串联型稳压直流电源专业课程设计实验报告

串联型直流稳压电源设计汇报

一. 题目: 串联型直流稳压电源设计。

二. 要求：设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成串联型直流稳压电源。

指标：1、输出电压6V、9V两档，同时含有正负极性输出；

2、输出电流：额定电流为150mA，最大电流为500mA；

3、在最大输出电流时候纹波电压峰值▲Vop-p≤5mv；

三. 电路原理分析和方案设计

采取变压器、二极管、集成运放，电阻、稳压管、三极管等元件器件。220V交流电经变压器变压后变成电压值较少交流，再经过桥式整流电路和滤波电路形成直流，稳压部分采取串流型稳压电路。百分比运算电路输入电压为稳定电压，且百分比系数可调，所以其输出电压也能够调整；同时，为了扩大输出电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，就组成了含有放大步骤串联型稳压电路。

1.方案比较：

方案一.用晶体管和集成运放组成基础串联型直流稳压电源

方案二.用晶体管和集成运放组成含有保护换届串联型直流稳压电源.

方案三：用晶体管和集成运放组成实用串联型直流稳压电压

可行性分析： 上面三种方案中，方案一最简单，但功效也最少，没有保护电路和比较放大电路，所以不够实用，故抛弃方案一。方案三功效最强大，不过因为试验室条件和经济成本限制，我们也抛弃方案三，因为它牺牲了成原来换取方便。所以从简单、合理、可靠、经济从简单而且便于购置前提出发，我选择方案二未我们最终设计方案。

2.结合设计要求，电路框图以下

稳压电路

稳压电路

稳压电路

变压电路

全波整流

正极滤波电路

负极滤波电路

比较放大

采样电路

基准电压

基准电压

比较放大

采样电路

输出滤波电路

输出滤波电路

正极输出端

负极输出端

共地端

调整管

保护电路

调整管

保护电路

3.单元电路设计和元器件选择

（1）变压器选择

直流电输入为220V电网电压，通常情况下，所需直流电压数值和电网电压有效值相差较大，所以需要经过电源变压器降压后，再对电流电压处理。电源变压器作用是将电网220V交流电压变换成整流滤波电路所需要交流电压Ui。变压器副边和原边功率比为P2/ P1=η，式中η是变压器效率。此次课程设计要求是输出正负9伏和正负6负双电压电源，输出电压较低，而通常调整管饱和管压降在2-3伏左右，由，为饱和管压降，而=9V为输出最大电压，为最小输入电压，以饱和管压降=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，能够选择220V-15V变压器，再由P=UI可知，变压器功率应该为0.5A×9V=4.5w，所以变压器功率绝对不能低于4.5w，而且串联稳压电源工作时产生热量较大，效率不高，所以变压器功率需要选择相对大些变压器。结合市场上常见变压器型号，能够选择常见变压范围为双15V，额定功率20W变压器。

（2）整流滤波电路：桥式整流电路将交流电压变换成脉动直流电压。再经滤波电路滤除较大纹波成份，输出纹波较小直流电压。

1.桥式整流器选择

为了将正弦波电压转换为单一方向脉动电压，还需要经过整流电路。查阅资料可知单相整流电路有半波整流电路、单相桥式整流电路（全波整流电路）。单相桥式整流电路和半波整流电路相比，在相同变压器副边电压下，对二极管参数要求一样，而且还含有输出电压高，变压器利用率高、脉动系数小等优点。所以在电路中采取单相桥式整流电桥式整流器是利用二极管单向导通性进行整流最常见电路，常见来将交流电转变为直流电。

　二极管平均电压为：===0.9

其中为变压器次级交流电压有效值。我们能够求得=13.5v。

对于全波整流来说，假如两个次级线圈输出电压有效值为，则处于截止状态二极管承受最大反向电压将是，即为34.2v，考虑电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%波动）我们能够得到 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情况下我们能够选择额定电流为1A，反向耐压为1000V二极管桥式整流器。

2.滤波电路选择和器件选择。

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量直流和交流成份(称为纹波电压)。这么直流电压作为电镀、蓄电池充电电源还是许可，但作为大多数电子设备电源，将会产生不良影响，甚至不能正常工作。在整流电路以后，需要加接，尽可能减小输出电压中交流分量，使之靠近于理想直流电压。

