分立式元器件串联反馈型稳压电源的设计与制作

工程训练分立式元器件串联反馈型稳压电源设计及制作3直流稳压电源应用广泛，几乎所有电子设备都毫无例外地需要稳定的直流电压（电流）供电然而，我们提供电能的主要方式却是交流电压（电流）供电如何将交流电压（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根据学习进度，我们了解到，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它们的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和电子电路设计及应用必不可少的基础本工程训练正是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，它在实际应用电路中应用非常广泛，是电子技术课程的教学重点之一，正确理解其工作原理，设计出符合要求的电路具有重要意义此工程训练为期两周，学生要完成此工程训练首先要修完“模拟电子技术”、“自动控制理论”、“电路”、”电工电子实践指导”、电路设计及制板”、电路设计及仿真”六门课程知识PROTEL“PROTEUS在加深理解对上述课程理论和实验的教学内容基础上，学会综合应用这六门课程的知识，培养发现、分析和解决利用分立元器件进行电路设计及制作问题的能力充电结束、应接入（且应较大）时2电容通过应放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，〃会逐渐下降只有整流电路输出电压大于〃时，才有充电电流因此整流电路iD o的输出电流是脉冲波可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小

二、电容滤波电路的特点、输出电压〃及放电时间常数有关1RLC愈大®电容器放电愈慢®〃（平均值）愈大，一般取（电源电压RLC7:的周期），近似估算〃二组

1.

2、流过二极管瞬时电流很大2越大®〃越高®负载电流的平均值越大；整流管导电时间越短®RLC的峰值电流越大，故一般选管时，取心=工=2〜32〜31422Rr输出波形随负载电阻或的变化而改变，和也随之改变如RL CUo S位愈小〃越大，〃下降多，增大因此，从上述可以得到一个结论电S容滤波电路比较适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合，如小功率直流稳压电源串联型稳压电路

3.

2.4据上述可知，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范围内稳定不变在这里我们就用串联型稳压电路对其进行稳压串联型稳压电路是本项目设计及制作中最重要部分，下面通过最简单的实例对其进行介绍

一、串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路原理图和方框图如图

3.所示，取样环节由“、5%构成，基准即基准源由稳压管和限流电阻构成，比较放大器组Vz R3V2成，％为调整管，用作用

①的集电极负载电阻，

②％的基极偏流电阻，V2使片处于线性放大状态故又称为线性串联型稳压电路b图串联型稳压电路（）原理图（）方框图

3.5a b当电网电压升高，引起曾加，或负载电流增大时，都会引起UJ IU增大，U增加量通过R2分压取样，使V2的基极电压V82升高，由于V E2基本不变，因此正曲增加，的集电极电流增加，并使下降，致使V2Ic2Vc2恢复到原值附近，保证基本稳定同理，当%降低或负载电流减U UI小时，降低，通过反馈过程，又会使升高，也能使基本不变而U U U达到稳定由上述分析可知，稳压过程是一个负反馈过程，负反馈顺利进行，才能实现稳压，上述反馈过程要求、处于放大状态，处于稳压状态，V1V VZ在正常工作状态下，输出电压=uo改变］或的值，可使输出电压稳定在要求的数值上，输出电R R U压最大值口为max二（四-（与区D l+xRC+Q+BJRL当心较大时〃〜（UREF—VBEJQ+BJRL7〜omax当较小时RcUomax XUREF-VBEI输出电压最小值〃为U min二■min V2+VBE2输出电流为IT-U改变或可改变输出电流，但在稳定的情况下增大口一8时，U0R,U0，减小时输出电流，输出电流最大值为InfO h1°I=omax从以上分析可知，稳压电路的性能由电路元件的数值决定，已知电路结构和元件数值，求解电路性能的过程称为电路分析，反之称为电路设计

二、串联型稳定压电路的设计电路设计首先根据基本性能选取电路结构，然后确定各元件的数值，最后根据所选元件外型及消耗功率决定是否采取散热等措施，下面举一简单实例说明串联型稳压电路的设计方法设计一稳压电路要求输出电压二最大输出电流U20V,I“max=200mA当输入电压明为时，输出电压变化小于士电源内阻30V〜40V5%,r°W

0.5Q、调整管的选择1%调整管的选择应以最不利的条件来考虑集电极一发射极反向击穿电压BV^U-U0=20VC£0lmax集电极最大允许电流、其中，为流\Kmax+I]+I3=240mA,过的电流，晨为流过的电流R13R.3最大耗散功率P CMU-UXIc-

