模电课程设计(串联型直流稳压电源的设计)

2013~2014学年第一学期

《模拟电子技术基础》

课程设计报告

题目：串联型直流稳压电源的设计班级: 12级通信（1）班

姓名：

指导老师：

电气工程系2013年 12月28日

《模拟电子技术基础》任务书

在现代工业技术中，电源技术这项工程技术的实践性很强。尤其是数控电源技术，它与当今电源技术相似，融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等领域，并提出了更高的要求，具有更强的实用性，因此也拥有广阔的发展前景。数控电源在电子装置中的普遍使用，一定程度上解决了因普通电源在工作时产生的误差而对整个系统精确度的影响。下面我们那就对直流稳压电源进行分析，说明其原理和在实际应用中起到的作用。

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。本工程训练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。直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。

关键字：串联稳压；直流；可调电源；DXP软件；

摘要 (2)

第一章串联直流稳压电源的基本原理 (4)

1.1串流稳压电路原理 (4)

1.2电源变压器知识 (4)

1.3整流、滤波电路 (5)

第二章主要元器件简介 (9)

2.1电磁继电器三极管.................. 错误！未定义书签。

2.2芯片 (9)

2.3三极管 (10)

第三章串联型直流稳压电源的电路图及仿真电路 (11)

3.1整体框架图 (11)

3.2方案比较及单元电路设计 (11)

3.3稳压电路及保护电路设计 (14)

3.4总线路图 (17)

调试分析与性能测试 (18)

总结 (19)

参考文献 (20)

第一章串联直流稳压电源的基本原理

1.1串流稳压电路原理

当电网电压降低或负载电阻减小而使输出端电压有所降低时，其取样电压UB2相应减小，T2基极电位降低。但因T2发射极电位既稳压管的稳定Uz保持不变，所以发射极电压UBE2减小，导致T2集电极电流减小而集电极电位Uc2升高，由于放大管T2的集电极与调整管T1的基极接在一起，故T1基极电位升高，导致集电极电流增大而管压降UCE1减小。因为T1与RL串联，所以，输出电压Uo 基本不变。

同理，当电网电压或负载发生变化引起输出电压Uo增大时，通过取样、比较放大、调整等过程，将使调整管的管压降UCE1增加，结果抑制了输出端电压的增大，输出电压仍基本保持不变。调节电位器Rp，可对输出电压进行微调。从图可见，调整管T1与负载电阻RL组成的是射极输出电路，所以具有稳定输出电压的特点。在串联型稳压电源电路的工作过程中，要求调整管始终处在放大状况。通过调整管的电流等于负载电流，因此必须选用适当的大功率管作调整管，并按规定安装散热装置。为了防止短路或长期过载烧坏调整管，在直流稳压器中一般还设有短路保护和过载保护等电路。

1.2电源变压器知识

1．初级(Primary Winding)：是指电源变压器的电源输入端。2．次级(Secondary Winding)：是指电源变压器的输出端。3．额定输入电压U：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。对GS变压器来说，U＝230V；对BS变压器来说，U＝240V。4．空载电流I：是指电源变压器的初级接上额定输入电压U而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。I与

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U次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。U与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其U也可能不同。6．负载电流I：是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，流过负载的电流。7．负载电压U：是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，负载两端的电压。8．定输出功率P：是指变压器在额定输入电压U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，P越大，变压器的尺寸越大；P相同，即使输出电压U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P=U*I可知若输出功率P一定，若输出电压U越高，则输出电流I越低。举例来说，一个输出功率P=10VA的变压器，若输出电压U=24V，则输出电流I= P/U=10VA/24V＝ 0.416A；若U=12V，则输出电流I=0.833A。电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。

变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=η，式中η是变压器的效率。

对于本次工程训练对电源变压器的要求主要为次级空载电压大小，额定输出功率，变压器的额定容量，所以在本次工程训练中选择的是小型单相式变压器，有四组输出线分别为7V、10V、17V、10V。可根据具体功率及计算要求选择。

1.3整流、滤波电路

1、半波整流电路

由以上图可知，半波整流电路的利用率低，一般不采用。

2、全波整流电路

由于变压器副线圈的接线较复杂，在实际中叶一般不采用。

3、桥式整流电路

电路工作原理:利用二极管正向导通反向截止的工作原理,当U2为正半周时二极管D1、D3导通,D2\D4截止当U2为负半周时二极管D2、D4导通, D1、D3截止。而流过负载的电流的方向是一致的,在负载形成单方向的全波脉动电压。.从而实现将交流的电压变为直流电压.主要参数：Uo=0.9*Ui 脉动系数:S=0.67 选管原则: If ≥ 1/2Io Ur ≥ 1.414U2结构简单性能优越，绝大多数整流电路采用桥式整流电路，所以本次工程训练采用桥式整流。

