模电课程设计报告串联型直流稳压电源.docx
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模电课程设计报告串联型直流稳压电源
综合设计性实验报告
课程名称模拟电子技术课程设计
实验名称串联型直流稳压电源
一、题目名称：
串联型直流稳压电源
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，正负极性输出；
2、输出电流：
额定电流为150mA，最大电流为500mA；
3、纹波电压峰值▲Vop-p≤5mv；
二、方案设计及电路框图
1、方案比较
方案一：
如图1，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2），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RL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方案一的稳压部分电路
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采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电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3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
整体电路的框架如图3，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。
图3串联型直流稳压电路方框图
三、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伏的双电压电源，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，而12-3=9V为输出最大电压，6V为最小的输入电压，以饱和管压降为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,故可以选择220V-15V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4所示。
图4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0.9V
其中15V为变压器次级交流电压的有效值。
我们可以求得U0=15×0.9=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15V，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是15×
，即为21.1V。
考虑电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%的波动），最大反向电压应该大于27.4V。
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30欧，我们可以根据滤波电容的计算公式：
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则容的取值范围为1250-2083uF，保险起见我们可以取标准值为2200uF额定电压为35V的铝电解电容
（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12-6=3V，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10V，最小功率应该达到10×0.5=5W。
综合以上参数，我们可以选用功率三极管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1个4.3vIN4731A的稳压管进行稳压和4.7KΩ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：
如上图，把R2=10Ω（相当于公式中的R1）,R7=1kΩ（相当于公式中的R2）,R3=620Ω,
=4.3V代入以上公式可求的电路的输出电压为4.255-11.118V。
可以输出6V和9V的电压，运放选用工作电压在12V左右前对电压稳定性要求不是很高的运放，由于LM358的工作电压可达+15V～-15V，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。
为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，需再对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个47uf的电解电容，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
（5）保护电路
过流保护电路能够在稳压管输出电流超过额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值或使之迅速减少，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏。
在过流时使调整管发射极电流迅速减小到较小数值的电路，称为截流型过流保护电路。
如下图（a）所示为截流型过流保护电路，T1为调整管，Ro为电流采样电阻，它与T2,R1和R2构成保护电路，当Io增大，UBE2将随之增大。
未过流时，UBE2当Io增大到一定数值或输出端短路时，T2导通，对调整管T1的基极分流，使Io减少，从而导致输出电压Uo减少；此时虽然UB随Uo的下降而下降，但是Uo下降的幅值大于UB，使得T2的电流进一步增大，T1的电流进一步减少，最终减少到较小数值。
输出特性如下图（b）所示。
通常，在截流型过流保护电路启动后，均有一个正反馈过程，使输出电流迅速减少。
。
四、总体的电路图
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：
理论值为4.215-11.117V，而实际的测量值存在很小的误差，原因是由于可调电阻的实际调节范围偏大，导致输出电压偏大。
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，仿真数据如上。
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1.8mV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，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，也有保护电路，当电路由于偶然原因出现较大的电流时，有可能造成损害，所以使得电路故障率降低了。
缺点：
对电阻的选择，我们有的极端，因为刚做出实物时发现有问题所以不断地修改采样电路的电阻（把R2=R11=10欧），最终尽管修改好问题了，修改太多了，我们只好保留。
只因没有1.5欧电阻了，所以这个电路中的R4=R12=1.5欧的电阻用两个4.7欧的电阻并联得到，与实际有点不符。
改进：
可以在稳压电路那里接一个调整管的安全工作区保护电路。
这样可使调整管既不因过电流而烧坏，又不因为过压而击穿。
保护电路将更好！
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，希望以后有空还是再做做开关直流电源，让自己更熟悉这方面的知识。
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，思考问题也更加细心，和思考问题的思维也得到了一定的提升，又一次觉得自己的焊接技术还好，做出来的实物也相当满意，这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，但在做仿真实验很成功的同时，做出实物却有比较大的误差，所以仿真还是存在一定的错误，需要自己再耐心的思考和修改！
而这个过程中跟组员合作也是一个合作能力的培训，曾我们大家的意见不一致时大家不停地争论，而最后还是能得到最完美的结论！
同时在做课程设计过程中，遇到不懂的地方，又让我们明白到请教的重要性！
所以很感谢师兄的指导。
（七）装配图（正反面）
附录：
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
稳压管
IN4731
D0-41
2个
电解电容
2200uF
RB.3/.6
2个
47uF
RB.2/.4
2个
电阻
4.7K
AXIAL-0.3
2个
620
AXIAL-0.3
2个
2k
AXIAL-0.3
2个
10
AXIAL-0.3
2个
100
AXIAL-0.3
2个
4.7
AXIAL-0.3
4个
电位器
1k
Sip3
2个
运放
LM358
DIP8
2个
保护三极管
8050
TO-94
1个
8550
TO-92
1个
调整管
TIP41
TO220
1个
TIP42
TO220
1个
注：
两个4.7欧电阻并联作用相当于仿真中1.5欧的电阻。
参考文献：
1、童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》
2、铃木雅臣《晶体管电路设计》
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