R4+R5)=(UD5+(UT3)BE)×
(R3+R4+R5)÷
(R4+R5)=(2V+0.7V)×
300Ω÷
3V=270Ω
当输出电压UO=8V时:
UD5+(UT3)BE=R5÷
R5=(UD5+(UT3)BE)
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