【導(dǎo)讀】直流線性穩(wěn)壓電源概述····························································3. 引起電源輸出不穩(wěn)定的因素························&#18

　　

【正文】 時(shí)，因發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)是一定的， bI 不再明顯減小，測(cè)出的許多條特性曲線均重合，因此有 VVce 1? 的一條特性曲線就可以了。 當(dāng)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均加反壓時(shí)， cboI 和 eboI 都從基極 b 流出，反壓大到一定值時(shí)，發(fā)射結(jié)發(fā)生齊納擊穿， ebobrU )( 為擊穿電壓。使用 時(shí)應(yīng)避免擊穿。 在輸出回路中 cI 與 ceU 的關(guān)系可以用如下的函數(shù)關(guān)系式來(lái)表述。 cI =f（ ceU ） |bI =常數(shù) 式中 bI 是參變量，取不同的值時(shí)，可以得到一族曲線。其輸出特性如圖所示。分三種情況來(lái)說(shuō)明： （ 1） 飽和區(qū) 在圖 18 中的左邊部分，稱為飽和區(qū)。當(dāng) VVce 0? 時(shí)，相當(dāng) c 和 e 短接，兩個(gè)PN結(jié)均加正向電壓，發(fā)射區(qū)、集電區(qū)均發(fā)射電子，方向相反，故 VIc 0? .當(dāng) ＞ ceV ＞ 0V 時(shí)， cI 隨 ceU 增大而增大 (Ice 急劇上升 )。構(gòu)成對(duì)應(yīng)不同 bI 值的多條輸出特性曲線的起 始部分。這樣，三極管工作在飽和區(qū) (也稱飽和狀態(tài) )時(shí)， bI 與 cI 不成比例關(guān)系，不具有放大作用。使三極管工作在飽和狀態(tài)時(shí)的條件是：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)也正偏。此時(shí)發(fā)射結(jié)壓降 beU =(典型值 )，而飽和壓降 ceU =。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 ____________________________________________________________________________________________________ 21 （ 2） 放大區(qū) 可知，曲線族中間部分比較水平， ceU 在一定范圍內(nèi)增加， cI 幾乎不增加。而bI 增加時(shí)使 cI 成比例的增大，這就體現(xiàn)了 bI 變化控制 cI 變化的電流放大作用。這個(gè)區(qū)域稱為“放大區(qū)”，也稱線性區(qū)。三極管工作在放大區(qū)時(shí)稱為“放大狀態(tài)”。使三極管工作在放大狀態(tài)的條件是：發(fā)射結(jié)“正偏”、集電結(jié)“反偏”。此時(shí)發(fā)射結(jié)壓降 ?beU (典型值 )。 （ 3） 截止區(qū) bI =0V 的曲線以下 部分稱為截止區(qū)。 bI =0V 時(shí)，相當(dāng) c和 e開路，此時(shí)， cI ≈ceoI .當(dāng) cI ＜ ceoI 時(shí)，三極管未開啟（不工作）。使三極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的條件是：發(fā)射結(jié)反偏、集電結(jié)反偏。此時(shí)， bI =0V， ?beU ＜ 0V。在模擬電路中，三極管工作在放 大狀態(tài)，在數(shù)字電路中工作在開關(guān)狀態(tài) (不是截止就是飽和 )， （ 4） 擊穿區(qū) 在右上部分為擊穿區(qū)。 Ib＝ 0 所對(duì)應(yīng)的曲線上擊穿點(diǎn)電壓 U（ br） ebo 是基極開路時(shí)的集一射極擊穿電壓，輸出特性曲線上的擊穿都是集電結(jié)雪崩擊穿。三極管不允許工作在擊穿區(qū)。 反向擊穿電壓 (1)指集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)允許加的最高反向電壓。使用時(shí)要求 一般平面管為幾伏，有的不到 1V。 (2)指發(fā)射極開路時(shí)集電極與基極間允許加的最高反向電壓。一般為幾十伏到上千伏 (3)調(diào)整管 VT1 的計(jì)算與選擇 根據(jù)任務(wù)書上的要求 ,輸出在 0V～ 25V 之間 ,那么當(dāng) 輸出為 0V 時(shí) ,在調(diào)整管上的壓降就至少要有 25V,由于要使調(diào)整管工作在線性放大區(qū) ,就必須使當(dāng)輸出最大是能夠保證調(diào)整管有足夠的管壓降 ,根據(jù)前面的介紹知 ,至少應(yīng)該有 3～ 8V的管壓降 ,這里取 5V. 即 : 1ceoV ≥ 30V 因?yàn)?maxoI = 所以 ceoocm VIP *max? =30V*=1W 變壓器 ,整流管及濾波電容的技計(jì)算與選擇 由前面對(duì)調(diào)整管及放大管的計(jì)算與選擇可知 ,整流濾波之后的輸出電壓 Ui=30V,Ii≥ 21 cmcm II ? =200+10=據(jù)安全設(shè)計(jì)的原則 ,應(yīng)該流有一定的安全裕量 ,取 Ii=設(shè)計(jì)要求 ,得出如下計(jì)算 :Ui=Uo+5=30V,因?yàn)榻涣麟妷河?10%的波動(dòng) ,所以 Ui 也有10%的波動(dòng) . 即 Uim=30*(1+)=33V Uimin=30*()=27V 由橋式整流濾波電路分析可以知道： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 ____________________________________________________________________________________________________ 22 ID=I/2=300/2=150mA 由于帶負(fù)載時(shí)的直流輸出電壓為 Ui= 所以，變壓器次級(jí)線圈的有效值為 U2=Uo/=30/=25V 每個(gè)二極管承受的最大反相電壓為 U 反 =*25= 根據(jù) ID， U 反 的值，可選用二極管 2PC21（最大整流電流 300mA，最大反相工作電壓為 100V） 。 濾波電容的計(jì)算和選擇 ： 整流濾波電路中，最值得注意的是電解電容，使用不當(dāng)時(shí)，不僅會(huì)影響電源的直流特性，而且還有可能損壞。電容的耐壓值必須要超過脈動(dòng)電壓的峰值。因此要選在變壓器次級(jí)電壓 U2的 倍以上。還要明確一點(diǎn)是，通常所說(shuō)的變壓器的次級(jí)電壓 U2 是指額定電壓，如果電流減少或空載時(shí)，U2 會(huì)升高，這是因 為繞線電阻的電壓降減少的緣故。通常把由變壓器負(fù)載電流大小變化引起的變化比率稱為變動(dòng)率，用ε表示。設(shè)變壓器的次級(jí)額定電壓為 U2，電網(wǎng)電壓變化范圍是 177。 a%，則電容的耐壓值必須滿足： Uc≥ U2*（ 100+a） *+U2*ε UF 變壓器的次級(jí)線圈的電流有效值 在電容濾波電路中，變壓器次級(jí)除了供給負(fù)載電流外，還要向電容充電，其電流瞬時(shí)值很大。所以雖然通過變壓器次級(jí)線圈的電流平均制等于 Ii，但通過次級(jí)線圈的有效值 I2 比 Ii 大，一般是前者比后者大（ ～ 3）倍，現(xiàn)在取 倍，那么 I2=*300=450mA 在實(shí)際應(yīng)用中，由于一般整流管的內(nèi)阻很小，在接通的瞬間有很大的濾波電流通過二極管，容易造成損壞，因此常在整流回路中串入限流電阻。其取值一般為負(fù)載的 1/20～ 1/50。 二極管的簡(jiǎn)介如下： 半導(dǎo)體二極管由一個(gè) PN 結(jié)加上相應(yīng)的電極引線與管殼做成的。根據(jù)材料的不同有鍺，硅和砷花鎵二極管，二極管的 PN 結(jié)有點(diǎn)接觸，面接觸平面接觸型三種結(jié)構(gòu)，由于 PN結(jié)的面積很小，不能承受高的反向電壓和大電流，但極間電容小，適用與高頻信號(hào)檢波，脈沖電路或微小電流的整流。檢波二極管就屬于這一類，而面接觸型二極管 PN 結(jié)面積大 ，能夠承受較大的電流適用于整流，平面型用于開關(guān)，脈沖和超高頻電路。其主要的特性為單向?qū)щ娦裕诙O管兩端加上正電壓時(shí)，二極管呈現(xiàn)出的電阻很小，可以通過很大的電流，反之，在二極管兩端加上方向電壓時(shí)，呈現(xiàn)出很大的電阻，流過電流很小。