1、武漢理工大學模擬電子技術課程設計說明書摘要直流穩壓電源一般由 電源變壓器，整流濾波電路及穩壓電路 所組成。變壓器把市電交流電壓變為所需要的低壓交流電。整流器把交流電變為直流電。經濾波后，穩壓器再把不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓輸出。本設計主要采用直流 穩壓構成集成穩壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩壓過程 將220V交流電，變為穩定的直流電，并實現電壓為正負 伏與九伏。關鍵詞：直流；穩壓；變壓第1頁共22頁武漢理工大學模擬電子電路課程設計說明書20第3頁目錄1. 緒論1.1. 設計目的及意義.1.2. 設計的任務及要求2. 設計方案2.1. 直流穩壓電源電路設計 2.1.1. 采用三端集成穩

2、壓器電路.2.1.2. 用單片機制作的可調直流穩壓電 源2.1.3/''晶體管串聯式直流穩壓電路.2.2. 最終決定的直流穩壓電源電路設計 方案3.2直流穩壓'電源方案的確定 電源變壓器整流電路3.2.13.2.2323濾波電路一壓電路4. 兀件選擇4.1變壓器的設計和選擇4.2整流電路的設計及整流二極管的選擇4.3濾波電容的選擇4.4穩壓電路的設計4.5總體電路5. 電路仿真及數據分析 5.1電路仿真5.2數據整理及最終分析. 壓模塊的數據結果整體分析.6. 穩定直流穩壓源的制作7. 總結參考文獻附錄元件清單3.2.45.2.1.5.2.2.1318433 44 44

3、 577702 41557 899920.21.22武漢理工大學模擬電子電路課程設計說明書1.緒論1.1.設計目的及意義本次設計的串聯型直流穩壓電源具有較高的實用價值。通過本次設計讓我充 分理解了串聯型直流穩壓電源的工作原理， 了解其工作特點以及目前市面上一些 直流穩定電源存在的一些缺陷。 通過設計盡量去完善直流穩壓電源系統。 使得這 個電源在使用的時候盡量便捷，盡量直觀。在一系列的設計過后能夠使自己初步 形成工程設計的基本思想和一般設計方法。 此外通過本次設計讓我學到了一些東 西：較熟練的掌握了電子線路仿真軟件(Multisim )的使用。1.2. 設計的任務及要求要求完成的主要任務:要求：

4、設計并制作用晶體管和集成運算放大器組成的串聯型直流穩壓電源。指標：1、輸出電壓+6V +9V兩檔，同時具備正負極性輸出;2、輸出電流：額定電流為 150mA最大電流為500mA3、在最大輸出電流的時候紋波電壓峰值 Vop-p < 5mv第13頁2.設計方案2.1.直流穩壓電源電路設計2.1.1.采用三端集成穩壓器電路輸出電壓調該電路采用輸出電壓可調且內部有過載保護的三端集成穩壓器，整范圍較寬，設計一電壓補償電路可實現輸出電壓從0V起連續可調，因要求電路具有很強的帶負載能力，需設計一軟啟動電路以適應所帶負載的啟動性能。2.1.2. 用單片機制作的可調直流穩壓電源該電路采用可控硅作為第一級調

5、壓元件，用穩壓電源芯片LM317 LM337乍為第二級調壓元件，通過 AT89CS5單片機控制繼電器改變電阻網絡的阻值，從 而改變調壓元件的外圍參數，并加上軟啟動電路，獲得024 V，0.1 V步長，驅動能力可達1 A，同時可以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。其硬件電路主要包括變壓器、 整流濾波電路、壓差控制電路、穩壓及輸出電 壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數據存儲電路、單片機、鍵盤顯示 等幾部分，硬件部分。2.1.3. 晶體管串聯式直流穩壓電路該電路中，輸出電壓UO經取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準 電壓進行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對調整管的工作狀態進行調整， 從而

6、使 輸出電壓發生變化，該變化與由于供電電壓 UI發生變化引起的輸出電壓的變化 正好相反，從而保證輸出電壓 UC為恒定值（穩壓值）。因輸出電壓要求從0 V起 實現連續可調，因此要在基準電壓處設計輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從0V開始調節。該方案有過載自保護性能，輸出斷路時調整管不會損壞，在負載變化小時，穩壓性能比較好且對瞬時變化的適應性較好。故選擇此方案。22 最終決定的直流穩壓電源電路設計方案整體電路的框架如下圖所示，先有220V-15V的變壓器對其進行變壓，變壓后再對其進行整流，整流后是高低頻的濾波電路,最后是由采樣電路、比較放大電路和基準電路三個小的單元電路組成的穩壓電路,穩壓后為了進一

