分立式元器件串联反馈型稳压电源的设计与制作.docx

工程训练3分立式元器件串联反馈型稳压电源设计及制作直流稳压电源应用广泛，几乎所有电子设备都毫无例外地需要稳定的直流电压（电流）供电。然而，我们提供电能的主要方式却是交流电压（电流）供电。如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？又如何使直流电压（电流）稳定？这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。根据学习进度，我们了解到，半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。它们的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和电子电路设计及应用必不可少的基础。本工程训练正是主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源，它在实际应用电路中应用非常广泛，是电子技术课程的教学重点之一，正确理解其工作原理，设计出符合要求的电路具有重要意义。此工程训练为期两周，学生要完成此工程训练首先要修完“模拟电子技术”、"自动控制理论”、"电路"、"电工电子实践指导"、"PROTEL电路设计及制板”、"PROTEUS电路设计及仿真”六门课程知识。在加深理解对上述课程理论和实验的教学内容基础上，学会综合应用这六门课程的知识，培养发现、分析和解决利用分立元器件进行电路设计及制作问题的能力。3. 目的要求：4. 1.l基本目的5. 此工程训练选择分立元件构成串联型直流稳压电源。学生通过实训，了解相关分立元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源电路的工作原理、原理图的设计和参数计算、元器件选用、计算机软件实现硬件仿真、PCB板的设计、电路的安装和调试，最后完成达到技术指标要求的准产品。6. 1.2基本要求1、依据性能指标和器件状况，设计稳压电源电子电路，并计算器件参数确定选择器件。（含散热设计）；2、以本工程训练为实例学习ProteI基本知识，并运用其绘制电源SCh（原理）和PCb（印刷电路板）图；3学习proteus知识，对本电源进行仿真，最终确定sch及pcb图；7. 掌握电子电路板制作全过程，实现电源的制造；8. 测量电源相关各项技术指标，完成系统调试；3.1 基本知识介绍"分立式元器件串联反馈型稳压电源设计及制作"这一项目涉及到的知识（或技术）面比较广，在进行此工程训练前，学生应必须对这些方面的知识要理解透彻、掌握熟练。主要相关基本知识（或技术）有：电源变压器知识、整流电路知识、滤波电路知识、串联型稳压电路知识、PCB板电路设计及制板技术、PROTEUS电路设计及仿真技术、热转印腐蚀制板技术、焊接工艺技术、电路安装及调试技术等，其中串联型稳压电路知识是本次工程训练项目中的重中之重，现简要的介绍一下下列基本知识。3. 2.1电源变压器一、电源变压器中常用的几个术语：1、初级（PrimaryWinding）：是指电源变压器的电源输入端。2次级（SeCondarywinding）：是指电源变压器的输出端。3、额定输入电压5：是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。4、空载电流io：是指电源变压器的初级接上额定输入电压Ul而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。i。及变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其i。也可能不同。5、空载电压u。：是指变压器初级接受上额定输入电压UI而次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。u。及变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其Ut）也可能不同。6、负载电流iz：是指变压器初级接上额定输入电压5,次级接上额定负载时，流过负载的电流。7、负载电压uz：是指变压器初级接上额定输入电压5,次级接上额定负载时，负载两端的电压。8、定输出功率P2：是指变压器在额定输入电压Ul时的输出功率,它表示变压器传送能量的大小。一般来说，在相同频率下，S越大，变压器的尺寸越大；Pz相同，即使输出电压U2不同，变压器的尺寸也相同，即变压器的价格也应相差无几。由公式P2=U2*i2可知若输出功率P2-*定，若输出电压W越高，则输出电流i2越低。