连续可调直流稳压电源设计报告 1

衡阳师范学院

物理和电子信息科学系 《模拟电子技术》

课程设计报告 连续可调直流稳压电源

专 业 电子信息工程

班 级 电工1班

学生姓名

指导教师

提交日期 2014 年 1 月 2 日

目 录

第一部分 设计任务

1.1 设计题目及要求 (1)

1.2 备选方案设计和比较 (2)

1.2.1 方案一 (3)

1.2.2 方案二 (4)

1.2.3 各方案分析比较 ………………………………………………… 5 第二部分 设计方案 报告评分 批改老师

2.1 总体设计方案说明 (6)

2.2 模块结构和方框图 (7)

第三部分电路设计和器件选择

3.1 功能模块一（实际名） (8)

3.1.1 模块电路及参数计算 (9)

3.1.2 工作原理和功能说明 (10)

3.1.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） (11)

3.2 功能模块二（实际名） (12)

3.2.1 模块电路及参数计算 (13)

3.2.2 工作原理和功能说明 (14)

3.2.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） (15)

3.3 功能模块三（实际名 (16)

3.3.1 模块电路及参数计算 (17)

3.3.2 工作原理和功能说明 (18)

3.3.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） (19)

第四部分整机电路

4.1 整机电路图（非仿真图） (20)

4.2 元件清单 (21)

第五部分电路仿真

5.1 仿真软件简介 (22)

5.2 仿真电路图 (23)

5.3 仿真结果（附图） (24)

第六部分安装调试和性能测量

6.1 电路安装 (25)

（推荐附整机数码照片）

6.2 电路调试 (26)

6.2.1 调试步骤及测量数据 (27)

6.2.2 故障分析及处理 (28)

6.3 整机性能指标测量（附数据、波形等） (29)

课程设计总结 (30)

第一部分设计任务

1.1 设计题目及要求

1．设计制作一个学生实验用的“连续可调直流稳压电源”

2．主要技术指标和要求：

（1）输入电压在220V±10%时，输出电压从5－12V可调(且尽量向低端扩展)，输出电流大于0.5A；

（2）输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5×10-2，输出内阻小于0.2欧；

（3）主要调整元件由晶体管构成；

3．发挥部分：

（1）具有过流保护、过压保护功能：输出电流超过0.7A时电路自动过流保护，输入交流电压超过250V时电路自动过压保护；

1.2 备选方案设计和比较

直流稳压电源一般由直流电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：

输 入 交 流 电 电

源

变

压

器

整 流 电 路 滤

波 电 路 稳 压 电 路 取样部分

1.2.1方案一 采用、二极管、电阻、稳压管、三极管等元器件。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。D4是对Q3的一个导通电压，R22是对Q3的一个射级偏置电路，也是对Q3电压的稳定，是稳定静态工作点。Q1,Q2是调整管，因为变化范围大，所以需要复合管来调节。D8和R8是构成Q8的基准电压。Q8是放大作用，R10、RV2、R9构成对电路的取样部分。

1.2.2 方案二

采用变压器、二极管、电阻、稳压管、三极管等元器件。220V 的市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。在过压保护电路上增加了可调电阻，由单电阻限流

改成了可调分压式过压保护。在滤波电路之后增加了指示灯二极管D2。

方案二

1.2.3方案二将过压保护电路的单电阻限流改成了可调分压式过压保护，使稳压二极管选取更方便精确。最终我们选取了方案二。

第二部分设计方案

2.1 总体设计方案说明

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要

降压电路：降压变压器将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的降压比由变压器的副

边电压确定。

整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

交流电压U1(220V,50Hz)经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2，经单向整流电路得到脉动电压U3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压U4。

但这样的直流输出电压还会随交流电网电压波动或负载变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需使用稳压电路，以保证