其方程和伏安特性曲線如下：其主要參數(shù)如下： （ 1） 額定正向整流電流 If（平均值） 在規(guī)定的使用條件下，在阻性負(fù)載的正玄波半波整流中允許連續(xù)通過半導(dǎo)體整流二極管的最大工作電流。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 ____________________________________________________________________________________________________ 23 （ 2） 正向壓降 Vf（平均值）整流二極管通過額定整流電流時(shí)，在極間產(chǎn)生的壓降。 （ 3） 反向漏電流 Ib（平均值） 整流二極管在正旋半波最高反向工作電壓下的漏電流。 （ 4） 擊穿電壓 Vb（峰值）二極管反向?yàn)橛蔡匦詴r(shí)，起反向伏安特性就會(huì)急劇彎曲的電壓值。 （ 5） 額定結(jié)溫 Tm 在允許使用條件下的最高結(jié)溫穩(wěn)壓二極管實(shí)質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，正向?qū)〞r(shí)反向有很小的漏電流，可以認(rèn)為是開路，但當(dāng)反向電壓加大到一定值時(shí)，反向電流突然上升，此后電壓只要有少量的增加反向電流就會(huì)增加很多，稱之為擊穿，穩(wěn)壓二極管就是利用這個(gè)特性。其主要的參數(shù)如下： ① 穩(wěn)定電壓 Vz 在穩(wěn)壓范圍內(nèi)，通過規(guī)定的反向電流在極間產(chǎn)生的電壓降叫穩(wěn)定電壓。 ② 動(dòng)態(tài)電阻 Rz 在 測(cè)試電流下，穩(wěn)壓二極管的電壓微變量與電流微變量比值。內(nèi)阻越小越好，一般是幾十歐。 ③ 最大工作電流 Izm 在最大耗散功率下，允許通過的電流。 ④ 最大耗散功率 Pzm 在給定使用條件下，允許的最大功率。 串口通信模塊的設(shè)計(jì) 在這個(gè)模塊中是，經(jīng)過各種比較，選用了 EIA RS232 標(biāo)準(zhǔn)。由于 RS232的電平與 TTL電平不匹配，所以又選用了 MAX232 作為電平轉(zhuǎn)換器。 RS232 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信號(hào)的邏輯電平的規(guī)定，如表 61 所示。對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)：邏輯“ 1” （傳號(hào)）的電平低于 3V，邏輯“ 0”（空號(hào)）的電平高于 +3V；對(duì)于聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)：接通狀態(tài)（ ON）即信號(hào)有效（邏輯 1）的電平高于 +3V，斷開狀態(tài)（ OFF）即信號(hào)無(wú)效（邏輯 0）的電平低于 3V。即當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于 3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來(lái)，介于 3 到 +3V之間的電壓無(wú)意義，低于 15V或高于 +15V 的電壓也認(rèn)為無(wú)意義。因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在正負(fù) 5 到 15V之間。 EIA RS232 用正負(fù)電壓表示信號(hào)的邏輯狀態(tài)，與 TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同， RS232 不采用 TTL 邏輯（ 0 +5V）是為了提高抗干擾能力和增加傳輸距離。由于邏輯 1 和邏輯 0 用相反的電壓表示，使兩種狀態(tài)之間的電壓差較大，這就極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?EIA RS232 為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的 TTL 器件連接，必須在 EIA RS232 與 TTL 電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分離元件，也可用集成電路芯片轉(zhuǎn)換。