串联型直流稳压电源课程方案

1、电子项目系课程设计专业名称：课程名称:模拟电子技术课程设计 课题名称:串联型直流稳压电源设计 设计人员：指导教师：20186月7日串联型直流稳压电源课程设计任务书、课题名称：串联型直流稳压电源二、技术指标：稳压系数Sv输出电阻r0温度系数ST纹波电压U0r及纹波系数Sv纹波电压SW 5 mV三、要求：输出电压Uo可调：612V输出额定电流：lo=500mA电压调整率Ku < 0.5电源内阻Rs<0.1纹波电压S< 5 mV过载电流保护：输出电流为600mA,限流保护电路工作指导教师：学生：电子项目系2018年6月7日课题名称：课程设计报告书评阅页串联型直流稳压电源设计班级：姓

2、名：2018年6月7日指导教师评语：考核成绩：指导教师签名：2018年月曰摘要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

3、两类， 它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。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。本项目训练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。直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压 四个主要部分构成。本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可 调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了全波 整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有 放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度， 提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的

4、工 作。关键字 ：串联稳压 ,直流,可调电源， DXP 软件， PCB 板,目录一串联直流型稳压电源整体简介 61.1 制作串联型稳压电源的目的要求 61.2 基本知识介绍 6二分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与计算 122.1 串稳压电路原理 122.2 实验设计原理图 122.3 电路整体结构的设计与各部分相关参数的计算 132.4 电路选择 14三 PCB 板的制作与元器件的安装 233.1PCB板的制作流程介绍233.2打印PCB图，热转印，腐蚀，钻孔，完成 PCB板的制作。233.3 安装元器件 23四调试分析与性能测试 24五心得体会 25六元件清单 26一串联型直流稳压电源整体

5、简介1.1 制作串联型稳压电源的目的要求一、基本目的此次项目训练选择使用分立式元器件构成串联反馈型直流稳压电源。学生通过 实训了解相关分立式元器件的基本结构、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的工作原理、原理图的设计和参数的计算、元器件的 选用、计算机软件实现硬件的仿真、 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标准产品。二、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 、以本项目训练为实例先学习 Altium Designer 基本知识，并运用其绘制电源sch原理图和PCB图

6、；3 、学习 Proteus 知识，对本电源电路进行仿真，最终确定 sch 和 pcb图；4 、掌握电子电路板制作的全过程，实现电源的制作；5 、测量电源相关各项技术指标，完成系统调试。1.2 基本知识介绍一、电源变压器知识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 U: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。对GS变压器来说，U= 230V;对BS变压器来说，U=240V。4空载电流 I :是指电源变压器的初级接上额定输入电压 U 而次

7、级不带 负载即开路）时，流过初级的电流。I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 I也可能不同。5空载电压U:是指变压器初级接受上额定输入电压U次级不带负载 即开路）时，次级两端的电压。U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 U也可能不同。6负载电流I :是指变压器初级接上额定输入电压 U,次级接上额定负载 时，流过负载的电流。7负载电压U:是指变压器初级接上额定输入电压 U,次级接上额定负载 时，负载两端的电压。8.定输出功率P:是指变压器在额定输入电压 U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，P越

8、大，变压器的尺寸越大；P相同，即使输出电压 U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P=U*I可知若输出功率P 一定，若输出电压U越高，则输出电流I 越低。举例来说，一个输出功率 P=10VA的变压器，若输出电压 U=24V则输出 电流 I= P/U=10VA/24V = 0.416A ; 若 U=12V 则输出电流 I=0.833A。电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压 u2较小。变压器副边与原边的功率比为 P2/ P1= n ,式中n是变压器的效率副边功率P/vA1010-3030-8080-200效率n0.60.70.80.85对于本

