模电课程设计 doc

模 拟 电 子 技 术 设 计（论  文）

论文题目：          串联型直流稳压电源

所属系部：            航空电子工程系

指导老师：  谢佳君老师 黄荻老师 班级      电子1001班

学生姓名：   廖实宏      学号         56

专    业：         应用电子技术

                                                         2011年 6 月22 日

一、前言………………………………………………1

二、课设题目…………………………………………1

三、课题分析

1、设计目的

2、设计要求

四、总体方案设计

1、串联直流稳压电源设计思路

2、串联直流稳压电源原理框图

五、整体原理分析

六、单元电路分析

1、变压部分

2、整流部分

3、滤波部分

4、稳压部分

七、电路测试分析

1．输出电压与最大输出电流的测试

2.仿真图像

八、整体电路图

九、总结

十、谢辞

一、前言

随着现代社会的发展，可以说，有电器的地方就有电源。所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体需要几伏到几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必需的能源。这些直流电源有的属于化学电源，如采用干电池和蓄电池，但这些不能持久性的供电。大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等变换为所需的直流电压。完成这种变换任务的电源成为直流稳压电源。

现代电子设备中使用的直流稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关性稳压电源。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源。它的稳压性能好，输出纹波很小，缺点是需要使用体积和重量都比较大的工频变压器，而且稳定效率较低。开关型稳压电源效率高，体积小，重量轻，缺点是输出的纹波及产生的电磁干扰比较大。开关电源和线性电源的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。通常，当输出功率较小时，线性电源的成本较低。但是，当线性电源成本在某一输出功率点上时，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

本设计是针对实际需求，同时结合课设的基本要求，设计出的一种可调的串联型直流稳压电源。

二、课设题目

串联型直流稳压电源

三、课题分析

1设计目的

掌握直流稳压电源的工作原理及电路设计过程

2设计要求

（1）输出直流电压Uo=3~15V连续可调

（2）最大输出电流Im=500mA

（3）稳压系数S<=0.05

（4）具有过流保护作用

四、总体方案设计

1、串联直流稳压电源设计思路

（1）我国电网供电电压为交流220V（有效值），频率为50HZ，为了获得低压直流输出，须采用电源变压器将电网电压降低至获得所需要的交流电压。

（2）降压后的交流电压通过整流电路整流变成单向的直流电，但其幅值变化大（脉动大）。

（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变换成平滑的、脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。

（4）滤波后的直流电压再通过稳压电路稳压，能够得到不受外界影响的稳定的直流电压输出，供给负载。

2、串联直流稳压电源原理框图

电源变压器:将交流电网电压u1 变为合适的交流电压u2

整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3

滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4

稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压u0的稳定

（1）利用电源变压器，将电网220v、50HZ交流电降压后送给整流电路。(变压器变比由变压器副边电压确定)

（2）整流电路用单相桥式整流电路。

（3）滤波器通常采用无源元件R、L、C构成不同类型的滤波电路。本设计为小功率电源，采用电容输入式滤波电路。

（4）稳压电路采用串联反馈式稳压电路。比较电路采用分立三极管组成的差动放大器，提高电路的稳定性。

（5）过流保护电路，串联稳压电路中，调整管与负载串联，当输出电流过大或者输出短路时，调整管会被损坏，因此可采取一定保护措施。

五、整体原理分析

串联型稳压电路的基本结构所示,T1 为调整管,T2

为比较放大管,D2 为稳压二极管,当电网电压升高引起V1 增加,

或负载电流Io 减小时,都会引起Vo 增大, Vo 的增加量通过R1 、

R2 分压取样,使T2 的基极电压VB2 升高,由于VE2 基本不变,因

此VBE2 增加,T2 集电极电流Ic2 增加,并使Vc2 下降,致使Vo 恢

复到原值附近,保证Vo 基本稳定,上述稳压过程表示如下:

VI ↑Io ↓→ Vo ↑ → VB2 ↑ → VBE2 ↑ → IC2 ↑ → VC2 ↓ →VE1 ↓ →Vo ↓

同理,当VI 降低Io 增大时, Vo降低,通过反馈过程,又会使Vo 升高,也能使Vo 基本不变.

