太原理工大学模电课设串联型直流稳压电源综述

1、一、设计题目：串联型直流稳压电源 二、设计目的： （1）通过本课题设计，学习电子系统设计的一般方法，要求学会选择变压器、整流二 极管、滤波电容级三极管来设计直流稳压电源； （2）掌握稳压电源的主要性能参数； （3）掌握 Multisum 仿真软件的应用； （4）掌握常用元器件的识别和测试； （5）了解电路调试的基本方法。 三、设计要求 （1）稳压电路要加有放大环节以改善稳定性； （2）输出电压在一定范围内连续可调； （3）要加有保护电路； 四、技术指标 输入电压： 220V/50Hz 输出直流电压： U0 915V 输出电流： I 0 300mA I max 300mA 电源内阻： R0 0.

2、1 稳压系数： Sr 0.05 五、设计原理 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如图所示： 图 1 稳压电源框图 电网供电电压交流 220V/50Hz ，要获得低压直流输出， 首先必须采用电源变压器将电网电压 降低获得所需要交流电压； 降压后的交流电压， 通过整流电路变成单向直流电， 但其幅度变 化大； 变化幅度大的直流电压须经过滤波电路变成平滑， 变化幅度小的直流电压， 将交流成 份滤掉，保留其直流成份；滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压， 便可得到基本不受外 界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL 。 六、总体方案的选择 方案一：调整管、集成运算放大器组成的稳

3、压电路 方案二：三端稳压器、集成运放组成的稳压电路 七、单元电路的设计与元件选择 1、单元电路的设计及原理 a、桥式整流： 整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件， 将正负交替的正选交流电压整流 为单方向的脉动电压。 但是， 这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分， 距离理想的直 流电压还差的很远。 在小功率直流电源中， 经常采用单向半波， 单向全波和单向桥式整流电 路。经综合分析选用了单向桥式整流电路。 对于单向桥式整流电路， 在u2的正半周，二极管 D1 、D2导电，D3、D4截止，电流 iD1,iD2 最终流过 RL ，在负载得到的输出电压极性为上正下负。在u2的负半轴， D3

4、 、D4导通， D1 、 D2截止， iD3,iD4最终流过 RL 时产生的电压极性也是上正下负，因此在后面的电路得到一 个单方向的脉动电压。桥式整流电路图、波形图如下： 图 2 桥式整流电路图 图 3 、单相桥式整流电路电压、电流波形图 b、滤波电容： 整流电路虽然可将交流电变成直流电， 但其脉动成分较大， 在一些要求直流电平滑的场 合是不适用的， 需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。 综合分析后，我们选 择了电容滤波电路， 由于电容有维持其两端电压不变的特性， 将电路与后面的负载并联， 将 使其后输出的电压波形比较平滑。单相桥式滤波整流电路图、波形图如下： 图 4 、单相桥式滤

5、波整流电路图 图 5 、单相桥式滤波整流电压、电流波形图 c、采样电阻： 定性地看，当 R2 的滑动端向上移动时，反馈电压 UF 增大，放大电路的差模输入电压 减小，使调整管的 U BE减小，则 U CE增大，于是输出电压 U o减小。反之，若 R2 的滑动端 向下移动，则 Uo 增大。 当 Rw 的滑 动端调 至最上端 时， Rw1 = 0， Rw2 = Rw ，此 时 Uo 达到 最小值 ， = R1 RW R2 U O min = U Z 。 RW R2 当 Rw 的滑动端调至最下端时， Rw1 =Rw， Rw2 =0，此时 U o达到最大值， U 0max R1 RW R2 UZ。 R

6、2 d、稳压管及其限流电阻 R： 假设稳压电路的输入电压保持不变， 当负载电阻减小， 负载电流增大时， 由于电流在电 阻 R 上的压降升高，输出电压将下降。而稳压管并联在输出端，由图中稳压管两端的电压 有一个很小的下降时，稳压管的电流将减小很多。此时 IR 也有减小的趋势。实际上利用 IZ 的减小来补偿流过负载的电流的增大，使 IR 基本保持不变，从而使输出电压也保持基本稳 定。 假设负载电阻保持不变， 由于电网电压升高而使电容两端电压升高时， 自输出电压也将 随之上升。但是，由于稳压管的伏安特性课件，此时稳压管的电流将急剧增加，于是电阻 R 上的压降增大，以此抵消电容两端电压的升高，从而使输

