分立式元器件串联反馈型稳压电源的设计与制作

工程训练工程训练 3 3 分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与制作分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与制作 直流稳压电源应用广泛 几乎所有电子设备都毫无例外地需要稳定的直流电压 电流 供电 然而 我们提供电能的主要方式却是交流电压 电流 供电 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 根据学习进度 我们了解到 半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件 也是构成集成电路的基本单元 它们的基本结构 工作原理 特性和参数是学习电子技术 和电子电路设计与应用必不可少的基础 本工程训练正是主要利用这两种元器件设计制作 一个分立式元器件串联反馈型稳压电源 它在实际应用电路中应用非常广泛 是电子技 术课程的教学重点之一 正确理解其工作原理 设计出符合要求的电路具有重要意义 此工程训练为期两周 学生要完成此工程训练首先要修完 模拟电子技术 自 动控制理论 电路 电工电子实践指导 PROTEL 电路设计与制板 PROTEUS 电路设计与仿真 六门课程知识 在加深理解对上述课程理论和实验的教学内容基础上 学会综合应用这六门课程的知识 培养发现 分析和解决利用分立元器件进行电路设计与 制作问题的能力 3 1 目的要求 目的要求 3 1 13 1 1 基本目的基本目的 此工程训练选择分立元件构成串联型直流稳压电源 学生通过实训 了解相关分立元 器件的基本结构 工作原理 特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源电路的工 作原理 原理图的设计和参数计算 元器件选用 计算机软件实现硬件仿真 PCB 板的设 计 电路的安装和调试 最后完成达到技术指标要求的准产品 3 1 23 1 2 基本要求基本要求 1 依据性能指标和器件状况 设计稳压电源电子电路 并计算器件参数确定选择器件 含散热设计 2 以本工程训练为实例学习 protel 基本知识 并运用其绘制电源 sch 原理 和 pcb 印刷电路板 图 3 学习 proteus 知识 对本电源进行仿真 最终确定 sch 与 pcb 图 4 掌握电子电路板制作全过程 实现电源的制造 5 测量电源相关各项技术指标 完成系统调试 3 2 基本知识介绍基本知识介绍 分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与制作 这一项目涉及到的知识 或技术 面比较广 在进行此工程训练前 学生应必须对这些方面的知识要理解透彻 掌握熟练 主要相关基本知识 或技术 有 电源变压器知识 整流电路知识 滤波电路知识 串联 型稳压电路知识 PCB 板电路设计与制板技术 PROTEUS 电路设计与仿真技术 热转印腐蚀 制板技术 焊接工艺技术 电路安装与调试技术等 其中串联型稳压电路知识是本次工程 训练项目中的重中之重 现简要的介绍一下下列基本知识 3 3 2 2 1 1 电源变压器电源变压器 一 电源变压器中常用的几个术语 1 初级 primary winding 是指电源变压器的电源输入端 2 次级 secondary winding 是指电源变压器的输出端 3 额定输入电压 u1 是指电源变压器的初级所接上的电压 也就是电源变压器的工 作电压 4 空载电流 i0 是指电源变压器的初级接上额定输入电压 u1 而次级不带负载 即开 路 时 流过初级的电流 i0与变压器的设计有关 即使是两个不同厂家生产的相同规格 的电源变压器 其 i0也可能不同 5 空载电压 u0 是指变压器初级接受上额定输入电压 u1 而次级不带负载 即开路 时 次级两端的电压 u0与变压器的设计有关 即使是两个不同厂家生产的相同规格的电 源变压器 其 u0也可能不同 6 负载电流 i2 是指变压器初级接上额定输入电压 u1 次级接上额定负载时 流过 负载的电流 7 负载电压 u2 是指变压器初级接上额定输入电压 u1 次级接上额定负载时 