串联稳压电源课程设计.docx
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串联稳压电源课程设计
串联模拟稳压电源课程设计报告
1、实验课题
用分离元件设计一个串联模拟稳压源
二、实验目的
(1)掌握串联负反馈稳压源的工作原理;
(2)了解直流串联稳压电源;
(3)通过电路参数调整,加深理解直流串联稳压电源的工作原理;
(4)学会分析和排除故障的方法。
3、实验仪器与元件
直流稳压源1台、数字式万用表1块、面包板1块、滑动变阻器1块、电阻5只、NPN三极管3只、电容3只、8V稳压管1只、导线若干。
(型号下面再提)
4、实验原理
1、原理分析
如图4-2-8是串联负反馈稳压电路电路图,其中T1-T2是复合调整管,D1和R2组成基准电压,T2为比较放大器,R3~R5组成取样电路,R6是负载。
其电路组成框图见图4-2-2。
假设由于某种原因引起输出电压UO降低时,通过R3~R5的取样电路,引起T2基极电压(UT2)O成比例下降,由于T2发射极电压(UT2)E受稳压管D1的稳压值控制保持不变,所以T2发射结电压(UT2)BE将减小,于是T2基极电流(IT2)B减小,T2发射极电流(IT2)E跟随减小,T2管压降(UT2)CE增加,导致其发射极电压(UT2)C上升,即调整管T1基极电压(UT1)B将上升,T1管压降(UT1)CE减小,使输入电压UI更多的加到负载上,这样输出电压UO就上升。
调整过程可以用下面的变化关系图表示:
UO↓→(UT2)O↓→UD1恒定→(UT2)BE↓→(IT2)B↓→(IT2)E↓→(UT2)CE↑
→(UT2)C↑→(UT1)B↑→(UT1)CE↓→UO↑
当输出电压升高时整个变化过程与上面完全相反,变化关系图表示:
UO↑→(UT2)O↑→UD1恒定→(UT2)BE↑→(IT2)B↑→(IT2)E↑→(UT2)CE↓
→(UT2)C↓→(UT1)B↓→(UT1)CE↑→UO↓
在串联负反馈稳压电源的整个稳压控制过程中,由于增加了比较放大电路T3,输出电压UO的变化经过T3放大后再去控制调整管T1-T2的基极,使电路的稳压性能得到增强。
T3的β值越大,输出的电压稳定性越好。
仿真图
滑动变阻器的滑片指到最上端时
滑动变阻器最下端时
仿真结果图
2、相关理论
(1)电容能储存电荷,可作为瞬时电源,同时能隔直通交,是获得较稳定的恒压源不可缺少的元件。
(2)在串联负反馈稳压电源的整个稳压控制过程中,由于增加了比较放大电路T2,输出电压UO的变化经过T2放大后再去控制调整管T1的基极,使电路的稳压性能得到增强
(3)当输出电流不能达到要求时,可以通过采用复合调整管的方法来增加输出电流。
复合管都是由一个小功率三极管T2和一个大功率三极管T1连接而成。
复合管就可以看作是一个放大倍数为βT1βT2,极性和T2一致,功率为(PT1)PCM的大功率管,而其驱动电流只要求(IT2)B。
五、设计实例
(1)电路指标
1 直流输出电压UO:
10V~15V;
2 直流输入电压
:
25V;
3 最大输出电流IO:
200mA;
4 电压调整率
优于7%。
(2)各元器件的作用及参数计算
a、滤波部分
C1的作用:
滤波
须考虑滤波电容的电容量C1和其耐压VC1值
电容量为
×0.5×T÷R,系数
一般取5,T=0.02S,R为等效负载。
当最不利的情况下,即输出电压为15V,负载电流为200mA时:
C1=5×0.5×T÷(UO÷IO)=5×0.5×0.02S÷(15V÷0.2A)≈666μF、
VC1=25V,实际上普通电容都是标准电容值,只能选取相近的容量。
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。
b、调整部分
T1-T2的作用:
增加输出电流
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,负载断路,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=25V
当负载电流最大时最大允许集电极电流(IT1)CM为:
(IT1)CM=200mA
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300mA。
这样大允许集电极耗散功率(PT1)CM为:
(PT1)CM=((UB1)OMAX-UOMIN)×(IT1)CM。
以上均要考虑到留有一定余量
最后查询晶体管参数手册后选择调整管T1。
同理:
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=25V
(IT2)CM=(IT1)CM÷βT1
(PT2)CM=((UB1)OMAX-UOMIN)×(IT2)CM
同样要考虑到留有一定余量。
然后查询晶体管参数手册选择调整管T2。
则此时T2所需要的基极驱动电流为:
(IT2)MAX=(IT2)CM÷βT1
一般复合调整管有四种种连接方式
C、基准电源部分
D1和R2的作用:
提供一个基准电源,R2起限流作用。
主要确定稳压管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8V。
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=(10V-8V)÷8mA=250Ω
实际选择时要偏大点
当输出电压UO最高时,IR2MAX为:
IR2MAX=UOMAX÷R2
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。
d、取样部分
R3~R5的作用:
控制输出电压
主要计算取样电阻R3、R4、R5的阻值。
由于取样电路同时接入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。
假设取IR3MIN=10mA。
则可得:
R3+R4+R5=UOMIN÷IR3MIN=10V÷10mA=1KΩ
当输出电压UO=10V时:
UD5+(UT3)BE=(R4+R5)÷(R3+R4+R5)×UO
(R4+R5)=(UD5+(UT3)BE)×(R3+R4+R5)÷UO=(8V+0.7V)×1000Ω÷10V=870Ω
当输出电压UO=15V时:
UD5+(UT3)BE=R5÷(R3+R4+R5)×UO
R5=(UD5+(UT3)BE)×(R3+R4+R5)÷UO=(8V+0.7V)×1000Ω÷15V=580Ω
理论值为:
R5=580Ω、R4=190Ω、R3=130Ω。
但实际选择时可改变IR3MIN的大小取值。
e、放大部分
T3的作用:
T3为比较放大器与R1构成负反馈网络
主要是计算限流电阻R1和比较放大管T3的参数。
由于这部分电路的电流比较小,主要考虑T3的放大倍数β和集电极-发射极反向击穿电压(BVT1)CEO。
这里需要T3工作在放大区,可通过控制T3的集电极电流(IT3)C来达到。
而(IT3)C是由限流电阻R1控制,并且有:
IR1=(IT3)C+(IT2)B
一方面,为保证T1能够满足负载电流的要求,要求满足IR1>(IT2)B;另一方面,为保证T3稳定工作在放大区,以保证电源的稳定度,其集电极电流(IT3)C不能太大。
这里可以选IR1为1mA,当输出电压最小时,则R1为:
R1=((UB1)O-UO-(UT1)BE-(UT2)BE)÷IR1=(25V-10V-0.7V-0.7V)÷1mA=13.6KΩ
实际选择时课偏大。
当输出电压最大时,IR1为:
IR1=((UB1)O-UO-(UT1)BE-(UT2)BE)÷R1=(25V-6V-0.7V-0.7V)÷13.6KΩ≈1294mA
f、其他元件
C2的作用:
此电容的作用是为防止发生自激振荡影响电路工作的稳定性。
C3的作用:
电容C3是为提高输出电压的稳定度,特别对于瞬时大电流可以起到较好的抑制作用。
6、测试数据分析
A.数据测试方法
(1)连接好电路后,输入电压调为25V,同时调节滑动变阻器使输出电压为10V
(2)在此情况下,滑动变阻器不变,使输入电压分别为以下数据,同时记录输出电压
(3)再将输入电压调为25V,同时调节滑动变阻器使输出电压为13V
(4)重复步骤
(2)
(5)最后将输入电压调为25V,同时调节滑动变阻器使输出电压为15V
(6)重复步骤
(2)
所得表格如下
B.数据分析
(1)从上面表格中随机选择几组数据计算输出电压的变化量
UO以及输入电压的变化量
(2)然后根据公式µ=
*100%,计算出多组µ值
(3)计算出µ的平均值
(4)最后将µ值与7%比较,若小于7%则说明本次实验较完美
表格如下
计算结果为
从表格可以看出:
电压调整率
优于7%。
7、调试中所遇到的问题及解决方法
A.所遇到的问题
1 该电路不能稳压。
2 输出电压达不到要求。
3 输出电压不稳定,上下波动较大。
4 实验室里找不到理论计算出的元器件。
B.解决方案(对以上问题一一解答)
1 使用部分元件撤离法,一步一步的检查,最后发现是三极管被击穿。
2 这是我调节取样电路部分,改变R3和R5的阻值,采用的方法是“逐步尝试法”。
3 通过改变电容的大小最终得以解决。
4 这一步最麻烦,必须得理论联系实际,主要采用的方法是“逐步尝试法”,多次试验后,最终得出了满意的答案。
8、总结
在假期的充分准备下,我对实验原理以及相关参数的设定都掌握得非常透彻。
同时我们小组相互讨论,猜测老师要提的问题,在我的带动下,我们组顺利通过了预答辩。
在调试过程中,也遇到了不少问题,在老师的帮助下更多的是自我思考与测试,很快就将结果调出来了。
在后面几节课中,我为我们小组讲一些主要的原理,为最终答辩做准备,同时帮助其他同学完成调试任务。
通过这次模电课程设计,加强了我们的动手能力,同时培养了我们独立思考、勇于克服困难、团队协作的精神,大家互帮互助在其中得到了很大的加强。
我们不再是单体的,而是一个整体,团结的整体,老师的教学让我们学到很多,而我们自己从实践中也摸索着学到了很多。
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