滤波电路作用是尽可能减小脉动直流电压中交流成份，保留其直流成份，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。常见滤波电路有没有源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。无源滤波关键形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包含倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。无源滤波电路结构简单，易于设计，通常见在功率电路中，所以这里采取无源滤波电路，电容滤波器和电感滤波器相比，导通角小，但其脉动系数大，适用和小电流负载，同时还可吸收电子电路工作过程中产生电流波动和经由交流电源串入干扰，使得电子电路工作性能愈加稳定，结合本设计具体要求，此次设计采取电容滤波器进行滤波。滤波电容容量大所以通常采取电解电容，在接线时要注意电解电容正、负极。电容滤波电路利用电容充、放电作用，使输出电压趋于平滑，当滤波电容偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而偏大时，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，其次，整流电流波形和正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。所以电容取值应该有一个范围，由前面计算我们已经得出变压器次级线圈电压为15V，当输出电流为500mA时，我们能够求得电路负载为18欧，我们能够依据滤波电容计算公式：

C=(3～5)

来求滤波电容取值范围，其中在电路频率为50HZ情况下， T为20ms则电容取值范围为1667-2750uF，保险起见我们能够取标准值为2200uF额定电压为25V铝电解电容。

另外，因为实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等原因，电路中极有可能产生高频信号，所以需要一个小电容来滤去这些高频信号。我们能够选择一个0.33uF电解电容来作为高频滤波电容。滤波电路如上图。

（4）、稳压电路设计

从整流滤波后电压是不稳定电压，在电网电压或负载改变时，该电压全部会产生改变，而且纹波电压又大。所以，整流滤波后，还须经过稳压电路，才能使输出电压在一定范围内稳定不变，串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管电流放大作用，增大负载电流，在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定；而且经过改变反馈网络参数使输出电压可调。稳压电路组要由四部分组成：调整管，保护电路，基准稳压电路，比较放大电路，采样电路。当采样电路输出端电压升高（降低）时采样电路将这一改变送到A反相输入端，然后和同相输入端电位进行比较放大，运放输出电压，即调整管基极电位降低（高）；因为电路采取射极输出形式，所以输出电压肯定降低（升高），从而使输出电压得到稳定。因为输出电流较大，达成500mA，为预防电流过大烧坏调整管，需要选择功率中等或较大三极管，调整管击穿电流必需大于500mA，又因为三极管CE间承受最大管压降应该大于15-6=9V，考虑到30%电网波动，我们调整管所能承受最大管压降应该大于13V，最小功率应该达成=6.5W。我们能够选择适合这些参数，而且在市场上轻易买到中功率三极管TIP41，它最大功率为60W,最大电流超出6A，所能承受最大管压降为100V，远远满足调整管条件。负极调整管则选择和之相对应中功率PNP型三极管TIP42。

在集成稳压器电路内部含有多种保护电路，使集成稳压器在出现不正常情况时不至于损坏。因为串联型稳压电路调整管是其关键器件，它流过电路近似等于负载电流，且电网电压波动或输出电压调整时管压降将产生对应改变，所以这些保护电路全部和调整管紧密相关。过流保护电路能够在稳压管输出电流超出额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值或使之快速降低，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏， TIP41也足够在作为

保护电路中三极管使用。输出最大电流为500mA,依据公式:

IOmsx

所以保护电路中采样电阻选择1欧姆，负极保护电路则选择和之相对应中功率PNP型三极管TIP42和1欧姆电阻。基准电路由4.7V稳压管和4.7K欧姆保护电阻组成。因为输出电压要求为6伏和9伏，假如采样电路使用固定值电阻，因为多种原因（如本身阻值误差等）很轻易造成误差，为了使输出电压正确值高，所以采样电阻最好应该做成可调，固采样电路由一个电阻和一个可调电阻组成，依据公式：

