串联型直流稳压电源设计.docx
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串联型直流稳压电源设计
摘要
直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压为正负三伏与九伏。
关键词：
直流；稳压；变压
1.绪论
1.1.设计目的及意义
本次设计的串联型直流稳压电源具有较高的实用价值。
通过本次设计让我充分理解了串联型直流稳压电源的工作原理，了解其工作特点以及目前市面上一些直流稳定电源存在的一些缺陷。
通过设计尽量去完善直流稳压电源系统。
使得这个电源在使用的时候尽量便捷，尽量直观。
在一系列的设计过后能够使自己初步形成工程设计的基本思想和一般设计方法。
此外通过本次设计让我学到了一些东西：
较熟练的掌握了电子线路仿真软件（Multisim）的使用。
1.2.设计的任务及要求
要求完成的主要任务：
要求：
设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的串联型直流稳压电源。
指标：
1、输出电压+6V、+9V两档，同时具备正负极性输出；
2、输出电流：
额定电流为150mA，最大电流为500mA；
3、在最大输出电流的时候纹波电压峰值Vop-p≤5mv
2.设计方案
2.1.直流稳压电源电路设计
2.1.1.采用三端集成稳压器电路
该电路采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。
2.1.2.用单片机制作的可调直流稳压电源
该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的外围参数，并加上软启动电路，获得0～24V，0.1V步长，驱动能力可达1A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。
其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分。
2.1.3.晶体管串联式直流稳压电路
该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值（稳压值）。
因输出电压要求从0V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0V开始调节。
该方案有过载自保护性能，输出断路时调整管不会损坏，在负载变化小时，稳压性能比较好且对瞬时变化的适应性较好。
故选择此方案。
2.2.最终决定的直流稳压电源电路设计方案
整体电路的框架如下图所示，先有220V-15V的变压器对其进行变压，变压后再对其进行整流，整流后是高低频的滤波电路，最后是由采样电路、比较放大电路和基准电路三个小的单元电路组成的稳压电路，稳压后为了进一步得到更加稳定的电压，在稳压电路后再对其进行小小的率波，最后得到正负输出的稳压电源。
图2.2
3.电路设计
3.1直流稳压电源组成：
电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。
如图3.1.1所示：
1．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，一般次级电压较小。
2．整流电路：
将变压器次级交流电压变成单向的直流电压，它包含直流成份和许多谐波分量。
3．滤波电路：
滤除脉动电压中的谐波分量，输出比较平滑的直流电压。
该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化。
4．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。
图3.1.1串联型直流稳压电源原理框图
3.2直流稳压电源方案的确定
根据设计的要求，电路分为四个模块，每个模块的选择如下：
3.2.1电源变压器
要求输入电压VI比输出电压VO高2~3V，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。
3.2.2整流电路
整流是稳压电源的一个重要组成部分，它的主要作用是进行波形变换即将交流信号变成直流信号。
（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=U2msinωt=
U2sinωt，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/π=
≈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γ来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即
（2）
式中，ULγ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，γ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=U2msinωt=
U2sinωt，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/π=
U2≈0.9U2（6）
U
U
图3-2-5全波整流电路波形图
其纹波系数γ为：
（7）
式中，ULγ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γ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
整流部分整流出来的直流含有大量的纹波。
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
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，
4.5总体电路
4.1.5电路总图
5.电路仿真及数据分析
5.1电路仿真
图5.1.1仿真图
调节可变电阻，可以得到课程设计所要求输出的6V和9V的电压，仿真数据下：
5.1.2模拟输出图
电路输出直流电的波形图如下图5.4，电压的直流电波形为标准的直线，达到设计的要求而实际测量时也是这样，输出波形基本为一条直线。
纹波电压在2.5mV左右，比要求的5mV要低，而实际测量时，纹波的电压只有0.9mV，远远低于所要求的5mV，如图5.5，所以符合要求。
图5.1.3输出波形图5.1.4纹波波形
5.2数据整理及最终分析
5.2.1.稳压模块的数据结果
稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下：
a．输出电压为8.923V，-8.919V，5.973V,-5.967V
b．电压调整率为0.177%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）
c．纹波电压（峰-峰值）2.5mV
d.最大输出电流为500mV
5.2.2.整体分析
由以上数据可知，本次设计基本成功，但在细节处与要求有一定得偏差，分析原因主要在于，一些元件的参数与计算值有一定得偏差，且温度等外部因素也对结果产生一定影响。
6.稳定直流稳压源的制作
制作直流稳压源使用的元件比较多，在采购时，有的元件无法买到，只能用相近的元件替代，并且电路的焊接比较花费时间，在焊接的过程中，电烙铁在电路板上停留时间太长，焊盘容易焊坏。
7.总结
本课程设计运用了模拟电路的基本知识，通过变压，整流，滤波、稳压等步骤，输出理论可变范围为5.772V-9.622V而实际可调范围为5.78V-10.45V的正负直流稳压电源。
总结如下：
优点：
该电路设计简单。
输出电压稳定，纹波值小，而且使用的元件较少，经济实惠，输出功率大，调整管可承受的范围也很大，。
缺点：
电压缺少一个保护电路，当电路由于偶然原因出现高的电压脉冲时，有可能对电路造成危害，使得电路故障率提高。
改进：
可以在稳压电路那里再接一个过保护电路电路。
减少接电或断电时产生的瞬间高电压对电路元件的破坏。
另外，ua741芯片较为古老，性能不稳定，已跟不上时代的需要所以运放可以重新选择性能更好，更稳定的芯片。
心得体会：
通过这次课程设计，我对于模电知识有了更深的了解，尤其是对与线性直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。
同时实物的制作也提升了我的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了我对模拟电路设计方面的兴趣。
理论与实践得到了很好的结合。
参考文献
◆<<电子线路基础>>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社.
◆<<电子技术基础>>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。
◆<<电子线路设计>>,（第三版）华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社.
◆《实验电子技术》，王振宇，李香萍，沈燕。
北京：
电子工业出版社，2004。
◆《电工电子技能训练》熊幸明，王新辉，曹才开.北京：
电子工业出版社，2004.
◆《电子技术课程设计》彭介华．北京：
高等教育出版社．2005.
◆《模拟电子技术（第五版）》华成英，童诗白，北京：
高等教育出版社，2005。
附录元件清单
表1元件清单
名称及标号
型号及大小
封装形式
数量
变压器
220V-15V
无
1
二极管
IN4007
DIODE-0.4
4个
电容
电解电容
2200uF
RB.3/.6
2个
10uF
RB.2/.4
2个
陶瓷电容
104
RAD-0.2
2个
103
RAD-0.1
2个
电阻
4.7K
AXIAL-0.3
2个
330
AXIAL-0.3
2个
1.5k
AXIAL-0.3
2个
可变电阻
1k
Sip3
2个
运放
uA741
DIP8
2个
稳压管
5.1v
DIODE-0.4
2个
调整管
TIP41
TO220
1个
TIP42
TO220
1个
升级会员 