负载 两端的电压 8 定输出功率 p2 是指变压器在额定输入电压 u1 时的输出功率 它表示变压器传送 能量的大小 一般来说 在相同频率下 p2越大 变压器的尺寸越大 p2相同 即使输出 电压 u2不同 变压器的尺寸也相同 即变压器的价格也应相差无几 由公式 p2 u2 i2可知若输出功率 p2一定 若输出电压 u2越高 则输出电流 i2越低 举例来说 一个输出功率 p2 10W 的变压器 若输出电压 u2 24V 则输出电流 i2 p2 u2 10W 24v 0 416A 若 u2 12V 则输出电流 i2 0 833A 二 电源变压器在本工程训练中应用 电源变压器在本工程训练中是将交流电网电压u 市网电压 220V 50Hz 变为合 1 适的交流电压 u2 本工程训练选用降压变压器 以提供后续电路所需的电压 三 电源变压器的选择与确定 在本工程训练中 对电源变压器的要求主要为次级输出电压大小和极性 额定工作功 率 因此如何选择与确定电源变压器主要围绕这几个参数并根据后续电路要求进行计算选 择 假定后续电路要求初级输入电压为 U 输出电流为 I 则电源变压器次级输出电 maxo 压 V 为 U 额定工作功率为 VI 举例说明 假定后续电路要求初级输入 SmaxoS 电压为 U 10V 输出电流为 I 1A 则电源变压器最佳次级输出电压 V 为 10V 额定 maxoS 工作功率为 VI W S 3 3 2 2 2 2 整流电路知识整流电路知识 整整 流流 电电 路路 滤滤 波波 电电 路路 稳稳 压压 电电 路路 u1 u2u3u4 uo 图 3 1 直流稳压电源的组成和功能框图 如上述框图3 1所示 整流电路的作用将交流电压u2变为单方向的直流电压u3 在本工程训 练中是利用二极管单向导电性 把正 负交变的50Hz变压器次级输出电网电压变成单方向 脉动的直流电压 由整流二极管组成的小功率整流电路常见的有半波整流电路 全波整流电路和桥式整 流电路等 后两者的纹波系数要小 就整流二极管而言 承受的最大整流电流相同 但承 受的最大有效电压 前者是后两者的 2 倍 另外最大反向电压也不相同 下面简单分析上述几个整流电路 把二极管当作理想元件处理 即二极管的正向导通 电阻为零 反向电阻为无穷大 一 半波整流电路 图 3 2 半波整流电路 半波整流电路如图 3 2 所示 u2 0 时 二极管导通 忽略二极管正向压降 u u2 o u20 时 D1 D3 导通 D2 D4 截止 电流通路 A D1 RL D3 B u2 I 这样可保证取样不受比较放大的影 12B 响 另一方面 为了使稳压电路空载时调整管也能工作在放大区 以保证足够的放大倍 数 选 I I 40 mA 则 I 30 mA 1R1 由此可得 R R 12 600 30 20 1 0 mA V I U 但从减小电流损耗来看 R R也不易太小 故限 R R 500 分压比应保 1212 证输出电压 U 20V 根据公式 U 得 00 2 2 21 BEREF VU R RR 1 即 2 1 R R 12 20 2 1 R R 3 2 故选 R 200 R 300 1 2 5 放大部分 R 的选择一方面要保证 V 能够经 240 mA 的负载电流 即要求 I I 4141Bm 另一方面又希望 V集电极电阻 R 尽可能大 以便获得较大的放大倍数 提mA mA 12 20 240 24 高电路的稳定度 所以选 R 为 4 R 4 K mA VV I VVV BEO 9 0 12 2030 4 12 比较放大管采用硅高频小功率晶体管 BV I I 选取 3DG4E 即可满足要 0 V CEO CM4 求 此外 为了消除稳压电路自激 可在稳压电路的输出端并接470uF 电容 三 影响稳压特性的主要因素 及其改进措施 1 主要因素 1 电路对电网电压的波动抑制能力较差 例 U V Uo 12C 2 流过稳压管的电流随 U 波动 使 U不稳定 降低了稳压精度 1REF 3 温度变化时 V组成的放大电路产生零点漂移 输出电压的稳定度变差 2 2 改进措施 1 选用差动放大器或运放构成的放大器代替 V管构成的放大器 可以解决零点漂 2 移的问题 由于单只三极管比较放大器在温度变化时输出电压会产生很大的漂移 