直流稳压电源模电课程设计.docx

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直流稳压电源模电课程设计

第一部分设计任务

1.1设计题目及要求…………………………………………………………1

1.2备选方案设计与比较……………………………………………………2

第二部分设计方案

2.1总体设计方案说明………………………………………………………7

2.2模块结构与方框图………………………………………………………8

第三部分电路设计与器件选择

3.1功能模块一（变压器）……………………………………………………9

3.2功能模块二（整流电路）………………………………………………13

3.3功能模块三（滤波电路）……………………………………………………

3.4功能模块四（调整电路）……………………………………………………

3.5功能模块五（取样电路）……………………………………………………

3.6功能模块六（放大电路）…………………………………………………

第四部分整机电路

4.1整机电路图（非仿真图）…………………………………………………21

4.2元件清单…………………………………………………………………22

第五部分电路仿真

5.1仿真软件简介……………………………………………………………23

5.2仿真电路图………………………………………………………………24

5.3仿真结果（附图）…………………………………………………………25

第六部分安装调试与性能测量

6.1电路安装…………………………………………………………………26

（推荐附整机数码照片）

6.2电路调试……………………………………………………………………27

调试步骤及测量数据………………………………………………28

故障分析及处理……………………………………………………29

6.3整机性能指标测量（附数据、波形等）…………………………………30

课程设计总结……………………………………………………………………31

第一部分设计任务

1.1设计题目及要求

1．设计制作一个学生实验用的“连续可调直流稳压电源”

2．主要技术指标与要求：

（1）输入电压在220V±10%时，输出电压从5－12V可调（且尽量向低端扩展，输出电流大于0.5A；

（2）输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5×10-2，输出内阻小于0.2欧；

（3）主要调整元件由晶体管构成；

3．发挥部分：

（1）具有过流保护、过压保护功能：

输出电流超过0.7A时电路自动过流保护，输入交流电压超过250V时电路自动过压保护；

（2）噪声尽可能低（注：

由电路类型分析确定。

4．通过分立直流稳压电源设计、安装和调试，要求学会：

（1）选择变压器、整流二极管、滤波电容及分立稳压器来设计直流稳压电源；

（2）掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

1.2备选方案设计与比较

方案一

采用变压器、二极管、电阻、稳压管、三极管等元器件。

220V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;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IN4007.电容C1起到滤波作用，将直流中的交流成分滤去，而C2可以防止复合调整管T1，T2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，使电路工作稳定性提高。

（方案一原理图）

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D2。

将方案一中R6，D4，Q1组成的限流式电路改为单个电阻R6分流电路。

将R7的一端从取样部分改接到滤波之后输出电压的一端。

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。

所以不采用此方案。

因此，我们最终选择了方案二。

二．设计方案

2.1总的设计方案说明

方案总的思路如下：

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。

稳压电路

2.2模块结构与方案图

电网供给的交流电压u1（220V,50Hz经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压u4。

但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。

在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：

当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经T3放大后送至调整管T2的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。