9、次项目训练对电源变压器的要求主要为次级空载电压大小，额定输出功 率，变压器的额定容量，所以在本次项目训练中选择的是小型单相式变压器， 有四组输出线分别为7V、10V、17V、10V。可根据具体功率及计算要求选择、整流电路1、半波整流电路由以上图可知，半波整流电路的利用率低，一般不采用。因为变压器副线圈的接线较复杂，在实际中叶一般不采用。电路工作原理：利用二极管正向导通反向截止的工作原理，当U2为正半周时 二极管D1、D3导通,D2D4截止当U2为负半周时二极管 D2、D4导通,D1、D3 截止。而流过负载的电流的方向是一致的，在负载形成单方向的全波脉动电压。 从而实现将交流的电压变为直流电压主

10、要参数：Uo=0.9*Ui脉动系数:S=0.67 选管原则：If > 1/2loUr >1.414U2结构简单性能优越，绝大多数整流电路采用桥式整流电路，所以本次项目训练采用桥式整流。、滤波电路滤波电路主要有：电容滤波、RC-n型滤波、LV-n型滤波、L滤波，LC滤LC波，其中LC滤波电路在负载电流较大或较小时，均有较佳的滤波特性，故滤波对负载的适应性最强，整流管的冲击电流小，特别适用在电流变化较大的场合，所以本电路采用LC滤波电路，LC滤波波形（a）电路（b）uo的波形电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来， 以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当

11、电源提供的电流增大由电源电压增加引起）时，电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释 放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用，再并上一个电容，利用电容的充放电作用，使得负载电流较大时或较小时均有较佳的滤波能力主要参数:LC滤波电路的直流输出电压，如忽略电感上的压降，则输出直流电压等于全 波整流的输出电压,则有 Uo=0.9U2四、串联型稳压电路稳压电路：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。稳压电路的主要指标：1 .稳压电路的主要指标稳压系数 Sr和稳压电路的输出电阻稳压系数Sr:稳压系数是在有负

12、载固定不变的前提下，输出电压的相对变 化量 Uo/Uo与稳压电路输入电压相对变化量 Ui/Ui之比，即：该指标反映了电网波动对输出电压的影响。此外稳压电路输入电压Usc就是整流滤波以后的直流电压。2稳压电路的输出电阻输出电阻可以衡量稳压电路受载电阻的影响程度 , 即：除了上述两个指标外 有时还用其它指标：电压调整率，指当电网电压<u2）变化10%寸，输出电压的 相对变化量；电流调整率，指当输出电流 Io 从零到最大时，输出电压的相对变 化；最大波纹电压，反映在输出端存在的HZ或者100Hz交流分量，通常以有效值或峰峰值表示；温度系数，指电网电压和负载都不变时，因为温度变化面 引起的输出电

13、压漂移等。 直流稳压电路的类型很多，有：硅稳压管稳压电 路、串联某型稳压电路、集成稳压电路，开关稳夺电路，其中集成稳压电路相 对于其它类型的稳夺电路来讲具有体积小、稳定性高、输出电阻小、温度性能 好、使用方便、外围元件少等优点，在实际应用中得到广泛应用。集成稳压器 有两种：输出固定电压和可调输出电压的稳压块。1.3 主要元器件简介一、三极管：<1）、9013 NPN 低频放大 40V 50V 0.5A 0.625W 150MHZ hFE： 1001000 （放大倍数分段可选<2）、9012 PNP 50V 500mA 600mW氐频管放大倍数 30-90<3）、大功率三极管

14、2SC2563 NPN 通用参数： 8.0A/120V二、常用整流二极管参数IN5399 耐压 1000V1.5A1N4007 硅整流二极管 1000V, 1A, 1N4735A 1W 6.2V 稳压管 1N4727A 1W 3V 稳压管-丄三、芯片1 、数显部分芯片： ICL7107（31/2 位双积分型 A/D 转换器， >主要参数：电 源电压 ICL7107 V+ to GND 6V温度范围0 °c to 70 CICL7107 V- to GND -9V热电阻 PDIP 封装 qJA（ c /W> 50MQFP寸装80模拟输入电压 V+ to V- 最大结温150

