串联型直流稳压电源.docx
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串联型直流稳压电源
串联型直流稳压电源
一、设计任务与要求
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,稳压系数Sr≤5%,电网电压波动正负10%。
任务:
1、了解带有放大环节串联型稳压电路的组成和工作原理;
2、识图放大环节串联型稳压电路的电路图;
3、仿真电路并选取元件;
4、安装调试带有放大环节串联型稳压电路;
5、用仪器仪表对电路调试和测量相关参数;
6、撰写设计报告、调试
二、电路原理分析与方案设计
采用变压器、二极管、集成运放,电阻、稳压管、三极管等元器件。
220V的交流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。
1、方案比较
方案一:
用晶体管和集成运放组成的基本串联型直流稳压电源
方案二:
用晶体管和集成运放组成的具有保护环节的串联型直流稳压电源
方案三:
用晶体管和集成运放组成的实用串联型直流稳压电源
可行性分析:
上面三种方案中,方案一最简单,但功能也最少,没有保护电路和比较放大电路,因而不够实用,故抛弃方案一;方案三功能最强大,但是由于实验室条件和经济成本的限制,我们也抛弃方案三,因为它是牺牲了成本来换取方便。
所以从简单、合理、可靠、经济从简单而且便于购买的前提出发,我们选择方案二为我们最终的设计方案。
2、整体电路框图
3、单元电路设计及参数计算、元器件选择
交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流
电,其方框图及各电路的输出波形如图所示,下面就个部分的作用加以介绍。
1)电源变压器
直流电源的输入为220V的电网电压,一般情况下,所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大,因而需要通过电源变压器降压后,再对交流电压处理。
变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。
根据经验,稳压电路的输入电压一般选取
。
所以选择15V10W的变压器。
2)整流电路
为了将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压,还需要通过整流电路。
查阅资料可知单相整流电路有半波整流电路、单相桥式整流电路(全波整流电路)。
单相桥式整流电路和半波整流电路相比,在相同的变压器副边电压下,对二极管的参数要求一样,并且还具有输出电压高,变压器利用率高、脉动系数小等优点。
所以在电路中采用单相桥式整流电路,如图所示:
主要参数:
输出电压平均值
:
负载电阻上电压的平均值
输出电流平均值
:
负载电阻上电流的平均值
整流输出电压的脉动系数S:
整流输出电压的基波峰值
与输出电压平均值
之比,因而S愈大,脉动愈大。
二级管的选择:
考虑到电网电压波动范围为±10%,整流二极管的极限参数最高反向工作电压和最大整流平均电流应满足:
所以选择>1.1××15≈23V,
3)滤波电路
整流后的电压仍含有较大交流分量,会影响负载电路的正常工作。
所以为了减小电压的脉动,需通过低通滤波电路,使输出电压平滑。
理想情况下,应将交流分量全部滤掉,使输出电压仅为直流电压。
查阅资料可知滤波电路有电容滤波、电感滤波电路和复式滤波电路三种,其中复式滤波电路的效果最好,所以在电路中采用RCπ型的复式滤波电路,如图所示:
C越大,R越大,τ放电将越大,曲线越平滑,脉动越小。
所以C选择2mF。
4)稳压电路
交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压,但是当电网电压波动或负载变化时,其平均值也随之变化。
稳压电路的功能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。
由于经济成本、元件购买及仿真软件的限制,稳压电路只采取一个具有放大环节的基本串联型稳压电路加一个截流型过流保护电路。
a稳压原理:
若由于某种原因使UO增大,则UO↑→UN↑→UB↓→UO↓
b输出电压的调节范围:
故Uz≤6V,取Uz=4.3V,R1=240Ω,R2=1000Ω,R3=989Ω,则4.82V≤Uz≤9.69V
c串联型稳压电路的基本组成部分及其作用:
调整管:
是电路的核心,UCE随UI和负载产生变化以稳定Uo。
基准电压:
是Uo的参考电压。
采样电阻:
对Uo的采样,与基准电压共同决定Uo。
比较放大:
将Uo的采样电压与基准电压比较后放大,决定电路的稳压性能。
d串联型稳压电源中调整管的选择:
根据极限参数ICM、U(BR)CEO、PCM选择调整管!