7、出电压基本保持稳定。 e、调整管与放大电路： 假设由于 UI 增大或 IL 减小而导致输出电压 UO增大，通过采样以后反馈到放大电路反 相输入端的电压 UF 也按比例增大，但同相输入端基准电压 UZ 保持不变故放大电路的差模 输入量将减小， 于是放大电路的输出电压减小， 使调整管的基极输入电压 UBE 减小，则调整 管的集电极电流 IC 随之减小，同时集电极电压 U CE增大，最后使输出电压 UO保持基本不变。 f、三端集成稳压器： 三端集成稳压器的组成如图。 电路内部包括： 调整管、基准电源、 启动电路、 保护电路。 2、参数计算与元件选择 a、调整管、集成运算放大器作为稳压电路 a1.整流

8、电路参数： 二极管正向平均电流 I D (AV) ：在桥式整流电路中，二极管 VD1、 VD2和 VD3、VD4轮流 导电，则每个整流二极管的平均电流等于输出电流平均值的一半，即： ID (AV)=0.5 I o (AV) 由于输出电流： I o =300mA，则 ID (AV)=150mA 二极管最大反向峰值电压 URM ：每个整流管的最大反向峰值电压 U RM 是指整流管不导 电时，在它两端出现的最大反向电压。 选管时应选耐压值比这个数值高的管子， 以免被击穿， 则整流二级管承受的最大反向电压就是变压器二次电压的最大值，即： URM =1.1 2U 2 =1.1* 2 *20 31.11V

9、 选用 1B4B42,参数： VRRM =100600V, I o =1.0A(Ta=25 ) 。 a2.滤波电容 : I C为滤波电容放电电流，一般可取最大负载电流；VC为滤波电容上电压在平均值上下 的波动量 t 为电容放电时间，因用桥式整流，最大放电时间可取交流电源的半周期(10ms)； 本实验取 t=10ms I 0=300mA VC=5V C=I Ct/ VC=600F 选 择 耐 压 值 应 考 虑 电 网 电 压 最 高 ， 负 载 电 流 最 小 的 最 不 利 情 况 ， 即 UCmax=1.1 2U2=31.11V 选用耐压 50V，容量为 680 F电解电容。 a3.稳压管

10、及其限流电阻 R： 一般是由稳压器提供的稳定直流电压，其电压值由决定，其中n为取样电阻分压比。 选用 5-7V或内部具有温度补偿的稳压管； 为减小稳压管内阻及变化电流对稳压值的影响，稳压管工作电流应取大一些，一般为 10mA左右； 选 U Z =7V，故选 1N4736A, 参数： 6.8V I zz UR /37mA=8.2V/37mA=222 实际仿真取 2k a4.调整管： 是由工作在放大区的调整管构成的。因为输出电压稳定，要通过调整管的调节作用来 实现，输出的最大电流要由调整管的最大允许电流来决定。调整管的选择： 1 、最大集电极允许电流 I CM=1.5I omax=450mA 2、

11、集电极和发射级之间的最大允许反向电压 U(BR)CEO =U Imax=1.1 2U 2=31.11V 3、集电极最大耗散功率 PCM =(U Imax -U omin )Icmax =(1.1*1.2 2U 2-Uomin )*I cmax =(31.11-9)*0.45=9.95W 故选用 BCX38B,参数为： VCEO =60V, VEBO =10V, IC =800mA。 R2 +R3) a5. 采样电阻： U Omin =( R1+R2 +R3)* U Z /( UOmax =( R1+R2+R3)* U Z /R3 R1+R2 + R3 =2000 R1 =489 R2 =604

