串联型直流稳压电源课程毕业设计本科论文.docx

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串联型直流稳压电源课程毕业设计本科论文

串联型直流稳压电源课程毕业设计（本科论文）

《串联型直流稳压电源课程设计》任务书

一、课题名称：

串联型直流稳压电源

二、技术指标：

稳压系数Sv输出电阻r0温度系数ST纹波电压U0r及纹波系数Sv纹波电压S≤5mV三、要求：

输出电压Uo可调：

6~12V输出额定电流：

Io500mA电压调整率Ku≤0.5电源内阻Rs≤0.1纹波电压S≤5mV过载电流保护:

输出电流为600mA，限流保护电路工作指导教师：

学生：

电子工程系

2012年6月7日

课程设计报告书评阅页

课题名称：

串联型直流稳压电源设计

班级：

姓名：

2012年6月7日

指导教师评语：

考核成绩：

指导教师签名：

2012年月日

摘要

直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器、电力或电子设备都毫不例外地需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。

不同的电路对电源的要求是不同的。

在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。

电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？

又如何使直流电压（电流）稳定？

这是电子技术的一个基本问题。

解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。

半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。

本工程训练主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源。

直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。

本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。

首先介绍了全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。

关键字：

串联稳压,直流,可调电源，DXP软件，PCB板,

一串联直流型稳压电源整体简介6

1.1制作串联型稳压电源的目的要求6

1.2基本知识介绍6

二分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与计算12

2.1串稳压电路原理12

2.2实验设计原理图12

2.3电路整体结构的设计与各部分相关参数的计算13

2.4电路选择14

三PCB板的制作与元器件的安装23

3.1PCB板的制作流程介绍23

3.2打印PCB图，热转印，腐蚀，钻孔，完成PCB板的制作。

23

3.3安装元器件23

四调试分析与性能测试24

五心得体会25

六元件清单26

一串联型直流稳压电源整体简介

1.1制作串联型稳压电源的目的要求

一、基本目的

此次工程训练选择使用分立式元器件构成串联反馈型直流稳压电源。

学生通过实训了解相关分立式元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源的工作原理、原理图的设计和参数的计算、元器件的选用、计算机软件实现硬件的仿真、PCB板的设计、电路的安装和调试，最后完成达到技术指标要求的标准产品。

二、基本要求

1、依据性能指标和器件状况，设计稳压电源电子电路，并计算器件参数确定选择器件。

（含散热设计）；

2、以本工程训练为实例先学习AltiumDesigner基本知识，并运用其绘制电源sch原理图和PCB图；

3、学习Proteus知识，对本电源电路进行仿真，最终确定sch和pcb图；

4、掌握电子电路板制作的全过程，实现电源的制作；

5、测量电源相关各项技术指标，完成系统调试。

1.2基本知识介绍

一、电源变压器知识

1．初级PrimaryWinding：

是指电源变压器的电源输入端。

2．次级SecondaryWinding：

是指电源变压器的输出端。

3．额定输入电压U：

是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。

对GS变压器来说，U＝230V；对BS变压器来说，U＝240V。

4．空载电流I：

是指电源变压器的初级接上额定输入电压U而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。

I与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其I也可能不同。

5．空载电压U：

是指变压器初级接受上额定输入电压U次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。

U与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其U也可能不同。

6．负载电流I：

是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，流过负载的电流。

7．负载电压U：

是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，负载两端的电压。

8．定输出功率P：

是指变压器在额定输入电压U时的输出功率，它表示变压器传送能量的大小。

一般来说，在相同频率下，P越大，变压器的尺寸越大；P相同，即使输出电压U不同，变压器的尺寸也相同，即变压器的价格也应相差无几。

由公式PU*I可知若输出功率P一定，若输出电压U越高，则输出电流I越低。

举例来说，一个输出功率P10VA的变压器，若输出电压U24V，则输出电流IP/U10VA/24V＝0.416A；若U12V，则输出电流I0.833A。

电源变压器：

将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。

变压器副边与原边的功率比为P2/P1η，式中η是变压器的效率。

副边功率P/vA〈1010-3030-8080-200效率η0.60.70.80.85

对于本次工程训练对电源变压器的要求主要为次级空载电压大小，额定输出功率，变压器的额定容量，所以在本次工程训练中选择的是小型单相式变压器，有四组输出线分别为7V、10V、17V、10V。

可根据具体功率及计算要求选择。

二、整流电路

1、半波整流电路

由以上图可知，半波整流电路的利用率低，一般不采用。

2、全波整流电路

由于变压器副线圈的接线较复杂，在实际中叶一般不采用。

3、桥式整流电路

电路工作原理:

利用二极管正向导通反向截止的工作原理,当U2为正半周时二极管D1、D3导通,D2\D4截止当U2为负半周时二极管D2、D4导通,D1、D3截止。

而流过负载的电流的方向是一致的,在负载形成单方向的全波脉动电压。

.从而实现将交流的电压变为直流电压.主要参数：

Uo0.9*Ui脉动系数:

S0.67选管原则:

If≥1/2IoUr≥?

