模电课程设计报告串联型直流稳压电源.docx
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模电课程设计报告串联型直流稳压电源
综合设计性实验报告
课程名称模拟电子技术课程设计
实验名称串联型直流稳压电源
一、题目名称:
串联型直流稳压电源
要求:
设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的串联型直流稳压电源。
指标:
1、输出电压6V、9V两档,正负极性输出;
2、输出电流:
额定电流为150mA,最大电流为500mA;
3、纹波电压峰值▲Vop-p≤5mv;
二、方案设计及电路框图
1、方案比较
方案一:
如图1,先对输入电压进行降压,然后用单相桥式二极管对其进行整流,整流后利用电容的充放电效应,用电解电容对其进行滤波,将脉动的直流电压变为更加平滑的直流电压,稳压部分的单元电路由稳压管和三极管组成(如图2),以稳压管D1电压作为三极管Q1的基准电压,电路引入电压负反馈,当电网电压波动引起RL两端电压的变化增大(减小)时,晶体管发射极电位将随着升高(降低),而稳压管端的电压基本不变,故基极电位不变,所以由可知将减小(升高)导致基极电流和发射极电流的减小(增大),使得R两端的电压降低(升高),从而达到稳压的效果。
负电源部分与正电源相对称,原理一样。
图1方案一的稳压部分电路
方案二:
经有中间抽头的变压器输出后,整流部分同方案一一样采用四个二极管组成的单相桥式整流电路,整流后的脉动直流接滤波电路,滤波电路由两个电容组成,先用一个较大阻值的电解电容对其进行低频滤波,再用一个较低阻值的陶瓷电容对其进行高频滤波,从而使得滤波后的电压更平滑,波动更小。
滤波后的电路接接稳压电路,稳压部分的电路如图3所示,方案二的稳压部分由调整管,比较放大电路,基准电压电路,采样电路组成。
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),从而使输出电压得到稳定。
图2方案二稳压部分单元电路
对以上两个方案进行比较,可以发现第一个方案为线性稳压电源,具备基本的稳压效果,但是只是基本的调整管电路,输出电压不可调,而且输出电流不大,而第二个方案使用了运放和调整管作为稳压电路,输出电压可调,功率也较高,可以输出较大的电流。
稳定效果也比第一个方案要好,所以选择第二个方案作为本次课程设计的方案。
2、电路框图
整体电路的框架如图3,先有22V-15V的变压器对其进行变压,变压后再对其进行整流,整流后是高低频的滤波电路,最后是由采样电路、比较放大电路和基准电路三个小的单元电路组成的稳压电路,稳压后为了进一步得到更加稳定的电压,在稳压电路后再对其进行小小的率波,最后得到正负输出的稳压电源。
图3串联型直流稳压电路方框图
三、电路设计及元器件选择
(1)变压器的设计和选择
本次课程设计的要求是输出正负9伏和正负6伏的双电压电源,输出电压较低,而一般的调整管的饱和管压降在2-3伏左右,而12-3=9V为输出最大电压,6V为最小的输入电压,以饱和管压降为3伏计算,为了使调整管工作在放大区,输入电压最小不能小于12V,故可以选择220V-15V的变压器
(2)整流电路的设计及整流二极管的选择
由于输出电流最大只要求500mA,电流比较低,所以整流电路的设计可以选择常见的单相桥式整流电路,由4个串并联的二极管组成,具体电路如图4所示。
图4单相桥式整流电路
二极管的选择:
当忽略二极管的开启电压与导通压降,且当负载为纯阻性负载时,我们可以得到二极管的平均电压为0.9V
其中15V为变压器次级交流电压的有效值。
我们可以求得U0=15×0.9=13.5v。
对于全波整流来说,如果两个次级线圈输出电压有效值为15V,则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是15×
,即为21.1V。
考虑电网波动(通常波动为10%,为保险起见取30%的波动),最大反向电压应该大于27.4V。
在输出电流最大为500mA的情况下我们可以选择额定电流为1A,反向耐压为1000V的二极管IN4007。
(3)滤波电容的选择
当滤波电容偏小时,滤波器输出电压脉动系数大;而偏大时,整流二极管导通角θ偏小,整流管峰值电流增大。
不仅对整流二极管参数要求高,另一方面,整流电流波形与正弦电压波形偏离大,谐波失真严重,功率因数低。
所以电容的取值应当有一个范围,由前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为15V,当输出电流为0.5A时,我们可以求得电路的负载为30欧,我们可以根据滤波电容的计算公式:
来求滤波电容的取值范围,其中在电路频率为50HZ的情况下,T为20ms则容的取值范围为1250-2083uF,保险起见我们可以取标准值为2200uF额定电压为35V的铝电解电容
(4)稳压电路的设计
稳压电路组要由四部分构成:
调整管,基准稳压电路,比较放大电路,采样电路。
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(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),从而使输出电压得到稳定。
由于输出电流较大,达到500mA,为防止电流过大烧坏调整管,需要选择功率中等或者较大的三极管,调整管的击穿电流必须大于500mA,又由于三极管CE间的承受的最大管压降应该大于12-6=3V,考虑到30%的电网波动,我们的调整管所能承受的最大管压降应该大于10V,最小功率应该达到10×0.5=5W。
