EWB稳压电源设计报告

稳压电源设计论文
摘要
本文介绍了串联型晶体管稳压电源的设计方法，具备有有可调性、稳定性和限流保护功能。

主要设计部分包括：变压、整流、滤波、调整电路、取样电路、比较放大电路、基准电路和保护电路环节。

基本实现了作为一个稳压电源的要求。

设计过程中利用了EWB进行仿真。

一．直流稳压电源基本原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

1.2.1变压环节
由于直流电压源输入电压为220V电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值远小于电网电压，因此需通过电源变压器降压后，再对小幅交流电压进行处理。

变压器的电压比及副边电压有效值取决于电路设计和实际需要。

1.1变压和整流环节
方案一：单相半波整流电路：单相半波整流简单，使用器件少，它只对交流电的一半波形整流，只要横轴上面的半波或者只要下面的半波。

但由于只利用了交流电的一半波形，所以整流效率不高，而且整流电压的脉动较大，无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，V o=0.45Vi，变压器的利用率低。

方案二：单相全波整流电路：使用的整流器件较半波整流时多一倍，整流电压脉动较小，比半波整流小一半。

无滤波电路时的输出电压Vo=0.9Vi，变压器的利用率比半波整流时高。

变压器二次绕组需中心抽头。

整流器件所承受的反向电压较高。

方案三：单相桥式整流电路：使用的整流器件较全波整流时多一倍，整流电压
脉动与全波整流相同，每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。

综合3种方案的优缺点:决定选用方案三。

变压器变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如上图所画。

可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放电，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。

应当指出，图中整流电路输出端所画波形是未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。

本设计采用单相桥式整流电路，这种整流电路克服了单项半波整流电路输出电压低，交流分量大（即脉冲大），效率低等缺点。

1.2滤波环节
为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。

对于稳定性不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。

本设计采用LC滤波电路，这种电路具有较强适应性，带负载能力较强。

二
极管的导通角 较大，整流管的冲击电流较小。

1.3稳压环节
虽然整流滤波电路能将交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输入电压平均值取决于变压器副边电压的有效值，所以电网电压波动时，输出电压平均值也随之产生；另一方面，由于整流电路内阻存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生变化。

因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。

为了获得稳定性好的直流电压，必须采用稳压措施。

二．电路框图
串联型稳压电路一般框图如图５－１所示：
图５－１
三．电路设计全过程描述（利用EWB进行仿真以及调试）
１．变压、整流和滤波电路
我国市电电压为220V，频率为50Hz，为了保证后面可调范围为6~12V还有使调整元件提到调整作用，则保证其压降>5V，则Vi必须大于17V，所以选择变压器的初次级线圈的匝数比为10：1为宜，根据EWB中提供的变压器，我选中了型号为pq4-10的变压器，其初次级线圈匝数比为11.5。

整流电路经理论知识得知用桥式整流电路，并适当的选择桥堆元件，本实验选择桥堆的型号为BYM10-1000，其每个二极管的压降为0.75V。

因为市电频率是50Hz为低频电路，所滤波电路选择RC电路就可保证滤波效果不错。

本实验选择的电容为大电容：2200μF（但也不能去太大，不然等待电路稳定的时间将很长，不利于调试）。

２．调整元件
作为一个理想的电源，其内阻应该尽量小才能保证具有稳压的效果，根据晶体管放大器的知识可知：共集电极电路的输出阻抗最小。

所以选择共集电极电路来实现，且尽量选择β值较大的晶体管，但是后来会发现并不是如此的！具体原因下面再作详细介绍。

由于电流和功耗等的影响，所以最好采用复合管来实现该要求。

本实验该电路选择的晶体管型号为FCX649。

３．取样电路
这部分由两个电阻和电位器来实现，通过调整电位器的使输出电压的可调范围从6V到12Ｖ。

各电阻的阻值计算过程为：
①先确定电位器的阻值Rw=1K（不能太大，不然就会影响带载能力）
②在算R1与R2的阻值：
６/(R3+Rw+R4)=(Vz+Vbe(on))/(R4+Rw)
12/(R3+Rw+R4)=(Vz+Vbe(on))/R4
其中Vz为下面所介绍的稳压管的电压即基准电压，Vbe(on)为所选晶体管的B-E间
的导通电压。