15、 °C参考输入电压 V+ to V-最高储存温度范围-65 C to 150 C时钟输入 GND to V+2、7805芯片输出5V电压具体参数见集成电路查询网四、电磁继电器 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在 线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效 应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带 动衔铁的动触点与静触点 常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也 随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的 静触点 常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、 切断的目的。对

16、于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器 线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的 静触点称为“常闭触点”。二分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与计算2.1 串稳压电路原理当电网电压降低或负载电阻减小而使输出端电压有所降低时，其取样电压UB2相应减小， T2 基极电位降低。但因 T2 发射极电位既稳压管的稳定 Uz 保持不 变，所以发射极电压 UBE2减小，导致T2集电极电流减小而集电极电位 Uc2升 高，因为放大管 T2 的集电极与调整管 T1 的基极接在一起，故 T1 基极电位升 高，导致集电极电流增大而管压降 UCE1减小。因为T1与RL串联，所以，

17、输出 电压 Uo 基本不变。同理，当电网电压或负载发生变化引起输出电压 Uo增大时，通过取样、比 较放大、调整等过程，将使调整管的管压降 UCE1增加，结果抑制了输出端电压 的增大，输出电压仍基本保持不变。调节电位器Rp,可对输出电压进行微调。从图可见，调整管 T1与负载电阻RL 组成的是射极输出电路，所以具有稳定输出电压的特点。在串联型稳压电源电路的工作过程中，要求调整管始终处在放大状况。通过调整管的电流等于负载电流，因此必须选用适当的大功率管作调整管，并按规定 安装散热装置。为了防止短路或长期过载烧坏调整管，在直流稳压器中一般还 设有短路保护和过载保护等电路。2.2实验设计原理图2.3电路

18、整体结构的设计与各部分相关参数的计算直流稳压电源电路可分为以下几个模块：变压器V220V50HZ 一整流一滤波一稳压电路 反馈调整、取样电路)- 稳定直流一、整流电路1、整流输出电压平均值：U)U 0= 1/2 P / 0 P Uod(wt=0.9U2、脉动系数SS 定义为：整流输出电压的基波峰值 Um与平均值U的比值。所以，经计算知S=2/30.67二、滤波电路RLC愈大一电容放电越慢-Uo越大一般取近似估算：U0=1.2U2三、稳压输出电路部分相关参数的计算 可分析得知该电路具有稳压功能。对应原理图看有(一个档位>：UQ5=<R1+R4 U0/(R1+R4+R8>所以，

19、输出最小：Uo=(R1+R4+R8> UW(R4+R8>负载上的平均电流：I l=0.9UJRl 2输出最大：Uo= (R1+R4+R8> U Q5/R52.4电路选择根据所给的电路性能指标，初选直流稳压电源设计原理图如下：TI图4-3-1：關黠电騒廠阀頤懑变压部分这一部分主要计算变压器B1次级输出电压<LBi) o和变压器的功率PBi。一般整流滤波电路有 2V以上的电压波动 < 设为AID)。调整管T1的管压降 <Uri) 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15V。根据第二章常用整流滤波电路计算表可知，桥式整流输

20、出电 压是变压器次级电压的1.2倍。当电网电压下降一10%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VUBl) OMIN应该是：<UBi) omin= < UD+ <Uri) ce+ <UO) maX 宁 1.2<UB1) OMIN= <2V+ 3V+ 15V)十 1.2 = 20V- 1.2 = 16.67V则变压器 B1 次级额定电压为：<U31) O <U31) OMIN- 0.9<UB1)尸 16.67V - 0.9 = 18.5V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

21、源输出的最大电流<Io) max为500mA此时变压器次级电压 <也)omax为： <1)OMA <1) oX 1.1<UB1) OMA 18.5V X 1.1 = 20.35V变压器 B1 的设计功率为：Pb1= <Ub1) OMAXx <I O) MAxPb1 = 20.35V X 500mA= 10.2VA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 18.5V，额定功率为12VA实际购买零件时如果没有输出电压为18.5V的变压器可以选用输出电压为18V或以上的变压器。当选用较高输出电压的变压器时，后面各部分电路的参数需要重