综合以上参数,我们可以选用功率三极管TIP41,它的最大功率为60W,最大电流超过6A,所能承受的最大管压降为100V,远远满足调整管的条件。
负极的调整管则选择与之相对应的的中功率三极管TIP42。
基准电路由1个4.3vIN4731A的稳压管进行稳压和4.7KΩ的保护电阻组成。
由于输出电压要求为6伏和9伏,如果采样电路取固定值则容易造成误差,所以采样电阻最好应该做成可调的,固采样电路由两个电阻和一个可调电阻组成,根据公式:
如上图,把R2=10Ω(相当于公式中的R1),R7=1kΩ(相当于公式中的R2),R3=620Ω,
=4.3V代入以上公式可求的电路的输出电压为4.255-11.118V。
可以输出6V和9V的电压,运放选用工作电压在12V左右前对电压稳定性要求不是很高的运放,由于LM358的工作电压可达+15V~-15V,范围较大,可以用其作为运放,因为整流后的电压波动不是很大,所以运放的工作电源可以利用整流后的电压来对其进行供电。
为了使输出电压更稳定,输出纹波更小,需再对输出端进行再次滤波,可在输出端接一个47uf的电解电容,这样电源不容易受到负载的干扰。
使得电源的性质更好,电压更稳定
(5)保护电路
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。
在过流时使调整管发射极电流迅速减小到较小数值的电路,称为截流型过流保护电路。
如下图(a)所示为截流型过流保护电路,T1为调整管,Ro为电流采样电阻,它与T2,R1和R2构成保护电路,当Io增大,UBE2将随之增大。
未过流时,UBE2 当Io增大到一定数值或输出端短路时,T2导通,对调整管T1的基极分流,使Io减少,从而导致输出电压Uo减少;此时虽然UB随Uo的下降而下降,但是Uo下降的幅值大于UB,使得T2的电流进一步增大,T1的电流进一步减少,最终减少到较小数值。 输出特性如下图(b)所示。 通常,在截流型过流保护电路启动后,均有一个正反馈过程,使输出电流迅速减少。 。 四、总体的电路图 五、电路的调试及仿真数据 正负输出的可调的最大值和最小值电压数据如下图: 理论值为4.215-11.117V,而实际的测量值存在很小的误差,原因是由于可调电阻的实际调节范围偏大,导致输出电压偏大。 调节可变电阻,可以得到课程设计所要求输出的6V和9V的电压,仿真数据如上。 电路输出直流电的波形图如下图 电压的直流电波形为标准的直线,达到设计的要求 而实际测量时也是这样,输出波形基本为一条直线 电路输出纹波波形纹波电压在1.8mV左右,比要求的5mV要低,而实际测量时,纹波的电压只有0.9mV,远远低于所要求的5mV,所以符合要求。 六、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,总结如下: 优点: 该电路设计简单。 输出电压稳定,纹波值小,而且使用的元件较少,经济实惠,输出功率大,调整管可承受的范围也很大,也有保护电路,当电路由于偶然原因出现较大的电流时,有可能造成损害,所以使得电路故障率降低了。 缺点: 对电阻的选择,我们有的极端,因为刚做出实物时发现有问题所以不断地修改采样电路的电阻(把R2=R11=10欧),最终尽管修改好问题了,修改太多了,我们只好保留。 只因没有1.5欧电阻了,所以这个电路中的R4=R12=1.5欧的电阻用两个4.7欧的电阻并联得到,与实际有点不符。 改进: 可以在稳压电路那里接一个调整管的安全工作区保护电路。 这样可使调整管既不因过电流而烧坏,又不因为过压而击穿。 保护电路将更好! 心得体会: 通过这次课程设计,我对于模电知识有了更深的了解,尤其是对与线性直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究,希望以后有空还是再做做开关直流电源,让自己更熟悉这方面的知识。 同时实物的制作也提升了我的动手能力,实践能力得到了一定的锻炼,思考问题也更加细心,和思考问题的思维也得到了一定的提升,又一次觉得自己的焊接技术还好,做出来的实物也相当满意,这加深了我对模拟电路设计方面的兴趣。 理论与实践得到了很好的结合,但在做仿真实验很成功的同时,做出实物却有比较大的误差,所以仿真还是存在一定的错误,需要自己再耐心的思考和修改! 而这个过程中跟组员合作也是一个合作能力的培训,曾我们大家的意见不一致时大家不停地争论,而最后还是能得到最完美的结论! 同时在做课程设计过程中,遇到不懂的地方,又让我们明白到请教的重要性! 所以很感谢师兄的指导。 (七)装配图(正反面) 附录: 元件清单 名称及标号 型号及大小 封装形式 数量 变压器 220V-15V 无 1 二极管 IN4007 DIODE-0.4 4个 稳压管 IN4731 D0-41 2个 电解电容 2200uF RB.3/.6 2个 47uF RB.2/.4 2个 电阻 4.7K AXIAL-0.3 2个 620 AXIAL-0.3 2个 2k AXIAL-0.3 2个 10 AXIAL-0.3 2个 100 AXIAL-0.3 2个 4.7 AXIAL-0.3 4个 电位器 1k Sip3 2个 运放 LM358 DIP8 2个 保护三极管 8050 TO-94 1个 8550 TO-92 1个 调整管 TIP41 TO220 1个 TIP42 TO220 1个 注: 两个4.7欧电阻并联作用相当于仿真中1.5欧的电阻。 参考文献: 1、童诗白、华成英,《模拟电子技术基础》 2、铃木雅臣《晶体管电路设计》
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- 课程设计 报告 串联 直流 稳压电源