串联式稳压电源设计

串联式稳压电源设计.一、设计目的1.熟悉元器件的引脚及结构。

2.掌握各元器件的功能及使用方法。

3.掌握焊接技术及其接线方法。

4.了解电源（或信号源）的组成及工作原理。

5.熟悉电源（或信号源）的设计与制作。

6.通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源；7.掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

二、设计要求（一）总的指导思想对本次课程设计，原则上指导老师只给出大致的设计要求，在设计思路上不框定和约束同学们的思维，所以同学们可以发挥自己的创造性，有所发挥，并力求设计方案凝练可行、思路独特、效果良好。

（二）题目具体要求输出电压可以在5—12v连续调节，输出电流0-200mA。

要求市电电压波动范围为AC220V±10%，在负载电流大范围波动时输出电压波动<1%。

三、题目分析通过题目要求可知电路要做到稳定可调比少不了精确计算和正确的理论分析还有合理的选择元器件，当然还有对实际情况的误差分析以及总结能力。

四、整体构思此电路应有变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、比较电路、基本放大电路、调整电路、保护电路、还有采样电路这九个部分组成。

其中滤波电路有两处用到，一个是在整流电路后，另一个是在输出前。

五、具体实现：根据整体构思分析，实用的串联型稳压电路至少包含调整管、基准电压电路、采样电路及比较放大电路等四部分。

此外，为使电路安全工作，还常在电路中加上保护电路，所以串联型稳压电路的方框图如图。

.六、各部分定性说明以及定量计算：变压器及整流电路在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。

单相交流电首先经过变压器变成低压的交变电压。

根据要求要输出5~12V稳定可调的电压，考虑到其他因素（例如调整管上的压降和电压的小幅波动等），在此预留2V的余量。

所以在滤波后，即使市电电压达到最低时，应有14V电压。

根据计算变压器副边至少要输出11V的电压，如果选用副边输出为12V的变压器，那么当市电波动到最小的时候副边为10.8V，不够11V。

故在此选二次边输出15V的变压器。

其输出最大功率为P=UI=15某0.2=3W在经过一个单相桥式整流，其电路组成为四只二极管，其构成原则就是保证在变压器副边电压u2的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。

其工作原理是无论交变电压来的是正半周还是负半周，都只用两个管子（一对桥臂上的两个二极管）导通，既整成直流波形。

那么，其输出电压的平均值UO(AV)=解得UO(AV)=√1π2U2intd(t)0π≈0.9U=13.5V由于桥式整流电路实现了全波整流电路，他将u2的负半周也利用了起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电压的平均值是半波整流的两倍。

关于二极管的选择其反向耐压值URma某=√U2=22V如果输出最大电流（200mA）时，由于一对桥臂上是由两个二极管组成，那么流过每个二极管的电流应是100mA。

