1、1齐齐哈尔大学电子线路 CAD 课程设计题 目： 串联直流稳压电源 学 院： 通信与电子工程学院 专业班级： 电子 122 学生姓名： 温凯华 指导教师： 张劲松 2概述直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器、电力或电子设备都毫不例外地需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力” 。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？又如何使直流电压（电流）稳定？这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳
2、起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。 半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。本工程训练主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源。直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的
3、具体措施，以确保电路安全稳定的工作。3目录一 串联直流型稳压电源整体简介 .31.1 制作串联型稳压电源的目的要求 .31.2 基本知识介绍 .3二 分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与计算 .92.1 串稳压电路原理 .92.2 实验设计原理图 102.3 电路整体结构的设计与各部分相关参数的计算 .102.4 电路选择 11三 总结 .204一 串联型直流稳压电源整体简介1.1 制作串联型稳压电源的目的要求一、基本目的此次工程训练选择使用分立式元器件构成串联反馈型直流稳压电源。学生通过实训了解相关分立式元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源的工作原理、原理
4、图的设计和参数的计算、元器件的选用、计算机软件实现硬件的仿真、PCB 板的设计、电路的安装和调试，最后完成达到技术指标要求的标准产品。二、基本要求1、依据性能指标和器件状况，设计稳压电源电子电路，并计算器件参数确定选择器件。 （含散热设计） ；2、以本工程训练为实例先学习 DXP2004 基本知识，并运用其绘制电源原理图和 PCB 图；3、学习 Proteus 知识，对本电源电路进行仿真，最终确定原理图和 pcb图；4、掌握电子电路板制作的全过程，实现电源的制作；5、测量电源相关各项技术指标，完成系统调试。1.2 基本知识介绍一、电源变压器知识1 初级(Primary Winding)：是指电
5、源变压器的电源输入端。2 次级(Secondary Winding)：是指电源变压器的输出端。3额定输入电压 U：是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。对 GS 变压器来说，U230V；对 BS 变压器来说，U240V。4空载电流 I：是指电源变压器的初级接上额定输入电压 U 而次级不带5负载（即开路）时，流过初级的电流。I 与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其 I 也可能不同。5 空载电压 U：是指变压器初级接受上额定输入电压 U 次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。U 与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变
6、压器，其 U 也可能不同。6 负载电流 I：是指变压器初级接上额定输入电压 U，次级接上额定负载时，流过负载的电流。7 负载电压 U：是指变压器初级接上额定输入电压 U，次级接上额定负载时，负载两端的电压。8 定输出功率 P：是指变压器在额定输入电压 U 时的输出功率，它表示变压器传送能量的大小。一般来说，在相同频率下，P 越大，变压器的尺寸越大；P 相同，即使输出电压 U 不同，变压器的尺寸也相同，即变压器的价格也应相差无几。 由公式 P=U*I 可知若输出功率 P 一定，若输出电压 U 越高，则输出电流 I越低。举例来说，一个输出功率 P=10VA 的变压器，若输出电压 U=24V，则输出
7、电流 I= P/U=10VA/24V 0.416A；若 U=12V， 则输出电流 I=0.833A。电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2 较小。变压器副边与原边的功率比为 P2/ P1=，式中 是变压器的效率。副边功率P/vA10 10-30 30-80 80-200效率 0.6 0.7 0.8 0.85对于本次工程训练对电源变压器的要求主要为次级空载电压大小，额定输出功率，变压器的额定容量，所以在本次工程训练中选择的是小型单相式变压器，有四组输出线分别为 7V、10V、17V、10V。可根据具体功率及计算要求选择。二、整流电路1、半波整流电路6由以上图可知，
