模电课程设计串联型直流稳压电源.doc

(完整word版)模电课程设计串联型直流稳压电源

课 程 设 计

课程名称 模电课程设计
题目名称 串联型直流稳压电源
学生学院 物理光电工程
专业班级 电子科学与技术3班
学 号 3111008474
学生姓名 郭忠迪
指导教师 刘力斌

2012年10月27日

串联型直流稳压电源

一．设计任务与要求
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、在最大输出电流的时候纹波电压峰值▲Vop-p≤5mv；
任务：1、了解带有放大环节串联型稳压电路的组成和工作原理；
2、识图放大环节串联型稳压电路的电路图；
3、仿真电路并选取元件；
4、安装调试带有放大环节串联型稳压电路；
5、用仪器仪表对电路调试和测量相关参数；
6、撰写设计报告、调试
二．原理电路设计
1、整理电路框图的设计；
采用变压器、二极管、集成运放，电阻、稳压管、三极管等元器件。220V的交流电经变压器变压后变成电压值较小的交流，再经桥式整流电路和滤波电路形成直流，稳压部分采用串联型稳压电路。比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，所以其输出电压也可以调节；同时，为了扩大输出大电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，就构成了具有放大环节的串联型稳压电路。如下图。

2、方案的比较；
方案一：用晶体管和集成运放组成的基本串联型直流稳压电源。如图

方案二：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。如图。

方案三：用晶体管和集成运放组成的实用串联型直流稳压电源。如图。

方案的可行性分析：
方案一最简单，但功能也最少，没有保护电路和比较放大电路，因而不够实用，故抛弃方案一；方案三功能最强大，但是由于实验室条件和经济成本的限制，我们也抛弃方案三，因为它是牺牲了成本来换取方便。所以从简单、合理、可靠、经济从简单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。

三、单元电路设计及元件选择；
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。下面就各个部分的作用和功能来选择合适的元器件。
（1） 电源变压器
直流电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。根据经验，稳压电路的输入电压一般选取。所以选择15V10W的变压器。具体的mulitism仿真用TS_POWER_10_1。
（2） 整流电路。
通过整流电路把交流电压转换成直流电压，即将正弦波电压转换成单一方向的脉动电压。查阅资料知有，有半波整流电路和全波整流电路。全波整流电路和
半波整流电路相比，在相同的变压器的副边电压下，对二极管的要求参数是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点。而且更重要的是我们要求输出正负两档的电压的，如果将全波整流电路变压器的副边接地，并将两个负载电阻电阻接地。那么负载上就分别获得正负电源了。因此选择全波整流电路。如图。

整流电路的主要参数：
主要参数：
输出电压平均值：负载电阻上电压的平均值

输出电流平均值：负载电阻上电流的平均值

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愈大，脉动愈大。

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：

所以选择 Ur>1.1× ×15≈23V，
实际选择整流桥来整流，型号为KBP307,额定电流为3A 电压为700V.
(3)滤波电路
整流电路输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分。所以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。为了获得较好的滤波效果，在实际电路中电容容量满足RLC=(3～5)T/2.由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为±10%,电容的耐压值应大于1.1.实际采用电路是电容滤波电路。电解电容为2200uf,耐压值为25V.
(4) 稳压电路
虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是但电网电压波动时，输出电压将随之产生波动。故此采用稳压管稳压电路来稳定输出电压。

稳压原理：若上图的电网电压增大，则增大，增大，增大，增大，输出电压减少。当电网电压下降时，各电量的变化与上述过程的相反。
可见，当电网电压变化时，稳压电路通过限流电阻R上电压的变化来抵消的变化，从而输出电压基本不变。
‚输出电压范围

而我们要求输出电压有6V档，因此Uz≤6V，选择Uz=4.3V，型号为IN4731,=240Ω是可调电阻为1000Ω，=910Ω，经计算稳压值为4.81V≤Uz≤10.10V.符合我们要求输出的6V,9V档。

ƒ串联型稳压电路
调整管：调整管是核心元件。调整管常为大功率管。
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。
④串联型稳压电源中调整管的选择：
根据极限参数ICM、 U（BR）CEO、PCM 选择调整管！

输出电流不能大于500mA,且输出电压调节为4.8v到10v,输入电压为15v,波动范围为±10%，测极限参数应为
>=500mA,>
。实际选择的NPN调整管是TIP41C,最大集电流--基极直流电压：最大值120V .最大耗散率65W ,,符合要求。选择的PNP调整管是TIP42C.参数跟TIP41C一样。
限流电阻的选择:保证稳压管既稳压又不损坏。限流电阻选1.2
电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。