第三部分电路设计与器件选择

3.1功能模块一（变压器电路）

电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui。

变压器副边与原边的功率比为：

P2/P1=η。

式中，η变压器的效率。

一般整流滤波电路有2V以上的电压波动（设为ΔUD）。

调整管T1的管压降（UT1）CE应维持在3V以上，才能保证调整管T1工作在放大区。

整流输出电压最大值为12V桥式整流输出电压是变压器次级电压的1.2倍。

当电网电压下降10%，变压器次级输出电压应能保证后续电路工作，那么电压器B1次级输出电压

（UB）omin＝（ΔUD＋（UT1）CE＋UR4+（UO）MAX）÷1.2

（UB）omin＝（2V＋3V+0.7×1＋12V）÷1.2≈15V

则变压器B1次级额定电压为：

（UB）O＝（UB1）omin÷0.9

（UB）O＝15V÷0.9≈16.7V

当电网电压上升+10%，变压器的输出功率最大。

这时稳压电源输出的最大电流（IO）MAX为700mA。

此时变压器次级电压（UB）OMAX为：

（UB）OMAX＝（UB1）O×1.1

（UB）OMAX＝16V×1.1≈18V

变压器B1的设计功率为：

PB＝（UB）OMAX×（IO）MAX

PB1＝18V×700mA＝12.6VA

为保证变压器留有一定的功率余量，确定变压器B的额定输出电压为17V，额定功率为13VA。

3.2功能模块二（整流电路）

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D1～D4组成，所以我们只需要计算其中一个的参数。

整流管D1的最大整流电流为：

（ID1）MAX＝0.5×IO

（ID1）MAX＝0.5×700mA＝0.35A

考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（ID1）MAX为0.4A。

整流管D1的耐压（VD1）RM即当市电上升10％时D1两端的最大反向峰值电压为：

（VD1）RM≈√2（1+10%）UBIO=28V

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。

3.3功能模块三（滤波电路）

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。

为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流部分。

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：

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，故在选择二极管时，必须留有足够的电流裕量，以免烧坏。

滤波电容C满足：

RLC=（3～5T/2

式中T为输入的交流信号周期；RL1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C1和其耐压VC1值。

根据滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为（3－5）×0.5×T÷R，当取5时，市电频率是50Hz，则T为0.02S，R为负载电阻

当最不利的情况下，即输出电压为12V，负载电流为700mA时：

C1＝5×0.5×T÷（UO÷IO）

C1＝5×0.5×0.02S÷（12V÷0.7A）≈3000μF

当市电上升10％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：

VC1＝UBOMAX＝18V

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4700μF的铝质电解电容。

耐压可选择25V以上。

3.4功能模块四（调整放大电路）

调整部分主要是计算调整管T1和T2的集电极－发射极反向击穿电压（BVT1）CEO，最大允许集电极电流（IT1）CM，最大允许集电极耗散功率（PT1）CM。

在最不利的情况下，市电上升10％，同时负载断路，整流滤波后的输出电压全部加到调整管T1上，这时调整管T1的集电极－发射极反向击穿电压（BVT1）CEO为：

BVT1）CEO＝（UB1）OMAX＝18V

考虑到留有一定余量，可取（BVT1）CEO为25V。

当负载电流最大时最大允许集电极电流（IT1）CM为：

（IT1）CM＝IO＝700mA

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（IT1）CM为800mA。

这样大允许集电极耗散功率（PT1）CM为：

（PT1）CM＝（UBOMAX－UOMIN）×（IT1）CM

（PT1）CM＝（18V-5V）×800mA＝10.4W

考虑到留有一定余量，可取（PT1）CM为12W。

选择调整管T1时需要注意其放大倍数β≥40。

调整管T2各项参数的计算原则与T1类似，下面给出各项参数的计算过程。

（BVT2）CEO＝（BVT1）CEO＝（UB1）OMAX＝18V

同样考虑到留有一定余量，取（BVT2）CEO为20V。

（IT2）CM＝（IT1）CM÷βT1

（IT2）CM＝700mA÷40≈18mA

（PT2）CM＝（（UB1）OMAX－UOMIN）×（IT2）CM

（PT2）CM＝（18V－5V）×15mA≈0.2W

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T2时需要注意其放大倍数β≥80。

则此时T2所需要的基极驱动电流为：

（IT2）MAX＝（IT2）CM÷βT1＝18mA÷80＝0.225mA

3.5功能模块五（取样部分）

取样部分主要由电阻R1、RV1、R2组成。

由于取样电路同时接入T3的基极，为避免T3基极电流IT3B对取样电路分压比产生影响，需要让IT3B＞＞IR1。

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IR1大于调整管T1的最小工作电流（IT1）CEMIN。

