论文520V连续调节电源的设计与实现Word格式文档下载.docx

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3.2.1调整电路4

3.2.2基准电路6

3.2.3比较放大电路7

3.2.4取样电路8

3.2.5限流保护电路9

3.3原理介绍10

3.3.1电路工作原理10

3.3.2比较放大电路工作原理11

3.3.3调整稳压电路工作原理11

3.3.4输出可调电压工作原理12

3.3.5限流保护工作原理13

3.3.6滤波电路工作原理13

第四章调试及结果分析14

4.1电路的安装与焊接14

4.1.1元器件的安装与焊接14

4.1.2安装时注意事项14

4.1.3焊接时注意事项14

4.2电路的调试15

4.2.1测试仪器15

4.2.2通电前的检查15

4.2.3静态调试15

4.2.4连接负载调试16

第五章结论19

参考文献20

元件清单21

致谢22

附录23

第一章前言

随着生活水平的提高，人们日常生活中出现了越来越多的便携式的家用电器与简单的电子设备，比如:

电脑，手机，充电宝，低功率台灯等，他们的出现和不断改进使我们的生活越来越方便简单。

随着电子科学技术的快速发展，操作简单、携带方便的电子设备也得到蓬勃发展；

然而直流电源作为便携式电子设备的核心，直流电源系统良好的安全性和可靠性是便携式电子设备正常运行的重要保障。

由于每种便携式电子设备设计与结构不同，其所需的直流电源参数不同，所以对于可调直流稳压电源的设计和研究变得尤其重要。

1.1国内外的研究现状

伴随着科技水平的提高和对直流电源的深入研究，电子电器设备已经渗透到我们人类生活中的各行各业。

可调直流稳压电源作为电子电器设备无法替代的重要能源器件，需求不断增加，而且对可调直流稳压电源的功能、稳定度，精确度等要求也与之剧增。

人类对直流电源的研究和开发已经成为新技术、新能源、新设备、新行业发展中不可分割的环节，在促进人类生活，科技进步中有着重要地位。

伴随着经济的发展，我国电子科技也在蓬勃发展，可调直流稳压电源的工作频率也取得了重大突破，在原来的数十千赫基础上提高了几十倍，甚至更高；

但是这样的科技领域成就与西方发达国家还有一段差距；

除了在工作频率上，在精度、稳定度等要求上也有一定的差距。

现如今，以美国为中心的某些发达国家已经向高频下电源的拓扑理论、建立模型分析等方面投入精力研究，而且在这层次的技术研究已经相对成熟；

因此，我国需要更多的人力与物力被投入到可调直流稳压电源的研制及应用中。

可调直流稳压电源已经应用于生活中各个方面，大到飞机，火车，小到手机，刮胡刀等。

除了社会中的工业领域，在我们如今的农业领域也同样与可调直流稳压电源息息相关，例如农业环境静电除尘，静电喷雾除虫，农业物料静电喷涂包裹、静电除菌、种子的静电处理等等。

伴随着农业科学技术的发展，农业研究对可调直流稳压电源的依赖程度逐步提高，这也需要我们加强对可调直流稳压电源的研究；

从这样的社会市场效应来看，可调直流稳压电源在社会上的市场很有潜力。

1.2研究内容与目标

（1）可调直流稳压电源所涉及的技术包括电力与电子器件、稳压技术、滤波技术等；

（2）可调直流稳压电源的研究现状和发展趋势；

（3）目前可调直流稳压电源有待改进的地方。

（1）输入直流电压为30V；

（2）输出可调电压为：

电压5～20V，负载40Ω/20w；

（3）纹波≤1%；

稳定度≤1%；

（4）具有过流保护功能。

（1）分析和绘制电源工作原理图；

（2）对电源所用器件进行型号选择；

（3）电路的焊接和调试。

第二章方案设计

方案一：

三端可调集成稳压器电路。

设计原理如下：

利用可调式三端稳压器LM317芯片电源能够持续输出1.25V-32V可调直流电压，芯片内部包括过流、过热保护电路；

由电阻R和可调电位器RP组成电压输出调节电路，输出电压为：

Vo=1.25*（1+RP/R）。

虽然稳压器性能和稳定度都比其他稳压电源性能好，但是本次设计初始电压从5V开始可调，所以需要设计电压补偿电路方可实现；

而且设计中输出电流要求过大，而LM317芯片最大输出电流为0.5A；

所以此方案不可行。

方案二：

单片机系统控制的可调直流稳压电源。

以稳压电源为基础，控制核心为单片机系统，放大电路由稳压驱动、外围电路硬件系统构成过流检测电路，利用单片机程序完成对电压输出的控制，将输出电流、电压取样与设定数据进行比较，从而达到调整和稳定电压的输出状态。

