连续可调直流稳压电源设计 3(1)

1、 连续可调直流稳压电源设计组长：李唐林组员：胡雅楠，刘珊，占燕，金阿鹏，李文涛 设计任务A.设计制作一个学生实验用的设计制作一个学生实验用的“连续可调直流稳压电源连续可调直流稳压电源”B.主要技术指标与要求：主要技术指标与要求：a.a.输入电压在输入电压在220V220V10%10%时，输出电压从时，输出电压从5 512V12V可调可调( (且尽量且尽量向低端扩展向低端扩展) )，输出电流大于，输出电流大于0.5A0.5A；b.输出纹波电压小于输出纹波电压小于5mV5mV，稳压系数小于，稳压系数小于5 51010，输出内，输出内阻小于阻小于0.20.2欧；欧；c.c.主要调整元件由晶体管构成；

2、主要调整元件由晶体管构成；C.C.发挥部分：发挥部分：a.a.具有过流保护、过压保护功能：输出电流超过具有过流保护、过压保护功能：输出电流超过0.7A0.7A时电路时电路自动过流保护，输入交流电压超过自动过流保护，输入交流电压超过250V250V时电路自动过压保护；时电路自动过压保护； 备选方案设计v方案一：采用变压器、二极管、电阻、稳压管、三极管等采用变压器、二极管、电阻、稳压管、三极管等元器件。元器件。220V220V的市电经变压器变压后变成电压值较小的交流，的市电经变压器变压后变成电压值较小的交流，再经桥式整流电路和滤波电路形成直流，稳压部分采用串联型再经桥式整流电路和滤波电路形成直流，

3、稳压部分采用串联型稳压电路。比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数稳压电路。比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，所以其输出电压也可以调节可调，所以其输出电压也可以调节; ;同时，为了扩大输出大电同时，为了扩大输出大电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，就构成流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，就构成了具有放大环节的串联型稳压电路。整流电路采用了桥式整流了具有放大环节的串联型稳压电路。整流电路采用了桥式整流电路，元件是电路，元件是IN4007.IN4007.电容电容C1C1起到滤波作用，将直流中的交流起到滤波作用，将直流中的交流成分滤去，而成分滤去，而

4、C2C2可以防止复合调整管可以防止复合调整管T1T1，T2T2产生自激振荡，一产生自激振荡，一旦产生，电容将能将自激振荡信号旁路掉，同时兼滤波功能，旦产生，电容将能将自激振荡信号旁路掉，同时兼滤波功能，使电路工作稳定性提高。使电路工作稳定性提高。 方案一原理图方案一原理图 v方案二：方案二中的变压、整流和滤波电路与方案一方案二中的变压、整流和滤波电路与方案一相同，方案二在过压保护电路上增加了可调电阻，由单电相同，方案二在过压保护电路上增加了可调电阻，由单电阻限流改成了可调分压式过压保护。同时在滤波电路之后阻限流改成了可调分压式过压保护。同时在滤波电路之后增加了指示灯二极管增加了指示灯二极管D2

5、D2。将方案一中。将方案一中R6R6，D4D4，Q1Q1组成的限组成的限流式电路改为单个电阻流式电路改为单个电阻R6R6分流电路。将分流电路。将R7R7的一端从取样部的一端从取样部分改接到滤波之后输出电压的一端。分改接到滤波之后输出电压的一端。v 方案二原理图 两种方案的比较分析两种方案的比较分析v 方案二与方案一相比，增加了指示灯，使我们在调试时，可以方便检查电路是否焊接正确，将过压保护电路的单电阻限流改成了可调分压式过压保护，使稳压二极管选取更方便精确。由于方案一中R6，D4，Q1组成的限流式电路中稳压D4的稳压值为2.1V，在实物中很难找到此类稳压管，所以，我们不采用此限流式电路。v 所

6、以不采用此方案。因此，我们最终选择了方案二。 设计方案v总的设计方案说明：方案总的思路为直流稳压电源一般由直方案总的思路为直流稳压电源一般由直流电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下。流电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下。 直流稳压电源的概述直流稳压电源的概述vA定义：直流稳压电源是能为负载提供稳定直流电源的电子装置vB组成：电源变压器，整流，滤波和稳压电路等四部分组成。v 电源变压器提供最初的电源。v 整流电路的作用是将经过变压器降压以后的交流电压变为直流电压。常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式、和倍压整流电路。v 滤波电路用于滤去整流输惨电压中的纹