电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。

运算放大器的选择：实际选择运放是LM324N.
LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿
的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,
也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源
电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、
直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放
大器的场合。
LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式。
其特点为：
★ 内部频率补偿
★ 直流电压增益高(约100dB)
★ 单位增益频带宽(约1MHz)
★ 电源电压范围宽：单电源(3—32V)；
双电源(±1.5—±16V)
★ 低功耗电流，适合于电池供电
★ 低输入偏流
★ 低输入失调电压和失调电流
★ 共模输入电压范围宽，包括接地
★ 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
★ 输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)
极限参数

管脚如图：

自己做了才知道，其实根本没有用到LM324N的几个引脚的。其实可以选择LM324ad的，才8个引脚，对排版有很大的好处。
四、元器件清单

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
U1A、U2A
LM324N

2个
稳压管
D2、D3
1N4731A
4.3V
2个
整流桥
D1
KBP307
3A 700V
1个
三极管
Q1、Q2、Q5、Q6
TIP41C、TIP42C
中功率
各2个
电解电容
C1、C2

2200uF/25V
2个
电阻
R1、R2、R3、R5、R6、R7、R8、R10、R11、R12

1.2K, 1Ω,240Ω,910Ω
33Ω
2个、2个、2个、2个,2个
电位器
R4、R9、
精密电位器
1 kΩ
2个
排针

五、电路总图，及调试过程、结果

±6V档输出结果 如下图

±9V档输出结果 如下图

最大输出电流时的纹波电压输出结果，仿真数据最大的纹波电压小于5mV最大电流也小于要求的500mA,分别是306.2mA和306.246mA，纹波电压分别是986.462uV和1.027mV。

仿真中电压可调范围4.815V≤Uo≤10.104V,-4.815V≤Uo≤10.106V,

实测的电压可调范围是4.99V≤Uo≤9.94V。可能由于电阻的参数的分散性出现了误差。但能正常输出±6V，±9V当，基本是实现了要求。
六、方案的问题与讨论
在选择元器件的时候，自己因为之前没有认真玩过运算放大器，竟然买的是11引脚的，但只用了几个引脚，完全其他的运放来代替，给自己焊板，走线带来了一点不便。
七、课程设计的心得与体会。
通过这次课程设计，自己感触很多，获益匪浅。
在这次课程设计中，我明白了课程设计的任务一般是设计、组装并调试一个简单的电子电路装置。需要我们综合运用“电子技术基础”课程的知识，通过调查研究、查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路和元器件；组装和调试电路，测试指标及分析讨论，完成设计任务。
一开始老师布置任务给我们，但是我们没有抓紧时间去做。我首先在网上下载很多电路图，稳压电源的，波形发生器的，功放的。咋一看，没有一个电路图是自己能看懂的，然后自己又花了很多的时间去看模电书，慢慢回忆起老师讲过的内容，明白了很多原理性的东西。然后就是选择的问题了，一开始自己是把波形发生器的内容看了几遍，基本明白要怎么去动手了。但是后来又认真看了一下稳压电源的，觉得稳压的可能简单一点，所以后来就开始准备去做稳压了。我在网上全力搜索着各种不同的电路图，什么版本的都有。但怎么也不明白要怎么才能输出负的电压。然后自己去找师兄谈了一会儿，再回来认真地看书。自己发现模电书上其实也有写到怎么输出负电压的。这时才觉得理论与实践的结合是那么重要，要不书上写的东西你永远不知道它的实际作用。
然后自己就用Multism去仿真,但是之前没有怎么用过仿真软件，所以又耗费了一段时间去熟悉各种基本操作。然后自己耐心地用multism仿真，一开始只能输出正电压，后来跟同学讨论才知道有一个引脚接错正负极了，以后要告诫自己要学会检查，做好细节。仿真成功后，自己就着手准备买元器件了。跟已经做好的同学聊了一下，他们都是去小赛格买的。但自己最终还是在淘宝上买了元器件。
经过两周的电工电子实训后，自己的动手能力明显有加强。买了元器件，就认真排版，花了一个晚上的功夫才把电路焊好，然后自己去测试功能，当万用表能显示出要求输出的电压值时，我觉得自己的付出都是值得的。
在这次课程设计中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的模电知识。在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。但由于电路比较简单、定型，不是真实的生产、科研任务，所以我们基本上能有章可循，完成起来并不困难。把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步和工程估算、实验调整等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。这对今后从事技术工作无疑是个启蒙训练。
这是我实践的第一步，希望自己以后能更好的将理论与实践结合，为参加各种电子设计大赛打下坚固的基础。同时也为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。

[参考文献]
1、 童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》第四版
2、 康华光，《电子技术基础》模拟部分
3、赵淑范 王宪伟，《电子技术实验与课程设计》
4.、王连英《基于Multism10 的电子仿真实验与设计》
5、周誉昌 蒋力立《电工电子实训》

附录电路图片