模电课程设计.docx
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模电课程设计
串联型直流稳压电源设计报告
一、设计课题:
串联型直流稳压电源
二、主要技术指标:
(1)输出直流电压:
Vo=1.5—9V,连续可调。
(2)输出直流电流:
Io=0—80mA。
(3)当输出为额定值Vo=4.5V时,输出最大功率:
Po≥0.36W。
(4)交流电源电压:
—220V±10%×220V。
(5)放大管具有恒流源负载。
(6)有过流保护电路,当Io≥100mA时,保护电路工作。
(7)内阻Ro﹤1欧姆。
(8)当输出为额定值Vo=4.5V时,S﹤0.01。
三、选择电路方案,进行论证
对各级电路进行计算,确定具体电路形式,选定元件参数,对主要指标校验核算。
四、组装电路,进行调试。
元件测试挑选,组装焊接,调试和测量电路性能指标。
经过实验,修改设计方案,直到达到指标要求为止。
五、按规范写出设计报告
六、实验仪器:
自耦变压器一台
低频毫伏表一台
示波器一台
万用表一块
滑线变阻器(或电阻箱)一台
实验原理:
常用的直流稳压电源有以下方案可供选择:
(1)硅稳压管并联式稳压电路。
这种电路结构简单,但输出电压固定,负载能力小。
(2)串联型直流稳压电源。
这种电路的输出电源稳定性,负载能力和可调性能都较好。
(3)三段集成稳压器。
这种电路的实质是第
(2)种电路的集成化和优化。
(4)串联或并联型稳压电源。
这种电路的最大优点是效率高,可达75%~90%。
(5)直流变换型电源。
这种电路可以把不稳定的直流高压变换为稳定的直流低压,更多情况是用于把不稳定的直流低压变换温稳定的直流高压,也就是实现DC-CD变换。
根据本课题的任务和技术指标要求,对系统效率未作要求,而对输出电流,电压调整率作出一定的要求,可选
(2)或(3)方案。
而方案
(2)更能锻炼学生理解问题的能力,所以选择
(2)方案为设计对象。
方案
(2)的原理及其原理图如下:
~220V
变压电路
滤波电路
稳压电路
直流电压
1.串联型稳压电源电路设计
(1)功能框设计
(1)变压部分通过变压器即可实现
(2)整流部分一般采用桥式整流,可采用4个整流二极管接成桥式,也可采用二极管整流桥堆。
(3)滤波部分在输出电流不大的情况下一般采用电容滤波即可。
(4)稳压部分由串联型稳压电路构成,采用恒流源电路作为放大管的集电极负载,并且采用了调整管过流保护电路,式稳压电路的性能得到提高。
(二)单元电路设计
1.整流滤波电路设计
(1)技术指标
①整流滤波电路的输出电压VO1=14V;
②输出负载电流I01>=110mA;
③交流电网电压~220V,50Hz。
(2)选择整流管和变压器次级电压有效值V2
①球变压器的次级电压的有效值
整流滤波电路有负载时的直流输出电压V01≈1.2V2,由此式可求的变压器次级电压的有效值V2为
V2=V01/1.2=14/1.2=11.67
②流过每管的平均电流为
ID=I01/2=110/2=55mA
则所选整流管的IDM>ID
③每个整流二极管承受的最大反向电压为
VRMAX=
V2=
×11.67=16.5
则所选整流管的VRM>VRMAX
④根据IDM>ID和VRM>VRMAX的要求,查表选择整流管的类型,可以知道选择4个4007的二极管。
(3)选择滤波电容C1
整流滤波电路的滤波电容C1可按下式求:
C1≥(3~5)T/2RL1
式中,T是交流电网电压的周期,RL1是整流滤波电路的负载电阻,T=1/f=1/50=0.02s,RL1=V01/I01=14/110mA=127
.可取
C1≥5T/2RL1=393.7uF;
因此,C1可以选择470uF;
(4)确定对直流变压器的要求
变压器次级电压有效值V2=V01/1.2,次级电流有效值I2=(1.1~3)IL,现在取
I2=1.5IL=165mA;
据V2和I2选用电源变压器
2.稳压电路设计
(1)稳压电路的工作原理
带有直流放大环节的串联型晶体管稳压电路的基本形式如图,这种稳压电路的稳压性能较好。
如图,T1为调整管,R1,R2组成取样电路,T2,RC组成比较放大器,RC既是T2的集电极负载,又是T1的偏置电阻;DZ,R3组成基准点压电路,提供基准电压V2,并利用DZ具有正温度系数的特性来补偿T2发射结电压的负温度系数,以减小直流放大器的零点漂移,R3为DZ的限流电阻。
比较放大器用来放大取样电压与基准电压相比较(想减)所得的信号,从而控制调整管C,E间电阻即改变调整管T1的管压降VCE1,达到稳压输出电压V0的目的。
这个稳压电路的主回路是调整管T1与负载RL相串联构成的,故称为串联式稳压电路