7、步得到更加穩定的電壓,在穩壓電路后再對其進行小小的率波,最后得到正負輸出的穩壓電源。圖2.23.電路設計3.1直流穩壓電源組成:電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路。如圖3.1.1所示:1. 電源變壓器:將電網交流電壓變為整流電路所需的交流電壓，一般次級電壓較小。2. 整流電路:將變壓器次級交流電壓變成單向的直流電壓， 它包含直流成份和許多諧波分 量。3. 濾波電路:濾除脈動電壓中的諧波分量，輸出比較平滑的直流電壓。該電壓往往隨電網 電壓和負載電流的變化而變化。4. 穩壓電路:它能在電網電壓和負載電流的變化時， 保持輸出直流電壓的穩定。它是直流穩壓電源的重要組成部分，決定著直流電源的重要性

8、能指標。工頻交流脈動直流直流圖3.1. 1串聯型直流穩壓電源原理框圖3.2直流穩壓電源方案的確定根據設計的要求，電路分為四個模塊，每個模塊的選擇如下3.2.1電源變壓器要求輸入電壓V比輸出電壓Vo高2亠3V，輸出的電壓為6V和9V，在橋式 整流電路以前的電壓是15V的1/1.5倍，在13V左右，考慮到實際元器件與理 論值的差別，最終選用15V的變壓器。3.2.2 整流電路整流是穩壓電源的一個重要組成部分，它的主要作用是進行波形變換即將交 流信號變成直流信號。3-2-1所示。為分析方便起見，可設二極管為理想的。（1）半波整流半波整流電路如圖Tr§1(|Rl圖3-2-1 半波整流電路該電

9、路工作原理：設變壓器次級電壓 U2=U2mSineCit=J2U2Si門眥，其中U2m為 其幅值，U2為有效值。當U2變化的正半周期時，二極管D受正向電壓偏置而導 通，Ul=U2；當U2變化的負半周期時，二極管D處于反向偏置狀態而截止，Ul=O。 U2和Ul的波形如圖2-2-2所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極 性，且是半波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出單向脈沖電壓的平均值即直流分量為:UL0=U2m/ 71= V2/兀0.45 U2顯然，輸出電壓中除了直流成分外，還含有豐富的交流成分基波和諧波（這 里可通稱為諧波），這些諧波的總和稱為紋波，它疊加與直

10、流分量之上。常用紋 波系數Y來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小，即Y =Uir/Uio式中，Ul 為諧波電壓總有效值，其值應為U Lr = Ju l2 + U l4 + =L2 - U L0（ 3）由式（1）、（2）和（3）通過計算可得，Y比較大。由結果可見，半波整 流電路的輸出電壓紋波較大。U i半波整流電路中的二極管安全工作條件為:a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電流,（4）If> Ido=Ulo/Rl=O.45U2/Rlb）二極管的最大反向工作電壓 Ur必須大于二極管實際所承受的最大反向峰 值電壓Urm ,即（5）Ur>Urm =P2 U2（2）.全波橋

11、式整流電路全波橋式整流電路如圖（a）所示，圖中4個二極管接成電橋的形式，故有橋式 整流之稱。圖（b）所示為該電路的簡化畫法。+UiTrUirBXju+o圖 3-2-3全波橋式整流電路圖3-2-4全波橋式整流電路簡便畫法該電路工作原理：參見圖3-2-3，設變壓器次級電壓 U=U2nSin ©t= J2 L2sin «t， 其中Lm為其幅值，U為有效值。在電壓L2的正半周期時，二極管 D、D3因受正 向偏壓而導通，D、D4因承受反向電壓而截止；在電壓 U的負半周期時，二極管 因受D、D4正向偏壓而導通，D、D3因承受反向電壓而截止。U和LL的波形如下 圖所示，顯然，輸入電壓是雙