1.414U2结构简单性能优越，绝大多数整流电路采用桥式整流电路，所以本次工程训练采用桥式整流。

三、滤波电路

滤波电路主要有：

电容滤波、RC-∏型滤波、LV-∏型滤波、L滤波，LC滤波，其中LC滤波电路在负载电流较大或较小时，均有较佳的滤波特性，故LC滤波对负载的适应性最强，整流管的冲击电流小，特别适用在电流变化较大的场合，所以本电路采用LC滤波电路，

LC滤波波形

电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。

从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用,再并上一个电容,利用电容的充放电作用,使得负载电流较大时或较小时均有较佳的滤波能力.主要参数:

LC滤波电路的直流输出电压,如忽略电感上的压降,则输出直流电压等于全波整流的输出电压,则有?

Uo0.9U2

四、串联型稳压电路

稳压电路：

它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。

它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。

稳压电路的主要指标：

1．稳压电路的主要指标稳压系数Sr和稳压电路的输出电阻

稳压系数Sr：

稳压系数是在有负载固定不变的前提下，输出电压的相对变化量△Uo/Uo与稳压电路输入电压相对变化量△Ui/Ui之比，即：

该指标反映了电网波动对输出电压的影响。

此外稳压电路输入电压Usc就是整流滤波以后的直流电压。

2．稳压电路的输出电阻?

输出电阻可以衡量稳压电路受载电阻的影响程度,即：

除了上述两个指标外,有时还用其它指标:

电压调整率，指当电网电压（u2）变化10%时，输出电压的相对变化量；电流调整率，指当输出电流Io从零到最大时，输出电压的相对变化；最大波纹电压，反映在输出端存在的HZ或者100Hz交流分量，通常以有效值或峰―峰值表示；温度系数，指电网电压和负载都不变时，由于温度变化面引起的输出电压漂移等。

?

直流稳压电路的类型很多，有：

硅稳压管稳压电路、串联某型稳压电路、集成稳压电路，开关稳夺电路，其中集成稳压电路相对于其它类型的稳夺电路来讲具有体积小、稳定性高、输出电阻小、温度性能好、使用方便、外围元件少等优点，在实际应用中得到广泛应用。

集成稳压器有两种：

输出固定电压和可调输出电压的稳压块。

1.3主要元器件简介

一、三极管：

（1）、9013NPN低频放大40V－50V0.5A0.625W150MHZhFE：

100～1000放大倍数分段可选

（2）、9012PNP50V500mA600mW低频管放大倍数30-90

（3）、大功率三极管2SC2563NPN通用参数：

8.0A/120V

二、常用整流二极管参数

IN5399耐压1000V1.5A

1N4007硅整流二极管1000V,1A,

1N4735A1W6.2V稳压管

1N4727A1W3V稳压管

三、芯片

1、数显部分芯片：

ICL710731/2位双积分型A/D转换器，主要参数：

电源电压ICL7107V+toGND6V

温度范围0℃to70℃

ICL7107V-toGND-9V

热电阻PDIP封装qJA℃/W50

MQFP封装80

模拟输入电压V+toV-最大结温150℃

参考输入电压V+toV-最高储存温度范围-65℃to150℃

时钟输入GNDtoV+

2、7805芯片输出5V电压具体参数见集成电路查询网

四、电磁继电器

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

二分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与计算

2.1串稳压电路原理

当电网电压降低或负载电阻减小而使输出端电压有所降低时，其取样电压UB2相应减小，T2基极电位降低。

但因T2发射极电位既稳压管的稳定Uz保持不变，所以发射极电压UBE2减小，导致T2集电极电流减小而集电极电位Uc2升高，由于放大管T2的集电极与调整管T1的基极接在一起，故T1基极电位升高，导致集电极电流增大而管压降UCE1减小。

