串联稳压电源的设计报告.docx

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串联稳压电源的设计报告

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电子技术课程设计报告

设计课题:

串联稳压电源的制作

姓名:

***********

学院:

物理与电气信息工程学院

专业:

电子信息工程（自动化）

班级:

09级自动化

（2）班

学号:

************************************

日期

2011-11-12

指导教师:

********

串联稳压电源的制作

1、设计目的

稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调，不能满足很多场合下的应用。

串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引用深度电压负反馈使输出电压稳定；并且，通过改变反馈参数使输出电压可调。

2、设计任务和要求

要求：

设计并制作用放大器组成的串联型直流稳压电源。

2.1、设计电压

输入9V左右交流电压，输出12~18V直流电压

2.2、设计电流

输出电流：

额定电流为150mA，最大电流为500mA；

3.电路原理分析和方案设计

采用变压器、二极管、运放，电阻、稳压管等元件器件。

220V的交流电经变压器变压后变成电压值较小的交流，再经桥式整流电路和滤波电路形成直流，稳压部分采用串联型稳压电路。

比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，所以其输出电压也以调节；同时，为了扩大输出大电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，就构成了具有放大环节的串联型稳压电路。

3.1方案比较

方案一：

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3.1），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R2两端电压的变化增大（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。

图3.1方案一稳压部分电路

方案二：

经变压器输出后，整流部分也是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3.2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3.2方案二稳压部分单元电路

方案三：

用晶体管和集成运放组成的实用串联型直流稳压电压如图3.3

图3.3方案三的稳压部分电路

可行性分析：

对以上三个方案进行比较，可以发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。

方案三功能最强大，但是由于条件和经济成本的限制，实在是调试不成功，我们也抛弃方案三，因为它牺牲了成本来换取方便。

所以从简单、合理、可靠、经济从简单而且便于购买的前提出发，我们选择方案二为我们最终的设计方案，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。

3.2电路框图

整体电路的框架如下图一所示，先有220V-6V的变压器对其进行变压，变压后再对其进行整流，整流后是低高频的滤波电路，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，最后得到输出的稳压电源。

如图3.4。

图3.4电路框图

3.3电路设计及元器件选择；

总体设计是交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电，其方框图及各电路的输出波形如图3.5所示，下面就个部分的作用加以介绍。

图3.5各部输出波形图

3.3.1变压器的设计和选择

本次课程设计的要求是输出12到18V电压，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，由

，

为饱和管压降，而

=18V为输出最大电压，

为12V最小的输入电压，以饱和管压降

=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9V，为保险起见，可以选择220V-9V的变压器，再由P=UI可知，变压器的功率应该为0.5A×9V=4.5w，所以变压器的功率绝对不能低于4.5W。

3.3.2整流电路的设计

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3.6所示。

3.3.3二极管的选择

当忽略二极管的开启电压与导通压降，且当负图3.6整流电路

载为纯阻性负载时，我们可以得到二极管的平均电压为

：

=

=

=0.9

其中

为变压器次级交流电压的有效值。

我们可以求得

=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

，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是

，即为34.2v

考虑电网波动（通常波动为±10%）我们可以得到

>1.1

和

>1.1·

。

应该大于19.3V。

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。

3.3.4滤波电容的选择

整流后的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，会影响电路的正常工作。

一般在整流后，还需要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。

所以需通过滤波电路，使输出电压平滑。

理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使输出电压仅为直流电压。

在实际电路中，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18欧，我们可以根据滤波电容的计算公式：

C=（3～5）

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则电容的取值范围为1667-2750uF，为了获得更好的滤波效果，电容容量应选得更大些。

我们可以取标准值为2200uF额定电压为35V的电解电容。

查阅资料可知滤波电路有电容滤波、电感滤波电路和复式滤波电路三种，由于实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等因素，电路中极有可能产生高频信号，所以需要一个小的陶瓷电容来滤去这些高频信号。

我选择的是104的陶瓷电容来作为高频滤波电容。

即复式滤波电路的效果最好。

3.3.5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uA741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9V，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13V，最小功率应该达到

=6.5W。

我们可以选择适合这些参数，并且在市场上容易买到的中功率三极管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。

。

基准电路由5.1V的稳压管和4.7欧的保护电阻组成。

由于输出电压要求为12伏到十八伏的电压，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：

求出。

其中

为运放正反相输入端的电阻，

为输出端正极与共地端之间的电阻，

为稳压管的稳压值。

固可以取1.5k和1.5k的固定电阻置于1k的滑阻两旁避免当滑

为0.所以根据此公式可求的电路的输出电压为14.12~20.83V。

可以输出15V和18V的电压，运放选用工作电压在15V左右前对电压稳定性要求不是很高的运放，由于uA741的工作电压为正负12V-正负22V，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，需奥对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个10uf的点解电容和一个103的陶瓷电容，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，

