課程設(shè)計(jì)--- 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　內(nèi)容摘要…………………………………………2</p><p>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求…………………………………3</p><p>　　電路工作原理及分析 ………………………… 3</p><p>　　主要芯片的技術(shù)參數(shù)………………………… 12</p&

2、gt;<p>　　組裝與調(diào)試…………………………………… 13</p><p>　　設(shè)計(jì)總結(jié) ………………………………………14</p><p>　　參考文獻(xiàn) ………………………………………15</p><p>　　致謝…………………………………………… 15</p><p>　　附錄…………………………………………… 15&l

3、t;/p><p>　　1）Protel 原理圖…………………………………… 16</p><p>　　2）PCB 圖………………………………………………17</p><p>　　3）元器件明細(xì)表………………………………………… 18</p><p><b>　　內(nèi) 容 摘 要</b></p><p>

4、　　在穩(wěn)壓電源中，負(fù)載電流要流過調(diào)整管，輸出大電流的電源必須使用大功率的調(diào)整管，這就要求有足夠大的電流供給調(diào)整管的基極，而比較放大電路供不出所需要的大電流，另一方面，調(diào)整管需要有較高的電流放大倍數(shù)，才能有效地提高穩(wěn)壓性能，但是大功率管一般電流放大倍數(shù)都不高。解決這些矛盾的辦法，是給原有的調(diào)整管再配上一個(gè)或幾個(gè)“助手”，組成復(fù)合管。并且有電路指示燈的指示功能，也要有短路保護(hù)功能，能做到可靠性好，穩(wěn)定性好，紋波小，能夠長時(shí)間工作等等。本課題

5、就是通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)合管放大兼具充電功能和有過流和限流保護(hù)作用的電源來了解和掌握一般穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和制作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：復(fù)合管放大、充電電路、過流限流保護(hù)。</p><p><b>　　二 設(shè)計(jì)內(nèi)容要求</b></p><p>　　輸出電壓：3V、6V兩擋，正、負(fù)極性輸出。</p><p>　　輸出電流：額

6、定電流為150mA，最大電流為500mA。</p><p>　　額定電流輸出時(shí)，△Vo/Vo≤10%.</p><p>　　具有快充和慢充兩種方式對(duì)4節(jié)5號(hào)或7號(hào)電池充電。慢充電流為50mA~60mA,快充電流為110mA~130mA.</p><p>　　三 ．電路工作原理及分析 </p><p>　　整機(jī)電路由整流濾波電路、穩(wěn)壓電路和快慢

7、充電電路組成。</p><p>　　3.1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路</p><p><b>　　圖1 原理框圖</b></p><p>　　穩(wěn)壓電路采用帶有限流型保護(hù)電路的晶體管串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，電路設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)方案如下：</p><p>　　.由于穩(wěn)壓電路輸出電流Io＞100mA,因此調(diào)整管應(yīng)采用復(fù)合管。</

8、p><p>　　通常提供基準(zhǔn)電流的穩(wěn)壓管可以用發(fā)光二極管LED代替(一般工作電壓約為2V)</p><p><b>　　兼做電源指示燈。</b></p><p>　　由于Vo為3V、6V兩擋固定值，且不要求調(diào)整，因此可將取樣電路的上取樣電阻</p><p>　　設(shè)計(jì)為兩個(gè)合適的值，用1×2波段開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。<

9、/p><p>　　輸出端用2×2波段開關(guān)實(shí)現(xiàn)正負(fù)極性選擇。 </p><p>　　過載保護(hù)電路采用二極管限流型保護(hù)電路，且二極管用發(fā)光二極管LED代替, 兼做過流指示燈使用。</p><p>　　3.2 穩(wěn)壓電路原理圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 穩(wěn)壓電路原理圖 </p><p>　　1 確定輸

10、入電壓V（整流濾波電路的輸出電壓）。</p><p>　　當(dāng)忽略檢測電阻R2上的電壓時(shí)，有</p><p>　　Vi = Vo’ = Vomax + Vce1 = 6 + Vce1 ⑴</p><p>　　式（1）中，調(diào)整管管壓降Vce1，一般在3V~8V間選取，以保證VT1能工作于放大區(qū)。當(dāng)市電電網(wǎng)電壓波動(dòng)不大時(shí)，Vce1可選取的