求出。其中为运放正反相输入端电阻，为输出端正极（负极）和共地端之间电阻 ，为稳压管稳压值。固能够取220欧姆、和0.5k欧姆固定电阻置于中间滑阻两旁避免当使为0.所以依据此公式可求电路输出电压为4.7-15.381V，能够输出6V和9V电压。为了方便输出6V和9V两档电压，用单刀双掷开关接两个电位器，用开关来控制6V和9V两个档位。运放选择工作电压在15V左右前对电压稳定性要求不是很高常见741运算放大器，因为741工作电压为正负12V至正负22V，范围较大，能够用其作为运放，因为整流滤波后电压波动不是很大，所以运放工作电源能够利用整流后电压来对其进行供电。

正负端稳压电路

为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，能够对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个100nf电解电容和一个103陶瓷电容，这么电源不轻易受到负载干扰。使得电源性质愈加好，电压更稳定，输出纹波更小。

四、画出系统电路总图

元器件清单

元件类型

元件序号

型号

关键参数

数量

变压器

T2

双15V20W

1个

集成运算放大器

U1、U2

741

2个

三极管

Q1、Q2、Q3、Q4

TIP41、TIP42

中功率

各2个

电解电容

C1、C2、C3、C4、C5、C6、

2.2uF25V、330nF25V、0.1uF25V

各2个

陶瓷电容

C7、C8

103

2个

电阻

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R9、R11、R12、

1KΩ、1Ω、220Ω、20Ω

2个、2个、2个、4个

电位器

R8、R10、R13、R14

500Ω

4个

整流桥

D1

KBP206

1个

开关

J1、J2

单刀双掷

2个

稳压管

D1、D2

ZPD4.7

4.7V

2个

电源线

一条

元器件介绍：

TIP41三极管 TIP42三极管

型号：TIP41C 型号：TIP42C

封装：TO-220 封装：TO-220

极性：NPN 极性：PNP 关键参数：100V，6A，65W，3MHZ，HFE=15-75 关键参数：100V，6A，65W，3MHZ，HFE=15-75

对管：TIP42 对管：TIP41 \o "点击图片看全图"

\o "点击图片看全图"

HA17741单运算放大器

封装：DIP8 \o "点击图片看全图"

特有属性

　[ 输入失调电压 ] :

9.0 mV

　[ 输入失调电流 ] :

200 nA

　[ 输入偏置电流 ] :

1100 nA

　[ 共模输入电压范围 ] :

-12 V ~ 12 V

　[ 共模抑制比 ] :

70 dB

　[ 大信号电压增益 ] :

86 dB

　[ 输出峰-峰电压 ] :

-10 V ~ 10 V

　[ 电压转换速率 ] :

1.0 V/us

　[ 电源电压 ] :

18 V

　[ 功耗 ] :

100 mW

桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成。

2A整流桥

型号：KBP206

封装：塑封DIP4

关键参数：2A，600V

桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成 \o "点击图片看全图"

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五、电路调试及仿真数据

1.仿真测试.

正负输出可调最大值和最小值电压仿真数据以下图：

用理论数据计算出电路输出电压为4.7-15.381V.，所以仿真数据基础符合理论计算.

调整可变电阻，能够得到课程设计所要求输出6V和9V电压，仿真数据以下：

因为仿真软件中电位器只能每次5%移动，所以不能正确调整成正负6V、9V。

电路输出直流电波形图以下图

仿真软件中用示波器测量电压直流电波形为标准直线，达成设计要求

仿真电路输出纹波波形图以下

电路纹波电压在1.7mV左右，比要求5mV要低

实际调试：

一开始焊好电路后随便测试一下输入输出端有没有短路后就接上电源进行测试，用万用表测量一下，发觉输出端没有示数，检验电路才发觉有一条线忘记连接了。

把电路焊接好几经检验后就再行实际调试， 不过在调试中，作为正负端负载4个20欧姆电阻烧坏了。为了使输出电压为6V时，为定电流150mA ，所以负载使用 两个20欧姆电阻串联，因为没意识到6V时负载功率为0.9W，而电阻额定功率为0.25w，因为超出电阻承受能力，所以就烧了。于是我就把电阻拆下来，没有要负载了。再进行调试，用万用表测量输出正端电压输出可调范围是4.74V-15.84V，负端电压输出可调范围为-4.71V—-15.48V，和理论数据计算出电路输出电压范围4.7-15.381V 在误差许可范围内一致。而且电位器能够正确使输出是正负6V、9V，配合开关使用就能够6V 、9V两档输出。基础达成了课程设计要求。