8、半波整流电路的利用率低，一般不采用。2、全波整流电路由于变压器副线圈的接线较复杂，在实际中叶一般不采用。3、桥式整流电路电路工作原理:利用二极管正向导通反向截止的工作原理,当 U2 为正半周时二极管 D1、D3 导通,D2D4 截止当 U2 为负半周时二极管 D2、D4 导通, D1、D3截止。而流过负载的电流的方向是一致的,在负载形成单方向的全波脉动电压。.从而实现将交流的电压变为直流电压.主要参数：Uo=0.9*Ui 脉动系数:S=0.67 选管原则: If 1/2Io Ur 1.414U2 结构简单性能优越，绝大多数整流电路采用桥式整流电路，所以本次工程训练采用桥式整流。三、滤波电路7滤
9、波电路主要有：电容滤波、RC-型滤波、LV-型滤波、L 滤波，LC 滤波，其中 LC 滤波电路在负载电流较大或较小时，均有较佳的滤波特性，故 LC滤波对负载的适应性最强，整流管的冲击电流小，特别适用在电流变化较大的场合， 所以本电路采用 LC 滤波电路，LC 滤波波形电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器 L 把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感 L 有平波作用,再并上一个电容,利用电容的充放电作用,使得负载电流较大时或较小时均有较佳的
10、滤波能力. 主要参数:LC 滤波电路的直流输出电压,如忽略电感上的压降,则输出直流电压等于全波整流的输出电压,则有 Uo=0.9U2四、串联型稳压电路稳压电路：它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。稳压电路的主要指标：1稳压电路的主要指标稳压系数 Sr 和稳压电路的输出电阻稳压系数 Sr：稳压系数是在有负载固定不变的前提下，输出电压的相对变化量Uo/Uo 与稳压电路输入电压相对变化量Ui/Ui 之比，即： 该指标反映8了电网波动对输出电压的影响。此外稳压电路输入电压 Usc 就是整流滤波以后的直流电压。2稳压电路
11、的输出电阻 输出电阻可以衡量稳压电路受载电阻的影响程度,即： 除了上述两个指标外,有时还用其它指标:电压调整率，指当电网电压（u2）变化 10%时，输出电压的相对变化量；电流调整率，指当输出电流 Io 从零到最大时，输出电压的相对变化 ；最大波纹电压，反映在输出端存在的 HZ 或者 100Hz 交流分量，通常以有效值或峰峰值表示；温度系数，指电网电压和负载都不变时，由于温度变化面引起的输出电压漂移等。 直流稳压电路的类型很多，有：硅稳压管稳压电路、串联某型稳压电路、集成稳压电路，开关稳夺电路，其中集成稳压电路相对于其它类型的稳夺电路来讲具有体积小、稳定性高、输出电阻小、温度性能好、使用方便、外
12、围元件少等优点，在实际应用中得到广泛应用。集成稳压器有两种：输出固定电压和可调输出电压的稳压块。1.3 主要元器件简介一、三极管：（1） 、9013 NPN 低频放大 40V50V 0.5A 0.625W 150MHZ hFE：1001000 (放大倍数分段可选（2） 、9012 PNP 50V 500mA 600mW 低频管 放大倍数 30-90（3） 、大功率三极管 2SC2563 NPN 通用参数： 8.0A/120V二、常用整流二极管参数 IN5399 耐压 1000V 1.5A1N4007 硅整流二极管 1000V, 1A,1N4735A 1W 6.2V 稳压管1N4727A 1W
13、3V 稳压管三、芯片1、数显部分芯片：ICL7107(31/2 位双积分型 A/D 转换器，)主要参数： 电源电压 ICL7107 V+ to GND 6V 温度范围 0 to 70 9ICL7107 V- to GND -9V 热电阻 PDIP 封装 qJA(/W) 50 MQFP 封装 80 模拟输入电压 V+ to V- 最大结温 150 参考输入电压 V+ to V- 最高储存温度范围 -65 to 150 时钟输入 GND to V+ 2、 7805 芯片 输出 5V 电压 具体参数见集成电路查询网四、电磁继电器电 磁 式 继 电 器 一 般 由 铁 芯 、 线 圈 、 衔 铁 、
14、触 点 簧 片 等 组 成 的 。 只 要 在 线圈 两 端 加 上 一 定 的 电 压 ， 线 圈 中 就 会 流 过 一 定 的 电 流 ， 从 而 产 生 电 磁 效 应 ，衔 铁 就 会 在 电 磁 力 吸 引 的 作 用 下 克 服 返 回 弹 簧 的 拉 力 吸 向 铁 芯 ， 从 而 带 动 衔铁 的 动 触 点 与 静 触 点 （ 常 开 触 点 ） 吸 合 。 当 线 圈 断 电 后 ， 电 磁 的 吸 力 也 随 之消 失 ， 衔 铁 就 会 在 弹 簧 的 反 作 用 力 返 回 原 来 的 位 置 ， 使 动 触 点 与 原 来 的 静 触点 （ 常 闭 触 点 ） 释