11、小一些，此時(shí)調(diào)整管和電源變壓器的功耗也可以小一些。</p><p><b>　　2 濾波電容C</b></p><p>　　設(shè)定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S則可求得C。</p><p>　　電路中濾波電容承受的最高電壓為，所以所選電容器的耐壓應(yīng)大于12V。</p><p><b>　　3 確定

12、晶體管。</b></p><p>　　估算出晶體管的Icm、V(BR)CEO、Pcm值，再根據(jù)晶體管的極限參數(shù)和來選擇晶體管。</p><p>　　Iomax ≈ Io = 150mA (2)</p><p>　　Vcemax = Vi－Vomin = Vi－3

13、 (3)</p><p>　　Pcmax = Icmax Vcemax (4)</p><p>　　查晶體管手冊(cè)，只要大于上述計(jì)算值的晶體管都可以作為調(diào)整管VT1使用。VT2、VT3由于電流電壓都不大，功耗也小，因此不需要計(jì)算其值，一般可選用小功率管。</p>&

14、lt;p>　　4 確定基準(zhǔn)電壓。</p><p>　　由 Vo =1/n ( Vz + Vbe3 )</p><p>　　有 Vz = nVo － Vbe3</p><p>　　則 Vz ＜ nVo （5）&l

15、t;/p><p>　　式（5）中，n為取樣電路的取樣比（分壓比），且n≤1。所以Vz應(yīng)小于Vomin(3V)。LED的工作電壓約為1.8～2.4V。且正相特性曲線較陡，因此它可以代替穩(wěn)壓管提供基準(zhǔn)電壓。</p><p>　　5 限流電阻的計(jì)算。</p><p>　　限流電路如圖2所示。</p><p>　　圖2 基準(zhǔn)電壓限流穩(wěn)壓電路</

16、p><p>　　ID = Ir3 + Ie3 = (Vo－Vz)/R3 + Ie3 (6)</p><p>　　式(6)中，Vz為LED的工作電壓，其值可取為2V；ID為LED的工作電流，在2～10mA間取值;Ie3為VT3的工作電流，可在0.5～2mA間取值。</p><p>　　當(dāng)選定Ie3的值后，為保證LED能完全可靠的工作，R3的取

17、值應(yīng)滿足條件: 2mA＜ID＜10mA</p><p>　　當(dāng)Vo = Vomin = 3V時(shí)，ID最小，即</p><p>　　ID =(Vomin－Vz)/ R3 + Ie3=(3－VZ)/R3 + Ie3＞2mA (7)</p><p>　　得 R3＜(3－VZ)/(2－Ie3) （8）</p&g

18、t;<p>　　當(dāng)Vo = Vomax =6V時(shí)，ID最大，即</p><p>　　ID=(Vomax －VZ )/ R3 + Ie3 =(6－VZ)/ R3+Ie3＜10mA (9)</p><p>　　得 R3 ＜(6－VZ)/(10－ Ie3 ) (10)</p><p><b>　　

19、因此有</b></p><p>　　(6－VZ )/(10－Ie3)＜ R3 ＜(3－VZ)/(2－Ie3) (11)</p><p>　　在取值范圍內(nèi)，R3應(yīng)盡量取大一些，這樣有利于VZ的穩(wěn)定.另外，計(jì)算的電阻值還應(yīng)該選區(qū)標(biāo)稱值.</p><p>　　同時(shí)，相關(guān)的功率計(jì)算如下:

20、 </p><p>　　PR3=(Vomax－VZ)2/R3=(6－VZ)2/R3 (12)</p><p>　　需要注意的是，計(jì)算出的電阻功率也應(yīng)選區(qū)標(biāo)稱值。</p><p>　　6 取樣電路的參數(shù)計(jì)算。</p><p>　　首先，確定取樣電路的工作電流I1(流過取樣電阻的電流).若I1取得過大，