因为T1与RL串联，所以，输出电压Uo基本不变。

同理，当电网电压或负载发生变化引起输出电压Uo增大时，通过取样、比较放大、调整等过程，将使调整管的管压降UCE1增加，结果抑制了输出端电压的增大，输出电压仍基本保持不变。

调节电位器Rp，可对输出电压进行微调。

从图可见，调整管T1与负载电阻RL组成的是射极输出电路，所以具有稳定输出电压的特点。

在串联型稳压电源电路的工作过程中，要求调整管始终处在放大状况。

通过调整管的电流等于负载电流，因此必须选用适当的大功率管作调整管，并按规定安装散热装置。

为了防止短路或长期过载烧坏调整管，在直流稳压器中一般还设有短路保护和过载保护等电路。

2.2实验设计原理图

2.3电路整体结构的设计与各部分相关参数的计算

直流稳压电源电路可分为以下几个模块：

变压器（220V50Hz）→整流→滤波→稳压电路（反馈调整、取样电路）→稳定直流

一、整流电路

1、整流输出电压平均值：

（Uo）

Uo1/2ρ∫02ρuodwt0.9U2

、脉动系数S

S定义为：

整流输出电压的基波峰值Uom与平均值Uo的比值。

所以，经计算知S2/3≈0.67

二、滤波电路

RLC愈大→电容放电越慢→Uo越大一般取

tdRLC≥3~5T/2T:

电源电压的周期

近似估算：

Uo1.2U2

三、稳压输出电路部分相关参数的计算

可分析得知该电路具有稳压功能。

对应原理图看有一个档位：

UQ5b（R1+R4）Uo/R1+R4+R8

所以,输出最小：

UoR1+R4+R8UQ5b/R4+R8负载上的平均电流：

IL0.9U2/RL

2

输出最大：

UoR1+R4+R8UQ5b/R5

2.4电路选择

根据所给的电路性能指标，初选直流稳压电源设计原理图如下：

变压部分

这一部分主要计算变压器B1次级输出电压（UB1）O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。

整流输出电压最大值为15V。

根据第二章《常用整流滤波电路计算表》可知，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

（UB1）OMIN＝（2V＋3V＋15V）÷1.2＝20V÷1.2＝16.67V

则变压器B1次级额定电压为：

（UB1）O＝（UB1）OMIN÷0.9

（UB1）O＝16.67V÷0.9＝18.5V

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）为500mA。

此时变压器次级电压（UB1）O为：

（UB1）O＝（UB1）O×1.1

（UB1）O＝18.5V×1.1＝20.35V

变压器B1的设计功率为：

PB1＝（UB1）O×（IO）

PB1＝20.35V×500mA＝10.2VA

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18.5V，额定功率为12VA。

实际购买零件时如果没有输出电压为18.5V的变压器可以选用输出电压为18V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。

整流部分

这一部分主要计算整流管的最大电流（ID1）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。

根据第二章《常用整流滤波电路计算表》可知，整流管D1的最大整流电流为：

（ID1）＝0.5×IO

（ID1）＝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（ID1）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）O＝1.414×1.1×（UB1）O≈1.555×（UB1）O

（VD1）RM≈1.555×18.5V≈29V

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。

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。

根据根据第二章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。

当最不利的情况下，即输出电压为15V，负载电流为500mA时：

C1＝5×0.5×T÷（UO÷IO）

C1＝5×0.5×0.02S÷（15V÷0.5A）≈1666μF

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）O＝20.35V

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25V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。

调整部分

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）O＝20.35V

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＝500mA

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600mA。

这样大允许集电极耗散功率（PT1）CM为：

（PT1）CM＝（（UB1）O－UOMIN）×（IT1）CM

（PT1）CM＝（20.35V-6V）×600mA＝8.61W

考虑到留有一定余量，可取（PT1）CM为10W。

查询晶体管参数手册后选择3DD155A作为调整管T1。

该管参数为：

PCM＝20W，ICM＝1A，BVCEO≥50V，完全可以满足要求。

如果实在无法找到3DD155A也可以考虑用3DD15A代替，该管参数为：

PCM＝50W，ICM＝5A，BVCEO≥60V。

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）O＝20.35V

同样考虑到留有一定余量，取（BVT2）CEO为25V。

（IT2）CM＝（IT1）CM÷βT1

（IT2）CM＝600mA÷40＝15mA

（PT2）CM＝（（UB1）O－UOMIN）×（IT2）CM

（PT2）CM＝（20.35V－6V）×15mA＝0.21525W

考虑到留有一定余量，可取（PT2）CM为250mW。

查询晶体管参数手册后选择3GD6D作为调整管T2。

该管参数为：

PCM＝500mW，ICM＝20mA，BVCEO≥30V，完全可以满足要求。

还可以采用9014作为调整管T2，该管参数为：

PCM＝450mW，ICM＝100mA，BVCEO≥45V，也可以满足要求。

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）＝（IT2）CM÷βT1＝15mA÷80＝0.1875mA