整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并和基准电压进行比较，产生的误差信号经T2放

大后送至调整管T1的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。

在T2的基极和地之间并联有电容C2，此电容的作用是为防止发生自激振荡影响电路工作的稳定性，一般可取330pF/35V。

在电源的输出端并联的电容C3是为提高输出电压的稳定度，特别对于瞬时大电流可以起到较好的抑制作用，可选470uF/25V铝电解电容。

通过前面的分析，得出如下图：

2.2 模块结构和方框图过流保护

过压保护

基准电压接点转移

第三部分电路设计和器件选择

3.1 变压器电路

这一部分主要计算变压器B1次级输出电压（UB1）o和变压器的功率PB1。

一般整流滤波电路有2V以上的电压波动（设为ΔUD）。调整管T1的管压降（UT1）CE应维持在3V以上，才能保证调整管T1工作在放大区。整流输出电压最大值为12V。限流电阻最大有0.7V的压降。桥式整流输出电压是变压器次级电压的1.2倍。

那么变压器B1次级输出电压（UB）omin应该是：

（UB）omin＝（ΔUD＋（UT1）CE＋UR4+（UO）max）÷1.2

（UB）omin＝（2V＋3V+0.7×1＋12V）÷1.2=14.75V

当电网电压下降－10％时，变压器次级输出的电压应能保证后续电路正常工作，那么变压器B1次级输出电压（UB1）omin应该是：

（UB1）o＝（UB1） omin ÷0.9

（UB1）o＝14.75V÷0.9＝16.38V

（2）额定功率

当电网电压上升＋10％时，变压器B1的输出功率最大。这时稳压电源输出的最大电流（IO）max为500mA。此时变压器次级电压（UB1）OMAX为：

（UB1）omax＝（UB1）O×1.1

（UB1）omax＝16.38V×1.1＝18.02V

变压器B1的设计功率为：

PB1＝（UB1）omax×（IO）max

PB1＝18.02V×700mA＝12.61VA

为保证变压器留有一定的功率余量，确定变压器B1的额定输出电压为17V，额定功率为15VA。实际购买零件时如果没有输出电压为17V的变压器可以选用输出电压为17.5V或以上的变压器。当选用较高输出电压的变压器时，后面各部分电路的参数需要重新计算，以免由于电压过高造成元件损坏。但是现实中我们用的是12v变压器因输出电压能够满足17v要求.

则变压器B1次级额定电压为：

（UB）O＝（UB1）omin÷0.9

（UB）O＝15V÷0.9≈16.7V

当电网电压上升+10%，变压器的输出功率最大。这时稳压电源输出的最大电流（IO）MAX为700mA。此时变压器次级电压（UB）OMAX为：

（UB）OMAX＝（UB1）O×1.1

（UB）OMAX＝16V×1.1≈18V

变压器B1的设计功率为：

PB＝（UB）OMAX×（IO）MAX

PB1＝18V×700mA＝12.6VA

为保证变压器留有一定的功率余量，确定变压器B的额定输出电压为17V，额定功率为13V。

3.2 整流电路

3.2.1 整流电路工作原理和功能说明

整流电路是将工频交流电转变为具有直流电成分的脉动直流电。由于二极管具有单向导电性，故利用二极管可进行整流。

1.半波整流优点：电路简单缺点：输出电压波动太大

2.全波整流优点：输出电压波动减小缺点：变压器绕线太多

3.桥式整流工作原理

a.当v i为正半周时，二极管D1、D3导通，

在负载电阻上得到正弦波的正半周。

b.当v i为负半周时，二极管D2、D4导通，

在负载电阻上得到正弦波的正半周。

其实桥式整流电路相当于理想二极管，即正偏时导通，电压降为零，相当于理想开关闭合；反偏时截止，电流为零，相当于理想开关断开。整流电路包括单向半波整流电路和桥式整流电路。半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大。因此，它只适用于要求不高的场合。为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路。

3.2.2 模块电路及参数计算

单相桥式整流滤波电路。这一部分主要由四个整流管D1～D4组成，所以我们只需要计算其中一个的参数。

整流管D1的最大整流电流为：

（ID1）MAX＝0.5×IO

（ID1）MAX＝0.5×700mA＝0.35A

考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（ID1）MAX为0.4A。整流管D1的耐压（VD1）RM即当市电上升10％时D1两端的最大反向峰值电压为：（VD1）RM≈√2（1+10%）UBIO=28V

使用整流桥的原因：电源变压器在正负周期都有电流供给负载，电源变压器得到充分的利用，且效率高。

3.3 滤波电路

3.3.1 滤波电路工作原理和功能说明

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流部分。

滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，可实现滤波。

电容器C对直流开路，对交流阻抗小，电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，此电路采用的是电容滤波电路，即在桥式整流电路输出端和负载之间并联一个大电容。