4、电路总图

电路总图如下图4.1

4.1电路总图

表1元件清单

名称及标号

型号及大小

标准

数量

变压器

220V-15V

最低12W1A

1

电容

电解电容

2200uF

35V

1个

10uF

50V

1个

陶瓷

电容

104

1个

103

1个

电阻

1.5k

0.25W

2个

可变电阻

1k

3296

1个

运放

uA741

1个

稳压管

5.1v

1个

调整管

TIP41

中功率

1个

电源线

若干

二极管

In4007

4个

电路板

1个

5、电压仿真过程及结果

5.1稳压电源的技术指标

稳压电源技术指标分为两种：

一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度、包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。

稳压系数：

在负载电流、环境温度不变的情况下，输出电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即

电压调整率：

输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响。

5.2输出电阻及电流调整率

输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值。

电流调整率：

输入电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。

输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。

5.3纹波电压

叠加在输出电压上的交流分量。

用示波器测试其峰峰值一般为毫伏量级。

也可用交流毫伏表测量其有效值，但纹波不是正弦波，不好测。

6.电压调试过程与结果

理论值输出是12V到18V，但实际输出为11.8V到20.7V，可以通过调节滑动变阻器来达到准确的数值后只要输入交流电压不动，输出直流电压就不动。

7.结论

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，输出理论可变范围为12V到18V而实际可调范围为14.12V-20.83V的正负直流稳压电源。

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，。

缺点：

电压缺少一个保护电路，当电路由于偶然原因出现高的电压脉冲时，有可能对电路造成危害，使得电路故障率提高。

改进：

可以在稳压电路那里再接一个过保护电路电路。

减少接电或断电时产生的瞬间高电压对电路元件的破坏。

另外，ua741芯片较为古老，性能不稳定，已跟不上时代的需要所以运放可以重新选择性能更好，更稳定的芯片。

8心得体会

本次课程设计其实这已经是我们设计的第三个电路图了：

第一个电路图因为元件太多，做出来后总是调试不出来一周后实在没办法放弃了；第二个方案我们是在网上找的，开始也没问老师，后来做出来后ua741总烧，问老师后才知道原来电路图错了，现在这个是第三个电路图，是我们看大二时的模拟电子技术这本书后自己设计的，虽然元件少，但是是自己的东西。

这次设计真是让我们受益匪浅，在做实物的过程中让我明白到书本知识的重要性，要对书本的知识有比较深刻的了解才能对电路进行设计，要不别人给你个错的电路图你自己都不知道，还有就是要及时的和老师沟通，我们设计时就因为前期没怎么和老师沟通白白浪费了两周的时间。

真的书本的知识真的很重要，只有对书本的知识有一定的了解后，才能自己设计出自己的东西，要不然只是复制别人的，只有经过实践才能把知识理解得更透彻，而且如果要进行设计的话就要对一些元件有一定的了解，这样才能继续地进行下去，在做这个课程设计的过程中令不断地对元件有了更加深刻的了解。

在焊的过程中更考验到自己的焊接能力，虽然开始焊得不太好，但是随着时间的进行也变得越来越好。

在做课程设计的时候也遇到了之前没有预料到的事，应为是按照仿真的时候的电路图的做的，所以尽管仿真时的数据是正确的，但是做出来的还是有很大的区别，最后只能不断地进行测试，试图找出原因，但是在不断的实验中，虽然有一点改善，但还与要求的相差比较大，甚至最终还致使调整管被烧掉了，还好最终找出原因，对保护电路进行了修改，把三极管由低功耗的换成了中功率的，而且保护电路的电阻也进行了调整，最终做出了要求的输出。

在这过程中，令我印象深刻，令我深刻地体会到实践的重要性，因为不通过实践是无法检验出到底是正确还是错误的。

只有通过实践才能更加地深入地去了解它的工作原理，才可以更好地发现问题，可以很好地锻炼自己的动手能力和应变能力。

这次的课程设计令知道动手操作是远比自己想象复杂，因为在这过程中会出现很多自己没有预料到的问题要解决，不过只有这样才能更好地提高自己。

虽然在这过程中曾经感到过厌烦，然而，在一步一步的改进中走向成功的那种感觉是无比的兴奋的。

当自己的努力得到回报时那种心情是难以形容的，而且这样更加增加了自己的兴趣。

参考文献

[1]杨素行，《模拟电子技术基础与简明教程》第三版北京：

高等教育出版社2006.5

[2]童诗白，何金茂，《电子技术基础》北京：

高等教育出版社1992

[3]秦曾煌，《电工学》第七版上册北京：

高等教育出版社，2011.7

[4]康华光，《电子技术基础》第五版北京：

高等教育出版社，2006.3

[4]（美）佛朗哥（Franco，S.），《基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计》第4版，西安：

交通大学出版社，2004.6

附录：

实物图