12、極性，而輸出電壓是單極性，且是全波波形，輸出 電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為：(6)LL0=2U2n/ ;i=2U2 0.9 L2n其紋波系數為:了 =u LyUl0式中，UL為諧波（只有偶次諧波）電壓總有效值，其值應為: 2 2 2 2Ul 7=22+54+" =$U2Ul0由式（4）、（5）和（6）通過計算可得Y比較小。由結果可見，全波整流電路 的輸出電壓紋波比半波整流電路小得多， 但仍然較大，故需用濾波電路來濾除紋 波電壓。全波整流電路中的二極管安全工作條件為：a） 二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電。由于4

13、個二極管是兩兩輪流導通的，因此有I F> Ido=0.5ULo/R=0.45U/R（ 9）b）二極管的最大反向工作電壓 U必須大于二極管實際所承受的最大反向峰 值電壓Um,即卩（10）3-2-6所示:U R> URm=寸 2 U2為了克服半波整流的缺點，故我們常采用橋氏整流電路。如圖220VDBtr圖3-2-6 橋式整流電路3.2.3濾波電路整流部分整流出來的直流含有大量的紋波。UC=Q/C。方案一：電容濾波電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度, 取決于充放電時間常數。時間常數越大，電荷改變得越慢

14、，則電壓變化也越慢， 即交流分量越小，也就 濾除”了交流分量。武漢理工大學模擬電子電路課程設計說明書3-2-7電容濾波電路量一疋，采用電容濾波電路不僅可以使輸出電壓變得平滑、 紋波顯著減小，同時輸出 電壓的平均值也增大了，輸出電壓平均值U0的大小不僅與濾波電容C及負載電 阻RL的大小有關，C的容量一定，RL越大，C的放電時間t就越大，因此放電 速度約慢，輸出電壓越平滑，U0就越大。為了取得良好的濾波效果，一般取RIC>(35) T/2。方案二：電感濾波電感濾波是利用電感的儲能來減小輸出電壓紋波的。當電感中電流增大時， 自電感電動勢的方向與原電流方向相反， 自感電動勢阻礙電位增加的同時，也

15、將 能量儲存起來，使電流的變化減小；反之，當電感中電流減少時，自感電動勢的 作用阻礙電流的減少，同時釋放能量，使電流變化減小，因此，電流的變化小， 電壓的紋波得到抑制。5ViL+%第11頁3.2.8電容濾波電路武漢理工大學模擬電子電路課程設計說明書電感濾波電路中的電感L起著阻止負載電流變化使之趨于平直的作用， 一般 它只使用于低電壓，大電流的場合， 而且考慮到電感體積比較大，危險性高的特 點。以上分析知，采用電容濾波（方案一）比較好！324穩壓電路1、方案比較 方案一：先對輸入電壓進行降壓，然后用單相橋式二極管對其進行整流，整流后利用電容的充放電效應，用電解電容對其進行濾波，將脈動的直流電壓變

16、為更加 平滑的直流電壓，穩壓部分的單元電路由穩壓管和三極管組成（如圖1），以穩 壓管D1電壓作為三極管Q1的基準電壓，電路引入電壓負反饋，當電網電壓波動 引起R兩端電壓的變化增大（減小）時，晶體管發射極電位將隨著升高（降低）， 而穩壓管端的電壓基本不變，故基極電位不變，所以由Ube =Ub-Ue可知Ube將減小（升高）導致基極電流和發射極電流的減小（增大），使得R兩端的電壓降 低（升高），從而達到穩壓的效果。負電源部分與正電源相對稱，原理一樣。P.IWv3.2.9方案一穩壓部分單元電路再用一個較低阻值的陶方案二：經有中間抽頭的變壓器輸出后，整流部分同方案一一樣擦用四個二極管 組成的單相橋式整流

17、電路，整流后的脈動直流接濾波電路，濾波電路由兩個電容 組成，先用一個較大阻值的點解電容對其進行低頻濾波,濾波后的瓷電容對其進行高頻濾波，從而使得濾波后的電壓更平滑，波動更小。電路接接穩壓電路，穩壓部分的電路如圖所示， 方案二的穩壓部分由調整管，比 較放大電路，基準電壓電路，采樣電路組成。當采樣電路的輸出端電壓升高（降 低）時采樣電路將這一變化送到 A的反相輸入端，然后與同相輸入端的電位進行 比較放大，運放的輸出電壓，即調整管的基極電位降低（升高） ；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升高），從而使輸出電壓得到穩定。3210方案二穩壓部分單元電路第一個方案為線性穩壓電源，具備基本的