但是本方案电路设计复杂，预算高，适合设计要求高的可调直流稳压电源。

方案三：

晶体管串联式直流稳压电路。

交流电经过降压、整流、滤波得到平滑的直流电压，作为可调直流稳压电源的输入电压。

稳压电路的主要回路是由起调整作用的三极管与负载串联。

输出电压的变化量由反馈电路取样经比较放大电路（利用运放）将输出电压放大后去控制作为调整管的三极管的集电极与发射集之间的压降，从而达到稳定输出电压的目的。

利用可调电位器组成取样电路，从而实现输出电压的改变，达到直流电压源可调的目的。

本方案中还有过流保护电路，防止电流过大导致电路板烧毁,所以选择此方案【1】。

第三章设计实现

3.1硬件的实现

3.1.1总体设计框图

图1520V可调直流稳压电源总体框图

3.2模块电路介绍

3.2.1调整电路

调整电路部分主要是利用大功率三极管构成。

根据设计的要求，计算调整管参数如下：

和

的集电极与发射极之间反向击穿电压（BVT1）CEO，集电极最大电流（IT1）CM，集电极最大耗散功率（PT1）CM。

在最不利的情况下，负载断路，调整管

得到全部输入电压，这时调整管

的集电极与发射极之间反向击穿电压（BVT1）CEO为：

（BVT1）CEO＝（UB）OMAX＝20V，为了保证三极管的正常工作，所以取（BVT1）CEO为50V以上。

当负载电流达到最大时，集电极最大电流（IT1）CM为：

（IT1）CM＝IO＝1A为了保证三极管的正常工作，同时保留一定空间余量，可取（IT1）CM为1A以上。

这样集电极最大允许耗散功率（PT1）CM为:

（PT1）CM＝（UOMAX－UOMIN）×

（IT1）CM

（1）

（PT1）CM＝（20V-5V）×

1A＝15W

（2）

考虑到实际情况需要留有一定空间余量，可取（PT1）CM为20W以上，选择调整管

时需考虑其放大倍数β≥100；

遵照上面的分析和计算，所以

管选择Tip41c大功率三极管【2】。

调整管

参数的计算方式与

类似，根据

管的计算方式给出

调整管所需参数的计算过程:

（BVT2）CEO＝（BVT1）CEO＝（UB）OMAX＝20V（3）

考虑到实际情况需要保留一定空间余量，取（BVT2）CEO为50V以上。

（IT2）CM＝（IT1）CM÷

βT1（4）

（IT2）CM＝1A÷

100≈10mA（5）

（PT2）CM＝（（UB）OMAX－（UB）OMIN）×

（IT2）CM（6）

（PT2）CM＝（20V－5V）×

10mA≈0.15W（7）

在选取原件时考虑到要留有一定的空间余量，我们选择元器件的实际值要高于计算值。

选择调整管

时需考虑其放大倍数β≥50。

则此时

所需要的基极驱动电流为：

（IT2）MAX＝（IT2）CM÷

βT1＝10mA÷

50＝0.2mA（8）

考虑到实际情况和根据以上的分析和计算，故

选择3DG130大功率三极管。

图2调整电路

Tip41c三极管介绍

制作材料：

；

性质：

功率放大，低频或音频放大；

封装形式：

直插封装；

极限工作电压：

100V；

最大电流允许值：

6A；

最大耗散率：

65W；

放大倍数：

β≥100；

图3调整馆Tip41c

3DG130三极管介绍

极性：

NPN；

最大集电极与基极之间连续（直流）电压

=40V；

最大集电极与发射集之间（直流）电压

=30V,；

最大发射集与基极连续（直流）电压

=4V；

最大连续集电极（直流）电流

=500mA；

β≥50；

耗散功率的绝对极限值：

700mW【3】。

图4调整馆3DG130

3.2.2基准电路

基准电路是由稳压管D1和电阻R1组成，它的作用在于为电路提供一个不变的、精确的基准电压

，作为与

反馈电压比较、输出电压调节的标准。

在本次设计中选择IN4733A稳压管，VD1=5.1V，ID1=8mA，由此可得：

（9）

图5基准电压电路

IN4733A稳压管介绍

稳压值：

4.845～5.355V，一般取5.1V；

测试电流：

49mA；

漏电流：

10m【4】A。

图6IN4733A稳压管

3.2.3比较放大电路

比较放大电路可以由放大管或者运算放大器构成。

放大管构成的比较放大电路原理为：

将取样电路得到的取样电压与基准电压之差放大，然后控制调整管的基极电压。

因此，只要取样电压产生变化，就可引起调整管的管压降发生较大的变化，提高稳定度，所以只要放大倍数相对越大，则输出电压的稳定度越高。

运算放大器构成的比较放大电路原理与放大管构成的比较放大电路原理相似，只是运算放大器在电路中工作在反相放大器状态。

由于集成运算放大器具有输入阻抗高，输出阻抗低，电压增益高和温度系数小等特点，因而它作为比较放大环节可以使稳压电源的各项性能得到提高。

在本次毕业设计中运用OP07运算放大器。

图7比较放大电路

OP07芯片介绍

图8OP07芯片引脚图

引脚简介：

1和8引脚为偏置平衡（调零端），2引脚为反向输入端，3引脚为正向输入端，4引脚接地，5引脚为空脚，6引脚为输出端，7引脚接电源V++。

OP07芯片参数介绍：

低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P（0.1Hz～10Hz）；

极低的输入失调电压—10μV；

极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃；

具有长期的稳定性—0.2μV/MO；

低的输入偏置电流—±

1nA；

高的共模抑制比—126dB；

宽的共模输入电压范围—±

14V；

工作电压范围为±

3V～±

22V；

外部电路决定OP07的工作性质，当开环情况下，OP07工作在非线性区；

当增加了负反馈，则OP07工作在线性区，随着工作电压的增大，线性区也会增加，甚至会超出线性区到非线性区【5】。

3.2.4取样电路

取样电路由可调电位器

和电阻

组成，它将输出电压

分得一部分电压作为取样电压

送到比例放大环节电路中。

根据设计要求输出5～20V可调直流稳压电源可得：

动端在最上面一端，输出电压最小：

（10）

动端在最下面一端，输出电压最大：

（11）

已知毕业设计中采用2CW53稳压管【6】，可得基准电压VREF=5.1V，经过推算，

采用2K可调电位器，

采用620Ω电阻。

将数值代入可得：

（12）

（13）

图9取样电路

3.2.5限流保护电路

限流保护电路由三极管T3、R5和R6组成，因为三级管压降在0.5V左右，设置R6=0.5Ω，当输出电流小于1A时，T3管的VBE小于0.5V，T3截止；

如果输出端意外短路，电流大于1A时，T3管的VBE将超出其门限电压而导通，OP07运放的输出被T3分流，输出电压降低，T1、T2内阻加大，防止输出电流进一步增大，从而起到保护作用；

R5电阻的作用是防止流过三极管的电流过大，致使三极管T3损坏。

图10限流保护电路

3.3原理介绍

3.3.1电路工作原理

图11520V可调直流稳压电源理论原理图

由5～20V可调直流稳压电源的原理图可以看出：

本次设计是由直流输入电源、比较放大电路、调整电路、过流保护电路、取样电路、滤波电路组成。

R1是为稳压管D1提供反向电流的限流电阻；

稳压管

反向导通后稳压值为比较放大电路提供基准电压；

图中D2和D3为OP07芯片的输入保护，R4为OP07芯片提供输出限流保护；

调整管T1和T2组成调整电路，是稳压电路的核心部分；

R5、R6和三极管T3组成限流保护电路，其中R5限流保护三极管T3防止被大电流击穿；

RP与R7组成取样电路，通过调整RP改变输出电压；

电解电容C1为了防止输出电压变化太大致使电路不稳定；

电解电容C2在此起到滤波作用。

3.3.2比较放大电路工作原理

比较放大电路由运算放大器OP07芯片、二极管D2、D3、R2、R3和R4组成。

由图11可知OP07芯片7号引脚接电源正极，4号引脚接电源负极，正向输入端3号引脚通过R2接入基准电压，反相输入端2号引脚通过R3接入反馈电压，6号引脚为输出端，D2、D3接在同相输入端与反向输入端之间，最终形成一个具有保护功能的反向负反馈放大电路。