4.8Wlmax o由晶体管手册查得，可满足以上要求3DA1A、基准部分2选择基准电压U REF应低于，但若基准电压太低，将使分压也相应U减小，会使稳定度降低,综合考虑选择二度，四二基中四为流U―l I15mA,I过稳压管的电流V0-V2_20V-12V二R=800限流电阻的选取为R、取样部分4取样电路中的电阻不宜太大，应使I〉〉I B2，这样可保证取样不受比较放大的影响，另一方面，为了使稳压电路空载时调整管也能工作在放大区，以保证足够的放大倍数，选L+I R=401nA，则1尸30mAo由此可得R|+R W但从减小电流损耗来看，也不易太小，故限R1+R2分压比应保证输出电压根据公式二得R,+R=500Q,LI=20V,U°2七二型即七二1+R212R23故选二，R=300QRi

2002、放大部分5的选择一方面要保证％能够经的负载电流，即要求R’240mAIJI BH二;另一方面又希望V2集电极电阻R,尽可能大，以便获得较大的放大倍数,提高电路的稳定度,所以选为R4R产一2%9皿712mA4比较放大管采用硅高频小功率晶体管,BV CE°＞匕，1CM三选取14,即可满足要求3DG4E此外，为了消除稳压电路自激，可在稳压电路的输出端并接电容470uF

三、影响稳压特性的主要因素及其改进措施、主要因素

1、电路对电网电压的波动抑制能力较差例1U®-V-®Uo-C

2、流过稳压管的电流随波动，使四不稳定，降低了稳压精度2UU（）、温度变化时，组成的放大电路产生零点漂移，输出电压的稳3V2定度变差、改进措施2（）、选用差动放大器或运放构成的放大器代替管构成的放大器，1V,可以解决零点漂移的问题由于单只三极管比较放大器在温度变化时输出电压会产生很大的漂移，影响稳压电路输出电压的稳定为此，采用零点漂移小的差动放大器作比较放大器，该电路原理如图所示电路中、二组成单端输入、单端输

3.672出的直流差动放大器其稳压过程如下当输入电压增加而使输出电压〃U升高时，通过取样电路使加到丁的基极电压增加，但心的基极由于稳31^3压管作用保持不变，迫使集电极电压降低，调整管基极电压亦随Dzi T31之减小，1B1减小，导致其内阻变大，保持输出电压出不变采用差动放大器作比较放大器后，由于零点漂移很小，使电路具有很好的温度稳定性R5R6图

3.6（）、采用辅助电源（比较放大部分的电源）2如下例示图图所示，电阻既是比较放大管丁的集电极负载，

3.7R,2又是调整管的偏置电阻由于接在稳压电路的输入端，当明变化（例1R,如升高）时，通过使调整管扁流变化（增加），造成调整管内阻变化（减R,小），导致输出电压起伏（增加）为了克服这一缺点，必须接到一个稳R,定的电源电压上若用一个稳定的辅助电源为调整管提供偏置电压，这个问题就迎刃而解了具有辅助电源的稳压电路辅助电源由电源变压器一组单独绕组提供，经整流管整流、电容滤波，然后经电阻和稳压二极管D5C R5得到稳压的辅助电压的负端接稳压电路输Dz2U,DzzZ2出端，避免了输入电压变化的影响图

3.

7、采用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益3在串联型稳压电路中，为了使放大管电压增益尽可能提高，就需要使放大管集电极动态电阻很大，而且工作电流又不致于太低，“恒流源负载”就可解决这个矛盾，它选用晶体管代替负载电阻放大部分采用“恒流源负载”的稳压电路原理图如图所示三极管电阻、和稳压二极管

3.8R5R6Dz2组成恒流源电路，作为丁的集电极负载电阻，利用恒流源直流电阻小、对3交变电压动态电阻较大的特性提高了〉的增益，从而改善了稳压效果图

3.