原理：在整流电路采用电容滤波后使二极管得到的时间缩短，由于电容C

充电的瞬时电流较大，形成了浪涌电流，容易损坏二极管，故在选择二极管时，必须留有足够的电流裕量，以免烧坏。

3.3.2 模块电路及参数计算

滤波电容C满足：RLC=(3～5)T/2

式中T为输入的交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻这里主要计算滤波电容的电容量C1和其耐压VC1值。

根据滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为（3－5）×0.5×T÷R，当取5时，市电频率是50Hz，则T为0.02S，R为负载电阻。

当最不利的情况下，即输出电压为12V，负载电流为700mA时：

C1＝5×0.5×T÷（UO÷IO）

C1＝5×0.5×0.02S÷（12V÷0.7A）≈3000μF

当市电上升10％时整流电路输出的电压值最大，此时滤波电容承受的最大电压为：VC1＝UBOMAX＝18V

实际上普通电容都是标准电容值，只能选取相近的容量，这里可以选择4700μF的铝质电解电容。耐压可选择25V以上。

3.4 调整放大电路

调整部分主要是计算调整管T1和T2的集电极－发射极反向击穿电压（BVT1）CEO，最大允许集电极电流（IT1）CM，最大允许集电极耗散功率（PT1）CM。在最不利的情况下，市电上升10％，同时负载断路，整流滤波后的输出电压全部加到调整管T1上，这时调整管T1的集电极－发射极反向击穿电压（BVT1）CEO 为：BVT1）CEO＝（UB1）OMAX＝18V

调整部分主要是计算调整管Q1和Q2的集电极—发射极反向击穿电压（BVQ1）CEO，最大允许集电极电流（IQ1）CM，最大允许集电极耗散功率（PQ1）CM。

在最不利的情况下，市电上升10％，同时负载断路，整流滤波后的出电压全部加到调整管Q1上，这时调整管Q1的集电极－发射极反向击穿电压（BVQ1）CEO 为：

（BVQ1）CEO＝（UB1）omax＝22.4V

考虑到留有一定余量，可取（BVQ1）CEO为25V。

当负载电流最大时最大允许集电极电流（IQ1）CM为：（IQ1）CM＝Iomax＝800mA 考虑到放大取样电路需要消耗少量电流，同时留有一定余量，可取（IQ1）CM为800mA。

这样大允许集电极耗散功率（PQ1）CM为：

（PQ1）CM＝（（UC1）omax－Uomin）×（IQ1）CM

（PQ1）CM＝（22.4V-5V）×800mA 3.9w

考虑到留有一定余量，可取（PQ1）CM为15W

查询晶体管参数手册后选3DD155A作为调整管Q1。该管参数为：

PCM＝20W，ICM＝1A，BVCEO≥50V，完全可以满足要求。

如果实在无法找到3DD155A也可以选择其他三极管，注意选择时需要注意其放大倍数β≥40。

考虑用3DD15A代替，该管参数为：PCM＝50W，ICM＝5A，BVCEO≥60V。

调整管Q2各项参数的计算原则和Q1类似，下面给出各项参数的计算过程。（BVQ2）CEO＝（BVQ1）CEO＝（UB1）omax ＝22.4V

同样考虑到留有一定余量，取（BVQ2）CEO为25V。

（IQ2）CM＝（IQ1）CM÷βQ1

（IQ2）CM＝700mA÷40 ≈ 18mA

（PQ2）CM＝（（UC2）omax－（Uomin + 0.7V）×（IQ2）CM

（PQ2）CM＝（22.4V－（5V+0.7V））×18mA＝0.300W

考虑到留有一定余量，可取（PQ2）CM为320mW。

查询晶体管参数手册后选择3GD6D作为调整管Q2。该管参数为：PCM ＝500mW，ICM＝20mA，BVCEO≥30V，完全可以满足要求。还可以采用9014作为调整管Q2，该管参数为：PCM＝450mW，ICM＝100mA，BVCEO ≥45V，也可以满足要求。

