串联型稳压直流电源课程设计实验报告

串联型直流稳压电源的设计报告

一. 题目: 串联型直流稳压电源的设计。

二. 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，同时具备正负极性输出；

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；

三. 电路原理分析与方案设计

采用变压器、二极管、集成运放，电阻、稳压管、三极管等元件器件。220V的交流电经变压器变压后变成电压值较少的交流，再经过桥式整流电路和滤波电路形成直流，稳压部分采用串流型稳压电路。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。

1.方案比较：

方案一.用晶体管和集成运放组成基本串联型直流稳压电源

方案二.用晶体管和集成运放组成的具有保护换届的串联型直流稳压电源.

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压

可行性分析：上面三种方案中，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，我选择方案二未我们最终的设计方案。

2.结合设计的要求，电路框图如下

3.单元电路设计与元器件选择 （1）变压器的选择

直流电的输入为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，再对电流电压处理。电源变压器的作用是将电网220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui 。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。本次课程设计的要输出正负9伏和正负6负的双电压电源，输出电压较低，而一般的调整管的饱和管压降在2-3伏左右，由Omin Imax CE U U U -=，CE U 为饱和管压降，而Im ax U =9V 为输出最大电压，Om in U 为最小的输入电压，以饱和管压降CE U =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，可以选择220V-15V 的变压器，再由P=UI 可知，变压器的功率应该为0.5A ×9V=4.5w ，所以变压器的功率绝对不能低于 4.5w ，并且串联稳压电源工作时产生的热量较大，效率不高，所以变压器功率需要选择相对大些的变压器。结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的变压围为双15V ，额定功率20W 的变压器。

（2）整流滤波电路：桥式整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。

1.桥式整流器的选择

为了将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，还需要通过整流电路。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，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求一样，并且还具有输出电压高，变压器利用率高、脉动系数小等优点。所以在电路中采用单相桥式整流电桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。 二极管的平均

其中2U 为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得)(AV o U =13.5v 。

对于全波整流来说，如果两个次级线圈输出电压有效值为2U ，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是222U ，即为34.2v ，考虑电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%的波动）我们可以得到 )(AV o U 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 的情况下我们可以选择额定电流为1A ，反向耐压为1000V 的二极管的桥式整流器。

2.滤波电路的选择与器件的选择。

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的直流和交流成分(称为纹波电压)。这样的直流电压作为电镀、蓄电池充电的电源还是允许的，但作为大多数电子设备的电源，将会产生不良影响，甚至不能正常工作。在整流电路之后，需要加接，尽量减小输出电压流分量，使之接近于理想的直流电压。

滤波电路作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。常用的滤波电路有无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。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L 型、LC 滤波、LC π型滤波和RC π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。无源滤波电路的结构简单，易于设计，通常用在功率电路中，所以这里采用无源滤波电路，电容滤波器和电感滤波器相比，导通角小，但其脉动系数大，适用与小电流负载，同时还可吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源串入的干扰，使得电子电路的工作性能更加稳定，结合本设计的具体要求，本次设计采用电容滤波器进行滤波。滤波电容容量大因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑，当滤波电容1C 偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而1C 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，另一方面，整流电流波形与正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。所以电容的取值应当有一个围，由前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为15V ，当输出电流为500mA 时，我们可以求得电路的负载为18欧，我们可以根据滤波电容的计算公式：

C=(3～5)

L

R T

2

来求滤波电容的取值围，其中在电路频率为50HZ 的情况下， T 为20ms 则电容的取值围为1667-2750uF ，保险起见我们可以取标准值为2200uF 额定电压为25V 的铝电解电容。

另外，由于实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等因素，电路中极有可能产生高频信号，所以需要一个小的电容来滤去这些高频信号。我们可以选择一个0.33uF 的电解电容来作为高频滤波电容。滤波电路如上图。 （4）、稳压电路的设计

从整流滤波后的电压是不稳定的电压，在电网电压或负载变化时，该电压都会产生变化，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的围稳定不变，串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流，在电路中引入深度的电压负反馈使输出电压稳定；并且通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构成：调整管，保护电路，基准稳压电路，比较放大电路，采样电路。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A 的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。由于输出电流较大，达到500mA ，为防止电流过大烧坏调整管，需要选择功率中等或者较大的三极管，调整管的击穿电流必须大于500mA ，又由于三极管CE 间的承受的最大管压降应该大于15-6=9V ，考虑到30%的电网波动，我们的调整管所能承受的最大管压

降应该大于13V ，最小功率应该达到）（min 01L U U 1.1I P -≥=6.5W 。我们可以选择适合这些参数，并且在市场上容易买到的中功率三极管TIP41，它的最大功率为60W,最大电流超过6A ，所能承受的最大管压降为100V ，远远满足调整管的条件。负极的调整管则选择与之相对应的中功率PNP 型三极管TIP42。

在集成稳压器电路部含有各种保护电路，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的调整管是其核心器件，它流过的电路近似等于负载电流，且电网电压波动或输出电压调节时管压降将产生相应的变化，所以这些保护电路都与调整管紧密相关。过流保护电路能够在稳压管输出电流超过额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值或使之迅速减少，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏， TIP41也足够在作为

保护电路中的三极管使用。输出的最大电流为500mA,根据公式:

所以保护电路中的采样电阻选用1欧姆的，负极的保护电路则选择与之相对应的中功率PNP 型三极管TIP42和1欧姆电阻。基准电路由4.7V 的稳压管和4.7K 欧姆的保护电阻组成。由于输出电压要求为6伏和9伏，如果采样电路使用固定值的电阻，由于各种因素（如本身阻值的误差等）很容易造成误差，为了使输出电压准确值高，所以采样电阻最好应该做成可调的，固采样电路由一个电阻和一个可调电阻组成，根据公式：

D U D

m ax R R

U ?=

求出。其中D R 为运放正反相输入端的电阻，R ?为输出端正极（负极）与共地端之间的电阻 ，D U 为稳压管的稳压值。固可以取220欧姆、和0.5k 欧姆的固定电阻置于中间的滑阻两旁避免当使D R 为0.所以根据此公式可求的电路的输出电压为4.7-15.381V ，可以输出6V 和9V 的电压。为了方便输出6V 和9V 两档的电压，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。运放选用工作电压在15V 左右前对电压稳定性要求不是很高的常见的741运算放大器，由于741的工作电压为正负12V 至正负22V ，围较大，可以用其作为运放，因为整流滤波后的电压波动不是很大，所以运放的工作电源可以利用整流后的电压来对其进行供电。

正负端的稳压电路

为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，可以对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个100nf 的电解电容和一个103的瓷电容，这样电源不容易受到负载的干扰。使得电源的性质更好，电压更稳定，输出纹波更小。

四、画出系统的电路总图

元件类型元件序号型号主要参数数量变压器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

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

500Ω4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