故二极管上最大流过100mA的电流。

由于考虑到市电的波动为±10%，在实际的选用二极管是，应留有10%的余量。

所以其反向耐压值应为URM>1.1√2某2=48V故本实验中二极管D1-D4均选反向耐压值为50V的1N4001型二极管。

滤波电路滤波电路是由两个部分组成一个是接在整流电路后的另一个是在输出前加的，在这里我们一并说明。

首先，在整流电路后的滤波电路有两个电容组成的，两个都是耐压值为25V1000μ的.电解电容（C1C3）另一个是普通的103电容（C2C4）。

关于C1的选择：首要的是电容大小的选择。

等效电阻应为最大输出电压比最大输出电流既60Ω。

那么，C1的选择应为C1>等效≈800μF故选择1000μ的电容。

虽然这两个滤波电路一前一后，但是其工作原理是一样的。

首先电解电容是有正负极的，他就是利用电容充放电的原理把波形变得平滑。

考虑到市电的波动后电解电容（C1C3）其耐压值为Uc>1.1√U2=1.1√某15V≈23V故选耐压值为25V的电解电容。

在此特别说明电容的耐压值理论上是越高越好，但是一般在耐压值附近其容抗才能够达到给定的参数值。

而电容103（C2C4）是为了滤掉纹波才加上的。

基准电压电路在此次设计中必不可少的一部分就是要有一个基准电压电路为后面的差动放大提供一个基准的电压。

它也可以叫稳压管稳压电路。

在此次设计中用一个红色发光二极管来代替稳压管。

这是因为由于本电路中的电流都很小，稳压管很难工作在稳压区，不过在实际测量后我们发现红光管在电流超过5mA时稳压效果不错，同时还兼顾了电源指示灯的作用。

在试验中测得其导通后电流在5mA~10mA时电压将会稳定在2V左右。

由于有了这些参数他也有利于计算限流电阻的值。

其上限和下限分别为Rma某=Rmin=由于这里对数字要求不是那么精确，只要大概确定一个范围。

IL是下一步差动放大的基极电流，因为其值很小所以在这里我们忽略不计。

那么，令U=19V，U=23V，UZ=2V，IZ=5mA，IZM=10mA。

Rma某=3.4KΩRmin=2.1KΩ故此部分选择R1=3kΩ的电阻.。

考虑到市电的波动R1上面那点电位应在16V~21V波动。

电流波动范围应在5mA~7mA如图所示。

比较放大电路比较放大电路是连接在基准电压电路后面的，为了实现电压可调固在电路中引入了放大环节，加深电压负反馈以提高输出电压的稳定性,并且还抑制了温度的漂移。

由于在此对精度的要求不高，又从经济的角度上考虑后在此用一个长尾式差分放大电路来实现。

控制流过T2的电流为1mA。

R2上端的电位（滤波后）波.动应为16V~21V，故R2取20KΩ。

三极管选择两个9013的NPN管子。

首先三极管工作必要有一个合适的静态工作点Q。

在此滤波后电压V=20V，UBEQ=0.7V，R2=20KΩ，UCEQ 尽量选在中间既10V。

ICQ=1mAIe≈2Ic用万用表测出β=150。

由于pn结上的压降是0.7V，之前的红光管上的电压基本上是2V，那么射极上的电位应是1.3V，管子的基极电流IB=53μA。

R3=Ω故在此R3选用一个650Ω的电阻。

调整管在本电路中调整管是保证电路安全工作的核心元件，它是由一个大功率管（T4:ICM=3AUCEM=50V）和一个普通的NPN管子（T3）组成的复合管。

这是因为流过集电极和发射极的电流可能很大，一般管子承受不了这么大的电流故选用一个大功率管。

其基极接在差动放大电路的集电极上，由于差动的集电极上电流过大，用万用表测量后发现T4的β值为75，如果不用复合管至于那个单管，那么，当输出电流为最大200mA时，基极电流应为3mA左右，显然这里不能有3mA基极的电流，故此用复合管对β进行补偿，这样以后基极电流就可以小到缪安级了。

而集电极接在滤波电路的后面，射极接上采样电路后从射极输出构成电压跟随，这样有利于对电压的稳定。

至于调整管的管功耗，当输出5V200mA时，滤波后的电位既调整管集电极的电位正常应为19V，那么，管压降应为14V，功率应为P=UI=14某0.2=2.8W所以本电路的管功耗最多为2.8W。

保护电路由于此电路的精度不高稳定性也相对较差，所以在调整管的射极后加上一个过流保护。

如果电路正常工作时T5管子是不导通的，因为pn结上没有0.7V的电压，而R4阻值又太小可以忽略不计，也就相当于没有这个保护电路。

但是当某种原因使得调整管的射极电流突然增大，使得R4上的压降达到0.7V后T5管子导通。

如果把保护电流设在250mA，那么R4=.Ω故R4取2.7Ω。

基极和集电极又是反相的关系，既基极电位上升，导致集电极电位下降，从而使得调整管的基极电位下降于是抑制了电流的持续增大，这样就保护了电路里的元器件。

也就相当于对调整管引入了一个负反馈。

不仅限制了电流，同时还顺便控制了温度。

关于R4的选择，由于这里电流可能过大故选取一个大功率的电阻，并且阻值要小尽量...少分压。

而T5就是一个普通的NPN管子。

采样电路采样电路是配合着差动放大和基准电压来实现电压的可调。

工作原理就是电位器的2号引脚上的电位和基准电压近似相等，通过基准电压值和调节电位器改变电位器2脚以下的电阻从而控制电流。

再利用电流在采样电路中几乎没有从电位器的2脚流走。

故可推断出整个采样电路的电压。

在这里我们假设电位器2脚的电位就是基准电压2V。

所以，当电位器滑动到最上端时，输出电压最小，为UOmin=·Uz<5V当电位器滑动到最下端时，输出电压最大，为UOma某=Uz>12V经综合考虑后R5、R6和W1分别选5.6KΩ和1.5KΩ电阻和5KΩ的电位器。

这样选下来电压可调的理论范围在4V~16V。

故优于设计条件的5V~12V。

七、在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施：在实验室调节后，空载时电压范围可以从3.8V~18.8V。

当接负载后稳定输出电压为12V调节负载电阻记录数据并绘制伏安特性曲线如图，在190mA后保护电路渐渐开始工作及T5管渐渐开始导通。

事实上R4上压降为0.6V时T5管就已经导通，开始保护了。

八、本电路的有缺点及改进方法：由于本电路对精度要求不高，其最大的优点在于成本低、简单明了、可行性高、实用性强。

不过同时也存在着很多缺点，例如，在比较放大电路那里由于我们没有用运放所以放大倍数Au不大，不像理想运放那样有着严格的“虚短”“虚断”。

所以他的两个基极电位不是严格相等的，那么这就导致了输出电压与计算值的偏差。

而且在电路中多次存在估算和近似的地方，这也导致了电路设计的不准确。

还有，电位器的阻值范围选择有些大，这样虽然拓宽了可调范围，但也导致了电压调节时精度的缺失。

还有，最后采样电路的理论输出范围到了16V有点太超过标准了。

至于改进的方法，我认为把比较放大电路中的差动放大改成一个运算放大器，这样有利于加深负反馈，从而得到更严格的“虚短”“虚断”的条件。

另外，采样电路中的电位器的范围可以的话可以选的稍微小一点，但要保证输出的标准。

当然，要是能有一个更精确的变压器（副边能够满足11V在市电波动到最小时）的话，那么它的输出范围可以更精确的在要求值附近，而且大功率管的功耗也可以再减小一些，这样有利于带负载的能力。