模拟电路课程设计—串联型稳压直流电源

1.1设计目的

稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调，不能满足很多场合下的应用。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引用深度电压负反馈使输出电压稳定；并且，通过改变反馈网络参数使输出电压可调。

本课题所介绍的串联型稳压电源为单相小功率电源，他将频率为50HZ、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电流为小到几十毫安、大到几安培的直流电压。

1.2技术指标与要求

• 输入交流电压为工频电压；
• 输出直流电压分为3-6V、6-9V、9-12V三档；
• 输出电流小于等于1A；
• 具有过电流及短路保护功能。
  

1.3设计原理及思路

     单相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压。其原理图如图1-3-1所示：

   图1-3-1原理图

    其输入是频率为50Hz，有效值为220V的单项交流电压，经过电源变压器，对电压进行升降，得到所需的交流电压；变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，也就是将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压；为了减小电压的脉动，需通过低压滤波电路滤波，使输出的电压平滑；最后在通过稳压电路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。

2 方案介绍

2.1方案设计

方案一：

图2-1-1所示是一个最简单的单管串联型晶体管稳压电源。这种稳压电源的工作原理是：当负载变化引起输出电压降低时，调整管的基极-发射机电压Ube=Ub-Ue=Ub-Usc，因为基极电压恒定，Usc降低，则Ube增加，使基极电流Ib和集电极电流都增加，从而使Usc上升，保持Usc近似不变。

图2-1-1单管串联型晶体管稳压电源

   不过这种串联型稳压电源只能做到输出电压基本不变。因为调整管的调整作用是靠输出电压与基准电压的静态误差来维持的，如果输出电压绝对不变，则调整管的调整作用就无法维持，输出电压也就不可能进行自动调节。

方案二：如图2-1-2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。

图2-1-2具有保护环节的串联型直流稳压电源

2.2方案选择

方案二简单、合理、可靠、经济。从见到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。

3 单元电路设计与参数计算

3.1变压器

直流电的输入为220V的电网电压，然而所需的电压数值和电网电压的有效值相差很大，所以需要通过电源变压器降压后，再对电流、电压处理。变压器二次侧的电压有效值决定后面电路的需要。根据课题要求，输出电压最大为12V，故我们选取15V30W的电源变压器。如图3-1-1所示。

图3-1-1电源变压器

3.2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。单相整流电路有半波整流电路、单相桥式整流电路。两种整流电路相比较，单向桥式整流电路在相同的变压器二次侧电压下，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3-2-1所示：

图3-2-1单相桥式整流电路

保护电路：

     在集成稳压器电路内部含有各种保护电路，使集成稳压器在出现不正常情况是不至于损坏。因为串联型稳压电路的调整管是其核心器件，它流过的电路近似等于负载电流，且电网电压波动或输出电压调节时管压降将产生相应的变化，所以这些保护电路都与调整管紧密相关。过流保护电路能够在稳压管输出电流超过额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值或使之迅速减少，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏。如图3-2-2所示：

图3-2-2过流保护电路

主要参数：

输出电压平均值Uo（av）：负载电阻上电压的平均值

输出电流平均值：负载电阻上电路的平均值

=≈

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越大，脉动越大。

二极管的选择：

  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：

>1.1和>1.1·          >1.1×≈0.007A

所以选择>1.1V

3.3滤波电路

        整流后的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，会影响电路的正常工作。一般在整流后，还需要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。所以需通过低通滤波电路，使输出电压平滑。理想情况下，应将分流分量全部滤掉，使输出电压仅为直流电压。在实际电路中，为了获得更好的滤波效果，电容容量应选的更大些。

        滤波电路有电容滤波、电感滤波、和复式滤波三种，其中复式滤波电路效果最好。如图3-3-1所示：

图3-3-1复式滤波电路

3.4稳压电路

         如图3-4-1所示：

图3-4-1稳压电路原理图

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载流型过流保护电路。如图3-4-2所示：

图3-4-2具有放大环节的过流保护电路

其中Q1构成调整电路，R3、R5、R4组成取样电路，Q2、R6构成保护电路，D1、R1构成基准电路。

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≤6V,取=5.6V402Ω, 1000KΩ(100Ω), 820Ω

c串联型稳压电路的基本组成部分及其作用：

调节管：是电路的核心，UFE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：

要想使调整管起到调整作用，必须使之工作在放大状态，因此其管压降应大于饱和管压降；调整管极限参数的确定，必须考虑到输出电压由于电网电压波动而产生的变化，以及输出输出电压的调节和负载电流的变化所产的影响。

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。

=>   R<

电网电压最低且负载电流最小时，稳压管的电流最大。

=<  R     

   如图4-1-1：

元件类型	元件序号	型号	主要参数	数量
变压器	T1	双15V30W		1个
集成运算放大器	U1	LM324		1个
稳压管	D3	1N4734	5.6V	1个
整流桥	D1	1A整流桥107		1个
三极管	Q1、Q2、Q3	TIP41、TIP42、TIP43	中功率	3个
电解电容	C1、C2		100nF/25V、450uF/ 25V	2个
电阻	R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8		246Ω、1kΩ、666Ω、200Ω、222Ω、445Ω、111Ω、100Ω	各一个
电源线				1条
开关	S1	单刀四掷小号		1个

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2017-12-4 16:34 上传

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