六总结

本课程设计利用了模拟电路基础知识，经过变压，整流，滤波、稳压等步骤，输出理论可变范围为4.7V-15.3814V而实际正端电压输出可调范围是4.74V-15.84V，负端电压输出可调范围为-4.71V—-15.48V正负直流稳压电源。总结以下：

优点：该电路设计简单。输出电压稳定而且可调，纹波值小，而且使用元件较少，经济实惠，输出功率大，调整管可承受范围也很大。

缺点：体积比用稳压芯片大得多，且电路中只有一个过流保护电路，当电路因为偶然原因出现高电压脉冲时，有可能对电路造成危害，长时间大电流工作也可能使得调整管或运放过热而损坏，使得电路故障率提升。

改善：能够在稳压电路那里再接一个保护电路。降低接电或断电时产生瞬间高电压对电路元件破坏。另外，ua741芯片较为古老，性能不稳定，已跟不上时代需要所以运放能够重新选择性能愈加好，更稳定芯片。焊接量较大，焊接得不好轻易碰线或对结果造成较大误差，假如采取PCB版效果会愈加好。为了使电源适应范围更为广，能够设计成输出可调再加上数码管显示，有同学就是这么设计，最终出来效果不错。

心得体会： 一分耕耘一分收获，付出汗水总会浇灌出部分果实。经过一个课程设计，我受益匪浅，对于模电体会或和上个学期一整个学期相比，也不成多让。上个学期学完模电以后总认为缺乏了什么，当老师在部署课程设计时候，听到老师说那句话：“你们学了模电是不是仿佛没学一样。”瞬间，我触动了，我知道缺乏什么了。在学习模电时候，我们只是在应付期末考试，完全没有去深入了解，也没有去动手做过什么作，单纯地为了期末六十分而肤浅去学习。或许这是大学生通病，于是乎模电课程设计很好地填补了这一点。做课程设计会让你愈加好更深入地了解模电知识，并让了明白了实际和理论区分。

我做是直流稳压电源，为了这一块知识，我不得不重新把模电书相关部分认真地研究一次，而且比以前愈加深入了解，假如不是课程设计，我只是简单地知道整流滤波稳压这多个过程，根本不会去深入了解每个过程原理。在研究每个单元电路时候还把要用基础元件知识也复习了一遍，或许我这时才是真正在学习模电。

当把要知道知识掌握后，就到自己设计，参考着书本和网络，真正到自己设计电路时才发觉原来电路中元件数值全部不是随便，每一个数全部是经过经验或计算而来，而且你所要数值也未必有卖，数值错误可能造成致命错误。当电路设计好时候，几经纠结，最终仿真成功以后实际动手才是关键所在。

列元器件清单时候，我才刚刚对器件了解有些许入门，比如简单电阻，它也分成不少种类，同一类还有参数不一样。买元器件时候你必需综合考虑去选择你要器件。就想我买作为负载电阻，就是因为没有考虑功率问题，造成接上去不一会就烧了，即使仿真时候没问题。

真正动手焊接，是考验你排版和动手能力时候，排版得好能够帮助你愈加好地去焊接。而焊接不好，可能会对结果造成较大误差，也可能造成一些地方碰线了，或弄坏元件，我就一开始因为电烙铁问题而焊坏了一块万用版。动手时你会发觉这和画图，仿真根本是天壤之别。成品弄好了调试也是一个艰苦步骤，当你电路有问题时候，你自己想措施找出问题所在，像我因为有一条线没连接，不过幸好很快找到问题所在了。一开始我基准电路电阻是用1K，不过发烧较大，所以我才换上4.7K，这时你后明白，电路设计时候全部要考虑有余地，刚刚好是不行。

经过这次课程设计，，使我巩固和加深了在模拟电子技术基础课程中所学理论知识，对整流电源，滤波电路，稳压电路等认识愈加深刻，尤其是对和线性直流稳压电源方面知识有了深入研究，提升了分析问题能力和处理问题能力。同时实物制作也提升了我动手能力，实践能力得到了一定锻炼，加深了我对模拟电路设计方面爱好。理论和实践得到了很好结合。让我明白实践动手是必不可少，以后我也一定会自己动手做部分东西。