举例来说，一个输出功率P2=10W的变压器，若输出电压U2=24V,则输出电流i2=p2u2=10W24v=0.416A；若UE2V,则输出电流iz=0833A。二、电源变压器在本工程训练中应用电源变压器在本工程训练中是将交流电网电压4（市网电压：220V50Hz）变为合适的交流电压3（本工程训练选用降压变压器），以提供后续电路所需的电压。三、电源变压器的选择及确定在本工程训练中，对电源变压器的要求主要为次级输出电压大小和极性，额定工作功率，因此如何选择及确定电源变压器主要围绕这几个参数并根据后续电路要求进行计算选择，假定后续电路要求初级输入电压为U。nla,输出电流为I，则电源变压器次级输出电压VS为LE,额定工作功率为（）vs×0举例说明：假定后续电路要求初级输入电压为UtMnaX=10V,输出电流为I=IA,则电源变压器最佳次级输出电压Vs为10V,额定工作功率为（）V.xI=?/4. 2.2整流电路知识图3.1直流稳压电源的组成和功能框图如上述框图3.1所示，整流电路的作用将交流电压殳变为单方向的直流电压"，在本工程训练中是利用二极管单向导电性，把正、负交变的50HZ变压器次级输出电网电压变成单方向脉动的直流电压。由整流二极管组成的小功率整流电路常见的有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路等。后两者的纹波系数要小。就整流二极管而言，承受的最大整流电流相同，但承受的最大有效电压，前者是后两者的2倍。另外最大反向电压也不相同。下面简单分析上述几个整流电路(把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大)一、半波整流电路图3.2半波整流电路半波整流电路如图3.2所示，½>0时，二极管导通。忽略二极管正向压降：/0时，二极管截止，输出电流为0。正向压降；=01、输出电压波形：Wo2、二极管上的平均电流：3、二极管上承受的最高电压：4、输出电压平均值(Uo)：厂und(t)=士喧=045心2江川笈二、全波整流电路:图3.2全波整流电路2、二极管上承受的最高电压；URM=22t23、二极管上的平均电流：4、"。平均值Uoz丘O.9皮三、单相桥式整流电路:图3.3单相桥式整流电路1、输出电压波形："2>0时，1、)导通，应、现截止，电流通路：A®勿®Ti7»®B；"2<0时，虎、M导通，力、D3截止，电流通路：B®D2®应®以®A从输出电压波形可以看出，输出是脉动的直流电压。(2)、"。平均值"0；g.9四、整流电路的主要参数1、整流输出电压的平均值及脉动系数整流输出电压的平均值Uo和输出电压的脉动系数S是衡量整流电路性能的两个主要指标。(1)、整流输出电压平均值(Uo)全波整流时，负载电压IJo的平均值为：U"=(*所)=°9f72负载上的(平均)电流：(2)、脉动系数SS定义：整流输出电压的基波峰值Uolnl及平均值Uo之比。用傅氏级数对全波整流的输出uo分解后可得：厂2444.，=2(/-,(cos2sfcos4ft?fcos6of)"万3*15g35万5=2U0.67Utr23兀2、平均电流及反向峰值电压平均电流(/)及反向峰值电压(勿劭是选择整流管的主要依据。例如：在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此,流过每只整流二极管的平均电流/0是负载平均电流的一半。二极管截止时两端承受的最大反向电压：URM=圆23. 2.3电容滤波电路从上述可知，交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性，将电容及负载RL并联（或将电感及负载RL串联），滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。一、滤波原理以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图3.4所图3.4桥式整流电容滤波电路1、危未接入时输出波形（忽略整流电路内阻）充电结束2、应接入（且瓶C较大）时电容通过应放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，"0会逐渐下降。只有整流电路输出电压大于"。时，才有充电电流ID。因此整流电路的输出电流是脉冲波。可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。二、电容滤波电路的特点1、输出电压。及放电时间常数应0有关RLC愈大®电容器放电愈慢配/。（平均值）愈大，一般取（7:电源电压的周期），近似估算：方1.2也。2、流过二极管瞬时电流很大RLC越大®"0越高®负载电流的平均值越大；整流管导电时间越短叫的峰值电流越大,故一般选管时，取/"=(23)=(23)!