18、穩壓效果，但是只是基本的調整管電路，輸出電壓不可調，而且輸出電流不大，而第二個方案使用了運放和調整管作為穩壓電路，輸出電壓可調，功率也較高, 可以輸出較大的電流。穩定效果也比第一個方案要好，所以選擇第二個方案作為 本次課程設計的方案。4.元件選擇4.1變壓器的設計和選擇本次課程設計的要求是輸出正負 9伏和正負6負的雙電壓電源，輸出電壓較 低，而一般的調整管的飽和管壓降在 2-3伏左右，由U CE = U imax - U omin，U CE為 飽和管壓降，而U|max=9V為輸出最大電壓，Uomin為最小的輸入電壓，以飽和管 壓降Uce=3伏計算，為了使調整管工作在放大區，輸入電壓最小不能小于

19、12V，為保險起見，可以選擇 220V-15V的變壓器，再由P=UI可知，變壓器的功率應 該為0.5AX 9V=4.5w，所以變壓器的功率絕對不能低于4.5w，并且串聯穩壓電源工作時產生的熱量較大，效率不高，所以變壓器功率需要選擇相對大些的變壓 器。結合市場上常見的變壓器的型號，可以選擇常見的_ - _變壓范圍為220V-15V，額定功率12W，額定電流1A的一|變壓器。4.2整流電路的設計及整流二極管的選擇由于輸出電流最大只要求 500mA，電流比較低， 以整流電路的設計可以選擇常見的單相橋式整流電路， 由4個串并聯的二極管組成，具體電路如圖 4.1.1所示:4.1. 1單相橋式整流電路二極

20、管的選擇：當忽略二極管的開啟電壓與導通壓降，且當負載為純阻性負 載時，我們可以得到二極管的平均電壓為 Uo(AV):（11）o（AV） =13.5v。U o（Av）二丄 f J2U2Sin ©t d） = Z'"2 =0.9U2其中U2為變壓器次級交流電壓的有效值。我們可以求得 U對于全波整流來說，如果兩個次級線圈輸出電壓有效值為 U 2，則處于截止狀態的二極管承受的最大反向電壓將是 2U2U2，即為34.2v考慮電網波動(通常波動為10%，為保險起見取 30%的波動)我們可以得到Uo(Av)應該大于19.3V，最大反向電壓應該大于 48.8V。在輸出電流最大為50

21、0mA 的情況下我們可以選擇額定電流為 1A，反向耐壓為1000V的二極管IN4007.4.3濾波電容的選擇當濾波電容C1偏小時，濾波器輸出電壓脈動系數大；而C1偏大時，整流二極管導通角B偏小，整流管峰值電流增大。不僅對整流二極管參數要求高，另一方面，整流電流波形與正弦電壓波形偏離大，諧波失真嚴重，功率因數低。所以電容的取值應當有一個范圍,前面的計算我們已經得出變壓器的次級線圈電壓為15V,當輸出電流為0.5A時，我們可以求得電路的負載為18歐，我們可以根據濾波電容的計算公式:TC=（35）2Rl來求濾波電容的取值范圍，其中在電路頻率為50HZ的情況下，T為20ms則電容的取值范圍為1667-

22、2750uF,保險起見我們可以取標準值為 2200uF額定電壓為35V的鋁點解電容。另外，由于實際電阻或電路中可能存在寄生電感和寄生電容等因素，電路中極有可能產生高頻信號,所以需要一個小的陶瓷電容來濾去這些高頻信號。波電路如圖4.1.24.1.2C310:+ C2 |-2300ufC4：1044濾波電路4.4穩壓電路的設計穩壓電路組要由四部分構成：調整管，基準穩壓電路，比較放大電路，采樣 電路。當采樣電路的輸出端電壓升高（降低） 時采樣電路將這一變化送到 A的反相輸入端，然后與同相輸入端的電位進行比較放大，運放的輸出電壓，即調整管 的基極電位降低（高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必