15、 放 。 这 样 吸 合 、 释 放 ， 从 而 达 到 了 在 电 路 中 的 导 通 、 切 断的 目 的 。 对 于 继 电 器 的 “常 开 、 常 闭 ”触 点 ， 可 以 这 样 来 区 分 ： 继 电 器 线 圈未 通 电 时 处 于 断 开 状 态 的 静 触 点 ， 称 为 “常 开 触 点 ”； 处 于 接 通 状 态 的 静 触点 称 为 “常 闭 触 点 ”。二 分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与计算2.1 串稳压电路原理当电网电压降低或负载电阻减小而使输出端电压有所降低时，其取样电压UB2 相应减小，T2 基极电位降低。但因 T2 发射极电位既稳压管的稳定 Uz 保
16、持不变，所以发射极电压 UBE2 减小，导致 T2 集电极电流减小而集电极电位 Uc2升高，由于放大管 T2 的集电极与调整管 T1 的基极接在一起，故 T1 基极电位升高，导致集电极电流增大而管压降 UCE1 减小。因为 T1 与 RL 串联，所以，输出电压 Uo 基本不变。同理，当电网电压或负载发生变化引起输出电压 Uo 增大时，通过取样、比较放大、调整等过程，将使调整管的管压降 UCE1 增加，结果抑制了输出端电压10的增大，输出电压仍基本保持不变。调节电位器 Rp，可对输出电压进行微调。从图可见，调整管 T1 与负载电阻 RL 组成的是射极输出电路，所以具有稳定输出电压的特点。在串联型
17、稳压电源电路的工作过程中，要求调整管始终处在放大状况。通过调整管的电流等于负载电流，因此必须选用适当的大功率管作调整管，并按规定安装散热装置。为了防止短路或长期过载烧坏调整管，在直流稳压器中一般还设有短路保护和过载保护等电路。2.2 实验设计原理图2.3 电路整体结构的设计与各部分相关参数的计算直流稳压电源电路可分为以下几个模块：变压器（220V50Hz）整流滤波稳压电路（反馈调整、取样电路）稳定直流11一、整流电路1、整流输出电压平均值：（U o）Uo= 1/2 02 uod(wt)=0.9U2、脉动系数 S S 定义为：整流输出电压的基波峰值 Uom与平均值 Uo的比值。所以 ，经计算知
18、S=2/30.67二、滤波电路RLC 愈大电容放电越慢 Uo 越大 一般取td=RLC(35)T/2 ( T :电源电压的周期)近似估算：U o=1.2U2三、稳压输出电路部分相关参数的计算可分析得知该电路具有稳压功能。对应原理图看有(一个档位)：UQ5b=（R1+R4）U o/(R1+R4+R8)所以, 输出最小：Uo=(R1+R4+R8) UQ5b/(R4+R8) 负载上的平均电流：I L=0.9U2/RL2输出最大：Uo= (R1+R4+R8) UQ5b/R52.4 电路选择根据所给的电路性能指标，初选直流稳压电源设计原理图如下：12变压部分这一部分主要计算变压器 B1 次级输出电压（U
19、 B1） 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 U D） 。调整管 T1 的管压降（U T1） 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 15V。根据第二章常用整流滤波电路计算表可知，桥式整流输出电压是变压器次级电压的 1.2 倍。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（U B1） OMIN应该是：（U B1） OMIN（U D（U T1） CE（U O） MAX）1.2（U B1） OMIN（2V3V15V）1.220V1.216.67V则变压器 B1 次
20、级额定电压为：（U B1） O（U B1） OMIN0.9（U B1） O16.67V0.918.5V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（I O） MAX为 500mA。此时变压器次级电压（U B1） OMAX为： （U B1） OMAX（U B1） O1.1（U B1） OMAX18.5V1.120.35V变压器 B1 的设计功率为：PB1（U B1） OMAX（I O） MAXPB120.35V500mA10.2VA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18.5V，额定功率为 12VA。实际购买零件时如果没有输出电压为
21、 18.5V 的变压13器可以选用输出电压为 18V 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。整流部分这一部分主要计算整流管的最大电流（I D1） MAX和耐压（V D1） RM。由于四个整流管 D1D4 参数相同，所以只需要计算 D1 的参数。根据第二章常用整流滤波电路计算表可知，整流管 D1 的最大整流电流为：（I D1） MAX0.5I O（I D1） MAX0.5500mA0.25A考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（I D1） MAX为 0.3A。整流管 D1 的耐压（V D1） RM即当市电上升 10时