22、新计算，以免因为电压过高造成元件损坏。 整流部分这一部分主要计算整流管的最大电流 <1 D1)MAX和耐压<V)1)RM。因为四个 整流管D1D4参数相同，所以只需要计算 D1的参数。根据第二章常用整流滤波电路计算表可知，整流管 D1 的最大整流 电流为：<I D1)MAX= 0.5XIO<1D1)max= 0.5 X 500mA= 0.25A考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流 <Id1)MA)为0.3A。 整流管D1的耐压vVD1)rm即当市电上升10%时D1两端的最大反向峰值 电压为：<VD1) rQ 1.414 X <UB1) OMA&g

23、t; 1.414X 1.1 X<UB1) OQ1.555X<UB1) O<VD1) RMQ1.555X18.5VQ29V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IN4001作为整流二极管。滤波部分这里主要计算滤波电容的电容量 C1和其耐压Vci值。根据根据第二章滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为<35)X 0.5 X T十R, 般系数取5,因为市电频率是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 15V,负载电流为500mA寸：C1= 5 X 0.5 X T* <UO*

24、I o)C1= 5X 0.5 X 0.02S* <15V 0.5A) 1666 卩 F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：Vci= <UBi) OMA 20.35V 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2200卩F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。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 <BVl) CEO最大允许集电极电流<I T1) CM,最大允许集电极耗散功率<PTl

25、) 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 <BV" ceo为：<BVT1) CEO= <UB1) OMA=X 20.35V考虑到留有一定余量，可取<BV1)CEO为25V。当负载电流最大时最大允许集电极电流 <I T1)CM为：<I T1) CM= I O= 500mA 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 <1 巧)cm为 600mA这样大允许集电极耗散功率<PT1)CM为:<PT1) CMI= &l

26、t;<UB1) OMAX UOMIN) X <I T1)CM<PTi) c尸 <20.35V-6V)X 600m* 8.61W考虑到留有一定余量，可取vFTi) cm为10W查询晶体管参数手册后选择3DD155A作为调整管T1。该管参数为：Pc尸20W Icm= 1A, BMeo> 50V,完全可以满足要求。如果实在无法找到 3DD155A也可以考虑用 3DD15A代替，该管参数为：PC心50W I c心5A, BCeo> 60V。选择调整管T1时需要注意其放大倍数B > 40。调整管 T2 各项参数的计算原则与 T1 类似，下面给出各项参数 的计算过

27、程。VBV2) CEO= <BVl) CEO= <UBi) OMA> 20.35V同样考虑到留有一定余量，取<BV2)CEO为25Vo<I T2) CM <I Tl) CMT B T1<1 t2)cm= 600mAr 40= 15mA<PT2) CM= <<UB1) OMAX UOMIN) X <I T2) CM<PT2) CM=<20.35V6V)X15mA=0.21525W考虑到留有一定余量，可取<Pt2)cm为250mW查询晶体管参数手册后选择3GD6D乍为调整管T2。该管参数为： Pcm= 500mW

28、Icm= 20mA BVCeo> 30V,完全可以满足要求。还可以采用9014作为调整管T2,该管参数为：PCm= 450mWIc= 100mA BVe>45V,也可以满足要 求。选择调整管T2时需要注意其放大倍数B >80o则此时T2所需要的基极驱动电流为：<1 T2) MA= <1 T2)CMT B T1 = 15mAr 80= 0.1875mA 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3V的2CW51该型稳压管的最大工作电流为71mA最

29、大功耗为250mW/为保证稳定度,稳压管的工作电流ID5应该尽量 选择大一些。而其工作电流I D5= <1 T3)CE+ I R2,因为<It3)CE在工作中是变化值，为保证稳定度取I R2>> <I T3) CE,则I D5 I R2o这里初步确定Ir2min= 8mA贝U R2为：R2= <UOmin UD5) 宁 I R2MINR2= <6V 3V)* 8mA= 375 Q实际选择时可取R2为390 Q当输出电压UO最咼时，I R2MAX为：I R2MA尸 UOMA*X R2I r2ma尸 15V* 390心 38.46mA这时的电流I R2MA

