模电课程设计串联型直流稳压电源的设计报告资料.docx

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模电课程设计串联型直流稳压电源的设计报告资料

一、设计的基本内容、用途及特点

直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器、电力或电子设备都毫不例外地需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。

不同的电路对电源的要求是不同的。

在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。

电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？

又如何使直流电压（电流）稳定？

这是电子技术的一个基本问题。

解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。

本设计电路分为降压电路、整流电路、滤波电路和调压稳压电路四大部分，稳压电路部分又由基准电压源、输出电压采样电路、电压比较放大电路、过流保护电路和输出电压调整电路组成。

直流电源的输入为220V的市电，需要通过电源变压器降压后，再对交流电进行处理。

变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。

变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦电压转变为单一方向的脉动电压，但含有较大的交流成分，会影响负载电路的正常工作。

为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑，理想情况下，应将全部交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。

然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必会影响其滤波效果。

交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是，当电网电压波动或负载变化时，其平均值也将随之变化。

稳压电路的功能是使输出直流电压基本不随电网电压波动或负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。

1.整流电路

整流电路的主要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向的直流电。

但是这种直流电的幅值变化很大。

它主要是通过二极管的截止和导通来实现的。

常见的整流电路主要有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流电路。

2.滤波电路

正弦交流电经桥式整流电路整流后，输出电压的脉冲仍较大，大多数电子设备都不能使用这个电压。

为此，要减少输出电压的脉冲程度，将脉冲直流电变为较平滑的直流电，这个过程称为滤波。

电容和电感都是基本的滤波元件，与负载并联的电容器在电源电压升高时，把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，从而使负载电压比较平滑；与负载串联的电感，当电源电压增加引起电流增加时，电感L就把能量储存起来而当电流减少时，又把能量释放出来，从而使负载电流比较平滑。

　　　3．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。

直流稳压电源由变压器、整流、滤波、稳压四部分电路组成。

图3.1.1串联型直流稳压电源原理框图

方案的选择

3.2.1电源变压器

要求输入电压VI比输出电压VO高23V，输出的电压为6V和9V，在桥式整流电路以前的电压是15V的1/1.5倍，在13V左右，考虑到实际元器件与理论值的差别，最终选用15V的变压器。

方案一：

：

先对输入电压进行降压，然后用单相半波整流单路整流，用电感滤波电路滤波，稳压电路采用的是基本调整稳压电路

方案二：

先对输入电压进行降压，然后用单相桥式整流电路整流，用电容滤波电路滤波。

稳压电路采用的是具有放大环节的串联型稳压电路

3.2.1

（1）半波整流

半波整流电路如图3-2-1所示。

为分析方便起见，可设二极管为理想的。

图3-2-1半波整流电路

该电路工作原理：

设变压器次级电压U2=U2msint=

U2sint，其中U2m为其幅值，U2为有效值。

当U2变化的正半周期时，二极管D受正向电压偏置而导通，UL=U2；当U2变化的负半周期时，二极管D处于反向偏置状态而截止，UL=0。

U2和UL的波形如图2-2-2所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是半波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。

由理论分析可得，输出单向脉冲电压的平均值即直流分量为：

UL0=U2m/=

≈0.45U2

（1）

显然，输出电压中除了直流成分外，还含有丰富的交流成分基波和谐波（这里可通称为谐波），这些谐波的总和称为纹波，它叠加与直流分量之上。

常用纹波系数来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即

（2）

式中，UL为谐波电压总有效值，其值应为

=

=

（3）

由式

（1）、

（2）和（3）通过计算可得，比较大。

由结果可见，半波整流电路的输出电压纹波较大。

U

U

图3-2-2半波整流电路波形

半波整流电路中的二极管安全工作条件为：

a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即

IF＞ID0=UL0/RL=0.45U2/RL（4）

b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即

UR＞URM=

U2（5）

（2）．全波桥式整流电路

全波桥式整流电路如图（a）所示，图中4个二极管接成电桥的形式，故有桥式整流之称。

图（b）所示为该电路的简化画法。

图3-2-3全波桥式整流电路图3-2-4全波桥式整流电路简便画法

该电路工作原理：

参见图3-2-3，设变压器次级电压U2=U2msint=

U2sint，其中U2m为其幅值，U2为有效值。

在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。

U2和UL的波形如下图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。

由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为：

UL0=2U2m/=

U2≈0.9U2（6）

U

U

图3-2-5全波整流电路波形图

其纹波系数为：

（7）

式中，UL为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为：

（8）

由式（4）、（5）和（6）通过计算可得比较小。

由结果可见，全波整流电路的输出电压纹波比半波整流电路小得多，但仍然较大，故需用滤波电路来滤除纹波电压。

全波整流电路中的二极管安全工作条件为：

a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。

由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有

IF＞ID0=0.5UL0/RL=0.45U2/RL（9）

b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即

UR＞URM=

U2（10）

为了克服半波整流的缺点，故我们常采用桥氏整流电路。

如图3-2-6所示：

图3-2-6桥式整流电路

3.2.3滤波电路

方案一：

电容滤波

电容是一个能储存电荷的元件。

有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。

在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。

时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。

3-2-7电容滤波电路

采用电容滤波电路不仅可以使输出电压变得平滑、纹波显著减小，同时输出电压的平均值也增大了，输出电压平均值U0的大小不仅与滤波电容C及负载电阻RL的大小有关，C的容量一定，RL越大，C的放电时间t就越大，因此放电速度约慢，输出电压越平滑，U0就越大。