22、D1 两端的最大反向峰值电压为：（V D1） RM1.414（U B1） OMAX1.4141.1（U B1） O1.555（U B1） O（V D1） RM1.55518.5V29V得到这些参数后可以查阅有关整流二极管参数表，这里我们选择额定电流1A，反向峰值电压 50V 的 IN4001 作为整流二极管。滤波部分这里主要计算滤波电容的电容量 C1 和其耐压 VC1值。根据根据第二章滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为（35）0.5TR，一般系数取 5，由于市电频率是 50Hz，所以 T 为 0.02S，R 为负载电阻。当最不利的情况下，即输出电压为 15V，负载电流为 500mA 时
23、：C150.5T（U OIO）C150.50.02S（15V0.5A）1666F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（U B1） OMAX20.35V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2200F 的铝质电解电容。耐压可选择 25V 以上，一般为留有余量并保证长期14使用中的安全，可将滤波电容的耐压值选大一点，这里选择 35V。调整部分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（BV T1） CEO，最大允许集电极电流（I T1） CM，最大允许集电极耗散功率（P T1）CM。在最不利的情况下，市电
24、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 T1 上，这时调整管 T1 的集电极发射极反向击穿电压（BV T1） CEO为：（BV T1） CEO（U B1） OMAX20.35V考虑到留有一定余量，可取（BV T1） CEO为 25V。当负载电流最大时最大允许集电极电流（I T1） CM为：（I T1） CMI O500mA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（I T1） CM为 600mA。这样大允许集电极耗散功率（P T1） CM为：（P T1） CM（U B1） OMAXU OMIN）（I T1） CM（P T1） CM（20.35V-6V）600
25、mA8.61W考虑到留有一定余量，可取（P T1） CM为 10W。查询晶体管参数手册后选择 3DD155A 作为调整管 T1。该管参数为：PCM20W，I CM1A，BV CEO50V，完全可以满足要求。如果实在无法找到3DD155A 也可以考虑用 3DD15A 代替，该管参数为：PCM50W，I CM5A，BV CEO60V。选择调整管 T1 时需要注意其放大倍数 40。 调整管 T2 各项参数的计算原则与 T1 类似，下面给出各项参数的计算过程。（BV T2） CEO（BV T1） CEO（U B1） OMAX20.35V同样考虑到留有一定余量，取（BV T2） CEO为 25V。（I
26、T2） CM（I T1） CM T1（I T2） CM600mA4015mA15（P T2） CM（U B1） OMAXU OMIN）（I T2） CM（P T2） CM（20.35V6V）15mA0.21525W考虑到留有一定余量，可取（P T2） CM为 250mW。查询晶体管参数手册后选择 3GD6D 作为调整管 T2。该管参数为：PCM500mW，I CM20mA，BV CEO30V，完全可以满足要求。还可以采用 9014 作为调整管 T2，该管参数为：P CM450mW，I CM100mA，BV CEO45V，也可以满足要求。选择调整管 T2 时需要注意其放大倍数 80。则此时 T2
27、 所需要的基极驱动电流为：（I T2） MAX（I T2） CM T115mA800.1875mA基准电源部分基准电源部分主要计算稳压管 D5 和限流电阻 R2 的参数。稳压管 D5 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 3V 的 2CW51，该型稳压管的最大工作电流为71mA，最大功耗为 250mW。为保证稳定度，稳压管的工作电流 ID5应该尽量选择大一些。而其工作电流 ID5（I T3） CEI R2，由于（I T3） CE在工作中是变化值，为保证稳定度取 IR2（I T3） CE，则 ID5I R2。这里初步确定 IR2MIN8mA
