分立元件串联的5v直流稳压电源.docx
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分立元件串联的5v直流稳压电源
河北师范大学汇华学院
线性稳压电源的设计
设计课题:
5V分立元件串联的稳压电源
专业班级:
2009级通信工程
学生姓名:
王海鹏
学生学号:
2009512453
指导教师:
苑冰
二○一二年六月十二日
一、设计要求
(1)直流输出电压Uo=5V(+/-20%)
(2)最大输出电流Io=1A
(3)稳压系数γ=0.01以下(当电网电压波动=+/-10%)
(4)输出电阻ro=0.05Ω
(5)输出波纹电压小于5μv
(6)工作温度-20-40Co
二、电路原理图的确定
由于桥式整流、电容滤波电路十分成熟,这里我们选择桥式整流、电容滤波电路作为电源的整流、滤波部分。
由于要求电源输出电压有一定的调整范围,稳压电源部分选择串联负反馈稳压电路。
同时由于对输出电流要求比较大,调整管必须采用复合管。
综合这些因素可以初步确定最佳电路的形式,参见图1。
备选方案见最后原理图。
三、电路各元件参数的计算与型号确定
1、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。
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12V。
保护电路R6上的压降约2V。
桥式整流电容滤波输出电压是变压器次级电压的1.2倍。
(UB1)OMIN=(2+(UT1)CE+(UO)MAX)
(UB1)OMIN=(2+(3~8V)+5.5V)=(10.5~15.5)V取Ui为12VUB2=12/1.2=10V
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:
则变压器B1次级额定电压为:
(UB1)O=(UB1)OMIN÷0.9
(UB1)O=10V÷0.9=11.11V
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800mA。
此时变压器次级电压(UB1)OMAX为:
(UB1)OMAX=(UB1)O×1.1Ii=IOmax十(I1+I2+I3+I4)Ma=(1A+5MA+10MA+5MA)=1.02A
(UB1)OMAX=11.11V×1.1=12.22V
变压器B1的设计功率为(考滤过载20%):
PB1=(UB1)OMAX×1.2(IO)MAX
PB1=17.31V×1.2×800mA=17.31VA
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18V,额定功率为20~25VA。
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
(ID1)MAX=0.5×1.02A=0.51A
考虑到取样和放大部分的电流和过载因素,可选取最大电流(ID1)MAX为1A。
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≈1.555×12V≈18.66V
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1N4001作为整流二极管。
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,系数取3,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5V,负载电流为1.02mA时:
C1=5×0.5×T÷(UO÷IO)
C1=5×0.5×0.02S÷(5V÷1.02A)=2450μF
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=12V
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2500μF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。
4、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=12V
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=1.02A
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1A。
这样大允许集电极耗散功率(PT1)CM为:
变压器B1的设计功率为(考虑温度变化范围):
PT1=(UB1)OMAX×1.5(IO)MAX
PT1=12.22V×1.5×1.02A=18.70VA
为保证变压器留有一定的功率余量,NPN型TIP31C,作为调整管Q1。
其BUCEO=100V,ICM=3A,PCM=40W。
β>100。
(散热片600cm2×3mm)。
T2管的选择原则和T1管相同。
最大集电级电流:
ICM2=ICM1/β1=1.02A/100=10.2mA
PB2=1.5×ICM2(Uimax-2×0.7-UOmin)=1.5×10.2mA×(√2×10×1.1-5×0.8)=0.14W
Q2选9014,它的参数为:
BUCEO=50V,ICM=0.1A,PCM=0.4W。
R1=Uimax/5mA=12/5=2.4k
查询晶体管参数手册后选择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。
5、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3.3V/0.25W。
为保证稳定度,稳压管的工作电流ID5应该尽量选择大一些。
这里初步确定IR2MIN=10mA,则R2为:
R2=(UOMIN-UD5)÷IR2MIN
R2=(5V-3.3V)÷10mA=170Ω
6、取样部分
取样部分主要计算取样电阻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< 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远大于调整管T1的最小工作电流(IT1)CEMIN。 因此取IR3MIN=5mA。 则可得: R3+R4+R5=UO÷IR3MIN R3+R4+R5=5V÷5mA=1K UD5=ηUO=[(1/2R4+R5)/(R3+R4+R5)]UO 已知UD5=3.3V,UO=5V,R3+R4+R5=1K,电阻R3,R4的阻值由Uo的调节范围决定.本例中Uo可调范围为5V+/-10%,即从4.5V到5.5V可调,当输出电压调到最高时, UD5=3.3V=(R5/R3+R4+R5)×5.5V=(R5/1K)×5.5V,则: R5=(3.3×1K)/5.5V=600,取R5=600K。 当输出电压调到最小值时, UD4=((R5+R4)/R3+R4+R5)×4.5V R5+R4=(3.3×1K)/4.5V=733,则R10=733-R9=733-600=733K,取R10=150Ω。 R3=1000-150-600=350K,取R3=350Ω。 7、放大部分 放大部分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5mA,当输出电压最小时,则R1为: R1=((UB1)O-UO-(UT1)BE-(UT2)BE)÷IR1 R1=(12V-5V-0.7V-0.7V)÷5mA=1.12KΩ 实际选择时可取R1为1.2KΩ。 当输出电压最大时,IR1为: IR1=((UB1)O-UO-(UT1)BE-(UT2)BE)÷R1 IR1=(12V-4.5V-0.7V-0.7V)÷1.2KΩ≈0.04mA 可见当输出电压最大时IR1上升幅度仅1%,对T3工作点影响不大,可满足要求。 由于放电电路的电流并不大,各项电压也都小于调整电路,可以直接选用3GD6D或9014作为放大管T3。 8、截流保护电路 T4、R7、R8组成截流型保护电路,稳压电路正常工作时,VR6 T4用9014,R6取2Ω/2W,R7取2.2K(调试确定,保证1.02A时不动作,1A时动作保护),R8取62Ω。 9、其他元件 在T2的基极与地之间并联有电容C2,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,一般可取0.01μF/35V。 在电源的输出端并联的电容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,可选470μF/25V铝电解电容。 四、总原理图及元器件清单 3.元件清单 序号 元件 类别 参数 备注 1 D1-D4 二极管 IN4007 2 R1~R7 电阻 金属膜 3 C1 电容 2450Μf/50V 4 C3 电解电容 470μF/25V 铝电解电容 5 C2 电容 0.01μF/35V 6 TR1 变压器 220/6V 8 D5 稳压管 3.3V/0.25W 9 热缩管 0.04米 绝缘隔离 10 T1-T4 三极管 六、备选方案 备选1 此备选方案相比所选方案精确度较低。 备选2 此备选方案结构复杂,元件较多,成本高。 七、结论与心得 在这次线性稳压电源的设计设计中,我在收获知识的同时,还收获了阅历,收获了成熟,在此过程中,我通过查找大量资料,请教老师,以及不懈的努力,不仅培养了独立思考、设计的能力,在各种其它能力上也都有了提高。 更重要的是,在设计,我还学会了很多学习的方法以及相关软件的使用,如DXP2004。 本设计使用DXP来设计电路原理图。 而这是日后最实用的,真的是受益匪浅。 我将所学知识运用到设计中,按照设计要求设计电路的参数,在按对应的参数选取元器件,通过查找资料了解元器件的主要特性与相关使用注意事项。 在电路设计中选取最优元件来满足设计的要求。
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- 分立 元件 串联 直流 稳压电源