*输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变，。和S也随之改变。如：您愈小("越大)，0下降多，S增大。因此，从上述可以得到一个结论电容滤波电路比较适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合，如小功率直流稳压电源。4. 2.4串联型稳压电路据上述可知，整流滤波后的电压是不稳定的电压，在电网电压或负载变化时，该电压都会产生变化，而且纹波电压又大。所以，整流滤波后，还须经过稳压电路，才能使输出电压在一定的范围内稳定不变。在这里我们就用串联型稳压电路对其进行稳压。串联型稳压电路是本项目设计及制作中最重要部分，下面通过最简单的实例对其进行介绍：一、串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路原理图和方框图如图3.5所示，取样环节由"、无构成，基准即基准源由稳压管VZ和限流电阻K构成，比较放大器力组成，Vl为调整管，m作用：V2的集电极负载电阻，Vl的基极偏流电阻，使Vl处于线性放大状态。故又称为线性串联型稳压电路。Uil UoULKVZ 叫图3.5串联型稳压电路（a）原理图（b）方框图当电网电压升高，引起UJ曾加，或负载电流I。增大时，都会引起U。增大，IJ。增加量通过R|R,分压取样，使匕的基极电压VB2升高，由于V2基本不变，因此VM增加，V,的集电极电流1"增加，并使%,下降，致使U。恢复到原值附近，保证U。基本稳定。同理，当%降彳氐或负载电流I。减小时，IJI）降低，通过反馈过程，又会使U。升高，也能使U。基本不变而达到稳定。由上述分析可知，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%、V:处于放大状态，VZ处于稳压状态，在正常工作状态下，输出电压改变Rl或R2的值，可使输出电压U。稳定在要求的数值上，输出电压最大值口。为仃亿EF-VXl+4）/UEX&+U+BJRl当RC较大时“（4ef-%JQ+鸟因omaxD当RC较小时UCmaXUREF-VBEI输出电压最小值Lmm为1.min="a*VgEZ输出电流I。为I=互改变Ut,或RL可改变输出电流，但在稳定Uf)的情况下增大RLf8时，IomnfO,减小RL时输出电流I。，输出电流最大值为从以上分析可知，稳压电路的性能由电路元件的数值决定，己知电路结构和元件数值，求解电路性能的过程称为电路分析，反之称为电路设计。二、串联型稳定压电路的设计电路设计首先根据基本性能选取电路结构，然后确定各元件的数值，最后根据所选元件外型及消耗功率决定是否采取散热等措施，下面举一简单实例说明串联型稳压电路的设计方法。设计一稳压电路要求输出电压U。=20V,最大输出电流Io,a,=200mAo当输入电压%为30V40V时，输出电压变化小于土5%,电源内阻r°W0.50。1、调整管的选择Vl调整管的选择应以最不利的条件来考虑：集电极一发射极反向击穿电压BVccoUlmas-Uo=2OV集电极最大允许电流"+3240mA,其中L为流过Rl的电流，1-3为流过Rj的电流最大耗散功率Pcm2(UlmaX-U0)×Irm=4.8W由晶体管手册查得，3DA1A可满足以上要求。2、基准部分选择基准电压UREF应低于U。，但若基准电压太低，将使分压也相应减小，会使稳定度降低，综合考虑选择Ur=12V,IREF=I5mA,基中Im为流过稳压管的电流。限流电阻R的选取为R=X=竺VfJgoo°O107/144、取样部分取样电路中的电阻不宜太大，应使11>l2，这样可保证取样不受比较放大的影响，另一方面，为了使稳压电路空载时调整管也能工作在放大区，以保证足够的放大倍数，选I1+I.=40mA,则I1=30mAo由此可得R+R?W但从减小电流损耗来看，RI+R2也不易太小，故限R1+R2=500,分压比应保证输出电压U。=20V,根据公式Uo二得1+且=型即A=IR212R23故选R=200C,R2=3005、放大部分h的选择一方面要保证%能够经240mA的负载电流，即要求IQI.=;另一方面又希望、集电极电阻R,尽可能大，以便获得较大的放大倍数,提高电路的稳定度,所以选R,为R上丝山*些0几0.9m412ffiA比较放大管采用硅高频小功率晶体管,BVcra>%,ICM21-选取3DG4E即可满足要求。此外，为了消除稳压电路自激，可在稳压电路的输出端并接470uF电容。三、影响稳压特性的主要因素及其改进措施1、主要因素(1)、电路对电网电压的波动抑制能力较差。例：U,®-Vcl-®Uo-(2)、流过稳压管的电流随U波动，使U旧不稳定，降底了稳压精度（3）、温度变化时，V,组成的放大电路产生零点漂移，输出电压的稳定度变差。