21、則取樣電路的功耗也大；若I1取得過小，則取樣比n會(huì)因VT3的基極電流的變化而不穩(wěn)定，同時(shí)也會(huì)造成Vo不穩(wěn)定。</p><p>　　實(shí)際應(yīng)用中，一般取I1 =(0.05～0.1)Io，然后計(jì)算取樣電阻。</p><p>　　當(dāng)Vo=3V時(shí)，取樣電路如圖3所示。</p><p>　　圖3 取樣電路</p><p>　　由

22、 I1 ( R4 + R6 )=3V</p><p>　　取樣電路的總電阻為 R = R4 + R6 = 3/I1</p><p>　　又由于 R / R6 (VZ + Vbe3) = 3V</p><p>　　所以 R6 = R

23、( VZ + Vbe3 )/3</p><p>　　R4 = R － R6</p><p>　　當(dāng)Vo=6V時(shí)，應(yīng)將圖3中的電阻R4換成R5，計(jì)算方法與Vo = 3V時(shí)相同。</p><p><b>　　取樣電路的總電阻為</b></p><p>　　R = R5 + R6 = 6 / I1</p>&l

24、t;p>　　R5 = R － R6</p><p>　　此時(shí)，計(jì)算出的電阻值應(yīng)取標(biāo)稱值，然后利用公式Vo=R/R6(VZ+Vbe3)計(jì)算Vo。并測量Vo是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，否則應(yīng)重新取值計(jì)算。最后，還應(yīng)對(duì)所取電阻進(jìn)行功率計(jì)算，并取其標(biāo)稱值。</p><p>　　7 計(jì)算比較放大器集電極電阻R1。</p><p>　　比較放大器如圖4所示。</p&

25、gt;<p>　　圖4 比較放大電路</p><p>　　R1的值取決于穩(wěn)壓電源的Vo和Io，由此可得</p><p>　　IR1 = ( Vi－Vb2)/ R1 = Ib2 + Ie3</p><p>　　Vb2 = Vo + Vbe1 + Vbe2 ≈ Vo+1.4</p><p>　　Ib2 ≈ Io/β1β2<

26、/p><p>　　若R1的值太大，則IR1的值變小，Ib2也小，因此不能提供額定電流Io;若R1的值太小，則比較放大器增益變低，會(huì)造成穩(wěn)壓性能不好。</p><p>　　當(dāng)Vo = Vomax = 6V時(shí)，R1的值應(yīng)滿足條件</p><p>　　(Vi－7.4)/R1≈Ib2+Ic3</p><p>　　或

27、 R1≈(Vi－7.4)/(Ib2+Ic3)</p><p>　　式中，Ib2由Ib2≈Io/β1β2確定(Io=150mA).</p><p>　　其中，β1的取值范圍在20～50之間(大功率管取20，中功率管取50）；β2的取值范圍在50～100之間。</p><p>　　Ic3可用前面計(jì)算R3時(shí)已選定的值Ie3.</p><p>

28、<b>　　R1的功耗估算為</b></p><p>　　PR1=[Vi－(Vomax+1.4)]2/R1</p><p>　　需要注意的是，阻值和功率應(yīng)取標(biāo)稱值。</p><p>　　8 限流保護(hù)電路參數(shù)的計(jì)算。</p><p>　　限流保護(hù)電路如圖5所示。監(jiān)測電阻Rz的計(jì)算方法如下：</p><

29、;p>　　因?yàn)?VD=2Vbe+IomaxR2</p><p>　　所以 R2=(VD－2Vbc)/Iomax≈(2－1.4)/Iomax</p><p>　　式中，VD取2V，Vbc取0.7V，最大輸出電流Iomax取500mA，電阻功耗的估算為 </p><p>　　PR2=I2

30、omaxR2</p><p>　　同樣，阻值和功耗應(yīng)取標(biāo)稱值。</p><p>　　圖5 限流保護(hù)電路 </p><p>　　3.3 .充電電路部分的設(shè)計(jì)。</p><p>　　充電電路一般采用晶體管恒流源電路。</p><p>　　3.3.1慢充電路，</p><p><b>

