串联式稳压电源设计报告2综述.docx

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串联式稳压电源设计报告2综述

《模拟电子技术》课程设计报告

设计题目：

串联式稳压电源设计

姓名：

学号：

班级：

同组姓名：

指导老师：

成绩：

设计时间：

2013年1月8日

摘要

电路都需要电源，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，再经变压、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。

首先介绍了变压器的基本工作原理及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，系统地介绍了一些在本次实训中要用到的元器件。

同时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。

在完成该电路理论地设计与计算之后，我们又全面学习了Protel和AltiumDesigner两个在电子电路设计与制作中必须熟知的两个软件。

最后，安装元器件，焊接，调试，分析，测试性能验收。

一设计目的与要求

1.2设计目的…………………………………………………………3

1.2设计要求…………………………………………………………3

二设计方案与论证

2.1设计方案一………………………………………………………3

2.2设计方案二………………………………………………………3

2.3设计方案三………………………………………………………3

三单元电路与参数计算

3.1变压器选取………………………………………………………4

3.2整流电路…………………………………………………………4

3.3滤波电路…………………………………………………………4

3.4稳压电路…………………………………………………………5

3.5比较电路和放大电路……………………………………………5

3.6调整电路…………………………………………………………6

3.7保护电路…………………………………………………………7

3.8采样电路…………………………………………………………7

四AltiumDesigner软件的介绍与使用

4.1AltiumDesigner绘制原理图……………………………………8

五焊接、调试分析与性能测试……………………………………………14

六结论与心得体会…………………………………………………………14

七参考文献…………………………………………………………………14

一设计目的与要求

1.1设计目的

1．学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

2．学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。

3．培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

4熟悉元器件的引脚及结构。

5.掌握焊接技术及其接线方法。

6.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设计要求

1.本次课程设计，老师只给出了大致的设计要求，我们可以有所发挥，但设计方案要凝结可行、思路独特、效果良好。

2.题目具体要求

输出电压可以在5—12v连续调节，输出电流0-200mA。

要求市电电压波动范围为AC220V±10%，在负载电流大范围波动时输出电压波动<1%。

二设计方案与论证

方案一：

由于市面上有很多性能优良的稳压电源，如30V稳压电源，所以可以购买一个，然后接一个大功率滑动变阻器，其输出端可以视为一个线性稳压电源，可以基本达到题目要求。

但由于此方案过多的依赖于购买的稳压电源，而且输出端不能很好的起到稳压的作用，故此方案舍弃，提出方案二。

方案二：

采用变压器变压，电容滤波，稳压管稳压，滑动变阻器调压构成的系统来实现串联式稳压电源设计。

此方案能基本满足题目要求，电路图如下所示。

但由于稳压管不能很好的满足题意，而且此电路没有保护措施，故舍弃，提出方案三。

方案三：

经过我们的苦思冥想，终于有了一个优良的方案，使用变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、比较电路、基本放大电路、调整电路、保护电路，还有采样电路这九个部分组成。

其中滤波电路有两处用到，一个是在整流电路后，另一个是在输出前。

其电路图如下：

三单元电路与参数计算

3.1变压器选取

在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。

单相交流电首先经过变压器变成低压的交变电压。

根据要求要输出5~12V稳定可调的电压，考虑到其他因素（例如调整管上的压降和电压的小幅波动等），在此预留2V的余量。

所以在滤波后，即使市电电压达到最低时，应有14V电压。

根据计算变压器副边至少要输出11V的电压，如果选用副边输出为12V的变压器，那么当市电波动到最小的时候副边为10.8V，不够11V。

故在此选二次边输出15V的变压器。

其输出最大功率为

P=UI=15×0.2=3W

所以选择15V/220V5W的变压器。

3.2整流电路

在经过一个单相桥式整流，其电路组成为四只二极管，其构成原则就是保证在变压器副边电压u2的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。