2、改进措施（1）、选用差动放大器或运放构成的放大器代替V,管构成的放大器，可以解决零点漂移的问题。由于单只三极管比较放大器在温度变化时输出电压会产生很大的漂移，影响稳压电路输出电压的稳定。为此，采用零点漂移小的差动放大器作比较放大器，该电路原理如图3.6所示。电路中T2、L组成单端输入、单端输出的直流差动放大器。其稳压过程如下：当输入电压U增加而使输出电压历升高时，通过取样电路使加到T3的基极电压UJn增加，但7,的基极由于稳压管Dz/乍用保持不变，迫使集电极电压降低，调整管Tl基极电压亦随之减小，Iin减小，导致其内阻变大，保持输出电压历不变。采用差动放大器作比较放大器后，由于零点漂移很小，使电路具有很好的温度稳定性。图3.6（2）、采用辅助电源（比较放大部分的电源）如下例示图图3.7所示，电阻R,既是比较放大管T2的集电极负载，又是调整管Tl的偏置电阻。由于R,接在稳压电路的输入端，当Ul变化（例如升高）时，通过R,使调整管T/扁流变化（增加），造成调整管内阻变化（减小），导致输出电压起伏（增加）。为了克服这一缺点，R,必须接到一个稳定的电源电压上。若用一个稳定的辅助电源为调整管提供偏置电压，这个问题就迎刃而解了。具有辅助电源的稳压电路辅助电源由电源变压器一组单独绕组提供，经整流管瓦整流、电容C,滤波，然后经电阻R,和稳压二极管Dzz得到稳压的辅助电压Uz2,Dz2的负端接稳压电路输出端，避免了输入电压变化的影响。图3.7(3)、采用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益在串联型稳压电路中，为了使放大管电压增益尽可能提高，就需要使放大管集电极动态电阻很大，而且工作电流又不致于太低，“恒流源负载”就可解决这个矛盾，它选用晶体管代替负载电阻。放大部分采用"恒流源负载"的稳压电路原理图如图3.8所示。三极管T,、电阻R，、R(I和稳压二极管Dz,组成恒流源电路，作为T,的集电极负载电阻，利用恒流源直流电阻小、对交变电压动态电阻较大的特性提高了T3的增益，从而改善了稳压效果.(4)、调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围。如图3.9所标，调整管由T.T,接成复合管以使其电流放大系数为两管之积，进一步增大控制输出电压的能力。图3.93. 3完成工程训练的主要仪器、设备、工作环境分立式元器件串联反馈型稳压电源设计及制作需要一台目前实验室使用的计算机，要安装以下软件：(1)中文版WindOWSXP(2)原理图、印刷电路板绘制软件,如PROTELD理、PoWERPCB、PROTEUS等任选其一(3)电路仿真软件，如PRoTEUS、MULTISlSM等任选其一(4)中文版MicrosoftOffice2003,其中包括MicrosoftOfficeVisio2003需用到下列仪器：(1)原装墨打印机(2)热转印机(3)腐蚀箱及环保腐蚀液(4)电路板钻孔机(5)电路板切割机上述仪器都必须配置相符合的工程训练场所，同时还需要用于安装和焊接元器件以及调试电路的相关工具，如烙铁、烙铁架、万用表、尖嘴钳、斜嘴钳、俊子、吸焊枪、焊锡、防氧化漆等等。4. 4工程训练的主要内容设计、安置、调试5-10V、10-15V两档直流电压和O-IA直流电流输出的分立元件串联反馈型直流稳压电源。需达到下列技术指标（1）输出直流电压U。分两档分别为5-10V、1015V,连续可调（2）输出直流电流I。为O-IA（3）交流电源电压"220V÷220V×10%.50Hz（4）放大管具有恒流源负载、辅助电源（5）有过流保护，当I。L5A时，保护电路工作（6）内阻ROVlQ（7）当输出额定值Uo=IOV和15V时，稳压系数SVO.01（8）要求设计PCB板和制作PCB板、电路实物（9）安装电路并仿真、实物调试达到技术指标要求并完成下列实训任务：（1）根据技术指标，提出可行性方案，经分析比较选出符合我们教学要求的实际实施方案（2）画出串联反馈型直流稳压电源的原理图（3）撰写串联反馈型直流稳压电源的原理图的工作原理（4）根据串联反馈型直流稳压电源的原理图工作原理，对原理图上的各个（或主要）元器件进行设计计算并求出各个（或主要）元器件的参数要求（5）使用电子元器件手册选定各个元器件，并列出元器件型号、规格和特性（6）根据性能要求，利用电路仿真软件对所设计的电路原理图进行性能仿真（7）根据串联型直流稳压电源的原理图和元器件的尺寸大小设计PCB板，并进行制作（8）根据技术指标，使用有关仪器、仪表进行调试（9）撰写技术报告3. 