12、 R3 =907 故采样电阻选： R1 =490 R2 =604 R3 =909 a6. 理想运放： 选用理想运算放大器 :OPAMP_3T VIRTUL a7. 验算 RO: RO= UO / IO =( 14.912-14.91 )/ ( 74.548-49.701 )mA=0.080.1 a8. I. 所选器件的规格和型号： 名称 型号 器件参数 调整管 1B4B42 VRRM =100600V Io =1.0A Ta=25 电容 C1 普通 容值 680uF 耐压 35V 稳压管 1N4736A 稳压值 6.8V 电流 20mA 电阻 R=2k R1 =490 R2 =604 R 3

13、=909 负载 RL =300 运算放大器 OPAMP 3T VIRTUL 调整管 BCX38B VCEO =60V VEBO =10V IC =800mA 交流电源 U=20V f=50Hz b：三端稳压器、集成运放组成的稳压电路 b1. 电容的选择： C3 =600 FC1 =330nFC2 =100nF b2. 三端稳压器的选择 1)为了使输出的电压为正值，所以选 7800系列 2)由书上所给式子可知： UO =( 1+( R2 + R3 ) /( R1 + R2 ) ) *U O 其中 R2 是滑动变阻器的上半部分， R2 是滑动变阻器的下半部分， UO 为输出电压， U O 为三端稳

14、压器稳压后电压。 由于电路所输出电压为 915V，所以三端稳压器输出电压不能超过9V，故最终选择型 号为： LM7806KC。 b3. 确定采样电阻 UOmin =(1+ R3/( R1+ R2)*UO UOmax =(1+( R2+ R3)/ R1)*U O R1+R2 + R3 =2000 R1 =800 R2 =532 R3 =668 b4. 确定运算放大器 选用理想运算放大器 :3288RT. b5. 验算 RO RO= UO / U O =(15.012-15.01 )/(75.058-50.041 )mA =0.002/25.017 mA =0.08 0.1 故所选电路符合要求 b

15、6. II. 所选器件的规格和型号： 名称 型号 器件参数 电容 C2 普通 容值 100nF 电容 C3 普通 容值 600uF 耐压 35V 电容 C1 普通 容值 330nF 电阻 R=1.21K R1 =800 R2 =532 R3 =668 负载 RL =300 运算放大器 3288RT 交流电源 U=20V f=50Hz 八、仿真电路图 Multisim 仿真过程 方案(一)：调整管、集成运算放大器作为稳压电路 1. 仿真电路如下 ： 2. 仿真结果如下： a. 电源及电源经过整流滤波后的波形图 实验结果分析： 由整流滤波后的波形图变为一条准直线可以看出， 原来的交流电压 经过整流

16、桥的作用已经变为直流电压，只是整流滤波之后的直流电压波动较大。 b. 电源电压及经过桥式整流电容滤波后电压： 电源电压： 20V 经过整流滤波后电压： 26.358V 理论 UI =1.2 UO ，实际 UI =1.3 UO ，误差不是太大。 c. 无负载时输出电压及输出波形 此时的滑动变阻器接入电路部分为： 50% 实验结果分析： 输出波形已由最初的交流电压变为直流电压， 且比单纯的经过桥式整流 电容滤波出来的电流更平直，说明稳压电路起到了预期作用。 d. 无负载时输出电压随滑动变阻器的变化范围 10 实验结果分析：本实验设计要求输出直流电压UO =915V；实际测量电路输出电压 UO =8

17、.99114.99V ，说明本实验所设计电路基本满足实验要求，能达到预期效果。 e. 有负载时输出电压及输出波形： 负载电压： RL=300滑动变阻器接入电路部分为： 50% 实验结果分析： 通过有无负载时输出波形和电压的比较可以看出两者几乎无差别， 说明 电路带负载能力强，输出电压不会随负载的改变而改变。 f. 有负载时输出电压随滑动变阻器的变化范围 11 负载电压： RL =300 说明 实验结果分析： 通过有负载电压和无负载电压的比较可以看出， 输出电压无变化， 输出电阻较小，带负载能力较强。 附：负载为 300 时的输出最大电压电流： 负载为 200 时的输出最大电压电流： 用于计算输