由以上分析可知,稳压过程是一个负反馈过程,负反馈顺利进行,才能实现稳压,上述反馈过程要求T1 、T2 处于放大状态, D2 处于稳压状态,在正常工作状态下,输出电压

　　Vo =（R1 + R2）/R2* ( V2 + VBE2) (1)

改变R1 或R2 的值,可使输出电压Vo 稳定在要求的数值上,输

出电压最大值Vomax 为

　　Vomax =( VI - VBE1) (1 +β1) RL/(RC + (1 +β1) RL)(2)

当RC 较大时

　　　　Vomax ≈( VI - VBE1) (1 +β1) RL/RC

当RC 较小时

　　　　Vomax ≈ VI - VBE1

输出电压最小值Vomin 为

　　　　Vomin = V2 + VBE2 (3)

输出电流Io 为

　　　　Io =Vo/RL(4)

改变Vo 或RL 可改变输出电流,但在稳定Vo 的情况下增

大RL → ∞时, I0min →0

减小RL 时Io 增大,输出电流最大值为

　　Iomax =VI - Vo - VBE1/Rc*(1 +β1) (5)

六、单元电路分析

1、变压部分

本次课程设计的要求是输出3~15V电源，输出电压较低，而一般的调整管的饱和管压降在2-3伏左右，由，为饱和管压降，而=15V为输出最大电压，为最小的输入电压，以饱和管压降=3伏计算，又整流滤波电路可能带来2V以下的电压波动，整流滤波后电压最小值应为：2V＋3V＋15V=20。变压器次级输出电压U2min应该是：U2min＝20/1.2=16.6V。考虑电网电压可能下降10%，变压器次级额定电压至少为：U2min/0.9=16.6V÷0.9＝18.4V选择输出电压18V的变压器。再由P=UI可知，变压器的功率应该为0.5A×15V=7.5w，所以变压器的功率绝对不能低于7.5w，并且串联稳压电源工作时产生的热量较大，效率不高，所以变压器功率需要选择相对大些的变压器。结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的变压范围为220V-18V，额定功率12W，额定电流1A的变压器。

2、整流部分 

由于输出电流最大只要求500mA，电流比较低，所以整流电路的设计可以选择常见的单相桥式整流电路。单相桥式整流电路：采用的是全波整流，它有四只二极管组成。其构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上电压和电流的方向始终不变，利用四只二极管桥式连接，可满足这一要求，如图所示。其输出电压波形如图5.

      单相桥式整流电路                        

桥式整流电路输出电压波形图

单二极管的选择：当忽略二极管的开启电压与导通压降，且当负载为纯阻性负载时，我们可以得到二极管的平均电压为：

===0.9

其中为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得=16.2V。

对于单相桥式整流来说，如果两个次级线圈输出电压有效值为，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是√2U2，即为25.5V

考虑电网波动,通常波动为10%,我们可以得到          应该大于16.2V，最大反向电压应该大于25.5V。在输出电流最大为500mA的情况下我们可以选择额定电流为1A，反向耐压为1000V的二极管IN4007.

3、滤波部分

当滤波电容偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而偏大时，整流二极管导通角θ偏小，整流管峰值电流增大。不仅对整流二极管参数要求高，另一方面，整流电流波形与正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。所以电容的取值应当有一个范围，由前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为18V，当输出电流为0.5A时，我们可以求得电路的负载为30欧，我们可以根据滤波电容的计算公式：

C=(3～5) 

来求滤波电容的取值范围，其中在电路频率为50HZ的情况下， T为20ms则电容的取值范围为1333-1667uF，保险起见我们可以取标准值为2200uF额定电压为25V的铝电解电容。          