其工作原理是无论交变电压来的是正半周还是负半周，都只用两个管子（一对桥臂上的两个二极管）导通，即整成直流

波形。

故选择4支IN4001构成整流桥。

3.3滤波电路

滤波电路是由两个部分组成一个是接在整流电路后的另一个是在输出前加的，在这里我们一并说明。

首先，在整流电路后的滤波电路有两个电容组成的，两个都是耐压值为25V1000μ的电解电容（C1C3），另一个是普通的103电容（C2C4）。

如右图所示：

关于C1的选择：

首要的是电容大小的选择。

等效电阻应为最大输出电压比最大输出电流，即60Ω。

那么，C1的选择应为

故选择1000μ的电容。

虽然这两个滤波电路一前一后，但是其工作原理是一样的。

首先电解电容是有正负极的，它就是利用电容充放电的原理把波形变得平滑。

考虑到市电的波动后电解电容（C1C3）其耐压值为

故选耐压值为25V的电解电容。

在此特别说明电容的耐压值理论上是越高越好，但是一般在耐压值附近其容抗才能够达到给定的参数值。

而电容103（C2C4）是为了滤掉纹波才加上的。

3.4基准电压电路

在此次设计中必不可少的一部分就是要有一个基准电压电路为后面的差动放大提供一个基准的电压。

如左图所示：

它也可以叫稳压管稳压电路在此次设计中用一个红色发光二极管来代替稳压管。

这是因为由于本电路中的电流都很小，稳压管很难工作在稳压区，不过在实际测量后我们发现红光管在电流超过5mA时稳压效果不错，同时还兼顾了电源指示灯的作用在试验中测得其导通后电流在5mA~10mA时电压将会稳定在2V左右。

由于有了这些参数他也有利于计算限流电阻的值。

其上限和下限分别为

电流I是下一步差动放大的基极电流，因为其值很小所以在这里我们忽略不计。

故此部分选择R=3kΩ的电阻.。

3.5比较电路和放大电路

比较放大电路是连接在基准电压电路后面的，为了实现电压可调固在电路中引入了放大环节，加深电压负反馈以提高输出电压的稳定性,并且还抑制了温度的漂移。

如右图所示。

由于在此对精度的要求不高，又从经济的角度上考虑后在此用一个长尾式差分放大电路来实现。

控制流过T2的电流为1mA。

R2上端的电位（滤波后）波动应为16V~21V，故R2取20KΩ。

三极管选择两个9013的NPN管子。

首先三极管工作必要有一个合适的静态工作点Q。

在此滤波后电压V=20V，U=0.7V，R=20KΩ，U尽量选在中间即10V。

3.6调整电路

在本电路中调整管是保证电路安全工作的核心元件，它是由一个大功率管（T4）和一个普通的NPN管子（T3）组成的复合管。

这是因为流过集电极和发射极的电流可能很大，

一般管子承受不了这么大的电流故选用一个大功率管。

其基极接在差动放大电路的集电极上，

由于差动的集电极上电流过大，用万用表测量后发现T4的β值为75，如果不用复合管至于那个单管，那么，当输出电流为最大200mA时，基极电流应为3mA左右，显然这里不能有3mA基极的电流，故此用复合管对β进行补偿，这样以后基极电流就可以小到缪安级了。

