1.1設計目的

穩壓管穩壓電路輸出電流較小，輸出電壓不可調，不能滿足很多場合下的應用。串聯型穩壓電路以穩壓管穩壓電路為基礎，利用晶體管的電流放大作用，增大負載電流；在電路中引用深度電壓負反饋使輸出電壓穩定；并且，通過改變反饋網絡參數使輸出電壓可調。

本課題所介紹的串聯型穩壓電源為單相小功率電源，他將頻率為50HZ、有效值為220V的單相交流電壓轉換為幅值穩定、輸出電流為小到幾十毫安、大到幾安培的直流電壓。

1.2技術指標與要求

• 輸入交流電壓為工頻電壓；
• 輸出直流電壓分為3-6V、6-9V、9-12V三檔；
• 輸出電流小于等于1A；
• 具有過電流及短路保護功能。
  

1.3設計原理及思路

     單相交流電經過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路轉換成穩定的直流電壓。其原理圖如圖1-3-1所示：

   圖1-3-1原理圖

    其輸入是頻率為50Hz，有效值為220V的單項交流電壓，經過電源變壓器，對電壓進行升降，得到所需的交流電壓；變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉換為直流電壓，也就是將正弦波電壓轉換為單一方向的脈動電壓；為了減小電壓的脈動，需通過低壓濾波電路濾波，使輸出的電壓平滑；最后在通過穩壓電路使輸出直流電壓基本不受電網電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩定性。

2 方案介紹

2.1方案設計

方案一：

圖2-1-1所示是一個最簡單的單管串聯型晶體管穩壓電源。這種穩壓電源的工作原理是：當負載變化引起輸出電壓降低時，調整管的基極-發射機電壓Ube=Ub-Ue=Ub-Usc，因為基極電壓恒定，Usc降低，則Ube增加，使基極電流Ib和集電極電流都增加，從而使Usc上升，保持Usc近似不變。

圖2-1-1單管串聯型晶體管穩壓電源

   不過這種串聯型穩壓電源只能做到輸出電壓基本不變。因為調整管的調整作用是靠輸出電壓與基準電壓的靜態誤差來維持的，如果輸出電壓絕對不變，則調整管的調整作用就無法維持，輸出電壓也就不可能進行自動調節。

方案二：如圖2-1-2用晶體管和集成運放組成的具有保護環節的串聯型直流穩壓電源。

圖2-1-2具有保護環節的串聯型直流穩壓電源

2.2方案選擇

方案二簡單、合理、可靠、經濟。從見到而且便于購買的前提出發，我們選擇方案二為我們最終的設計方案。

3 單元電路設計與參數計算

3.1變壓器

直流電的輸入為220V的電網電壓，然而所需的電壓數值和電網電壓的有效值相差很大，所以需要通過電源變壓器降壓后，再對電流、電壓處理。變壓器二次側的電壓有效值決定后面電路的需要。根據課題要求，輸出電壓最大為12V，故我們選取15V30W的電源變壓器。如圖3-1-1所示。

圖3-1-1電源變壓器

3.2整流電路

為了將正弦波電壓轉換為單一方向的脈動電壓，還需要通過整流電路。單相整流電路有半波整流電路、單相橋式整流電路。兩種整流電路相比較，單向橋式整流電路在相同的變壓器二次側電壓下，對二極管的參數要求一樣，并且還具有輸出電壓高，變壓器利用率高，脈動系數小等優點。所以在電路中采用單相橋式整流電路，如圖3-2-1所示：

圖3-2-1單相橋式整流電路

保護電路：

     在集成穩壓器電路內部含有各種保護電路，使集成穩壓器在出現不正常情況是不至于損壞。因為串聯型穩壓電路的調整管是其核心器件，它流過的電路近似等于負載電流，且電網電壓波動或輸出電壓調節時管壓降將產生相應的變化，所以這些保護電路都與調整管緊密相關。過流保護電路能夠在穩壓管輸出電流超過額定值時，限制調整管發射極電流在某一數值或使之迅速減少，從而保護調整管不會因電流過大而燒壞。如圖3-2-2所示：