影响稳压电路输出电压V0稳定的主要因素是:
输出直流电压V1,输出电流I0和环境温度
当负载RL变化时:
RL↑→I0↓→V0↑→VB2↑→VC2↓→VB1↓→VCE1↑→V0↓
当电网电压变化引起V1变化时:
V1↑→V0↑→VB2↑→VC2↓→VB1↓→VCE1↑→V0↓
(2)具体稳压电路的设计
①选择输入电压V1
为保证复合调整管T1T2工作与放大区,需要一定的管压降VCE,故整流滤波电路的输出电压,既稳压电路的输入电压V1应大于稳压电路的输出电压V0和保护电路的取样电阻R5上的压降VR5之和。
二本稳压电路是输出可调的稳压电路,故负荷调整管得压降VCE在输出电压V0的变化范围之内始终应大于其饱和压降VCE和VCEO。
允许电压网有±10%的波动,因
此V1的最小值应满足:
VIMIN≥VOMAX+VCEMIN+VR5式中,VOMAX未稳压电路输出电压的最大值9V;VCEMIN为调整管的最小管压降;VR5为保护取样电阻R5上的压降。
又有VCEMIN≈VCE
T1,T2均为硅管,其VCE取1~3V,VR5=0.5V,则有VIMIN≥12.5V,VI=VIMIN/0.9=14V.即VIMIN=0.9VI,VIMAX=1.1VI
②选择整流管
1.选择复合调整管中的大功率管T1
流过T1的电流包括流过负载的电流I0和稳压电路本身小号的电流,过流保护是稳压电路的最大输出电流为100mA,则流过T1的最大电流为IC1MAX=100mA,T1的最大管压降发生在电网电压最高,输出V0最小,过载保护电路动作之前,即VCE1MAX=V1MAX-VOMIN
T1的最大管耗为PC1MAX=VCE1MAXIC1MAX
2.选择复合调整管中的小功率管T2
T2的选择原则与T1的选择原则相同。
则有IC2MAX=IB1MAX=IC1MAX/hfl,
VCE2MAX=14V,PC2MAX=VCE2MAXIC2MAX,由以上参数的极限可得,T2选择3DG高频小功能率管即可。
IB2MAX=IC2MAX/hfe2复合管T1,T2也可直接选用达林管
3.比较放大电路的计算
①D7的选择
比较放大管T3选用硅管NPN三极管,那么D7可选用硅二极管,当它正向导通时,两端电压约等于0.7V,此电压用来作基准电压源。
所以D7可选用3DG型三极管的发射结,其正向压降做基准电压源。
②比较放大管T3的选择
T3的管压降VCE3MAX=VOMAX+VBE1+VBE2-VD7,T2的IB2MAX为微安的数量级。
因为比较放大器是小信号放大电路,其静态集电极电流为毫安的数量级,此处可选IC3=1.5mA,则有:
PC3MAX=VCE3MAXIC3
T3可以选择3DG型的小功率管。
设T3的HFE3=50.
③恒流源电路的确定
恒流源电路由T4、D5、D6、R3和R4组成。
选T4
恒流源电路的集电极电流IC4应满足:
IC4=IB2MAX+IC3
T4可选择3CG型小功率管。
设HREF=50,IB4=IC4/HFE4
选D5、D6
D5、D6可用两只3DG型三极管的集电极代替,由于D5、D6通过R3导通后的正向压降具有稳压作用,故D5、D6导通后的正向压降之和为VD=1.2~1.4V是稳定的。
选R4
流过T4的电流IC4=(VD-VBE4)/R4,而IC4=IB2MAX+IC3,故可求得:
R4=(VD-VBE4)/IC4
选R3
流过R3的电流IR3≥10IB4,取毫安的数量级,则有
R3=(V1-VD-VD7)/IR3
④取样电路的确定
取样电路由R1、RW1和R2,流过取样支路的电流应大于比较放大管的基极电流,而在电源空载(Io=0)时,要有一定的电流流过T1,以保证T1的HFE1不至于太低。
一般取样支路的电流按输出电流IOMAX的2%左右选取。
当RW1动端调至最下端即RW1阻值最大时,Vo=9V时,则有
(R1//R2)+R2=VOMAX/(2%IOMAX)
取R2:
(R1//RW1)=1:
5;
⑤保护电路的确定
保护电路是由T5和R5组成的限流式保护电路,设保护管T5开始导通时的电压VBE=0.5V,I’omax=100mA时保护电路动作,故保护电路的取样电阻R5为
R5=Vbe/I’omax
R5可在调试时在确定其数值大小。
T5可选3DG型小功率管。
⑥C2、C3、C4的作用及选择
C2接复合调整管的基极和地之间,可选C2=0.033Uf,它的作用是使高频增益衰减而防止震荡的产生。
为了进一步减小稳压电路的动态输出电阻,可在稳压电路的输出端接一个大量的电容C4,本电路中C4=100uF25V。
C4还有滤波作用,而且可以防止负载中的交流成分流进调整管。
电容C3可以进一步减小输出波纹分量,而且可以防止寄生震荡。