影响稳压 电路输出电压的稳定 为此 采用零点漂移小的差动放大器作比较放大器 该电路 原理如图 3 6 所示 电路中 T 组成单端输入 单端输出的直流差动放大器 其稳 2 T 3 压过程如下 当输入电压 U 增加而使输出电压 Uo 升高时 通过取样电路使加到 T 1 的基极电压 U增加 但的基极由于稳压管 D作用保持不变 迫使 T 集电极电 33B2 T 1Z3 压降低 调整管 T 基极电压亦随之减小 I减小 导致其内阻变大 保持输出电压 Uo 不 11B 变 采用差动放大器作比较放大器后 由于零点漂移很小 使电路具有很好的温度稳定 性 图 3 6 2 采用辅助电源 比较放大部分的电源 如下例示图图 3 7 所示 电阻 R既是比较放大管 T的集电极负载 又是调整管 42 T 的偏置电阻 由于 R接在稳压电路的输入端 当 U 变化 例如升高 时 通过 141 R使调整管 T 偏流变化 增加 造成调整管内阻变化 减小 导致输出电压起伏 41 增加 为了克服这一缺点 R必须接到一个稳定的电源电压上 若用一个稳定 4 的辅助电源为调整管提供偏置电压 这个问题就迎刃而解了 具有辅助电源的稳压电 路辅助电源由电源变压器一组单独绕组提供 经整流管 D 整流 电容 C滤波 然 52 后经电阻 R 和稳压二极管 D得到稳压的辅助电压 U D的负端接稳压电路输 52Z2Z2Z 出端 避免了输入电压变化的影响 图 3 7 3 采用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益 在串联型稳压电路中 为了使放大管电压增益尽可能提高 就需要使放大管集电 极动态电阻很大 而且工作电流又不致于太低 恒流源负载 就可解决这个矛盾 它选用晶体管代替负载电阻 放大部分采用 恒流源负载 的稳压电路原理图 如 图 3 8 所示 三极管 T 电阻 R R 和稳压二极管 D组成恒流源电路 作为 T 4562Z 的集电极负载电阻 利用恒流源直流电阻小 对交变电压动态电阻较大的特性提高了 3 T 的增益 从而改善了稳压效果 3 图 3 8 4 调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围 如图 3 9 所标 调整管由 T T接成复合管以使其电流放大系数为两管之积 12 进一步增大控制输出电压的能力 图 3 9 3 3 完成工程训练的主要仪器 设备 工作环境完成工程训练的主要仪器 设备 工作环境 分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与制作需要一台目前实验室使用的计算机 要 安装以下软件 1 中文版 Windows XP 2 原理图 印刷电路板绘制软件 如 PROTEL DXP POWERPCB PROTEUS 等任 选其一 3 电路仿真软件 如 PROTEUS MULTISISM 等任选其一 4 中文版 Microsoft Office 2003 其中包括 Microsoft Office Visio 2003 需用到下列仪器 1 原装墨打印机 2 热转印机 3 腐蚀箱及环保腐蚀液 4 电路板钻孔机 5 电路板切割机 上述仪器都必须配置相符合的工程训练场所 同时还需要用于安装和焊接元器件以及调 试电路的相关工具 如烙铁 烙铁架 万用表 尖嘴钳 斜嘴钳 镊子 吸焊枪 焊锡 防氧化漆等等 3 4 工程训练的主要内容工程训练的主要内容 设计 安置 调试 5 10V 10 15V 两档直流电压和 0 1A 直流电流输出的分立元件 串联反馈型直流稳压电源 需达到下列技术指标 1 输出直流电压 U 分两档分别为 5 10V 10 15V 连续可调 0 2 输出直流电流 I 为 0 1A 0 3 交流电源电压 220V 220V 10 50Hz 4 放大管具有恒流源负载 辅助电源 5 有过流保护 当 I 1 5A 时 保护电路工作 0 6 内阻 R 1 0 7 当输出额定值 U 10V 和 15V 时 稳压系数 S 0 01 0 8 要求设计 PCB 板和制作 PCB 板 电路实物 9 安装电路并仿真 实物调试达到技术指标要求 并完成下列实训任务 1 根据技术指标 提出可行性方案 经分析比较选出符合我们教学要求的实际实施 