基准电源部分

基准电源部分主要计算稳压管D5和限流电阻R2的参数。

稳压管D5的稳压值应该小于最小输出电压UOMIN，但是也不能过小，否则会影响稳定度。

这里选择稳压值为3V的2CW51，该型稳压管的最大工作电流为71mA，最大功耗为250mW。

为保证稳定度，稳压管的工作电流ID5应该尽量选择大一些。

而其工作电流ID5＝（IT3）CE＋IR2，由于（IT3）CE在工作中是变化值，为保证稳定度取IR2＞＞（IT3）CE，则ID5≈IR2。

这里初步确定IR2MIN＝8mA，则R2为：

R2＝（UOMIN－UD5）÷IR2MIN

R2＝（6V－3V）÷8mA＝375Ω

实际选择时可取R2为390Ω

当输出电压UO最高时，IR2为：

IR2＝UO÷R2

IR2＝15V÷390≈38.46mA

这时的电流IR2小于稳压管D5的最大工作电流，可见选择的稳压管能够安全工作。

取样部分

取样部分主要计算取样电阻R3、R4、R5的阻值。

输出电压：

Ub3（R4＋R5）÷（R3＋R4＋R5）×UO

UOMIN（R3＋R4＋R5）÷（R4＋R5）×Ub3

Ub3MINR5÷（R3＋R4＋R5）×UO

UO（R3＋R4＋R5）÷R5×Ub3MIN

其中Ub3UD5＋（UT3）BE

即可根据电阻的取值求出UO的范围

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＞＞IR3。

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IR3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＝10mA。

则可得：

（1）当输出电压的档位为3~8V时，UD52V

变压器B1次级输出电压即UIMIN应该是：

UIMIN（UD5＋（UT3）BE+UO）÷1.2

（2V+3V+8V）÷1.2

10V

R3＋R4＋R5＝UOMIN÷IR3MIN

R3＋R4＋R5＝3V÷10mA＝300Ω

当输出电压UO＝3V时：

UD5＋（UT3）BE＝（R4＋R5）÷（R3＋R4＋R5）×UO

（R4＋R5）＝（UD5＋（UT3）BE）×（R3＋R4＋R5）÷UO

（R4＋R5）＝（2V＋0.7V）×300Ω÷3V＝270Ω

当输出电压UO＝8V时：

UD5＋（UT3）BE＝R5÷（R3＋R4＋R5）×UO

R5＝（UD5＋（UT3）BE）×（R3＋R4＋R5）÷UO

R5＝（2V＋0.7V）×300Ω÷8V＝100Ω

实际选择时可取R5为470Ω。

R3为430Ω。

但实际选择时可取R3为220Ω。

2当输出电压的档位为8~15V时，UD56.2V

变压器B1次级输出电压即UIMIN应该是：

UIMIN（UD5＋（UT3）BE+UO）÷1.2

（2V+3V+15V）÷1.2

17V

同理可计算出R3120Ω，R5240Ω

放大部分

放大部分主要是计算限流电阻R1和比较放大管T3的参数。

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）CEO。

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是由限流电阻R1控制，并且有：

IR1＝（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IR1＞（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IR1为1mA，当输出电压最小时，则R1为：

R1＝（（UB1）O－UO－（UT1）BE－（UT2）BE）÷IR1

R1＝（15V－6V－0.7V－0.7V）÷1mA＝7.6KΩ

实际选择时可取R1为7.5KΩ。

当输出电压最大时，IR1为：

IR1＝（（UB1）O－UO－（UT1）BE－（UT2）BE）÷R1

IR1＝（15V－6V－0.7V－0.7V）÷7.5KΩ≈1.013mA

可见当输出电压最大时IR1上升幅度仅1％，对T3工作点影响不大，可满足要求。

由于放电电路的电流并不大，各项电压也都小于调整电路，可以直接选用3GD6D或9014作为放大管T3。

通过前面的计算，已经得到了所有元件的参数。

可以将这些参数标注到图4－3－1中，这样就