串联型直流稳压电源电路设计报告

串联型直流稳压电源设计报告

一、计题目

题目：串联型直流稳压电源

二、计任务和要求

要求：设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的串联型直流稳压电源。 指标：1、输出电压6V 、9V 两档，正负极性输出；

2、输出电流：额定电流为150mA ，最大电流为500mA ；

3、纹波电压峰值▲V op-p ≤5mv ；

三、理电路和程序设计： 1、方案比较

方案一：先对输入电压进行降压，然后用单相桥式二极管对其进行整流，整流后利用电容的充放电效应，用电解电容对其进行滤波，将脉动的直流电压变为更加平滑的直流电压，稳压部分的单元电路由稳压管和三极管组成（如图1），以稳压管D1电压作为三极管Q1的基准电压，电路引入电压负反馈，当电网电压波动引起R 2两端电压的变化增大（减小）时，晶体管发射极电位将随着升高（降低），而稳压管端的电压基本不变，故基极电位不变，所以由E B BE U U U -=可知BE U 将减小（升高）导致基极电流和发射极电流的减小（增大），使得R 两端的电压降低（升高），从而达到稳压的效果。负电源部分与正电源相对称，原理一样。

图1 方案一稳压部分电路

方案二：经有中间抽头的变压器输出后，整流部分同方案一一样擦用四个二极管

组成的单相桥式整流电路，整流后的脉动直流接滤波电路，滤波电路由两个电容组成，先用一个较大阻值的点解电容对其进行低频滤波，再用一个较低阻值的陶瓷电容对其进行高频滤波，从而使得滤波后的电压更平滑，波动更小。滤波后的电路接接稳压电路，稳压部分的电路如图2所示，方案二的稳压部分由调整管，比较放大电路，基准电压电路，采样电路组成。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。

图2 方案二稳压部分单元电路

对以上两个方案进行比较，可以发发现第一个方案为线性稳压电源，具备基本的稳压效果，但是只是基本的调整管电路，输出电压不可调，而且输出电流不大，而第二个方案使用了运放和调整管作为稳压电路，输出电压可调，功率也较高，可以输出较大的电流。稳定效果也比第一个方案要好，所以选择第二个方案作为本次课程设计的方案。

2、电路框图

整体电路的框架如下图所示，先有22V-15V的变压器对其进行变压，变压后再对其进行整流，整流后是高低频的滤波电路，最后是由采样电路、比较放大电路和基准电路三个小的单元电路组成的稳压电路，稳压后为了进一步得到更加稳定的电压，在稳压电路后再对其进行小小的率波，最后得到正负输出的稳压电源。

3、电路设计及元器件选择； （1）、变压器的设计和选择

本次课程设计的要求是输出正负9伏和正负6负的双电压电源，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Om in Im ax CE U U U -=，CE U 为

饱和管压降，而Imax U =9V 为输出最大电压，Omin U 为最小的输入电压，以饱和管压降CE U =3

伏计算，为了使调整管工作在放大区，输入电压最小不能小于12V ，为保险起见，可以选择220V-15V 的变压器，再由P=UI 可知，变压器的功率应该为0.5A ×9V=4.5w ，所以变压器的功率绝对不能低于4.5w ，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-15V ，额定功率12W ，额定电流1A 的变压器。

（2）、整流电路的设计及整流二极管的选择

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，由4个串并联的二极管组成，具体电路如图3所示。

图3单相桥式整流电路

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)(AV o U ：

)(AV o U =

)(sin 21

2t d t U ωωπ

π

??=

π

2

22U =0.92U

其中2U 为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得)(AV o U =13.5v 。

对于全波整流来说，如果两个次级线圈输出电压有效值为2U ，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是222U ，即为34.2v

考虑电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%的波动）我们可以得到

)(AV o U 应该大于19.3V ，最大反向电压应该大于48.8V 。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）、滤波电容的选择

当滤波电容1C 偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而1C 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15V ，当输出电流为0.5A 时，我们可以求得电路的负载为18欧，我们可以根据滤波电容的计算公式：

C=(3～5)

L

R T

2 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1667-2750uF ，保险起见我们可以取标准值为2200uF 额定电压为35V 的铝点解电容。

另外，由于实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等因素，电路中极有可能产生高频信号，所以需要一个小的陶瓷电容来滤去这些高频信号。我

们可以选择一个104的陶瓷电容来作为高频滤波电容。滤波电路如上图。

（4）、稳压电路的设计

稳压电路组要由四部分构成：调整管，基准稳压电路，比较放大电路，采样电路。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A 的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。由于输出电流较大，达到500mA ，为防止电流过大烧坏调整管，需要选择功率中等或者较大的三极管，调整管的击穿电流必须大于500mA ，又由于三极管CE 间的承受的最大管压降应该大于15-6=9V ，考虑到30%的电网波动，我们的调整管所能承受的最大管压降应该大于13V ，最小功率应该达到）（min 01L U U 1.1I P -≥=6.5W 。我们可以选择适合这些参数，并且在市场上容易买到的中功率三极管TIP41，它的最大功率为60W,最大电流超过6A ，所能承受的最大管压降为100V ，远远满足调整管的条件。负极的调整管则选择与之相对应的的中功率三极管TIP42。基准电路由5.1V 的稳压管和4.7V 的保护电阻组成。由于输出电压要求为6伏和9伏，如果采样电路取固定值则容易造成误差，所以采样电阻最好应该做成可调的，固采样电路由两个电阻和一个可调电阻组成，根据公式：

D U D

max R R

U ?=

求出。其中D R 为运放正反相输入端的电阻，R ?为输出端正极（负极）与共地端之间的

电阻 ，D U 为稳压管的稳压值。固可以取330、和1.5k 的固定电阻置于1k 的滑阻两旁避免当滑D R 为0.所以根据此公式可求的电路的输出电压为5.772-9.622V 。可以输出6V 和9V 的电压，运放选用工作电压在15V 左右前对电压稳定性要求不是很高的运放，由于uA741的工作电压为正负12V-正负22V ，范围较大，可以用其作为运放，因为整流后的电压波动不是很大，所以运放的工作电源可以利用整流后的电压来对其进行供电。正稳压电路的正极和负极分别如下图

为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，需奥对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个10uf的点解电容和一个103的陶瓷电容，这样电源不容易受到负载的干扰。使得电源的性质更好，电压更稳定，

四、画出系统的电路总图

正负输出的可调的最大值和最小值电压数据如下图：

调节可变电阻，可以得到课程设计所要求输出的6V和9V的电压，仿真数据如下：

电路输出直流电的波形图如下图

电压的直流电波形为标准的直线，达到设计的要求

而实际测量时也是这样，输出波形基本为一条直线

电路输出纹波波形

纹波电压在2.5mV左右，比要求的5mV要低，而实际测量时，纹波的电压只有0.9mV，远远低于所要求的5mV，所以符合要求。

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5.772V-9.622V而实际可调范围为5.78V-10.45V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，。

缺点：电压缺少一个保护电路，当电路由于偶然原因出现高的电压脉冲时，有可能对电路造成危害，使得电路故障率提高。

改进：可以在稳压电路那里再接一个过保护电路电路。减少接电或断电时产生的瞬间高电压对电路元件的破坏。另外，ua741芯片较为古老，性能不稳定，已跟不上时代的需要所以运放可以重新选择性能更好，更稳定的芯片。

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。