本电路取C3=10uF25V
根据以上要求设计出来的元件清单:
名称及标号
型号及大小
数量
变压器
220V-12V
1
二极管
IN4007
7个
电容
电解电容
470uF
1个
100uF
1个
10uF
1个
陶瓷电容
103
1个
电阻
12K
1个
390
1个
700
1个
30K
1个
5.1
1个
可变电阻
10k
1个
三极管
9012
1个
3DG6
3个
3DG6
1个
根据以上要求设计出来的电路图
二、串联型直流稳压电源的调整和测试
1首先检查电路的元件是否有装配错误,特别应检查晶体管、二极管、二极管及电解电容等元件的极性有无接反。
再检查焊点有无漏焊、虚焊,特别应注意焊点之间或线路间有无短接,防止通电后由于某一部分的短路导致原器件损坏。
2空载检查
(1)检查整流滤波部分
把整流滤波部分和稳压部分断开,然后接通电源。
通电后,调节自耦变压器,使V1由小增大,测量Vo1,是否正常,当V1=220V时,VO1是否为设计值,如正常,测试下一步,如不正常,先排除故障再测试。
(2)检查稳压电路
把整流滤波部分和稳压部分联通,断开保护电路,然后接通电源,用万用表检查输出电压是否正常,调节RW1,输出电压应在1.5—9V之间连续可调,否则可适当更换电阻R1的阻值。
测量空载是电路的总电流,此电流应不小于10mA。
如无输出,则说明电路有故障,应排除故障后再继续调试。
3接通保护电路,在稳压电路输出端接假负载RL=56欧姆,可用滑线变阻器或电阻箱作假负载电阻。
将电流串联在负载回路中,电流表量程选在合适的位置。
(1)调Rw1,看输出电压是否随之变化,变化正常则说明电路工作正常,否则,先排除故障再调试。
(2)将输出电压调在额定值4.5V,然后改变Rl数值,使输出电流达到80mA,这时输出电压应基本不降低。
当输出电流升高到100mA后,过流保护电路工作,是输出电压逐渐降低,起到限流保护作用。
(3)将输入电压变化约5%或10%,这时输出电压应稳定在正常值。
如稳定不良,则应检查取样电路,基准电路,输入电压及调整管,比较放大器等各级电压。
比较放大器基极电位太高或太低将引起集电极电位太高或太低,这会造成稳定不良。
原因可能是作基准电压用的二极管基准电压不对或取样电阻,微调电位器阻值不对或损坏。
(4)检查调整管的功能
在输入电压最高,及Vi’=(1+10%)Vi时,调整管的Vce*Io应不大于晶体管所允许的最大功耗Pcm。
在通电15分钟后用手摸时无异常升温现象。
(5)用示波器观察输出是否有寄生振荡,如有高频寄生振荡,可加大防振电容。
4测量稳压系数S和电源内阻r。
(1)测量稳压系数S
在负载电流为额定值时(Io=80mA),分别测V1±10%V1,即可调节变压器,使V1’=242V和V1”=198V对应的输出电压变化△Vo,将两个结果中大的代入稳压系数公式求解。
(2)测量稳压电源的内阻r。
在V1=220V时,改变负载阻值,测量相应的输出电流的变化量△I。
,读出相应的输出电压的变化量△V。
,相除即得到内阻r。
。
5故障分析
(1)Vo=0,这是由于调整管T1截止或Vi不正常造成的。
首先查整流滤波电路输出电压,如其不正常,则先检查和排除整流滤波电路故障;如其为正常值,则说明调整管或电路其他部分有故障。
可断开T1基极,观察输出电压有无变化,如Vo升高接近Vi,则说明故障再比较放大级,检查T3是否损坏或断路,各点连接是否正确,找到故障并排除之。
(2)Vo=V1左右时,说明调整管T1饱和,把T3集电极断开,如Vo降到0,表明调整级良好,故障出在比较放大级,检查比较放大部分,找到故障并排除之。
如Vo仍不下降,表明故障在调整管部分,并找到故障并排除。
三、电路的调试及仿真数据
1输入信号:
2整流滤波输出:
3最后输出(有负载):
4同一时刻电压电流输出:
六总结
本课程设计运用了模拟电路的基本知识,通过变压,整流,滤波、稳压等步骤,输出理论可变范围为1.5-9V而实际可调范围为1.6V-9.7V的正负直流稳压电源。
总结如下:
优点:
该电路设计简单。
输出电压稳定,纹波值小,而且使用的元件较少,经济实惠,输出功率大,调整管可承受的范围也很大,。
心得体会:
通过这次课程设计,我对于模电知识有了更深的了解,尤其是对与串联型直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。
同时实物的制作也提升了我的动手能力,实践能力得到了一定的锻炼,加深了我对模拟电路设计方面的兴趣。
理论与实践得到了很好的结合。
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