圖3-2-2過流保護電路

主要參數：

輸出電壓平均值Uo（av）：負載電阻上電壓的平均值

輸出電流平均值：負載電阻上電路的平均值

=≈

整流輸出電壓的脈動系數S：整流輸出電壓的基波峰值與輸出電壓平均值之比，因而S越大，脈動越大。

二極管的選擇：

  考慮到電網電壓波動范圍為±10%，整流二極管的極限參數最高反向工作電壓和最大整流平均電流應滿足：

>1.1和>1.1·          >1.1×≈0.007A

所以選擇>1.1V

3.3濾波電路

        整流后的輸出電壓雖然是單一方向的，但是含有較大的交流成分，會影響電路的正常工作。一般在整流后，還需要利用濾波電路將脈動的直流電壓變為平滑的直流電壓。所以需通過低通濾波電路，使輸出電壓平滑。理想情況下，應將分流分量全部濾掉，使輸出電壓僅為直流電壓。在實際電路中，為了獲得更好的濾波效果，電容容量應選的更大些。

        濾波電路有電容濾波、電感濾波、和復式濾波三種，其中復式濾波電路效果最好。如圖3-3-1所示：

圖3-3-1復式濾波電路

3.4穩壓電路

         如圖3-4-1所示：

圖3-4-1穩壓電路原理圖

交流電壓通過整流、濾波后雖然變為交流分量較小的直流電壓，但是當電網電壓波動或負載變化時，其平均值也隨之變化。穩壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網波動和負載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩定性。

     由于經濟成本、元件購買及仿真軟件的限制，穩壓電路只采取一個具有放大環節的基本串聯型穩壓電路加一個載流型過流保護電路。如圖3-4-2所示：

圖3-4-2具有放大環節的過流保護電路

其中Q1構成調整電路，R3、R5、R4組成取樣電路，Q2、R6構成保護電路，D1、R1構成基準電路。

a穩壓原理：若由于某種原因使UO增大，則UO↑→UN↑→UB↑→UO↓

b輸出電壓的調節范圍：·≤·

故≤6V,取=5.6V402Ω, 1000KΩ(100Ω), 820Ω

c串聯型穩壓電路的基本組成部分及其作用：

調節管：是電路的核心，UFE隨UI和負載產生變化以穩定Uo。

基準電壓：是Uo的參考電壓。

采樣電阻：對Uo的采樣，與基準電壓共同決定Uo。

比較放大：將Uo的采樣電壓與基準電壓比較后放大，決定電路的穩壓性能。

d串聯型穩壓電源中調整管的選擇：

要想使調整管起到調整作用，必須使之工作在放大狀態，因此其管壓降應大于飽和管壓降；調整管極限參數的確定，必須考慮到輸出電壓由于電網電壓波動而產生的變化，以及輸出輸出電壓的調節和負載電流的變化所產的影響。

根據極限參數ICM、U（BR）CEO、PCM選擇調整管：

=≈<

=-<

=<

e限流電阻的選擇：保證穩壓管既穩壓又不損壞。

>    <

電網電壓最低且負載電流最大時，穩壓管的電流最小。

=>   R<

電網電壓最低且負載電流最小時，穩壓管的電流最大。

=<  R     

   如圖4-1-1：

元件類型	元件序號	型號	主要參數	數量
變壓器	T1	雙15V30W		1個
集成運算放大器	U1	LM324		1個
穩壓管	D3	1N4734	5.6V	1個
整流橋	D1	1A整流橋107		1個
三極管	Q1、Q2、Q3	TIP41、TIP42、TIP43	中功率	3個
電解電容	C1、C2		100nF/25V、450uF/ 25V	2個
電阻	R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8		246Ω、1kΩ、666Ω、200Ω、222Ω、445Ω、111Ω、100Ω	各一個
電源線				1條
開關	S1	單刀四擲小號		1個

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2017-12-4 16:34 上傳

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