滤波电路

滤波电路主要有：电容滤波、RC-∏型滤波、LV-∏型滤波、L滤波，LC滤波，

其中LC滤波电路在负载电流较大或较小时，均有较佳的滤波特性，故LC滤波对负载的适应性最强，整流管的冲击电流小，特别适用在电流变化较大的场合，所以本电路采用LC滤波电路，

LC 滤波波形

电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用,再并上一个电容,利用电容的充放电作用,使得负载电流较大时或较小时均有较佳的滤波能力. 主要参数:LC 滤波电路的直流输出电压,如忽略电感上的压降,则输出直流电压等于全波整流的输出电压,则有 Uo=0.9U2

稳压电路的主要指标：稳压电路：它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。

1．稳压电路的主要指标稳压系数Sr和稳压电路的输出电阻，稳压系数Sr：稳压系数是在有负载固定不变的前提下，输出电压的相对变化量△Uo/Uo与稳压

电路输入电压相对变化量△Ui/Ui之比，即：该指标反映了电网波动对输出电压的影响。此外稳压电路输入电压Usc就是整流滤波以后的直流电压。

2．稳压电路的输出电阻，输出电阻可以衡量稳压电路受载电阻的影响程度,即：除了上述两个指标外,有时还用其它指标:电压调整率，指当电网电压（u2）变化10%时，输出电压的相对变化量；电流调整率，指当输出电流Io从零到最大时，输出电压的相对变化；最大波纹电压，反映在输出端存在的HZ或者100Hz 交流分量，通常以有效值或峰—峰值表示；温度系数，指电网电压和负载都不变时，由于温度变化面引起的输出电压漂移等。直流稳压电路的类型很多，有：硅稳压管稳压电路、串联某型稳压电路、集成稳压电路，开关稳夺电路，其中集成稳压电路相对于其它类型的稳夺电路来讲具有体积小、稳定性高、输出电阻小、温度性能好、使用方便、外围元件少等优点，在实际应用中得到广泛应用。集成稳压器有两种：输出固定电压和可调输出电压的稳压块。

第二章主要元器件简介

2.1电磁继电器

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

2.2芯片

1、数显部分芯片：ICL7107(31/2位双积分型A/D转换器，)主要参数：

电源电压 ICL7107 V+ to GND 6V

温度范围 0℃ to 70℃

ICL7107 V- to GND -9V

热电阻 PDIP封装 qJA(℃/W) 50

MQFP封装 80

模拟输入电压 V+ to V- 最大结温 150℃

参考输入电压 V+ to V- 最高储存温度范围 -65℃ to 150℃

时钟输入 GND to V+

2、 7805芯片输出5V电压具体参数见集成电路查询网

2.3三极管

（1）、9013 NPN 低频放大 40V－50V 0.5A 0.625W 150MHZ hFE：100～1000 (放大倍数分段可选

（2）、9012 PNP 50V 500mA 600mW 低频管放大倍数30-90

（3）、大功率三极管 2SC2563 NPN 通用参数： 8.0A/120V

2.4常用整流二极管参数

IN5399 耐压1000V 1.5A

1N4007 硅整流二极管 1000V, 1A,

1N4735A 1W 6.2V稳压管

1N4727A 1W 3V稳压管

第三章串联型直流稳压电源的电路图及仿真电路

3.1整体框架图

图1 整体框架图

直流稳压电源由变压器、整流、滤波、和稳压电路四部份组成，其原理框图如上图所示。电网供给的电压经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压，然后由整流电路转换成方向不变，大小随时间变化的脉动电压，再用滤波器滤其分量，得到比较平直的直流电压。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

电源变压器:将交流电网电压u

1 变为合适的交流电压u

2

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

3.2方案比较及单元电路设计

本设计电路分为降压电路、整流电路、滤波电路和调压稳压电路四大部分，稳压电路部分又由基准电压源、输出电压采样电路、电压比较放大电路、过流保护电路和输出电压调整电路组成。方案一和方案二的差别在于整流电路和滤波电路的选择。整流电路主要有单相半波整流电路，和单相桥式整流电路；滤波电路主要有电容滤波电路、电感滤波电路。方案一的整流和滤波电路由单相半波整流

