串联型直流稳压电源课程设计.docx

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串联型直流稳压电源课程设计

一、任务技术指标

设计一个串联型直流稳压电源,将电网电压变为所要求的输出电压,并具有稳定的输出,具体的设计要求如下：

1.直流输出电压Uo为12V。

2.最大输出电流Io为500mA。

3.稳压系数Sr小于等于0.05。

4.具有过流保护功能。

5.用仿真软件进行仿真调试。

6.完成并上交设计报告。

二、总体设计思想

1.基本原理

直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路这几大部分组成。

变压器把电网电压变为所需要的低压交流电。

整流电路把交流电压变为直流电压。

为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。

稳压电路的作用是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。

基本原理分析：

如图1是简易串联稳压电源，T1是调整管，D1是基准电压源，1R是限流电阻，R2是负载。

由于T1基极电压被D1固定在UD1，T1发射结电压（UT1）BE在T1正常工作时基本是一个固定值（一般硅管为0.7V，锗管为0.3V），所以输出电压UO＝UD1－（UT1）BE。

当输出电压远大于T1发射结电压时，可以忽略（UT1）BE，则UO≈UD1。

图1简易串联稳压电源

假设由于某种原因引起输出电压UO降低，即T1的发射极电压（UT1）E降低，由于UD1保持不变，从而造成T1发射结电压（UT1）BE上升，引起T1基极电流（IT1）B上升，从而造成T1发射极电流（IT1）E被放大β倍上升，由晶体管的负载特性可知，这时T1导通更加充分管压降（UT1）CE将迅速减小，输入电压UI更多的

加到负载上，UO得到快速回升。

这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示：

UO↓→（UT1）E↓→UD1恒定→（UT1）BE↑→（IT1）B↑→（IT1）E↑→（UT1）CE↓→UO↑。

当输出电压上升时，整个分析过程与上面过程的变化相反，这里我们就不再重复，只是简单的用下面的变化关系图表示：

UO↑→（UT1）E↑→UD1恒定→（UT1）BE↓→（IT1）B↓→（IT1）E↓→（UT1）CE↑→UO↓输入电压UI降低等其他情况下的稳压工作原理都与此类似，最终都是反应在输出电压UO降低上，因此工作原理大致相同。

从电路的工作原理可以看出，稳压的关键有两点：

一是稳压管D1的稳压值UD1要保持稳定；二是调整管T1要工作在放大区且工作特性要好。

由于电路是一个射极输出器，属于电压串联负反馈电路，电路的输出电压为UO＝（UT1）E≈（UT1）B，由于（UT1）B保持稳定，所以输出电压UO也保持稳定。

简易串联稳压电源由于使用固定的基准电压源D1，所以当需要改变输出电压时只有更换稳压管D1，这样调整输出电压非常不方便。

另外由于直接通过输出电压UO的变化来调节T1的管压降（UT1）CE，这样控制作用较小，稳压效果还不够理想。

因此这种稳压电源仅仅适合一些比较简单的应用场合。

稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求：

稳压电源的技术指标可以分为两大类：

一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。

主要要求有：

稳定性好，输出电阻阻值小，系统温度系数小。

2.系统框图

实用的串联型稳压电路至少包含调整管，基准电压电路，采样电路和比较放大电路等四个部分。

此外，为使电路安全工作，还常在电路中加保护电路，所以串联型稳压电源的系统框图如下图所示。

UI

图2串联型直流稳压电源的系统框图

三、具体设计

1.总体设计电路

串联型直流稳压电源各个部分在总体电路中所起的作用可参见下图，从图中可大致能够直观的了解各部分存在的意义，尤其是对电网电压波形所起的作用，通过这样一系列的过程最终可以达到预期的目的。

图3串联型直流稳压电源设计电路

总体设计思路:

输出电压的变化量△Uo是很微弱的，它对调整管的控制作用也很弱，因此稳压效果不够好，带有放大环节的稳压电源，就是在电路中增加一个直流放大器，把微弱的输出电压变化量先加以放大,再去控制调整管，从而提高对调整管的控制作用，使稳压电源的稳定性能得到改善。

图3是带有放大环节的稳压电源电路。

图中，Q1是调整管，U1A是比较放大管。

输出电压变化量△Uo的一部分与基准电压Uw比较，并经放大器放大后进到了Q1的基极。

R2是B2的集电极电阻，又是Q1的上偏置电阻。

R5、R6是B2的上、下偏置电阻，组成分压电路，把ΔUo的一部分作为输出电压的取样，送给B2的基极，因此又叫取样电路R2上的电压Ub2：

叫取样电压。

DW和R3组，成稳压电路，提供基准电压Uw从电路路中可以看出，当输出电压Uo下降的时候，通过R5、R6组成的分压电路的作用，B2的基极电位Ub2也下降了。

由于基准电压UW使B2的发射极电位保持不变，Ubc2＝Ub2，UW随之减小。

于是B1集电极电流Ic：

减小，Uc2增高，即B1的基极电位Ub1增高，使Icl增加，管压降Uce1减小，从而导致输出电压Uo保持基本稳定。

B2的放大倍数越大，调整作用就越强，输出电压就越稳定。

如果输出电压Uo增高时，同样道理，又会通过反馈作用使Uo减小，保持输出电压基本不变。

2.模块设计

（1）变压电路:

这一部分主要计算变压器B1次级输出电压UB1和变压器的功率PB1一般整流滤波电路有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。

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％时，变压器次级输出的电压应能保证后续电路正常工作，那么变压器B1次级输出电压（UB1）OMIN应该是：

（UB1）OMIN＝（ΔUD＋（UT1）CE＋UO）÷1.2=（2V＋3V＋12V）÷1.2＝17V÷1.2＝14.16V,则变压器B1次级额定电压为：

（UB1）＝（UB1）OMIN÷0.9＝14.16V÷0.9＝15.74V。

当电网电压上升＋10％时，变压器B1的输出功率最大。

这时稳压电源输出的最大电流（IO）MAX为500mA。

此时变压器次级电压（UB1）OMAX为：

（UB1）OMAX＝（UB1）O×1.1＝15.74V×1.1＝17.31V变压器B1的设计功率为：

PB1＝（UB1）OMAX×（IO）MAX17.31V×500mA＝8.66VA。

为保证变压器留有一定的功率余量，确定变压器B1的额定输出电压为15.7V，额定功率为10VA。

实际购买零件时如果没有输出电压为15.7V的变压器可以选用输出电压为15.7V或以上的变压器。

当选用较高输出电压的变压器时，后面各部分电路的参数需要重新计算，以免由于电压过高造成元件损坏。

变压器如图中所示:

图4稳压电路中的变压器

下图是变压前后波形幅值的对比:

图5变压前后电压幅值对比

（2）整流部分:

这一部分主要计算整流管的最大电流（ID1）MAX和耐压（VD1）RM。

由于四个整流管D1～D4参数相同，所以只需要计算D1的参数。

整流管D1的最大整流电流为：

（ID1）MAX＝0.5×IO＝0.5×500mA＝0.25A考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（I）MAXD1为0.3A。

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≈1.414×（UB1）OMAX＝1.414×1.1×（UB1）O≈1.555×（UB1）O（VD1）RM≈1.555×15.74V≈24V

得到这些参数后可以查阅有关整流二极管参数表，这里我们选择额定电流1A，反向峰值电压50V的IN4001作为整流二极管。

如图是安装整流电路后的电路图。

图6-1整流桥

图6-2整流以后的波形

（3）滤波部分:

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，一般系数取5，由于市电频率是50Hz，所以T为0.02S，R为负载电阻。