其中R2与R3为输入端的限流保护，D2与D3起到嵌位作用，防止同相输入端与反向输入端压差过大，使运算放大器损坏，R4起到输出限流保护作用。

欲降低输出电压，则需将可调电位器RP向上面一端调节，致使反馈电压加大，经OP07芯片反向输入端与基准电压比较，使OP07芯片输出端输出反相电压使T2管基极电压降低，通过调节电路使输出电压降低稳定。

欲增加输出电压，则需要将可调电位器RP向下面一端调节，致使反馈电压减少，经OP07芯片反向输入端与基准电压比较，使OP07芯片输出端输出同相电压使T2管基极电压增加，通过调节电路使输出电压增加稳定。

比较放大电路，如果同相输入端与反向输入端之间输入差距越大，则输出端放大结果越大，这样可以使调节时间减少，增加其快速稳压性能。

3.3.3调整稳压电路工作原理

调整稳压电路的主要回路为起调整作用的大功率三极管T1、T2和负载串联，故称为串联式稳压电路。

输出电压的变化量由反馈网络采样经比较放大电路（运算放大器OP07）放大后去控制调整管T1、T2的集电极和发射极之间的压降，从而达到稳定输出电压VO的效果。

调整稳压原理如下：

当输入电压VI增加（或负载电流IL减小时），导致输出电压VO增加（这是由于VI增加导致T1管集电极电流增加到一定程度，超出三极管的放大区，进入饱和区。

三极管在饱和状态时，集电极和发射极之间的内阻会随着饱和深度增加而减少，集电极和发射极之间电流最大。

T1管没有放大作用，集电极和发射集相当于短路，所以输出电压VO增加），随之反馈电压VF也增加。

反馈电压VF与基准电压VREF比较，其电压差值经比较放大电路放大后使T1、T2的基极电压和集电极电流减小，调整管T1、T2的集电极和发射极极间电压增大，使VO下降，从而维持VO基本稳定。

稳定过程可以简单表示如下：

当输入电压VI减少（或负载电流IL增加），导致输出电压VO减小（这是由于VI减少，导致T1管集电极电流减少，从而使基极电流变小，使T1进入截止区，使T1管集电极和发射集之间内阻变大，减少电流通过，产生压降，所以输出电压VO减少），随之反馈电压VF也减少。

反馈电压VF与基准电压VREF相比较，其差值电压经过比较放大电路放大后使T1、T2的基极电压和集电极电流增大，调整管T1、T2的集电极和发射极极间电压减小，使VO增大，从而维持VO基本稳定。

在本稳压电路中，调整管T1、T2的调整作用是依靠反馈电压VF与基准电压VREF之间的差值来实现，因此必须有差值才可以调整。

若输出电压VO绝对不变，调整管的

也绝不会改变，那么电路无法实现调整功能。

所以VO绝对稳定无法达到，只能为基本稳定【7】。

3.3.4输出可调电压工作原理

输出可调电压是由取样电路中可调电位器位置的变化，致使比较放大电路控制调整管T2基极电压从而改变调整管T1的集电极电压，最终调节输出电压的变化。

当RP向上面一端滑动时，反馈电压VF上升；

当反馈电压上升时，经过运算放大器OP07与由稳压管IN4733A提供的基准电压VREF=5.1V进行比较，由运算放大器输出，致使调整管T2基极电压下降，直接影响调整管T1基极电压下降，则T1管基极—发射集的电流减小，则T1管集电极电压上升，最终使输出电压减小。