选择调整管Q2时需要注意其放大倍数β≥60，电压为3v。

则此时Q2所需要的基极驱动电流为：

（IQ2）max＝（IQ2）CM÷βQ1＝18mA÷60＝0.300mA

Ⅱ基准电压部分

基准电源部分主要计算稳压管D1和电阻R9的参数。

稳压管D1的稳压值应该小于最小输出电压Uomin，但是也不能过小，否则会影响稳定度。这里选择稳压值为2.4V的1N4371A，该型稳压管的最大工作电流为20mA，最大功耗为48mW。为保证稳定度，稳压管的工作电流ID3应该尽量选择大一些。而其工作电流ID3＝（IQ3）E＋IR9，由于（IQ3）E在工作中是变化值，为保证稳定度取IR9＞＞（IQ3）E，则ID3≈IR9。

这里初步确定IR9min＝10mA，则R9为：

R9＝（Umin（滤波电压）－UD3）÷IR9min

R9＝（22.4V－2.4V）÷10mA＝2k

实际选择时可取R9为2k这时的电流IR9max小于稳压管D1的最大工作电流20mA，可见选择的稳压管能够

安全工作。

Ⅲ取样部分

取样部分主要计算取样电阻RV1、R1、R2的阻值。

由于取样电路同时接入Q3的基极，为避免Q3基极电流IQ3B 对取样电路分压比产生影响，需要让IQ3B<

最小工作电流（IQ1）CEmin。由于3DD155A最小工作电流（IQ1）CEmin 为1mA，因此取

IR1min＝10mA。则可得：

RV1＋R1＋R2＝Uomin÷IR4min

RV1＋R1＋R2＝5V÷10mA＝500Ω

当输出电压Uomin＝5V时：

UD3＋（UQ3）BE＝（R2＋Rv）÷（R1＋R2＋RV）×Uomin

（R2＋Rv）＝（UD3＋（UQ3）BE）×（R1＋R2 ＋Rv）÷Uomin

（R2＋Rv）＝（2.4V＋0.7V）×500Ω÷5V＝310Ω

当输出电压Uomax＝12V时：

UD3＋（UQ3）BE＝R2÷（R1＋R2＋Rv）×Uomax

R2＝（UD3＋（UQ3）BE）×（R1＋R2＋RV）÷Uomax

R2＝（2.4V＋0.7V）×500Ω÷15V＝126Ω

实际选择时可取R2为120Ω。这样Rv为190Ω， R1为190Ω。但实际选择时可取Rv为220Ω。

Ⅳ放大部分

放大部分主要是计算限流电阻R3和比较放大管Q3的参数。由于这部分电路的电流比较小，主要考虑Q3的放大倍数β和集电极－发射极反向击穿电压（BVT）CEO。

这里需要Q3工作在放大区，可通过控制Q3的集电极电流

（IQ3）C来达到。而（IQ3）C是由电阻R3控制，并且有：

IR3＝（IQ3）C＋（IQ2）B

一方面，为保证Q1能够满足负载电流的要求，要求满足IR3＞（IQ2）B；另一方面，为保证Q3稳定工作在放大区，以保证电源的稳定度，其集电极电流（IQ3）C不能太大。

这里可以选IR3为1.4mA，当输出电压最小时，则R3为：R3＝（（UB1）－（Uo+（UQ1）BE+（UQ2）BE）÷IR3

R3＝（22.4V－（5V+0.7V+0.7V））÷1.4mA＝11.2KΩ

实际选择时可取R3为10 KΩ。

当输出电压最大时，IR3为：

IR3＝（（UB1）o－（Uo+（UQ1）BE+（UQ2）BE）÷R3

IR3＝（22.4V－（12V+0.7V+0.7V）÷11KΩ≈0.8mA

可见当输出电压最大时IR3，可满足要求。

由于放电电路的电流并不大，各项电压也都小于调整电路，可以直接选用3GD6D或9014作为放大管Q3。

第四部分整机电路

4.1 整机电路图（非仿真图）

4.2元价清单

第五部分电路仿真

5.1 仿真软件简介

利用proteus，画出原理图，然后进行仿真操作。

5.2 仿真电路图

最低电压最高

仿真输出最大值仿真输出最少时纹波电压第六部分安装调试和性能测量

6.1 电路安装