8、调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围4如图所标，调整管由「、丁接成复合管以使其电流放大系数为

3.92两管之积，进一步增大控制输出电压的能力图

3.9完成工程训练的主要仪器、设备、工作环境

3.3分立式元器件串联反馈型稳压电源设计及制作需要一台目前实验室使用的计算机，要安装以下软件中文版1Windows XP原理图、印刷电路板绘制软件,如、2PROTELDXP P0WERPCB.等任选其一PROTEUS电路仿真软件，如、等任选其一3PROTEUS MULTISISM中文版其中包括4Microsoft Office2003,Microsoft OfficeVisio2003需用到下列仪器原装墨打印机1热转印机2腐蚀箱及环保腐蚀液3电路板钻孔机4电路板切割机5上述仪器都必须配置相符合的工程训练场所，同时还需要用于安装和焊接元器件以及调试电路的相关工具，如烙铁、烙铁架、万用表、尖嘴钳、斜嘴钳、镶子、吸焊枪、焊锡、防氧化漆等等工程训练的主要内容

3.4设计、安置、调试、两档直流电压和直流电流5—10V10—15V0—1A输出的分立元件串联反馈型直流稳压电源需达到下列技术指标输出直流电压分两档分别为、连续可调1U5—10V10—15V,输出直流电流为2I0—1A交流电源电压、3〜220V±220VX10%50Hz放大管具有恒流源负载、辅助电源4有过流保护，当时，保护电路工作5内阻6R01Q当输出额定值二和时，稳压系数7U010V15V SC

0.01要求设计板和制作板、电路实物8PCB PCB安装电路并仿真、实物调试达到技术指标要求9并完成下列实训任务根据技术指标，提出可行性方案，经分析比较选出符合我们教学要1求的实际实施方案画出串联反馈型直流稳压电源的原理图2撰写串联反馈型直流稳压电源的原理图的工作原理3根据串联反馈型直流稳压电源的原理图工作原理，对原理图上的各4个或主要元器件进行设计计算并求出各个或主要元器件的参数要求使用电子元器件手册选定各个元器件，并列出元器件型号、规格和5特性根据性能要求，利用电路仿真软件对所设计的电路原理图进行性能6仿真根据串联型直流稳压电源的原理图和元器件的尺寸大小设计7PCB板，并进行制作根据技术指标，使用有关仪器、仪表进行调试8撰写技术报告9工程训练的实际步骤或操作方法

3.5工程训练的实际步骤或操作方法要根据主要内容来制定，此次工程训练主要分为下面几个实际步骤或操作方法（）根据上述技术指标，提出可行性方案，经分析比较选出符合技1术要求的实际实施方案（）画出原理图（先初步设计，再通过下述步骤最终修改整理确定）2（）根据工作原理，对原理图上的各个（或主要）元器件进行设计3计算并求出各个（或主要）元器件的参数要求（）使用电子元器件手册选定各个元器件，并列出元器件型号、规4格和特性（）根据串联型直流稳压电源的原理图和元器件的尺寸大小设计5PCB板，并进行制作（）根据技术指标，使用有关仪器、仪表进行调试，修改完善6为了能明确上述步骤的实施办法，利用综合设计的主要设计部分来加以说明根据技术指标要求，原理图应有这几部分交流电源变压部分、整流电路部分、滤波电路部分、稳压电路部分，其中稳压电路部分为重要部分，包括基准部分、采样部分、辅助电源部分、恒流源部分、过流保护部分、放大部分初步设计原理图如图所示

3.6图分立式元器件串联反馈型稳压电源原理图

3.

9、交流电源变压部分目的要求

3.1基本目的

3.

1.1此工程训练选择分立元件构成串联型直流稳压电源学生通过实训，了解相关分立元器件的基本结构、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电路的工作原理、原理图的设计和参数计算、元器件选用、计算机软件实现硬件仿真、板的设计、电路的安装和调试，最后PCB完成达到技术指标要求的准产品基本要求

4.

1.

2、依据性能指标和器件状况，设计稳压电源电子电路，并计算器件参1数确定选择器件（含散热设计）；、以本工程训练为实例学习基本知识，并运用其绘制电源（原2protel sch理）和（印刷电路板）图；pcb、学习知识，对本电源进行仿真，最终确定及图；3proteus schpcb、掌握电子电路板制作全过程，实现电源的制造；

4、测量电源相关各项技术指标，完成系统调试；5基本知识介绍

3.2“分立式元器件串联反馈型稳压电源设计及制作”这一项目涉及到的知识（或技术）面比较广，在进行此工程训练前，学生应必须对这些方面的知识要理解透彻、掌握熟练主要相关基本知识（或技术）有电源变压器知识、整流电路知识、滤波电路知识、串联型稳压电路知识、板电路PCB设计及制板技术、电路设计及仿真技术、PROTEUS根据技术指标要求输出直流电压分两档分别为、U5—10V10-15V,在这里我们采用由二极管组成的单相桥式整流电路，交流电源变压器采用单相变压器，根据单相桥式整流电路原理，由公式（为变压0-9U-U=3V U,omax器次级端输出）得当工.二档时15VU=20V21当档时U°m-10VU*15V因为输出直流电流最大值四要求为因此，我们应该选择有10—1A,、双电压输出的、额定功率为（？）口？范围内的单相20V15V XIomax=W变压器