31、　　如圖6所示。</b></p><p>　　圖6 慢充電路原理圖</p><p>　　LED給晶體管發(fā)射結(jié)提供約為2V的直流穩(wěn)定電壓。在利用Re的電流負(fù)反饋?zhàn)饔檬辜姌O電流Io1保持恒定。充電電流Io1由式(13)決定</p><p>　　Io1=Ic≈Ie=(VD－Vbc)/Rc (13)</p>&l

32、t;p>　　元件參數(shù)的計(jì)算如下：</p><p>　　1 晶體管Icmax = Io1;Vcemax ≈Vo’－3; Pomax = Icmax Vcemax，所選用晶體管的參數(shù)Icm Vceo Pcm應(yīng)大于上述計(jì)算值。</p><p>　　2 LED用紅色發(fā)光二極管，工作電壓VD ≈ 2V，可兼做過流報(bào)警指示燈用，</p><p>　　3 二極管

33、VD可用普通二極管，正向額定電流應(yīng)大于Io1.</p><p>　　4 電阻 Re =(Vd－Vbc)/Io1;PRc = I2o1Rc</p><p>　　Rb=(Vo’－VD)/(ID+Ib);PRb = I2RBRb</p><p>　　式中，ID為LED的工作電流，在5～10mA間取值。Ib為晶體管基極電流，Ib=Io1/β(β

34、的取值在50～100之間)。</p><p><b>　　3.3.2快充電路</b></p><p><b>　　如圖7所示，</b></p><p>　　圖7 快充電路原理圖</p><p>　　由于快充時(shí)，充電電流I較大，因此晶體管管耗也變大，為降低管耗，可在集電極回路上增加一個(gè)降壓電阻R，此

35、時(shí)Vce=V’o－3－Vd－Io2(Re+R)減小，管耗也隨之減小，其中RcRb的計(jì)算與慢充電路相同。</p><p>　　降壓電阻R的計(jì)算方法：首先，根據(jù)所選晶體管的Pcmax和充電電流Io2確定Vce，即Vce<Pcmax/Io2，且Vce>1V，其次，選定Vce后，由式(14)計(jì)算R,</p><p>　　R=(V’o－3－Vce－0.7)/Io1－Re

36、 (14)</p><p>　　3.4.整流濾波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　整流濾波電路部分的設(shè)計(jì)采用橋式整流、電容濾波電路，如圖8所示。</p><p>　　圖8 整流濾波電路</p><p>　　3.4.1 確定整流電路的輸出電流I</p><p>　　整流輸出電路如圖9所示。</p>

37、<p>　　圖9 整流輸出電路</p><p>　　當(dāng)穩(wěn)壓電源和充電電源同時(shí)工作時(shí)，</p><p>　　I’o=Io+(I1+I2+I3)+I4≈(1.1～1.2)Io+(Io1+Io2)</p><p>　　式中，(I1+I2+I3)的取值范圍是(0.1～0.2)，IoIo1Io2為慢充和快充時(shí)的充電電流。</p><p>

38、;　　3.4.2 確定電源變壓器參數(shù)</p><p>　　1 次級(jí)線圈電壓V2=V’o/(1.1～1.2)</p><p>　　2 次級(jí)線圈電流I2(1.0～1.1)I’o</p><p>　　3 功率P=V2I2</p><p>　　3.4.3 確定整流二極管</p><p>　　1 額定整流電流Idm>0.5

39、I’o</p><p>　　2 最高反向工作電壓Vrm>V2</p><p>　　3.4.4 確定濾波電容</p><p>　　1 容量C1≥(3～5)T/2R1</p><p>　　式中，T=20ms(輸入交流電流的周期)，R1=V’o/I’o(整流濾波電路的負(fù)載)。</p><p>　　2 耐壓，V≈1.5V

40、’o和C1的容量耐壓均應(yīng)取標(biāo)稱值。</p><p>　　四 主要芯片的技術(shù)參數(shù)</p><p>　　9012是一種最常用的普通三極管。 </p><p>　　它是一種低電壓,大電流,小信號(hào)的PNP型硅三極管</p><p>　　·集電極電流Ic：Max -500mA </p><p>　　集電極-基極電壓V