电路和电感滤波电路组成。方案二的整流和滤波电路由单相桥式整流电路和电容

滤波电路组成。本次设计选择方案二操作。

电源变压器的选择:根据设计要求,需要输出三档电压,并且正负极输出,并且

输出最大电流为1A ，则变压器的最低功率为P=UI=12w ，所以选择正负15v 输出，

额定功率为25w 的电源变压器。

单相半波整流电路：直接在交流电路中串接一个合适的二极管，如图1所示，

利用二极管的单相导电性，把交流电转换为直流电，产生图2所示的电压波形。

图2 单相半波整流电路 图3 半波整流电路输出电压波形

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3所示。其输出电压波形如图

5.

u u a

T

b D R L u

图4单相桥式整流电路

图5桥式整流电路输出电压波形图

单相半波整流电路的优点是使用元器件少，电路简单：缺点是效率低，输出电压

脉动系数大。这种电路仅适用于电流较小，对电流脉动程度要求不高的场合。而

桥式整流电路，对二极管的参数要求与半波整流一样，但有输出电压高、变压器

利用率高、脉动小等优点，因此得到了广泛的应用；但它所需要二极管的数量多，

由于实际二极管的正向电阻不为零，必然会使整流电路的内阻增大，从而使损较

大大。故本设计选择单相桥式电路。

电容滤波电路：是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个

电容（区分正负极）即构成电容滤波电路，电容在电路中也有储能的作用，并联

的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低

时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑 t

图6电容滤波电路输出电压波形图 电感滤波电路： 在整流电路与负载之间串联一个电感线圈就构成了电感滤

波电路，一般为了增大电感线圈的电感量，采用有铁芯的线圈，其原理图如图7

所示。电容滤波电路简单易行，输出电压平均值高，但它仅适用于负载电流较小

且其变化也较小的场合。而电感滤波能应用于负载电流较大的场合，当负载电阻

很小时，就应该用电感滤波电路。本次设计使用电容滤波电路。

图7电感滤波电路 3.3稳压电路及保护电路设计

根据设计要求需要晶体管和集成运算放大器组成的串联型直流稳压电源。

串联型线性稳压电路一般由基准电压源、输出电压采样电路、电压比较放大电路、过流保护电路和输出电压调整电路组成。串联稳压工作部分要有放大、调节输出

电压幅值的功能，经过比较器和三极管的放大，使电流增大，从而是输出电压也

u

u u R L u

u 1 L

u o

增大。通过调节变阻器，可以调节输出电压的幅值。原理图如图8所示

图8 串联稳压工作电路 在集成稳压电源内部都含有各种保护电路，如过流保护和短路保护，使稳压器在

不正常情况下不至于损坏。原理图如图9所示

图9 过流保护电路原理图

将保护电路和串联稳压电路结合起来，就构成了稳压工作部分的电路，如图10

U I

L U o R

I L

图10 稳压电路图

3.4总线路图及步骤

1.打开Multisim 。

2.把要用的元件全部放置视图中，元件有电源，二极管，晶体管，电阻，，滑动变阻器，万用表以及开关，电容。

3.把放置好的元件按照设计要求设置参数。如电源220V ，50Hz ；电阻的阻值分别为6.2K Ω，270，200Ω，200Ω，100Ω和阻值为300Ω的滑动变阻器；电容参数分别为220mF 和220uF 。

4.把元件放置在合适的位置，然后进行连接导线。最终得到下图。

注意事项：二极管，晶体管以及变压器的幸好要选择正确，否则将会影响仿真的进行；导线之间的连接要注意，分清楚元件之间的串并联关系。

最后开始仿真测试

1.打开万用表出现方框，选择欧姆值一栏，然后F5开始仿真，得到电路的输出电阻为245.243Mohm 。在分别打开另外2个万用表，再测试2次，得出数据后记录，计算可得测出设计电路的稳压系数：经2次测量取得数据计算可得稳压系数为0.0059。电路的输出电阻图片如下图。

2.

T 1

R L

U O + _

R 1

测出设计电路的稳压系数：经2次测量取得数据计算可得稳压系数为0.0059. 电路的输出电阻为245.243Mohm.

调试分析与性能测试

我们将所有的元器件安装完成后，必须仔细对照电路图检查线路是否正确，看有没有接错的地方。然后接通220V电源，按下主电路开关SW1，用万用表检测输出端有无电压输出，若无电压输出，则检测输出端以前的电路每点的电位，找到电位异常的点后，可断开电源，仔细分析原因，检测此部位的元器件是否存在有虚焊的情况，用万用表的蜂鸣档检测是否有短路或是开路。对电路整体进行分析排查，看是否有元器件因为某点的短路而烧坏的，逐级进行。反复调试，直到找到原因所在。