输出电压为12V，负载电流为500mA时：

C1＝5×0.5×T÷（UO÷IO）＝5×0.5×0.02S÷（12V÷0.5A）≈2083μF

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＝（UB1）OMAX＝17.31V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2200μF的铝质电解电容。

耐压可选择18V以上，一般为留有余量并保证长期使用中的安全，可将滤波电容的耐压值选大一点，这里选择35V。

Rc是放大级的负载电阻，又相当于调整管的偏置电阻。

Rc大，放大倍数大，有利于提高稳压器指标，但Rc过大会使B2和调整管电流太小，限制了负载电流和调整范围。

通常Rc根据下列公式选取：

Usrmin为整流输出的最小电压。

输入电压Usr应大于输出电压Uo3～8伏。

Usr过小，调整管容易饱和而起不到调整作用；Usr过大，则增加管子耗损，并浪费功率。

整流纹波小的，Usr可取低些；纹波大的，Usr应取高些。

则Usrmin=15v,Usrmax=20v.Ic2可取1～3毫安。

则取2MA。

稳压管DW的稳定电压Uw，选择范围比较宽，只要不使BG2饱和（即Uw比Uo低2伏以下）均可。

Uw取得大，取样电压可大些，有利于提高稳压性能Rc≈（Usrmin-Uo）/Ic2=（15-12）/0.002=1500Ω

限流电阻R3通过的电流I3，应该等于DW的稳定电流，那应满足下述关系R3=（Uo-Uw）/Iw=2/0.002=1000Ω调整管B1的β值要尽量大，为此可以使用复仓管。

调整管的功耗也要足够大，应满足下式要求：

Pcm﹥（Usrmanx-Uo）IscUsrmax为电网电压最高时的整流输出电压。

放大管B2也要选用β值大的管子，以增强对调整管的控制作用，使输出的更稳定。

在Uo较大的稳压电路中，还应注意B2所能承受的反向电压，应选取BVceo﹥（Uo-Uw）=2v的晶体管。

分压电阻（R1＋R2）要适当小些，以提高电路性能。

通常取流过分压电阻的电流大于放大管基极电流的5-10倍。

分压比R2/（R1+R2）决定于输出电压Uo和参考电压Uw，由下式决定：

Uo≈Uw（R1+R2）/R2分压比要选得大些，一般选0．5～0．8。

取R1=240ΩR2=160Ω。

加入滤波电容后的电路如图：

图7-1稳压电路中的滤波电容

图7-2加入滤波电容后的波形

（4）保护电路：

在稳压电路中，要采取短路保护措施，才能保证安全可靠地工作。

普通保险丝熔断较慢，用加保险丝的办法达不到保护作用，而必须加装保护电路。

保护电路的作用是保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。

其基本方法是，当输出电流超过某一致值时，使调整管处于反向偏置状态，从而截止，自动切断电路电流。

如图是三极管保护电路。

由三极管B2和分压电阻R4、R5组成。

电路正常工作时，通过R4与R5的压作用，使得B2的基极电位比发射极电位高，发射结承受反向电压。

于是B2处于截止状态（相当于开路），对稳压电路没有影响。

当电路短路时，输出电压为零，B2的发射极相当于接地，则B2处于饱和导通状态（相当于短路），从而使调整管B1基极和发射极近于短路，而处于截止状态，切断电路电流，而达到保护目的。

图8保护电路

（5）稳压电路:

为了加深电压负反馈以提高输出电压的稳定性,通常在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。

若同相比例运算电路的输入电压为稳定电压,且比例系数可调,则其输出电压就可调节；同时,为了扩大输出电流,集成运放输出端加晶体管,并保持射极输出形式,就构成具有放大环节的串联型直流稳压电路。

稳压原理：

当由于某种原因（如电网电压波动或负载电阻的变化等）使输出电压Uo升高（降低）时，采样电路将这一变化趋势送到放大器的反相端,并与同相输入端进行比较放大；放大器的输出电压,即