而集电极接在滤波电路的后面，射极接上采样电路后从射极输出构成电压跟随，这样有利于对电压的稳定。

至于调整管的管功耗，当输出5V200mA时，滤波后的电位器既调整管集电极的电位正常应为19V，那么，管压降应为14V，功率应为

P=UI=14×0.2=2.8W

所以本电路的管功耗最多为2.8W。

3.7保护电路

由于此电路的精度不高稳定性也相对较差所以在调整管的射极后加上一个过流保护。

如果电路正常工作时T5管子是不导通的，因为PN结上没有0.7V的电压，而R4阻值又太小可以忽略不计，也就相当于没有这个保护电路。

但是当某种原因使得调整管的射极电流突然增大，使得R4上的压降达到0.7V后T5管子导通。

如果把保护电流设在250mA，那么

故R4取2.7Ω。

基极和集电极又是反相的关系，既基极电位上升，导致集电极电位下降，从而使得调整管的基极电位下降于是抑制了电流的持续增大，这样就保护了电路里的元器件。

也就相当于对调整管引入了一个负反馈。

不仅限制了电流，同时还顺便控制了温度。

关于R4的选择，由于这里电流可能过大故选取一个大功率的电阻，并且阻值要小尽量少分压。

而T5就是一个普通的NPN管子。

3.8采样电路

采样电路是配合着差动放大和基准电压来实现电压的可调。

工作原理就是电位器的2号引脚上的电位和基准电压近似相等，通过基准电压值和调节电位器改变电位器2脚以下的电阻从而控制电流。

再利用电流在采样电路中几乎没有从电位器的2脚流走。

故可推断出整个采样电路的电压。

在这里我们假设电位器2脚的电位就是基准电压2V。

所以，当电位器滑动到最上端时，输出电压最小，为

当电位器滑动到最下端时，输出电压最大，为

经综合考虑后R、R和W1分别选5.6KΩ和1.5KΩ电阻和5KΩ的电位器。

这样选下来电压可调的理论范围在4V~16V。

故优于设计条件的5V~12V。

四AltiumDesigner软件的介绍与使用

4.1AltiumDesigner软件的介绍与使用

1.AltiumDesigner的概述

AltiumDesigner是业界第一款也是唯一完整的板级设计解决方案。

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AltiumDesigner6.0是两年之内的第六次更新，极大地增强了对高密板设计的支持，可用于高速数字信号设计，提供大量新功能和改进，改善了对复杂多层板卡的管理和导航，可将器件放置在PCB板的正反两面，处理高密度封装技术，如高密度引脚数量的球型网格阵列（BGAs）。

AltiumDesigner6.0中的BoardInsight（TM）系统把设计师的鼠标变成了交互式的数据挖掘工具。

BoardInsight集成了“警示”显示功能，可毫不费力地浏览和编辑设计中叠放的对象。

工程师可以专注于其目前的编辑任务，也可以完全进入目标区域内的任何其他对象，这增加了在密集、多层设计环境中的编辑速度。

AltiumDesigner6.0引入了强大的‘逃逸布线’引擎，尝试将每个定义的焊盘通过布线刚好引到BGA边界，这令对密集BGA类型封装的布线变的非常简单。

显著的节省了设计时间，设计师无需手动就可以完成在一大堆焊盘间将线连接这些器件的内部管脚。

AltiumDesigner6.0极大减少了带有大量管脚的器件封装在高密度板卡上设计的时间，简化了复杂板卡的设计导航功能，设计师可以有效处理高速差分信号，尤其对大规模可编程器件上的大量LVDS资源。

AltiumDesigner6.0充分利用可得到的板卡空间和现代封装技术，以更有效的设计流程和更低的制造成本缩短上市时间。

二、AltiumDesigner在本电路中的具体应用

1、新建原理图

2、绘制原理图

（1）选择元器件

（2）放置并连接元器件

（3）原理图中添加封装

4、由原理图导成PCB图

（1）新建PCB工程

（2）绘制PCB板的区域大小

（3）将原理图文件拖入PCB工程

（4）将原理图导入PCB

（5）设置线宽规则，自动布线

五焊接、调试分析与性能测试

原理图做好后，下一步就是焊接了。

1.首先在通用板上布局好各元器件的焊接位置。

我们拿出器材，预热电烙铁，将元器件按原理图整齐有序的插入到万用板上面，为了让它更美观，我们进行了几次大的调整，多次微调，最终敲定了最后的布局。

2.然后，紧张而激动的我们开始了焊接。

我们很注意焊接顺序：

电阻、二极管、IC插座、三极管、电容器，逐一焊接。

先焊平面的，后焊立体的，原则是有利于焊接。

要求卧装水平、竖装垂直、相同元件等高。

3.焊接要点是最让我们头疼的：

我们将元件整形后插入对应位置，电路板平放在台面上，一手握烙铁对焊盘和引脚同时接触预热，另一手持焊锡丝与焊盘处烙铁接触，使锡丝熔化，当锡丝熔化一定量时（多了不好少了不行），立即将锡丝离去，烙铁继续保持少许时间，让焊锡围绕焊盘自由流动，形成一个完全覆盖焊盘的钟形（忌讳球形）焊点。