41、cbo： -40V </p><p>　　工作溫度：-55℃ to +150℃ </p><p>　　和9013（NPN）相對(duì) </p><p><b>　　主要用途： </b></p><p><b>　　開關(guān)應(yīng)用 </b></p><p><b>　　射頻放大&

42、lt;/b></p><p>　　本電路主要元件有9013、8050、9012等，其參數(shù)為：</p><p>　　1、9013（NPN）：</p><p>　　VCBO=40V、VCEO=20V、VEBO=5V、IC=500mA、hfe=64~166</p><p>　　2、9012（PNP）：</p><p>

43、　　VCBO=40V、VCEO=25V、VEBO=5V、IC=500mA、hfe=64~300</p><p>　　3、8050(NPN)：</p><p>　　VCBO=30V、VCEO=25V、VEBO=6V、IC=1.5A、hfe=85~300</p><p><b>　　五 ．組裝與調(diào)試 </b></p><p>

44、;　　1 輸出電壓可調(diào)范圍的測量按圖接線輸入端接 220V 交流電壓，輸出端直流接萬用表或數(shù)字萬用表，調(diào)節(jié)電路中S1的位置，使其穩(wěn)壓值為最大和最小，測出對(duì)應(yīng)的輸出電壓 U 1 和 U2 。由于電源輸入為12v。則該穩(wěn)壓電源輸出電壓的可調(diào)范圍為 U1~ U 2=2.747V~4.765V 。</p><p>　　2 最大輸出電流的測量Io</p><p>　　穩(wěn)壓電源的輸入端接 22

45、0V 的直流A交流電壓，將穩(wěn)壓電源的輸出電壓調(diào)到 3V ，  然后在穩(wěn)壓電源的輸出端接電阻R4 ，用萬用表或數(shù)字萬用表測出對(duì)應(yīng)的 U O 。此時(shí)流經(jīng) 電阻R4 的電流就是 I Omax 。記下 I Omax。測得Iomax=550mA</p><p>　　3 紋波因數(shù) g 的測量</p><p>　　用晶體管毫伏表測量電源輸出端的交流電壓分量的有效值，用萬用表（或數(shù)字萬用表）

46、的直流檔測量電源輸出端的直流電壓分量，就可算出電源的紋波因數(shù)。</p><p>　　測得：g=0.08mV。</p><p>　　4 輸出電阻RO的測量 </p><p>　　輸出電阻RO定義為：當(dāng)輸入電壓和溫度不變時(shí)，因RL變化，導(dǎo)致負(fù)載電流變化了△IO，相應(yīng)的輸出電壓變化了△UO，兩者比值的絕對(duì)值稱為輸出電阻RO，即 △UI=0 △T=0 </

47、p><p><b>　　?實(shí)驗(yàn)設(shè)備及元器件</b></p><p>　　1.萬用表 ……………………………………一臺(tái)</p><p>　　2.示波器 …………………………………… 一臺(tái)</p><p>　　3.交流毫伏表…………………………………一臺(tái) </p><p>　　4.負(fù)載滑線變阻器 …………

48、………………一個(gè)</p><p><b>　　?測試數(shù)據(jù)</b></p><p>　　最大輸出電流Iomax=550mA</p><p>　　紋波因數(shù)g=0.08mV</p><p>　　快慢充電壓V=4.6V </p><p>　　快充最大電流Imax=45mA </p>&

49、lt;p>　　慢充最大電流Imax=42.1mA</p><p><b>　　?結(jié)果分析</b></p><p>　　通過測量供電部分輸出電流為550mA 紋波系數(shù)為0.08mV已達(dá)到設(shè)計(jì)要求；充電部分由于三極管由8550換為9012，放大倍數(shù)相應(yīng)改變導(dǎo)致輸出電壓電流發(fā)生改變其快慢充電流差值較小，已起不到快沖和慢充的作用。</p><p>