30、X小于稳压管D5的最大工作电流，可见选择的稳压 管能够安全工作。取样部分取样部分主要计算取样电阻 R3 R4 R5的阻值。输出电压：Ub3MAX=<R知 R5)* <R3+ R4+ R5)X UOU omin =<R3 R4+ R5)* <R4+ R5)X Ub3MAXUb3MIN = R5* <R3+ R4+ R5)X UOUoMAX=<R3+ R4+ R5)* R5 X U b3MIN其中 Ub3 = UD5+ <UT3) BE即可根据电阻的取值求出 Uo 的范围电路同时接入 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

31、让It3B>> IR30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大于调整管T1的最小工作电流v|T1)cemin=因为3DD155A最小工 作电流<I T1)CEMIt为1mA因此取 I R3MIN= 10mA则可得：V1)当输出电压的档位为 38V时，UD5 =2V变压器 B1 次级输出电压即 UIMIN 应该是：U IMIN = <UD5+ <UT3) BE + UoMAX)* 1.2=<2V+3V+8V)* 1.2=10VR3+ R4+ R5= UOmin* I R3MINR3+ R4+ R5= 3V* 10m岸 300 Q当输

32、出电压UO= 3V时：CDs+ <UT3) be= <R4+ R5)* <R3+ R4+ R5)X Ub<R4+ R5) <UD5+ <UT3) be)X vR3+ R4+ R5)* Ub<R4+ R5 <2V+ 0.7V) X 300Q * 3V 270Q当输出电压UO 8V时：UD5+ <UT3)BE R5* <R3+ R4+ R5)X UbR5 <UD5+ < UT3) BE) X <R3+ R4+ R5)* UbR5 <2V+ 0.7V)X 300Q * 8V 100Q实际选择时可取R5为470Q。R3

33、为430Q。但实际选择时可取 R3 为 220 Q 0(2>当输出电压的档位为815V时，UD5 =6.2V变压器 B1 次级输出电压即 UIMIN 应该是：UIMIN = <UD5+ <UT3)BE + U bMAX) * 1.2=<2V+3V+15V)* 1.2=17V同理可计算出 R3=120Q， R5=240Q 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0因为这部分电路的电流比较小，主要考虑T3的放大倍数B和集电极一发射极反向击穿电压 <BVT1)CEb0这里需要 T3 工作在放大区，可通过控制 T3 的集电极电流 <It3

34、)c来达到。而<1丁3)c是由限流电阻R1控制，并且有：I R1 <I T3)C+ <I T2)B一方面，为保证 T1 能够满足负载电流的要求，要求满足 I R1> <1 T2)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<1丁3)C不能太大。这里可以选IR1为1mA当输出电压最小时，贝U R1为：R1 <<UB1) b Ub < UT1) BE<UT2) BE)* I R1R1= <15V 6V 0.7V 0.7V) - 1m* 7.6K Q实际选择时可取R1为7.5 K Q。当输出电压最大时

35、，I R1为：I R1= <<UBl) O一 Lb一 <UTl) BE一 <UT2) be)* R1Iri= <15V- 6V- 0.7V 0.7V)* 7.5 K Q 1.013mA可见当输出电压最大时Iri上升幅度仅1%,对T3工作点影 响不大，可满足要求。因为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。通过前面的计算，已经得到了所有元件的参数。可以将这些 参数标注到图4 3 1中，这样就得到完整的串联负反馈稳压电源电路图，见 图4 3 2。这里计算的其实都还只是初步的参数，实际组装完毕后应该仔细 测量电源的各项指标是否符合要求，各部分元件工作是否正常。如果发现问 题，应该根据实际情况作出调整。根据调整的结果来修正原理图