23、然降低（升高），從而使輸出電壓得到穩定。由于輸出電流較大，達到500mA為防止電流 過大燒壞調整管，需要選擇功率中等或者較大的三極管， 調整管的擊穿電流必須 大于500mA又由于三極管CE間的承受的最大管壓降應該大于15-6=9V,考慮到30%勺電網波動，我們的調整管所能承受的最大管壓降應該大于13V,最小功率應該達到P >11_（1.15 -Uomin） =6.5W）我們可以選擇適合這些參數，并且在市場 上容易買到的中功率三極管 TIP41,它的最大功率為60W最大電流超過6A,所 能承受的最大管壓降為100V,遠遠滿足調整管的條件。負極的調整管則選擇與 之相對應的的中功率三極管 TI

24、P42。基準電路由5.1V的穩壓管和4.7V的保護電阻組成。由于輸出電壓要求為6伏和9伏,如果采樣電路取固定值則容易造成誤差,所以采樣電阻最好應該做成可調的,固采樣電路由兩個電阻和一個可調電阻第21頁組成，根據公式:(12)_ ARU max =U DRd求出。其中Rd為運放正反相輸入端的電阻,也R為輸出端正極（負極）與共地端之間的電阻，Ud為穩壓管的穩壓值。固可以取330、和1.5k的固定電阻置于1k的滑阻兩旁避免當滑RD為0.所以根據此公式可求的電路的輸出電壓為5.772-9.622V。可以輸出6V和9V的uA741 的電壓，運放選用工作電壓在 15V左右前對電壓穩定性要求不是很高的運放，

25、由于工作電壓為正負12V-正負22V，范圍較大，可以用其作為運放，因為整流后的電壓波動不正穩壓電路的正極和是很大，所以運放的工作電源可以利用整流后的電壓來對其進行供電。負極分別如下圖:In d i jjt?3去卄一J卄一I ? -十正穩壓電路的正極武漢理工大學模擬電子電路課程設計說明書-II4.1.4正穩壓電路的負極為了使輸出電壓更穩定，輸出紋波更小， 需要對輸出端進行再次濾波，可在輸出 端接一個10uf的點解電容和一個103的陶瓷電容，這樣電源不容易受到負載的 干擾。使得電源的性質更好，電壓更穩定,4.5總體電路5.電路仿真及數據分析5.1電路仿真圖5.1.1仿真圖調節可變電阻，可以得到課程

26、設計所要求輸出的6V和9V的電壓，仿真數據下:5.1.2模擬輸出圖電路輸出直流電的波形圖如下圖 5.4,電壓的直流電波形為標準的直線，達到設 計的要求而實際測量時也是這樣，輸出波形基本為一條直線。紋波電壓在2.5mV左右，比要求的5mV要低，而實際測量時，紋波的電壓只有 0.9mV，遠遠低于所要求的5mV，如圖5.5,所以符合要求。Hl rOircil Ivffcvpc 13C 丄1麗±n-TitcMfl larK/av 課 HM" p 帀屮陽IIEawflni l.iR V0沁 yXj h«| n |pf -1 r r r" c T If IL H-7

27、,IIID .-?：匚 1fxohd r-圖5.1.3輸出波形5.2數據整理及最終分析5.2.1.穩壓模塊的數據結果穩壓電源 在輸入電壓220V 50Hzn.TiTiMbHtCl II I II j ,|llmcni乂+ iSm-MlDw蘭j :、' .丄|* 廠lp«lnn iYpWiirt SI*胡p| V網型凹 pF D I oc| I F F竺I竺2通_I圖5.1.4紋波波形電壓變化范圍+ 15%- 20%條件下:a. 輸出電壓為 8.923V, -8.919V , 5.973V,-5.967Vb. 電壓調整率為0.177% （輸入電壓220V變化范圍+ 15%- 20%下空載 到滿載）C.紋波電壓（峰-峰值）2.5mVd.最大輸出電流為500mV5.2.2.整體分析由以上數據可知，本次設計基本成功，但在細節處與要求有一定得偏差，分 析原因主要在于，一些元件的參數與計算值有一定得偏差，且溫度等外部因素也 對結果產生一定影響。第23頁武漢理工大學模擬電子電路課程設計說明書第29頁6.穩定直流穩壓源的制作制作直流穩壓源使用的元件比較多，在采購時,有的元件無法買到，只能用相近的元件替代，并且電路的焊接比較花費時間,在焊接的過程中，電烙鐵在電路板上停留時間太長，焊盤容易焊壞。*I券 卜* '* * tt7.總結本課