二、整流电路部分采用由二极管组成的单相桥式整流电路，根据单相桥式整流电路原理，-I

0.5A2=-xM=Omaxr\°ma流过每只整流二极管的平均电流乙是负载平均电流的一半，贝•）而根据小节所讲到的电容滤波电路的特点可知加上电容滤波后

3.

2.3流过二极管瞬时电流峰值会很大，这时L/江（）号^==2〜31A〜

1.54二极管截止时两端承受的最大反向电压:后=V220V=

28.28VURM=02=21x则考虑到过流过压要求，根据电子元器件手册，我们可以选用最大反向电压为、额定工作电流为的塑封整流二极管组成单相桥式1000V1A IN4007整流电路

三、滤波电路部分选用并联电容滤掉整流电路输出电压中的交流成分，保留3700uF/50V其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的

四、稳压电路部分（）基准部分1基准电压值档取为10V3V n=

0.6〜

0.3档取为15V3V n=

0.6~

0.4设流过电阻句的最小电流为则何二可R5mA,RU/5mA=400Q采样部分，2由取样电阻组成，当输出电压为最小值总时，取电流为则U,I=15mA,当当输出电压为最大值J.时，电流为由此得15X3=45mA,R=U,/f=5V/15mA=330Qmin所以取，则R2+R3=

0.6X330=198O,200R=330Q-200Q=130Q,1R=330QX

0.3=100Q,取90，R=110Q33总功率2取每个电阻额定功率大于W=

0.045X330=

0.66W,

0.5WO辅助电源部分

3、放大管两端的电压皿约为1VI V

2.7V+3V+

2.1V=

7.7V,8V、电流，现广而，现取最小电流为2I=II+I,+l3L5mA,I2mA,5mA,此时故V=%+U,=8V+5V=13V,minR=13-2V/5mA=

2.2KQ则一二8+U_-2/

2.2K=10mA故取其输入，取则其限流电阻I17mA,20mA,Vs10V,R=10-8V/20mA=100Q取限流电阻额定功率为

0.04W,Rj

2.7V/2mA=l.3K放大部分4%调整管的选择应以最不利的条件来考虑集电极一发射极反向击穿电压V^U-U=15V+15VXC£0lmax0min10%-5V=

11.5V集电极最大允许电流最大耗散功率PNV CEOXICJII.5Wcw由晶体管手册查得，可满足以上要求3DD15此外，为了消除稳压电路自激，可在稳压电路的输出端并接220uF/25V电容工程训练总结

3.6工程训练按上述要求完成后，要根据内容、格式等要求撰写工程训练报告学生完成的工程训练报告，由指导老师批改，给出成绩，如成绩合格者可获个学分2参考资料

3.7康华光.电子技术基础模拟部分.高等教育出版社.

[1]

2004.4谢嘉奎.电子线路线性部分第四版.高等教育出版社.

[2]

1999.6朱文生.最新稳压电源设计应用及质量检验标准规范实用手

[3]册中国科学技术文献出版社[M].

2008.3曲学基等,稳定电源电路设计手册电子工业出版社，

[4][M].

2003.10王增福等.新编常用稳压电源电路电子工业出版社，

[5][M].

2005.8王浩全，傅英明，洪华，龙怀冰.电路设计及制板.人民邮

[6]ProtelDXP电出版社，2005伍启学.串联型晶体管稳压电路.家庭电子

[7]热转印腐蚀制板技术、焊接工艺技术、电路安装及调试技术等，其中串联型稳压电路知识是本次工程训练项目中的重中之重，现简要的介绍一下下列基本知识电源变压器

3.