28、，则 R2 为：R2（U OMINU D5）I R2MINR2（6V3V）8mA375实际选择时可取 R2 为 390当输出电压 UO最高时，I R2MAX为：IR2MAXU OMAXR2IR2MAX15V39038.46mA这时的电流 IR2MAX小于稳压管 D5 的最大工作电流，可见选择的稳压管能够安全工作。取样部分取样部分主要计算取样电阻 R3、R4、R5 的阻值。输出电压：U b3MAX =（R4R5）（R3R4R5）U O16UOMIN =（R3R4R5）（R4R5）U b3MAXUb3MIN = R5（R3R4R5）U OUOMAX =（R3R4R5）R5 U b3MIN其中 Ub
29、3 = UD5（U T3） BE即可根据电阻的取值求出 UO 的范围电路同时接入 T3 的基极，为避免 T3 基极电流 IT3B对取样电路分压比产生影响，需要让 IT3BI R3。另外为了保证稳压电源空载时调整管能够工作在放大区，需要让 IR3大于调整管 T1 的最小工作电流（I T1） CEMIN。由于 3DD155A 最小工作电流（I T1） CEMIN为 1mA，因此取 IR3MIN10mA。则可得：（1）当输出电压的档位为 38V 时，U D5 =2V变压器 B1 次级输出电压即 UIMIN 应该是：UIMIN = （U D5（U T3） BE + UOMAX ）1.2=（2V+3V+
30、8V）1.2=10VR3R4R5U OMINIR3MINR3R4R53V10mA300当输出电压 UO3V 时：UD5（U T3） BE（R4R5）（R3R4R5）U O（R4R5）（U D5（U T3） BE）（R3R4R5）U O（R4R5）（2V0.7V）3003V270当输出电压 UO8V 时：UD5（U T3） BER5（R3R4R5）U OR5（U D5（U T3） BE）（R3R4R5）U OR5（2V0.7V）3008V100实际选择时可取 R5 为 470。R3 为 430。但实际选择时可取 R3 为220。(2)当输出电压的档位为 815V 时，U D5 =6.2V变压器
31、B1 次级输出电压即 UIMIN 应该是：UIMIN = （U D5（U T3） BE + UOMAX ）1.217=（2V+3V+15V）1.2=17V同理可计算出 R3=120，R5=240放大部分放大部分主要是计算限流电阻 R1 和比较放大管 T3 的参数。由于这部分电路的电流比较小，主要考虑 T3 的放大倍数 和集电极发射极反向击穿电压（BV T1） CEO。这里需要 T3 工作在放大区，可通过控制 T3 的集电极电流（I T3） C来达到。而（I T3） C是由限流电阻 R1 控制，并且有：IR1（I T3） C（I T2） B一方面，为保证 T1 能够满足负载电流的要求，要求满足
32、IR1（I T2）B；另一方面，为保证 T3 稳定工作在放大区，以保证电源的稳定度，其集电极电流（I T3） C不能太大。这里可以选 IR1为 1mA，当输出电压最小时，则 R1 为：R1（U B1） OU O（U T1） BE（U T2） BE）I R1R1（15V6V0.7V0.7V）1mA7.6K实际选择时可取 R1 为 7.5 K。当输出电压最大时，I R1为：IR1（U B1） OU O（U T1） BE（U T2） BE）R1IR1（15V6V0.7V0.7V）7.5 K1.013mA可见当输出电压最大时 IR1上升幅度仅 1，对 T3 工作点影响不大，可满足要求。由于放电电路的电
33、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 T3。通过前面的计算，已经得到了所有元件的参数。可以将这些参数标注到图 431 中，这样就得到完整的串联负反馈稳压电源电路图，见图432。这里计算的其实都还只是初步的参数，实际组装完毕后应该仔细测量电源的各项指标是否符合要求，各部分元件工作是否正常。如果发现问题，应该根据实际情况作出调整。根据调整的结果来修正原理图中的电路参数，最终18完成稳压电源的设计。(如下：)1、绘制原理图(1）选择元器件（2）放置并连接元件192、由原理图导成 PCB 图20三 总 结通过做这次电气制图与电子线路 CAD 的课程设计
34、，发现自己对 Protel DXP软件还不是很熟悉，导致制图的时候不是那么得心应手。尤其是刚开始学这个软件的时候，有时候有些原件需要找较长的时间，制图出了问题也不知道该怎么解决。不过通过这段时间的学习，我对这个软件的兴趣越来越浓厚，主要是发现这个软件比较好用，可以直接在软件上看到仿真结果，这对我们在做实际的电路起一个指导作用。我希望在之后的学习中能多学和多用这个软件，以此来填补自己在制图方面的缺陷，并为以后的学习和工作打下坚实的基础。21参考文献（References）（1）童诗白主编 模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社 （2）戴优生主编 基础电子电路设计与实践;北京.国防工业出版社.2002（3）陈晓文主编 电子线路课程设计 ；北京.电子工业出版社（4）梁宗善主编 电子课程基基础设计.北京.华中理工大学出版社.（5）康华光主编 电子技术基础.北京.高等教育出版社