为了取得良好的滤波效果，一般取RlC>（3~5）T/2。

方案二：

电感滤波

电感滤波是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。

当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原电流方向相反，自感电动势阻碍电位增加的同时，也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之，当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。

3.2.8电容滤波电路

电感滤波电路中的电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用，一般它只使用于低电压，大电流的场合，而且考虑到电感体积比较大，危险性高的特点。

以上分析知，采用电容滤波（方案一）比较好！

3.2.4稳压电路

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。

负电源部分与正电源相对称，原理一样。

3.2.9方案一稳压部分单元电路

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擦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点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。

3.2.10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。

4.元件选择

4.1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负的双电压电源，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，由

，

为饱和管压降，而

=9V为输出最大电压，

为最小的输入电压，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12V，为保险起见，可以选择220V-15V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，并且串联稳压电源工作时产生的热量较大，效率不高，所以变压器功率需要选择相对大些的变压器。

结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的变压范围为220V-15V，额定功率12W，额定电流1A的变压器。

4.2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4.1.1所示：

4.1.1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

：

=

=

=0.9

（11）

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%，为保险起见取30%的波动）我们可以得到

应该大于19.3V，最大反向电压应该大于48.8V。

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.

4.3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，保险起见我们可以取标准值为2200uF额定电压为35V的铝点解电容。

另外，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。

滤波电路如图4.1.2：

4.1.2滤波电路

4.4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15-6=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。

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5.1V的稳压管和4.7V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：

（12）

求出。

其中

为运放正反相输入端的电阻，

为输出端正极（负极）与共地端之间的电阻，

为稳压管的稳压值。

固可以取330、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5.772-9.622V。

可以输出6V和9V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。

正稳压电路的正极和负极分别如下图：

4.1.3正稳压电路的正极

4.1.4正稳压电路的负极

为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，需要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，

电路总图

3、元器件选择

（1）变压器的选择

为了使调整管工作在放大区，电路必须满足U1>=U0+Uces，在本设计中，U0最大为9V调整管饱和压降取Uces为3V所以U1的最小值为9+3=12V，一般选取Ｕ１＝（２～３）倍Ｕ０即Ｕ１　在１２Ｖ～２７Ｖ之间．综合考虑，取U1=20V，可以选择220V-20V的变压器,

（2）整流二极管的选择

单相桥式整流电路中二极管的选择：

Ｉ＞（2~3）*0.5=（1.~1.5）A取1A

Ｕ＞１．１＊１．４１４＊２０＝３１Ｖ

所以取额定电流为1A，额定电压为100V的二极管

（3）滤波电容的选择：

由R=U/I得电路的负载约为15欧，由滤波电容的计算公式：

RLC=（3～5）T/2

得C=2000~3300uF取C=2500uF

（4）限流电阻R的选择：

Rmax=（Uimin-Uz）/Izmin+Ilmax=（20-4.3）*1000/（10+500）=30ΩRmin=（Uimin-Uz）/Izmax+Ilmin=（20-4.3）*1000/（500+150）=24Ω

所以取R=25欧姆

（5）调整管T参数的选择：

应满足Icm>Il=500mA；U>1.1*9-6=3.9V;P>I*U=1.95W

（6）稳压管的选择：

稳压管采用1N749A标准稳定电压4.3V额定电流105MA动态电阻２２Ω消耗功率０.４Ｗ

（7）采样电路电阻参数的选择：

令Uomin=（R1+R2+R3）Uz/R2+R3=6V

令Uomax=（R1+R2+R3）Uz/R3=9V

取Uz=4.3V,当R1=100ΩR2=2000ΩR3=2000Ω时，得输出电压4.4V<=U0<=9.1V

元件清单

元件

型号

数量

变压器

TS_POWER_10_1

1

二极管

3N252

4

电容

4mF

1

滑动变阻器

2kΩ

1

电阻

50Ω

4

25Ω

2

100Ω

1

2KΩ

1

调整管

2N3859A

2

稳压管

1N749A

2

运放

OP07AH

2

九：

课程设计总结与体会

1通过这次稳压电源的设计,使我巩固和加深了在模拟电子技术课程中所学的理论知识，对整流电路,滤波电路,稳压电路等的认识更加深刻,并学会查阅相关手册和资料，提高了分析问题，解决问题的能力；

2采用分模块的设计顺序可以优化设计流程，使之更符合逻辑性。

但是需要注意的是，在其中每个环节必须认真进行，如果某模块电路没有设计好，或者存在错误，则总的电路必然会受到影响,所以在设计过程中我们要保持认真严谨的态度；

3这次课程设计是一次理论联系实际的过程，在设计中遇到了许许多多的实际问题，在理论上正确的结果在模拟时可能出现各种各样意料之外的结果，这就需要我们在设计的过程中从实际出发，尽可能的考虑到实际情况。

另外，在遇到问题时要学会用理论联系实际的方法分析问题，解决问题；

4通过这次课程设计，使我基本掌握了设计软件Multisim2001的使用方法,且初步掌握了电子电路的设计方法,在以后还需多加练习，熟练掌握；

5回顾本次课程设计，至今感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，使我懂得了理论和实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正掌握知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力.