课程设计+串联型稳压电源的设计Word下载.docx
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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。
图1方案一稳压部分电路
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2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。
图2方案二稳压部分单元电路
对以上两个方案进行比较,可以发发现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。
2、电路框图
整体电路的框架如下图所示,先有22V-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。
3、电路设计及元器件选择;
(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。
(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3所示。
图3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
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.
(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。
我们可以选择一个104的陶瓷电容来作为高频滤波电容。
滤波电路如上图。
(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:
求出。
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
为了使输出电压更稳定,输出纹波更小,需奥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,
四、画出系统的电路总图
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
陶瓷电容
104
RAD-0.2
103
RAD-0.1
电阻
4.7K
AXIAL-0.3
330
1.5k
可变电阻
1k
Sip3
运放
uA741
DIP8
稳压管
5.1v
调整管
TIP41
TO220
1个
TIP42
五、电路的调试及仿真数据
正负输出的可调的最大值和最小值电压数据如下图:
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,仿真数据如下:
电路输出直流电的波形图如下图
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
电路输出纹波波形
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,所以符合要求。
六总结
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。