方案 2 画出串联反馈型直流稳压电源的原理图 3 撰写串联反馈型直流稳压电源的原理图的工作原理 4 根据串联反馈型直流稳压电源的原理图工作原理 对原理图上的各个 或主要 元器件进行设计计算并求出各个 或主要 元器件的参数要求 5 使用电子元器件手册选定各个元器件 并列出元器件型号 规格和特性 6 根据性能要求 利用电路仿真软件对所设计的电路原理图进行性能仿真 7 根据串联型直流稳压电源的原理图和元器件的尺寸大小设计 PCB 板 并进行制作 8 根据技术指标 使用有关仪器 仪表进行调试 9 撰写技术报告 3 5 工程训练的实际步骤或操作方法工程训练的实际步骤或操作方法 工程训练的实际步骤或操作方法要根据主要内容来制定 此次工程训练主要分为下面 几个实际步骤或操作方法 1 根据上述技术指标 提出可行性方案 经分析比较选出符合技术要求的实际实施 方案 2 画出原理图 先初步设计 再通过下述步骤最终修改整理确定 3 根据工作原理 对原理图上的各个 或主要 元器件进行设计计算并求出各个 或主要 元器件的参数要求 4 使用电子元器件手册选定各个元器件 并列出元器件型号 规格和特性 5 根据串联型直流稳压电源的原理图和元器件的尺寸大小设计 PCB 板 并进行制作 6 根据技术指标 使用有关仪器 仪表进行调试 修改完善 为了能明确上述步骤的实施办法 利用综合设计的主要设计部分来加以说明 根据 技术指标要求 原理图应有这几部分 交流电源变压部分 整流电路部分 滤波电路部分 稳压电路部分 其中稳压电路部分为重要部分 包括基准部分 采样部分 辅助电源部分 恒流源部分 过流保护部分 放大部分 初步设计原理图如图 3 6 所示 图图 3 9 分立式元器件串联反馈型稳压电源原理图分立式元器件串联反馈型稳压电源原理图 一 交流电源变压部分 根据技术指标要求 输出直流电压 U 分两档分别为 5 10V 10 15V 在这里我们采 0 用由二极管组成的单相桥式整流电路 交流电源变压器采用单相变压器 根据单相桥式整 流电路原理 由公式 0 9U U 3V U 为变压器次级端输出 2maxo2 得当 U 15V 档时 maxo U 20V 21 当 U 10V 档时 maxo U 15V 22 因为输出直流电流 最大值 I要求为 0 1A 因此 我们应该选择有 20V 15V 双电 max0 压输出的 额定功率为 U I I W W 范围内的单相变压器 21max0 二 整流电路部分 采用由二极管组成的单相桥式整流电路 根据单相桥式整流电路原理 流过每只整流 二极管的平均电流I是负载平均电流的一半 则 D 而根据 3 2 3 小节所讲到的电容滤波电路的特点可知 加上电容滤波后流过二极 管瞬时电流 峰值会很大 这时 DF I 二极管截止时两端承受的最大反向电压 则考虑到过流过压要求 根据电子元器件手册 我们可以选用最大反向电压为 1000V 额定工作电流为 1A 的塑封整流二极管 IN4007 组成单相桥式整流电路 AAII oD 5 01 2 1 2 1 maxmax VVUUURM28 2820222 212 AA I I o DF 5 1 1 2 32 max 三 滤波电路部分 选用并联 3700uF 50V 电容滤掉整流电路输出电压中的交流成分 保留其直流成份 达到平滑输出电压波形的目的 四 稳压电路部分 1 基准部分 基准电压值 10V 档取为 3V n 0 6 0 3 15V 档取为 3V n 0 6 0 4 设流过电阻 R的最小电流为 5 mA 则 R U U 5 mA 400 refrefminoref 2 采样部分 由取样电阻组成 当输出电压为最小值 U时 取电流 I为 15mA 则当当输出电 mino 压为最大值 U时 电流为 15 3 45 mA 由此得 maxo R U I 5V 15 mA 330 mino 所以 R R 0 6 330 198 取 200 则 R 330 23 1 200 130 R 330 0 3 100 取 90 R 110 3 3 总功率 W 0 045 330 0 66W 取每个电阻额定功率大于 0 5W 2 3 辅助电源部分 1 放大管 V1 两端的电压 V 2 7V 3V 2 1V 7 7V 约为 8V 1 2 电流