7、波，一般由电抗元件组成，已经由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。v 稳压电路的作用是当电网电压波动、负载、和温度变化时，维持输出直流电压稳定。 电路设计与器件选择v 功能模块一（变压器电路）：电源变压器电源变压器T T的作用是将电网的作用是将电网220V220V的交的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui ui v 变压器副边与原边的功率比为：变压器副边与原边的功率比为：P2/P1=P2/P1=。式中，。式中，变压器的效率变压器的效率v 一般整流滤波电路有一般整流滤波电路有2V2V以上的电压波动（设为以上的电压波动（设为UDUD）。调整管）。

8、调整管T1T1的管压降的管压降（UT1UT1）CECE应维持在应维持在3V3V以上，才能保证调整管以上，才能保证调整管T1T1工作在放大区。整流输出电工作在放大区。整流输出电压最大值为压最大值为12V12V，桥式整流输出电压是变压器次级电压的，桥式整流输出电压是变压器次级电压的1.21.2倍。倍。v 当电网电压下降当电网电压下降10%10%，变压器次级输出电压应能保证后续电路工作，那么电，变压器次级输出电压应能保证后续电路工作，那么电压器压器B1B1次级输出电压次级输出电压v （UBUB）ominomin（UDUD（UT1UT1）CECEUR4+UR4+（UOUO）MAXMAX）1.21.2v

9、 （UBUB）ominomin（2V2V3V+0.73V+0.71 112V12V）1.215V1.215Vv 则变压器则变压器B1B1次级额定电压为：次级额定电压为：v （UBUB）O O（UB1UB1）ominomin0.90.9v （UBUB）O O15V15V0.916.7V0.916.7Vv 当电网电压上升当电网电压上升+10%+10%，变压器的输出功率最大。这时稳压电源输出的，变压器的输出功率最大。这时稳压电源输出的最大电流（最大电流（IOIO）MAXMAX为为700mA700mA。此时变压器次级电压（。此时变压器次级电压（UBUB）OMAXOMAX为：为：v （UBUB）OMAX

10、OMAX（UB1UB1）O O1.11.1v （UBUB）OMAXOMAX16V16V1.118V1.118Vv 变压器变压器B1B1的设计功率为：的设计功率为：v PBPB（UBUB）OMAXOMAX（IOIO）MAXMAXv PB1PB118V18V700mA700mA12.6VA12.6VAv 为保证变压器留有一定的功率余量，确定变压器为保证变压器留有一定的功率余量，确定变压器B B的额定输出电压为的额定输出电压为17V17V，额定功率为，额定功率为13VA13VA。v功能模块二（整流电路）：其实桥式整流电路相当于理想其实桥式整流电路相当于理想二极管，即正偏时导通，电压降为零，相当于理想

11、开关闭合；反偏时二极管，即正偏时导通，电压降为零，相当于理想开关闭合；反偏时截止，电流为零，相当于理想开关断开。整流电路包括单向半波整流截止，电流为零，相当于理想开关断开。整流电路包括单向半波整流电路和桥式整流电路。半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流电路和桥式整流电路。半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大。因此，它只适用于要求不高的场合。为了效率低，输出电压脉动大。因此，它只适用于要求不高的场合。为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路。本次实验采用了单相桥克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路。本次实验采用了单相桥式整流滤波电路。这一部分主要由四个整流管式整

12、流滤波电路。这一部分主要由四个整流管D1D1D4D4组成，所以我们组成，所以我们只需要计算其中一个的参数。只需要计算其中一个的参数。v 整流管整流管D1D1的最大整流电流为：（的最大整流电流为：（ID1ID1）MAXMAX0.50.5IOIOv （ID1ID1）MAXMAX0.50.5700mA700mA0.35A0.35Av 考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（ID1ID1）MAXMAX为为0.4A0.4A。整流管整流管D1D1的耐压（的耐压（VD1VD1）RMRM即当市电上升即当市电上升1010时时D1D1两端的最大反向峰两端的最大反向峰