4.按照接线位置的要求，将连接线焊接到对应的插孔。

5.元件焊好后，将多余引脚剪掉，剪脚后的焊点露出引脚0.5-1mm，很美观。

6.焊接好了，线也剪了，再检查元件有无错焊、漏焊，引脚是否正确无误。

我用万用表按照原理图，逐个检查，逐个测试。

没有发现任何问题。

7.激动人心的时刻终于要到来了，我们接通了电源，指示灯亮，那时的我们高兴得不得了。

可是，当我用万用表测输出端的电压时，只有0.3V，我拼命的拧电位器，万用表上的示数始终是0.3，我赶紧拔下变压器插头，拿起万用表，再一次仔细地检查了起来。

终于。

一个致命的错误跳了出来，T1三极管的集电极C极没有接到“+”极端，我抄起电烙铁，拿起焊锡丝，一下就把T1管的集电极接到“+”极上去了。

通电，指示灯亮，一检测，电压变化范围为3.8V~15.2V，完全符合设计的要求。

8.仅仅这样还不够，我把电路板带到实验室，接上示波器，一道完美的直线定在那里，纹波电压只有200mV，这下完全达到要求了。

六结论与心得体会

经过2天的努力，我们终于完成了串联式直流稳压电源设计，电压稳定性较好，可供以后实验使用。

通过对本次的设计，增加了我们的动手实践能力。

我们在做这个电源的过程中，自主学习，与同学讨论合作显得非常重要，我们在网上找各种元器件的资料，整理资料，和同学一起讨论电源设计电路不足的地方，再对它进行改进，在这过程中我们体会到，在学习或在工作中自主学习与相互合作都是很重要。

这次课程设计使我们获得了更多的实践知识，平时在学习书本知识时，觉得难以理解，对元件的认识也是不太清楚的。

但经过这次的实物制作，我们认识了更加多的电子元器件，对书本知识有了更加实际的认识和理解，的确让我们收获不少。

平时对书本知识的学习我们只是记，却没有将知识结合实践和实物来理解，是一种理论的学习，在实践中会存在很大的问题。

但经过这次课程设计——串联式直流稳压电源设计与制作，让我们运用了书本的知识（电路、模电等），让我们将书本上的知识真正的运用到实践中，并且也制作出了产品。

另外此次课程设计让我们学到更多书本上没有的知识。

如在这次课程设计中也亲自动手制作了这电源，亲自实践制作了这个电源的全过程，也激发我们对于实践操作的兴趣！

但这次的课程设计也让我们知道书本知识是远远不够的，我们必须具备一定的自学能力。

电子行业知识更新换代是很快的，这就要求我们有更多更丰富的知识，所以我们不仅要掌握好书本知识，也要对其他资料的知识进行了解。

总的来说，课程设计让我们学到了很多东西，不仅让我们对知识理解加深，也加强了我们的动手能力，提高了我们理解能力；也学会了电子领域及其重要的两个软件，为我们后续课程及实训打下了良好的基础，更重要的是此次课程设计还让我们体会到学习的方法及实践动手能力的重要性，也培养了我们整个制作的兴趣！

七、参考文献：

[1]童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础[M].北京:

高等教育出版社，2006.

[2]迟钦河等.电子技能与实训，电子工业出版社

[3]陈大钦.电子技术基础实验（电子电路实验，设计，仿真），高等教育出版社

[4]刘润华，任旭虎编《电子技术实验与课程设计》

[5]罗先觉，《电路》第5版，高等教育出版社，2006.

[6]参考网站：

电子爱好者：