４．比较放大电路和基准电压Vz
比较放大电路部分采用晶体管的放大性来实现，当在6~12V的调整过程中应该使晶体管处于放大的工作状态，采点的电压要大于Vz+Vbe(on)，这样才能使晶体管导通，才能有可能使晶体管设计处于放大状态，这个过程当中也可以调整R1 和R2 来实现放大状态，所
以选择常用的晶体管型号为MRF9011，并将R1 和R2调到２KΩ和3.6KΩ以满足此要求。

基准电压的实现来自于稳压二极管的选择，本设计的稳压二极管的电压为Vz=4.686V，本来设计使用的是Vz=5.1V，但是实际生产的元件当中并没有完全符合的稳压管，虽然有philips有5V1的这种型号，但在调试过程中并不能符合该电路其他参数的要求。

当在调Rw 使输出电压为９V时，偏离９V过于严重，所以后来就将稳压管的电压定为4.7V，经过选择后，型号为BZV60-B4V7的稳压管被幸运选中，该稳压管的最小工作电流为1.81A，故选取为稳压管能正常工作的电阻R8=360Ω。

５．保护电路
主要是利用晶体管的开关特性来实现的。

当电路正常工作时，应该使该晶体管处于截止状态，当输出的电流过大，以及出现短路等破坏性接法时，使该晶体管处于饱和状态，使输出电压立即下降，以免使调整电路中的晶体管承载不了太大的电流而使之烧坏。

该晶体管的选择也应使它的β较大，并且其基极的电流要较小，所以选择电阻R10=910Ω，其中R9的选择的依据为：
R9的选择应保证在最大输出电流Iomax=2A时，该晶体管处于截止的工作状态，所以R9 *Iomax<0.5V，根据标称阻值系列E24的要求，选择R9=0.24Ω。

６．负载
根据本实验的要求：当输出的电压V o=9V时，最小的负载应为R L=4.5Ω
四．本设计电路图
五．测试结果
１．输出电压：
当RL空载时，Vo=5.964~11.98V
２．最大允许输出电流Iomax
当输出电压稳定在V o=9V时，最大允许输出电流Iomax=2.001A（V o=9.007V，此时负载最小，RL=4.5Ω）
３．输出电阻Ro：（空载时输出电压为Vo=9.007V）
当RL=100Ω时
V o=8.999V，Io=89.99mA
当RL=50Ω时
V o=8.995V，Io=179.9mA
∴根据公式Ro=ΔV o/ΔIo（其中ΔV o为两次不同RL的电压差，ΔIo为两次的输出电流之差），经计算可得Ro=0.044Ω。

4．稳压系数S(此处令Vi=220V)
输入电压Vi的变化范围是10%时测量得：
RL=50Ω，调节可变电阻使V o=9V(实际V o=8.995V)
当Vi1=242V时V o1=9.011V；
当Vi2=198V时V o2=8.978V；
S=(ΔV o/V o)/(ΔVi/Vi)=((Vo1-V o2)/V o)/((Vi1-Vi2)/Vi)=0.018
5．纹波系数
当输出电压为9.006V，输出电流为2.001A 时，由示波器测得交流电压小于1.3mV
6. 输出的短路电流
当输出电压为9V时，将输出短路，由电流表测得Io=2.507A。

六．设计心得
本实验难度较大，因为老师之前就没有介绍过稳压电路，所以要对该电路的各个功能均要有全面的掌握才能设计出各电路，还有各功能块的参数。

而且这个实验花了我很多的时间。

其中输出的短路电流还是不能满足要求。

请老师指导，并帮我提出建设性意见。