由于3DD155A最小工作电流（IT1）CEMIN为1mA，因此取IR3MIN＝5mA。

则可得：

R1＋RV1＋R2＝UOMIN÷IR1MIN

R1＋RV1＋R2＝5V÷5mA＝1K

由UZ1+UBE3=（RW+R2/（R1＋RV1＋R2可以推出

U0=（R1＋RV1＋R2（UZ1+UBE3/（RW+R2

这里我们选择的D1稳压二极管的稳定电压是2.4V，

所以带入有关数据的到：

R2=130R1=60RV1=310

3.6功能模块六（放大部分）

T3和Q1、D4、R6、R3组成放大电路）由于这部分电路的电流比较小，主要考虑T3的放大倍数β和集电极－发射极反向击穿电压（BVT1）CE

这里需要T3工作在放大区，可通过控制T3的集电极电流（IT3）C来达到。

而（IT3）C是由T3和Q1、D4、R6、R3组成的恒流源负载来控制的，并且有：

IQ1E=（IT3）C＋（IT2）B

一方面，为保证T1能够满足负载电流的要求，要求满足IQ1E＞（IT2）B；另一方面，为保证T3稳定工作在放大区，以保证电源的稳定度，其集电极电流（IT3）C不能太大。

这里可以选IQ1E为1mA，当输出电压最小时:

IQ1E≈IQ1C≈1mA

R6=UBO/IQ1C≈20K

这里的稳压管D4的管压降是10V,

所以R3=（UB0-UZ4/IZ-IQ1B

第四部分整机电路

4.1整机电路图（非仿真图）

4.2元件清单

元件序号

型号参数

数量

备注

B

T1

1个

变压器

D1～D4

IN4007

4个

二极管

R1～R11

R1:

10KR2:

6K

R3:

2.2KR4:

1

R5:

620R6:

2.7K

R7:

1KR8:

700

R9:

250R10:

1.5K

R11:

1K

各1个

电阻

C1～C4

C1:

2000uC2:

0.33u,

C3:

0.01uC4:

1n

各1个

电容

Q1～Q5

2N551

各1个

三极管

D5，D6

IN4371

各1个

稳压管

LED（GREEN

1个

发光二级管

第五部分电路仿真

5.1仿真软件简介

在此课程设计中，我们组采用了proteus7.8软件。

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

5.2仿真电路图

5.3仿真结果（附图）

仿真输出最少值仿真输出最少时纹波电压

仿真输出最大值仿真输出最大时纹波电压

第六部分安装调试与性能测量

6.1电路安装

工具：

电烙铁、镊子、钳子、万用表、砂布、松香、支架台。

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，一般温度控制在270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。

6.2电路调试

调试工具：

万用表，变压器，示波器。

①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。

若无错误，则进行下一步。

②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。

③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。

④若没有出现烧元件现象，则将其接触好。

调节电位器2，看其输出电压的变化范围，再调节电位器1，看其是否能起到过压保护作用。

若能，则输出电压为0.

⑤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。

⑥再在其输出端并联一个20欧姆的负载，测试其输出的纹波电压。

⑦在测试过程中，记录好输出电压数据，纹波电压数据。

⑧根据所得数据，算出输出内阻。

我自己的电路在调试过程中，出现了输出电压调节范围达不到，最大输出电压为八点多。

最后，经过陈老师的细心检查，发现时过流保护电路中的三极管集电极和发射极接反，导致其三极管形成了“软击穿”，使电流没有经过R4电阻，取样部分电压无法经过达林顿管进行放大。

从而导致输出电压上限达不到。

最后，将三极管的集电极和发射极重新焊接好，电路就能正常工作了。

6.2整机性能指标测量（附数据、波形等）

输出端开路电压USC=US

带负载输出电压URL

输出内阻：

（USC-URL）/RO=URL/RL

其中，RL=20ΩUSC=4.98vURL=4.90v

RO=（USC-URL）.RL/URL

可得RO=0.32Ω

带负载时的纹波电压

无负载时的纹波电压

带负载时，纹波电压波形是1.5格，每一格代表5mv。

所得的纹波电压是（1.5×5/（2√2=2.7mv.

课程设计总结

通过这次模电课程设计制作，我提高了自己从设计到制作的认识和能力。

学以致用是我们学习的目的，马克思说：

“任何一门学科，只有当它能运用数学进行解释时，它才算一门真正的科学。

”只有我们把学到的东西能用手和脑做出来并反映到生活中时，我们才真正的学会了我们所学的东西。

在今后的学习生活中，我当秉着与实践相结合的思想来提高自我能力。