e限流电阻的选择:
保证稳压管既稳压又不损坏。
电网电压最低且负载电流最大时,稳压管的电流最小。
电网电压最高且负载电流最小时,稳压管的电流最大。
4、电路总图
5、元件清单
元件类型
元件序号
型号
封装形式
主要参数
数量
花费
变压器
T1
NON_LINEAR_TRANSFORMER,NLT_PQ_4_10
Generic\XFMR_4PIN
15V,10W
1个
14元
集成运算放大器
U1
LM741(OPAMP,LM324AD)
IPC-7351\CASE751A
1个
1.5元
稳压管
D1
ZENER,1N4731A
IPC-2221A/2222\DO-41
Iz=58mA
1个
0.3元
二极管
D2
IN4007(FWB,1B4B42)
IPC-2221A/2222\12-7A2A
4个
0.4元
三极管
Q1,
TIP41C(BJT_NPN,TIP41A)
Generic\TO-220AB
Vceo=60V
Vcbo=60V
Ic(max)=6A
hFE=15-75
Pd=65mW
1个
2元
Q2
S9013H200(BJT_NPN,TIP41A)
ICM=0.5A,PCM=0.625W,V(BR)CEO=25V
1个
0.1元
电解电容
C1
1000μF,25V
2个
0.8元
C3
1μF,50V
1个
0.2元
电阻
R2
1KΩ
1个
0.3元
R3
1Ω
3个
R6
989Ω
1个
R7
240Ω
1个
电位器
R1
B1KWL
1KΩ
1个
1元
电源线
1条
2元
鳄鱼夹
2个
1元
共22
共23.6元
备注:
由于没有2mF的电容和1.5Ω的电阻,故C1用两个1000μF并联成2000μF;R3用两个1Ω电阻并联后串联一个1Ω电阻成1.5Ω
三、电路仿真过程及结果
1、稳压电源的技术指标分为两种:
一种是特性指标,包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等;另一种是质量指标,用来衡量输出直流电压的稳定程度,包括稳压系数(或电压调整率)、输出电阻(或电流调整率)、纹波电压(纹波系数)及温度系数。
(1)稳压系数:
在负载电流、环境温度不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化,即
电压调整率:
输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量,稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响,因此只需测试其中之一即可。
(2)输出电阻及电流调整率
输出电阻与放大器的输出电阻相同,其值为当输入电压不变时,输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值.电流调整率:
输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。
输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响,因此也只需测试其中之一即可。
(3)纹波电压:
叠加在输出电压上的交流电压分量。
用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。
也可用交流毫伏表测量其有效值,但因纹波不是正弦波,所以有一定的误差。
2、仿真内容
完成下表。
6V档
9V档
参数名称
符号
测量条件
测量条件
稳压系数
Io=150mA,
Io=150mA,
输出电阻
纹波电压
3、仿真结果
表16V档稳压系数仿真结果
输入直流电压
负载电阻
直流电压表
输出电流
稳压系数
UI/V
RL/Ω
Uo/V
Io/mA
/%
7
40
4.744
118.604
8
40
5.700
142.490
9
40
5.956
148.906
10
40
5.963
149.085
0.50
11
5.969
149.236
12
5.975
149.368
13.5
5.982
149.539
15
5.987
149.686
16.5
5.993
149.815
18
5.997
149.929
25
6.014
150.348
30
6.023
150.577
33
40
6.028
150.696
表26V档输出电阻仿真结果
输入直流电压
负载电阻
直流电压表读数
输出电流
输出电阻
UI/V
RL/Ω
Uo/V
Io/mA
Ro/Ω
15
12
5.175
431.270
15
13
5.604
431.051
1
14
5.987
427.644
15
5.987
399.136
18
5.987
332.615
21
5.987
285.100
43
5.987
139.241
49
5.987
122.189
55
5.987
108.58
60
5.987
99.785
100
5.987
59.871
120
5.987
49.892
15
200
5.987
29.935
表39V档稳压系数仿真结果
输入直流电压
负载电阻
直流电压表
输出电流
稳压系数
UI/V
RL/Ω
Uo/V
Io/mA
/%
10
60
7.723
128.723
12
60
8.950
149.174
0.54
13
8.957
149.289
14
8.964
149.393
15
8.969
149.487
16
8.974
149.574
18
8.984
149.727
21
8.995
149.923
25
9.008
150.139
30
9.022
150.362
表49V档输出电阻仿真结果
输入直流电压
负载电阻
直流电压表
输出电流
输出电阻
UI/V
RL/Ω
Uo/V
Io/mA
Ro/Ω
15
18
7.739
429.957
15
20
8.590
429.519
1
22
8.969
407.689
24
8.969
373.717
26
8.969
344.970
35
8.969
256.264
50
8.969
179.385
60
8.969
149.487
65
8.969
137.988
100
8.969
89.692
120
8.969
74.744
15
200
8.969
44.846
6V档的纹波电压正向幅度572.916μV,负向幅度为606.784μV,相差1.180mV
9V档的纹波电压正向幅度928.499μV,负向幅度为919.433μV,相差1.848mV
可调电压范围:
4.79V≤Uo≤9.63V
四、电路调试过程与结果:
项目
理论数据
实测数据
误差原因分析
可调电压范围
4.82V≤Uz≤9.69V
4.78V≤Uo≤9.18V
电阻元件参数的分散性
五、心得体会
本次课程设计令我受益匪浅,我更加充分的理解了课本上的知识,很多平时模棱两可的知识点都认真复习并实践了。
我对电子电路设计提升了认识,我意识到我们所学的东西将来都是要付诸实践的,所以一切要从实际情况出发,理论联系实际,这样才能真正发挥我们所具备的能力。
在这次课程设计中,我明白了课程设计的任务一般是设计、组装并调试一个简单的电子电路装置。
需要我们综合运用“电子技术基础”课程的知识,通过调查研究、查阅资料、方案论证与选定;设计和选取电路和元器件;组装和调试电路,测试指标及分析讨论,完成设计任务。
在这次课程设计中,我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。
动手能力得到很大的提高。
从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的模电知识。
在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。
但由于电路比较简单、定型,不是真实的生产、科研任务,所以我们基本上能有章可循,完成起来并不困难。
把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步和工程估算、实验调整等手段结合起来,掌握工程设计的步骤和方法,了解科学实验的程序和实施方法。
这对今后从事技术工作无疑是个启蒙训练。
通过这种综合训练,我们可以掌握电路设计的基本方法,提高动手组织实验的基本技能,培养分析解决电路问题的实际本领,为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。
[参考文献]
1、童诗白、华成英,《模拟电子技术基础》
2、康华光,《电子技术基础》模拟部分
3、赵淑范王宪伟,《电子技术实验与课程设计》
六、附录
- 配套讲稿:
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- 串联 直流 稳压电源