13、值电压为：（值电压为：（VD1VD1）RM2RM2（1+10%1+10%）UBIO=28VUBIO=28Vv 使用整流桥的原因：电源变压器在正负周期都有电流供给负载，电源使用整流桥的原因：电源变压器在正负周期都有电流供给负载，电源变压器得到充分的利用，且效率高。变压器得到充分的利用，且效率高。v功能模块三（滤波电路）：常用的整流滤波电路有全波整常用的整流滤波电路有全波整流滤波，桥式整流滤波，倍压整流滤波。此电路采用的是电容滤波电流滤波，桥式整流滤波，倍压整流滤波。此电路采用的是电容滤波电路，即在桥式整流电路输出端与负载之间并联一个大电容。原理如下：路，即在桥式整流电路输出端与负载之间并联一个大

14、电容。原理如下：在整流电路采用电容滤波后使二极管得到的时间缩短，由于电容在整流电路采用电容滤波后使二极管得到的时间缩短，由于电容C C充充电的瞬时电流较大，形成了浪涌电流，容易损坏二极管，故在选择二电的瞬时电流较大，形成了浪涌电流，容易损坏二极管，故在选择二极管时，必须留有足够的电流裕量，以免烧坏。极管时，必须留有足够的电流裕量，以免烧坏。v 滤波电容滤波电容C C满足：满足：RLC=(3RLC=(35)T/25)T/2式中式中T T为输入的交流信号周期；为输入的交流信号周期；RL1RL1为为整流滤波电路的等效负载电阻这里主要计算滤波电容的电容量整流滤波电路的等效负载电阻这里主要计算滤波电容的

15、电容量C1C1和其和其耐压耐压VC1VC1值。值。v 根据滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为（根据滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为（3 35 5）0.50.5T TR R，当取，当取5 5时，市电频率是时，市电频率是50Hz50Hz，则，则T T为为0.02S0.02S，R R为负载电为负载电阻阻v 当最不利的情况下，即输出电压为当最不利的情况下，即输出电压为12V12V，负载电流为，负载电流为700mA700mA时：时：v C1C15 50.50.5T T（UOUOIOIO）v C1C15 50.50.50.02S0.02S（12V12V0.7A0.7A）3000F3000

16、Fv 当市电上升当市电上升1010时整流电路输出的电压值最大，此时滤波电容承受的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：最大电压为：VC1VC1UBOMAXUBOMAX18V18Vv 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，这里可以选择择4700F4700F的铝质电解电容。耐压可选择的铝质电解电容。耐压可选择25V25V以上。以上。v 这样大允许集电极耗散功率（这样大允许集电极耗散功率（PT1PT1）CMCM为：为：v （PT1PT1）CMCM（UBOMAXUBOMAXUOMINUOMIN）（IT1IT1）

17、CMCMv （PT1PT1）CMCM（18V-5V18V-5V）800mA800mA10.4W10.4Wv功能模块四（调整放大电路）：调整部分主要是计算调调整部分主要是计算调整管整管T1T1和和T2T2的集电极发射极反向击穿电压（的集电极发射极反向击穿电压（BVT1BVT1）CEOCEO，最大允许，最大允许集电极电流（集电极电流（IT1IT1）CMCM，最大允许集电极耗散功率（，最大允许集电极耗散功率（PT1PT1）CMCM。在最不。在最不利的情况下，市电上升利的情况下，市电上升1010，同时负载断路，整流滤波后的输出电压，同时负载断路，整流滤波后的输出电压全部加到调整管全部加到调整管T1T1

18、上，这时调整管上，这时调整管T1T1的集电极发射极反向击穿电压的集电极发射极反向击穿电压（BVT1BVT1）CEOCEO为：为：BVT1BVT1）CEOCEO（UB1UB1）OMAXOMAX18V18V，考虑到留有一定余，考虑到留有一定余量，可取（量，可取（BVT1BVT1）CEOCEO为为25V25V。v 当负载电流最大时最大允许集电极电流（当负载电流最大时最大允许集电极电流（IT1IT1）CMCM为：为：v （IT1IT1）CMCMIOIO700mA 700mA 考虑到放大取样电路需要消耗少量电流，同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（时留有一定余量，可取（IT1I

19、T1）CMCM为为800mA800mA。v 这样大允许集电极耗散功率（这样大允许集电极耗散功率（PT1PT1）CMCM为：为：v （PT1PT1）CMCM（UBOMAXUBOMAXUOMINUOMIN）（）（IT1IT1）CMCMv （PT1PT1）CMCM（18V-5V18V-5V）800mA800mA10.4W10.4Wv 考虑到留有一定余量，可取（考虑到留有一定余量，可取（PT1PT1）CMCM为为12W12W。v 选择调整管选择调整管T1T1时需要注意其放大倍数时需要注意其放大倍数4040。v 调整管调整管T2T2各项参数的计算原则与各项参数的计算原则与T1T1类似，下面给出各项参数的