50、;<b>　　?注意事項(xiàng)</b></p><p>　　1．制作PCB版時(shí)要確保焊盤的大小合適，即有利于點(diǎn)焊有不占據(jù)太多的位置。 </p><p>　　2．焊接時(shí)要對(duì)各個(gè)功能模塊電路進(jìn)行單個(gè)測試，需要時(shí)可設(shè)計(jì)一些臨時(shí)電路用于調(diào)試。</p><p>　　3．測試電路時(shí)，必須要保證焊接正確，才能打開電源，以防元器件燒壞。</p><

51、;p>　　4. 按照原理圖焊接時(shí)必須要保證可靠接地。</p><p><b>　　六 設(shè)計(jì)與總結(jié) </b></p><p>　　特點(diǎn)：在穩(wěn)壓電源中，負(fù)載電流Ifz 要流過調(diào)整管，輸出大電流的電源必須使用大功率的調(diào)整管，這就要求有足夠大的電流供給調(diào)整管的基極，而比較放大電路供不出所需要的大電流，另一方面，調(diào)整管需要有較高的電流放大倍數(shù)，才能有效地提高穩(wěn)壓性能，但是

52、大功率管一般電流放大倍數(shù)都不高。解決這些矛盾的辦法，是給原有的調(diào)整管再配上一個(gè)或幾個(gè)“助手”，組成復(fù)合管。本電路就是通過復(fù)合管來放大電流以達(dá)到目的的，同時(shí)本電路還具有過流和限流保護(hù)的作用滿足一般電源的基本要求。</p><p><b>　　?存在問題：</b></p><p>　　本電路雖有一系列保護(hù)功能，但是在發(fā)生短路是盡管有保護(hù)電路但是8550還是有較高的發(fā)熱容易

53、損壞，同時(shí)充電電路部分由于換用了9012三極管導(dǎo)致快充與慢充電路的差異不是很大未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。另外，本電路設(shè)計(jì)時(shí)電阻的大小是固定值，由于各方面的因素，會(huì)導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地調(diào)試出實(shí)驗(yàn)要求的結(jié)果。</p><p>　　?功能擴(kuò)展方案（僅作理論討論） </p><p>　　本電路可更改為輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源，即在S1處電阻改為可調(diào)電阻即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的作用。進(jìn)一步則可擴(kuò)展為可調(diào)正負(fù)電源。&l

54、t;/p><p><b>　　?總 結(jié)</b></p><p>　　在課設(shè)中,是一個(gè)學(xué)以至用的過程。</p><p>　　在開始,不知道如何畫電路圖,以為只要畫出原理圖即可,后來通過學(xué)習(xí),知道了封裝、PCB制版以及元件的自定義設(shè)計(jì)。特別是老師教我們自己建自己的元件庫和封裝庫，這樣既方便又實(shí)用。在布線階段，焊盤的大小和導(dǎo)線的粗細(xì)都會(huì)影響板的質(zhì)量。&

55、lt;/p><p>　　在領(lǐng)元件的過程中，認(rèn)識(shí)了三極管、二極管，它們的管腳。制版過程中，了解到一塊版要經(jīng)過打磨、預(yù)熱、印圖、腐蝕、打孔等過程。</p><p>　　在元件焊接的過程中，自己確實(shí)體會(huì)到了點(diǎn)焊錫不是一件容易的事情，焊錫不可以過多也不可以過少，這個(gè)度很難掌握，焊好后還要修復(fù)美化。</p><p><b>　　七．參考文獻(xiàn)</b></

56、p><p>　　·周志敏 等． 線性集成穩(wěn)壓電源實(shí)用電路【M】 北京：中國電力出版社．2006</p><p>　　·黃繼昌 等． 電源專用集成電路及其應(yīng)用【M】 北京：人民郵電出版社．2006</p><p>　　·趙淑范 王憲偉． 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)【M】 北京：</p><p>　　華大學(xué)出版

57、社．2006</p><p>　　·康華光． 電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分） 【M】 北京： 高等教育出版社．2006</p><p><b>　　八 ．致謝</b></p><p>　　將近兩個(gè)星期課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束了，感謝大家兩星期的共同努力和合作。在本課題的設(shè)計(jì)過程中得到吳偉、陳兵芽、金信鴻等老師的指導(dǎo)，引導(dǎo)我們開拓思路完成課題的