电容滤波电路输出

4、稳压部分

     这部分包括：取样、基准、比较放大、调整。                               （1）取样环节                                                           本单元由电阻R3、R4、变阻器RP1，它将输出电压的一部分取出与基准电压进行比较放大，控制调整管工作，对电路进行调整，使电压趋于稳定。另外取样环节实现了输出电压的可调。因而有利我们实现设计要求中的3V和15V两挡.具体设计时，利用公式：Uomin＝(R3+RP1+R4)Uz/(RP1+R4)；Uomax＝(R3+RP1+R4)Uz/R4, 来确定电阻R3、R4的大小和变阻器的选择。当电源输出功率最大时，UO=15V，IO=500mA， 考虑尽量不增加电源总功率 ，取样支路的电流也应远小于500mA， 但取样电路的电流也不宜太小，应使其远大于Q2的基极驱动电流。取 IR3max=10mA,则(R3+Rp1+R4)min=15/10mA=1.5kΩ。取R3+Rp1+R4≈2kΩ，Q2基极电位UB3=0.7+0.7=1.4V，        UB3 × (R3+Rp1+R4)/R4>15V且UB3 × (R3+Rp1+R4)/R4 ≈ 15V，    因此有：R4<140Ω选择R4：120Ω/0.25W    UB3 ×(R3+Rp1+R4)/(Rp1+R4)<3V，UB3 ×(R3+Rp1+R4)/(Rp1+R4)≈3V    因此有： Rp1+R4 >700Ω，其中Rp1>580Ω，    选择Rp1=1kΩ电位器，功率<0.1W，    R5取820Ω/0.25W。 电阻的大小会影响到电路自动调节的灵敏性和带载能力。在设计本单元时，选用1/4W的电阻，已经充分考虑到各电阻的最大消耗功率。                                                    (2)基准环节                                                        本单元中基准环节由稳压管D2和限流电阻R2组成。考虑稳压管VZ的稳压值应该小于最小输出电压3V，为保证VT3处于放大状态，其B、E间还有0.7V的压降，因此VZ应小于（3V-0.7V）=2.3V，此处就选择1N4007正接代替稳压管，它在电流小于100mA时，两端电压保持在0.6~0.75之间，基本稳定。电阻R2的取值要考虑到1N4007的电流不能太大，同时R2支路的分流较小对保护VT1管也有好处。当电源输出功率最大时，UO=15V，IO=500mA，考虑尽量不增加电源总功率，R2与取样支路的电流宜远小于500mA，这里取IR2max=50mA,则R2min=(15-0.7)/50mA=286Ω,当然R2也不宜过大，应保证1N4007导通（IR2min=10mA），R2max=(15-0.7)/10mA=1.43kΩ,这里取R2=1.2kΩ。

 (3)比较放大环节                                                   本单元主要是将输出电压的变化量放大后送到调整复合管Q1的基极，使调整管处于工作状态，这部分由三极管Q2完成。选择常见低频小功率管9013    （9013：极限参数25V/0.5A/0.625W，<β<300）

（4）调整环节                                                                               

本单元主要由功率管Q1和Q3构成的复合管来组成。由于单管不能实现输出最大电流500mA的指标，故采用复合管。在设计时，在复合管的基极增加了电容器C2。     

七、电路测试分析

1．输出电压与最大输出电流的测试

实际测出电压范围为2.22v-21v,满足设计要求

一般情况下，稳压器正常工作时，其输出被测电流要小于最大输出电流，电路工作时上消耗的功率为：P=UomaxIomax=7.5W

故取额定功率为10W，阻值为 30欧姆

2.仿真图像

当调到最上端时，有最小值

当PR1调到最下端时，有最大值

八、整体电路图

九、总结

本设计的目的是利用市电通过一定的技术产生直流稳压电，并利用它为电子器件提供必要的电压、电流。该电源能提供一定的稳定的电压，并且在它的量程范围内连续可调，同时具有一定保护作用。

通过这次设计，我从中获得了很多有用的东西。比如说，在以前上课时没听懂的知识，现在通过自己的进一不了解，再结合自己以前所学的知识，对它有了新的认识。在此同时，我还学到了新的知识，在了解这一方面知识的同时，我好查阅了相关的图书和了解了网上最新的技术，为此，对我以后设计的进行打下了深厚的基础，我相信在以后的毕业设计中可以很轻松的操作。

同时同过这次课程设计，我对于模电知识有了更深的了解，尤其是对与线性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。

我们这次设计的直流稳压电源还有不足之处：电源带负载的能力不是很强，输出的电流也有较多的等。我相信在以后的学习和探索过程中，我们一定会努力去解决这些问题，完善我们的设计，进一步加深自己对设计流程思路的了解和认识。

十、谢辞

在这次的课题设计中，我不但对自己学过的模电知识有了系统而全面的复习了解，也对现在直流稳压电源的用用前景做了非常多的了解，这次的设计使我收获了很多自己不知道的知识。很多原来不知道的知识都在这次的设计中得到了了解，而且，经过这次的设计，让我知道了直流稳压电源的重要性，我觉的直流稳压电源不仅现在用途广泛，在将来会有更加重要的地位。因此我对此次的设计非常用心，而在谢佳君和黄荻两位指导老师的指导下和同学的帮助下，我终于完成了这次的设计，因此我非常感谢佳君、黄荻两位老师对我的指导和同学对我的帮助。

     电子1001班模拟电子技术课程设计第三组

组员：廖实宏 李煌 王烽 任海瑞 蒲靖 

二零一一年六月二十二日