18、出电阻 方案（二）：三端稳压器、集成运放组成的稳压电路 1. 所用仿真电路如下 ： 12 2. 仿真结果如下： a. 电源及电源经过整流滤波后的波形图:与方案（一）结果一样。 b. 原电源电压及经过桥式整流电容滤波后电压：与方案（一）结果相同。 c. 无负载时输出电压及输出波形： 此时的滑动变阻器接入电路部分为 50% 13 且比单纯的经过桥式整流 实验结果分析： 输出波形已由最初的交流电压变为直流电压， 电容滤波出来的电流更平直，说明稳压电路起到了预期作用。 d. 无负载时输出电压随滑动变阻器的变化范围： 实验结果分析：本实验设计要求输出直流电压UO =915V；实际测量电路输出电压 UO

19、=9.19314.799V ，说明本实验所设计电路基本满足实验要求，能达到预期效果。 e.有负载( R L =300)时输出电压及输出波形 : 滑动变阻器接入电路部分为： 50% 14 实验结果分析：通过有无负载时输出波形和电压的比较可以看出两者几乎无差别，说明 电路带负载能力强，输出电压不会随负载的改变而改变。 f. 有负载( RL =300)时输出电压随滑动变阻器的变化范围： 实验结果分析： 通过有负载电压和无负载电压的比较可以看出， 输出电压变化范围不大， 说明输出电阻较小，带负载能力较强。 附：负载为 300 时的输出最大电压电流： 负载为 200 时的输出最大电压电流： 用于计算输出

20、电阻。 15 九、实验室搭建电路 1. 实验原理及目的 实验通过变压器降压、 全桥整流、电解电容滤波、 三极管做稳压等环节将输入端市压 220V 最终以 12V的直流电压输出。 2. 实验室所用原件 名称 型号 参数 二极管（ 4个） 普通 变压器（ 1个） 普通 N1:N2=15:1 电解电容（ 1个） 普通 C=47mF 三极管（ 1个） 9013 调整管（ 1个） 3DD15 稳压器（ 1个） UZ=6V 电阻（ 3个） 普通 R=24K R1=R2=100 3实验室所用的实验原理图： 4. 实验最终搭建的实物电路： 十、提高和改进 使用本实验所设计的稳压电路时， 如果输出端过载甚至短路

21、， 将使通过调整管的电流急 剧增大， 假如电路中没有适当的保护措施， 可能使调整管造成损坏， 所以在实用的稳压电路 16 中通常加有必要的保护电路， 本试验分别采用限流型保护电路和截留型保护电路对原有电路 在性能上进行提高和改进。电流为调整管发射极。 I. 限流型稳压电路 : 本实验所采用的限流型保护电路如下图所示， 主要保护元件是串联在调整管发射极回路 中的检测电阻 R4 和保护三极管 VT2. 其中 R4的阻值很小，一般为 1左右。 1. 保护电路工作原理及所用电路： 稳压电路正常工作时， 负载电流 IL 不超过额定值， 电流在 R4 上的压降很小， 故三极管 VT2 截止，保护电路不起作

22、用，电路工作在正常稳压区。当负载电流超过某一临界值后，R4 上压降增大， 使 VT2导通， 将调整管 VT1的基极电流分流掉一部分， 于是限制了 VT1中电流 的增长，从而保护了调整管。 2. 电路的分析与调试 a. 负载阻值为正常值，测输出电流和流过调整管电流由于本电路设计对三极管参数要求严 格，为观察到实验现象，将 R4 阻值适当调大一些。 具体参数： R4 =10 , RL =300 所用测试电路： 1 ）负载阻值为正常值 300 ，测最大输出电流和输出电压，此时最大调整管和输出电流 如下图： 17 2) 当RL =50时，负载阻值较小，没接保护电路时，测最大调整管与输出电流： 3) 当RL =50时，负载阻值较小，接有保护电路时，测最大调整管与输出电流 实验结果分析： 当所取电阻变小时保护电路开始工作， 有一定的保护功能， 但变化较小。 II. 截流型稳压电路 : 限流型保护电路虽然能够限制过大的输入电流，