5工程训练的实际步骤或操作方法工程训练的实际步骤或操作方法要根据主要内容来制定，此次工程训练主要分为下面几个实际步骤或操作方法：(1)根据上述技术指标，提出可行性方案，经分析比较选出符合技术要求的实际实施方案(2)画出原理图(先初步设计，再通过下述步骤最终修改整理确定)(3)根据工作原理，对原理图上的各个(或主要)元器件进行设计计算并求出各个(或主要)元器件的参数要求(4)使用电子元器件手册选定各个元器件，并列出元器件型号、规格和特性(5)根据串联型直流稳压电源的原理图和元器件的尺寸大小设计PCB板，并进行制作(6)根据技术指标，使用有关仪器、仪表进行调试，修改完善为了能明确上述步骤的实施办法，利用综合设计的主要设计部分来加以说明。根据技术指标要求，原理图应有这几部分：交流电源变压部分、整流电路部分、滤波电路部分、稳压电路部分，其中稳压电路部分为重要部分，包括基准部分、采样部分、辅助电源部分、恒流源部分、过流保护部分、放大部分。初步设计原理图如图3.6所示；图3.9分立式元器件串联反馈型稳压电源原理图、交流电源变压部分根据技术指标要求：输出直流电压U。分两档分别为510V、10-15V,在这里我们采用由二极管组成的单相桥式整流电路，交流电源变压器采用单相变压器，根据单相桥式整流电路原理，由公式09u-Uwffli=3V(IL为变压器次级端输出)得当15V档时U,=20V当UsX=IOV档时U22=15V因为输出直流电流最大值I。要求为0-1A,因此，我们应该选择有20V、15V双电压输出的、额定功率为(？)U,XIoa=?W范围内的单相变压器。二、整流电路部分荣向由二极管组成的单相桥式整流电路，根据单相桥式整流电路原理，流过每只整流二极管的平均电流乙是负载平均电流的一半，贝h而根据3.2.3小节所讲到的电容滤波电路的特点可知：加上电容滤波后流过二极管瞬时电流峰值L会很大，这时：Id,=(23)-A1.54二极管截止时两端承受的最大反向电压：URM=VU2=拒。21=灰X20V=28.28V则考虑到过流过压要求，根据电子兀器件手册，我们可以选用最大反向电压为IoOOk额定工作电流为IA的塑封整流二极管IN4007组成单相桥式整流电路。三、滤波电路部分选用并联3700uF50V电容滤掉整流电路输出电压中的交流成分，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。四、稳压电路部分()基准部分基准电压值：IOV档取为3Vn=0.60.315V档取为3Vn=0.6%.4设流过电阻R"f的最小电流为5mA,则RM=（Unmin-Urez）/5mA=400（2）采样部分由取样电阻组成，当输出电压为最小值U_时，取电流I'为=15mA,则当当输出电压为最大值Utinwi时，电流为15X3:45mA,由此得：R=Unmui/l'=5V15mA=330所以R2+R3=°6X330=198C,取200Q,则R1=330-200=130,Rj=330×0.3=100,取90c,R,=110总功率W=O.0452×330=0.66肌取每个电阻额定万率大于0.5W0（3）辅助电源部分1、放大管Vl两端的电压V=2.7V+3V+2.1V=7.7V,约为8V。2、电流I=L+I2+I3，现L>5mA,I,=2mA,而I?现取最小电流为5mA,此时V=V,+U"nim=8V+5V=13V故R=（13-2）V/5mA=2.2Kc则Ii=（8+Ui）-2/2.2K=IOmA故I>17mA,取20mA,其输入,取10V,则其限流电阻R=（10-8）V20mA=100取限流电阻额定功率为004W,R,=2.7V2mA=l.3K（4）放大部分Vi调整管的选择应以最不利的条件来考虑：集电极一发射极反向击穿电压VcfUlmu-U0min=（15V+15V×10%）-5V=IL5V集电极最大允许电流IC（B21EX=IA,最大耗散功率PCMVcso×Ifm=ll.5W由晶体管手册查得，3DD15可满足以上要求。此外，为了消除稳压电路自激，可在稳压电路的输出端并接220uF25V电容。3. 6工程训练总结工程训练按上述要求完成后，要根据内容、格式等要求撰写工程训练报告。学生完成的工程训练报告，由指导老师批改，给出成绩，如成绩合格者可获2个学分。4. 7参考资料1康华光电子技术基础（模拟部分）高等教育出版社.2004.42谢嘉奎.电子线路线性部分（第四版）高等教育出版社.1999.63朱文生.最新稳压电源设计应用及质量检验标准规范实用手册国.中国科学技术文献出版社2008.34曲学基等稳定电源电路设计手册国.电子工业出版社，2003.105王增福等.新编常用稳压电源电路国.电子工业出版社，2005.86王浩全,傅英明，洪华,龙怀冰.ProtelDXP电路设计及制板,人民邮电出版社，20057伍启学.串联型晶体管稳压电路.家庭电子