2.1

一、电源变压器中常用的几个术语、初级是指电源变压器的电源输入端1primary winding、次级是指电源变压器的输出端2secondary winding、额定输入电压5是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电3源变压器的工作电压、空载电流是指电源变压器的初级接上额定输入电压而次级不4i ul带负载即开路时，流过初级的电流及变压器的设计有关，即使是两个i不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其也可能不同i、空载电压是指变压器初级接受上额定输入电压而次级不带5u ul负载即开路时，次级两端的电压及变压器的设计有关，即使是两个u不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其也可能不同u、负载电流是指变压器初级接上额定输入电压次级接上额定负6i2U,载时，流过负载的电流、负载电压山是指变压器初级接上额定输入电压次级接上额定负7U,载时，负载两端的电压、定输出功率是指变压器在额定输入电压时的输出功率,它表示8p ul2变压器传送能量的大小一般来说，在相同频率下，越大，P2变压器的尺寸越大；相同，即使输出电压也不同，变压器的尺寸也相同，P2即变压器的价格也应相差无几由公式可知若输出功率一定，若输出电压5越高，则P2=U2*i2P2输出电流越低举例来说，一个输出功率的变压器，若输i2P2n0W出电压U=24V,则输出电流；若i=P2/U2=low/24V=

0.416A u=12V,222则输出电流i=

0.833Ao2

二、电源变压器在本工程训练中应用电源变压器在本工程训练中是将交流电网电压（市网电压4）变为合适的交流电压比（本工程训练选用降压变压器），以提220V/50HZ供后续电路所需的电压

三、电源变压器的选择及确定在本工程训练中，对电源变压器的要求主要为次级输出电压大小和极性，额定工作功率，因此如何选择及确定电源变压器主要围绕这几个参数并根据后续电路要求进行计算选择，假定后续电路要求初级输入电压为工输出电3,流为，则电源变压器次级输出电压为额定工作功率为（）举例I Vsu,v xiomaxs o说明假定后续电路要求初级输入电压为输出电流为则电源变压器最佳次级输出电压LmaxnOV,riA,为额定工作功率为（）Vs10V,v xl=Wos整流电路知识

3.

2.2图直流稳压电源的组成和功能框图

3.1如上述框图所示，整流电路的作用将交流电压〃变为单方向的直流电

3.12压如在本工程训练中是利用二极管单向导电性，把正、负交变的变压50Hz器次级输出电网电压变成单方向脉动的直流电压由整流二极管组成的小功率整流电路常见的有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路等后两者的纹波系数要小就整流二极管而言，承受的最大整流电流相同，但承受的最大有效电压，前者是后两者的倍另外2最大反向电压也不相同下面简单分析上述几个整流电路（把二极管当作理想元件处理,即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大）

一、半波整流电路图半波整流电路

3.2半波整流电路如图所示，函》时，二极管导通忽略二极管正向

3.20压降必〈时，二极管截止，输出电流为正向压降:00输出电压波形:二极管上的平均电流:二极管上承受的最高电压:、输出电压平均值（〃）4一「乃12

二、全波整流电路:图全波整流电路

3.2Bi、输出电压波形:1Wo、二极管上承受的最高电压2叵2U,URM=、二极管上的平均电流

3、平均值4uo Uox〃Uo=

0.92

三、单相桥式整流电路图单相桥式整流电路

3.

3、输出电压波形1〃〉时，为、为导通，加、〃截止，电流通路〃；〃204A®1®/£®ZZ3®B时，龙、〃导通，加、截止，电流通路〃从204D3B®D2®£®Z4®A输出电压波形可以看出，输出是脉动的直流电压4U2〃Uo=92

四、整流电路的主要参数、整流输出电压的平均值及脉动系数1整流输出电压的平均值和输出电压的脉动系数是衡量整Uo S流电路性能的两个主要指标、整流输出电压平均值1Uo全波整流时，负载电压的平均值为Uo4『U dcot=

0.9o227r负载上的平均电流、脉动系数2S定义整流输出电压的基波峰值及平均值之比S UolmUo用傅氏级数对全波整流的输出分解后可得uo厂2444八u=V2U,----------COS269t---------cos4t--------cos6G・・°一兀兀31535〃同42S=^L=¥=2-0・67同U2237t、平均电流及反向峰值电压2平均电流/〃及反向峰值电压〃必协是选择整流管的主要依据例如在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通因此,流过每只整流二极管的平均电流是负载平均电流的一半二极管截止时两端承受的最大反向电压:=叵U RMU2电容滤波电路

3.

2.3从上述可知，交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流,其中既有直流成分又有交流成份滤波电路利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性，将电容及负载并联（或将电感及负载RL RL串联），滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的

一、滤波原理以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所

3.4ZjS O图桥式整流电容滤波电路

3.

4、位未接入时输出波形（忽略整流电路内阻）1没有电容时的输出波形。