当RP向下滑动时，反馈电压VF下降；

当反馈电压下降时，经过运算放大器OP07与由稳压管IN4733A提供的基准电压VRE=F5.1V进行比较，由运算放大器输出，致使调整管T2基极电压上升，直接影响调整管T1基极电压上升，则T1管基极—发射集的电流增大，则T1管集电极电压下降，最终使输出电压增大。

3.3.5限流保护工作原理

由电阻R5和R6以及三极管T3构成限流型保护电路。

限流型保护电路工作原理：

当负载电流IO<

IOMAX时，UR6=R6*IO小于T3管的基极和集电极的阈值电压UON，T3管截止，对电路的正常工作不产生影响；

当IO>

IOMAX时或负载短路，UR6=R6*IO大于T3管的基极和集电极的阈值电压UON，T3管导通，则由三极管的反向特性可知，T3管基极为高电压，T3管的集电极为低电压，由于T3管的集电极与T2管的基极连接，使得T2管基极电压为低电压，使T2管、T1管关断不工作，即使运算放大器OP07有电压输出，则电压全加到R4电阻上，最终实现过流保护作用。

3.3.6滤波电路工作原理

在本次设计电路中，电解电容C1和C2起到滤波作用。

其中C1是为了除去由于电位器调节产生的纹波，从而使采样电压变得平滑；

C2是滤除整流输出的脉动成分。

第四章调试及结果分析

4.1电路的安装与焊接

4.1.1元器件的安装与焊接

元器件检测目的：

在安装电路之前，对所用元器件进行检查，包括数值，型号以及表面、引脚是否破损；

杜绝已经破损的元器件被安装在电路设计焊接中，从最开始做好准备工作，以减少后期调试电路板的工作量。

元器件检测内容：

电阻阻值是否正确；

二极管的正向电阻和极性标志；

三极管极性判断及类型；

电解电容极性以及是否漏电；

OP07芯片的引脚识别和接线是否可靠牢固。

电路板的布局：

根据原理图，在万用板上合理的布局，可以减少元器件之间的布线，减少工作量；

合理规划每个元器件的位置，可以使元器件焊接更方便，使整个万用板更美观。

4.1.2安装时注意事项

元器件引脚表面若被氧化产生氧化膜，则应利用工具除去表面氧化膜，并对其进行搪锡处理。

安装时要注意元器件的先后顺序：

应安装小的元器件，比如电阻，二极管等；

接着安装中型元器件，最终安装大型元器件，这样是为了方便焊接；

在安装时应该尽量保持同种类型元器件高度一致，且使元器件的数值标识面向人一侧，这样既美观又便于后期识别；

对于有极性的元器件，在安装时要注意正负极，比如二极管，电解电容，三极管要注意基极、集电极和发射集的识别；

在空间允许时，大功率器件在焊接时引脚尽量留长，这样散热更好。

4.1.3焊接时注意事项

电阻、稳压管采用水平安装方式，元器件离万用板的高度为8mm，色码方向一致；

电容采用垂直安装方式，电容底部离万用板高度为10mm；

三极管同样采用垂直安装方式，电容底部离万用板高度为20mm。

焊点采用直脚焊接，留头在焊面以上0.5-1mm，且焊接面不能损伤；

背面接线应该准确、达到横平竖直、转弯处处理成90度，要避免漏焊、短路等现象，更应杜绝出现虚焊；

在进行焊接时要注意焊接时间、送锡方式、烙头处理和用松香的原因和方式。

4.2电路的调试

4.2.1测试仪器

万用表，数控稳压源

4.2.2通电前的检查

焊接完电路板后，不要急于通电测试结果，应该在通电前按照电路图仔细检查安装过程中有无纰漏。

检查顺序如下：

（1）检查每个元器件的规格型号、参数，安装管脚位置是否正确，可靠；

（2）检查每个焊点是否存在虚焊、漏焊现象，将电路板上的废弃电线与焊锡等杂物清理干净；

（3）检测调试所用工具是否完好，清理好调试场所，进行下一步测试。

在通电之前，我按照电路图将我所设计的电路板进行检查，发现OP07芯片7号引脚没有接电源；

可调电位器

中间与下面引脚未短接；

有很多元器件都存在虚焊现象，经过反复修改，我将这些问题一一解决。