20、计算过类似，下面给出各项参数的计算过程。程。v （BVT2BVT2）CEOCEO（BVT1BVT1）CEOCEO（UB1UB1）OMAXOMAX18V18Vv 同样考虑到留有一定余量，取（同样考虑到留有一定余量，取（BVT2BVT2）CEOCEO为为20V20V。v （IT2IT2）CMCM（IT1IT1）CMCMT1T1v （IT2IT2）CMCM700mA700mA4018mA4018mAv （PT2PT2）CMCM（UB1UB1）OMAXOMAXUOMINUOMIN）（IT2IT2）CMCMv （PT2PT2）CMCM（18V18V5V5V）15mA0.2W15mA0.2Wv 在选取原件

21、时考虑到一定的余量，我们选择时尽量高于计算值。选择在选取原件时考虑到一定的余量，我们选择时尽量高于计算值。选择调整管调整管T2T2时需要注意其放大倍数时需要注意其放大倍数8080。则此时。则此时T2T2所需要的基极驱动所需要的基极驱动电流为：电流为：v （IT2IT2）MAXMAX（IT2IT2）CMCMT1T118mA18mA80800.225mA0.225mAv 功能模块五（取样部分）：取样部分主要由电阻取样部分主要由电阻R1R1、RV1RV1、R2R2组成。组成。 v 由于取样电路同时接入由于取样电路同时接入T3T3的基极，为避免的基极，为避免T3T3基极电流基极电流IT3BIT3B对取

22、样电路对取样电路分压比产生影响，需要让分压比产生影响，需要让IT3BIT3BIR1IR1。v 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IR1IR1大于调整管大于调整管T1T1的最小工作电流（的最小工作电流（IT1IT1）CEMINCEMIN。由于。由于3DD155A3DD155A最小工作最小工作电流（电流（IT1IT1）CEMINCEMIN为为1mA1mA，因此取，因此取IR3MINIR3MIN5mA5mA。则可得：。则可得：R1R1RV1RV1R2R2UOMINUOMINIR1MINIR1MINv R1R1RV1RV1R

23、2R25V5V5mA5mA1K1Kv 由由UZ1+UBE3=(RW+R2)/(R1UZ1+UBE3=(RW+R2)/(R1RV1RV1R2) R2) 可以推出可以推出v U0= (R1U0= (R1RV1RV1R2)(UZ1+UBE3)/(RW+R2)R2)(UZ1+UBE3)/(RW+R2)v 这里我们选择的这里我们选择的D1D1稳压二极管的稳定电压是稳压二极管的稳定电压是2.4V2.4V，v R2=130 R1=60 RV1=3R2=130 R1=60 RV1=3v功能模块六（放大部分）：T3T3和和Q1Q1、D4D4、R6R6、R3R3组组成放大电路）由于这部分电路的电流比较小，主要考虑

24、成放大电路）由于这部分电路的电流比较小，主要考虑T3T3的放大倍数的放大倍数和集电极发射极反向击穿电压（和集电极发射极反向击穿电压（BVT1BVT1）CECEv 这里需要这里需要T3T3工作在放大区，可通过控制工作在放大区，可通过控制T3T3的集电极电流（的集电极电流（IT3IT3）C C来达来达到。到。v 而（而（IT3IT3）C C是由是由T3T3和和Q1Q1、D4D4、R6R6、R3R3组成的恒流源负载来控制的，并组成的恒流源负载来控制的，并且有：且有：v IQ1E= IQ1E= （IT3IT3）C C（IT2IT2）B Bv 一方面，为保证一方面，为保证T1T1能够满足负载电流的要求，

25、要求满足能够满足负载电流的要求，要求满足IQ1E IQ1E （IT2IT2）B B；另一方面，为保证；另一方面，为保证T3T3稳定工作在放大区，以保证电源的稳定度，稳定工作在放大区，以保证电源的稳定度，其集电极电流（其集电极电流（IT3IT3）C C不能太大。这里可以选不能太大。这里可以选IQ1EIQ1E为为1mA1mA，当输出电，当输出电压最小时压最小时: :v IQ1E IQ1C 1mAIQ1E IQ1C 1mAv R6=UBO/ IQ1C 20KR6=UBO/ IQ1C 20Kv 这里的稳压管这里的稳压管D4D4的管压降是的管压降是10V,10V,v 所以所以R3=(UB0-UZ4)/I

26、Z-IQ1BR3=(UB0-UZ4)/IZ-IQ1B 整机电路v 整机电路图（非仿真图）整机电路图（非仿真图）v 元件清单 电路仿真 v 在此课程设计中，我们组采用了在此课程设计中，我们组采用了proteus7.8proteus7.8软件软件v 仿真电路图如下仿真电路图如下v 仿真结果（附图）仿真结果（附图） v v 仿真输出最少值仿真输出最少值 仿真输出最少时纹波电压仿真输出最少时纹波电压v 仿真输出最大值仿真输出最大值 仿真输出最大时纹波电压仿真输出最大时纹波电压 安装调试与性能测量v电路安装v 工具：电烙铁、镊子、钳子、万用表、砂布、松香、支架工具：电烙铁、镊子、钳子、万用表、砂布、松香

27、、支架台。台。v 首先，用砂布将万用板上的氧化剂去除，同时将各元件引首先，用砂布将万用板上的氧化剂去除，同时将各元件引脚上的氧化剂去掉。其次，用万用表测试好每一个电阻的脚上的氧化剂去掉。其次，用万用表测试好每一个电阻的阻值，将其标好值。再次，搜所相关信息，辨别好三极管，阻值，将其标好值。再次，搜所相关信息，辨别好三极管，达林顿管各引脚所代表的极。最后，按照原理图，用电烙达林顿管各引脚所代表的极。最后，按照原理图，用电烙铁将每一个元件正确焊接好。在焊接过程中，要注意电烙铁将每一个元件正确焊接好。在焊接过程中，要注意电烙铁的温度不要太高，以免烧坏铜片，使其剥落，一般温度铁的温度不要太高，以免烧坏铜

28、片，使其剥落，一般温度控制在控制在270270度左右。焊接过程中，使用松香，作为助焊剂。度左右。焊接过程中，使用松香，作为助焊剂。在焊元件时，要注意元件的正负引脚，根据不同元件耐热在焊元件时，要注意元件的正负引脚，根据不同元件耐热性能尽量减少焊接时间。焊接完毕后用万用表检查是否断性能尽量减少焊接时间。焊接完毕后用万用表检查是否断路和短路。路和短路。v 电路调试：调试步骤及测量数据调试步骤及测量数据 v调试工具：万用表，变压器，示波器。调试工具：万用表，变压器，示波器。v 依照原理图，用万用表红色二极管档检测元件是否有虚焊，漏焊的地依照原理图，用万用表红色二极管档检测元件是否有虚焊，漏焊的地方。

29、方。v 检查有正负极性的元件，焊接时是否焊反。若无错误，则进行下一步。检查有正负极性的元件，焊接时是否焊反。若无错误，则进行下一步。v 进行通电测试，首先是用手将变压器的输出线与输入端接触，以防元进行通电测试，首先是用手将变压器的输出线与输入端接触，以防元件焊反，烧坏元件，同时要注意不要将变压器输出两端的线短接到一起。件焊反，烧坏元件，同时要注意不要将变压器输出两端的线短接到一起。v 若没有出现烧元件现象，则将其接触好。调节电位器若没有出现烧元件现象，则将其接触好。调节电位器2 2，看其输出电压，看其输出电压的变化范围，再调节电位器的变化范围，再调节电位器1 1，看其是否能起到过压保护作用。若能，则，看其是否能起到过压保护作用。若能，则输出电压为输出电压为0.0.v 在以上步骤都正确下，先进行不带负载情况下，用示波器测试其输出在以上步骤都正确下，先进行不带负载情况下，用示波器测试其输出纹波电压。纹波电压。v 再在其输出端并联一个再在其输出端并联一个2020欧姆的负载，测试其输出的纹波电压。欧姆的负载，测试其输出的纹波电压。v 在测试过程中，记录好输出电压数据，纹波电压数据。在测试过程中，记录好输出电压数据，纹波电压数据。v 根据所得数据，算出输出内阻。根据所得数据，算出输出内阻。v 故障分析及处理 ：我自己的电路在调试过程中