目前使用較廣泛的是集成電路轉(zhuǎn)換器件，如 MC148 MC148 SN75150、 SN7515 MAX232等即為此類轉(zhuǎn)換器件，其中 MAX232 是一種新型的功能很強(qiáng)、當(dāng)前較為常用的芯片。 MAX232 芯片外部引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu) ： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 ____________________________________________________________________________________________________ 24 MAX232 芯 片可完成 TTL 與 EIA 雙向電平轉(zhuǎn)換，且內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，工作電壓 +5V 便可，克服了 MC1488/MC1489 需使用正負(fù) 15V 高壓電源不方便的缺點(diǎn)，使得 MAX232 芯片使用起來(lái)非常方便。 圖 9 MAX232封裝圖 和 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 在 C1+與 C1之間； C2+與 C2之間； V+與 VCC之間； GND 與 V之間全部接入電解電容 ，用以提高抗干擾能力。在 VCC與 GND 之間加上去耦電容 。從圖 9 知，一個(gè) MAX232 芯片可連接兩對(duì)收 /發(fā)線。 MAX232 把 TTL/CMOS 電平（ 05V）轉(zhuǎn)換成 RS232 的電平（ +10 10V），還能完成相反的轉(zhuǎn)換。具體設(shè)計(jì)：波特率為9600bps，工作在方式 1，所以有 SCON＝ 01H。 輔助電源模塊的設(shè)計(jì) 由于芯片需要的工作電壓不同，如 NA5532 需要 +12V。其他的芯片的工作電壓為 +5V，所以，自做的輔助電源的輸出要有三個(gè)檔 。這里選用 CW7805 三端固定集成芯片。 CW7805 輸出為 +5V。輸入電壓在 3～ 40V 。這種芯片是一種 常用的芯片，這里就不在做介紹了。根據(jù)所要得到的電壓，可作如下設(shè)計(jì) [3]。其原理圖 10。 根據(jù)推算可知： +5V 的電源提供的電流在 300mA 左右。 +12V 的電源提供的電流只有十幾毫安。所以選用 12V穩(wěn)壓二極管 即可。由數(shù)據(jù)手冊(cè)知：前者輸出電流是 500mA，后者是 20mA。 T1T R A N S 5D14 0 0 7D24 0 0 7D34 0 0 7D44 0 0 7C11 0 0 0 u F /2 5 VC21 0 0 0 u F /2 5 VG N D G N DD512VC4104C3104R1200R2200D612VV D DV S S+ 1 2 V 1 2 VC51 0 0 u F /2 5 VC61 0 0 u F /2 5 VC7104C810412J1P O W E R 圖 10輔助電源的原理圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 ____________________________________________________________________________________________________ 25 電容 C1， C2是為了改善集成穩(wěn)壓器輸出的瞬時(shí)性能。一般要求為 1UF 的瓷片電容即可滿足要求。穩(wěn)壓二極管是為了產(chǎn)生 +12V的電壓以提供給。同時(shí)也可以 提高 U1 的輸出電壓。使之能夠給 NE5532 提供 +12V 的工作電壓。 R1 R2 是為提供NE5532 的工作電壓 。電容 C1 是濾波的。 對(duì)于穩(wěn)壓二極管來(lái)說(shuō)， 可以選用 05Z15Y，其主要參數(shù)為： 表 2 05Z15Y的參數(shù) 型號(hào) 穩(wěn)定電壓（ V） 功耗（ mW） 最大動(dòng)態(tài)電阻Ω 最大測(cè)試電流 mA 05Z15Y 15 500 35 20 可以得知 R=15V/（ ） mA=1K VIP R 15*? =15mA*15V=225mW。 故選用 1K/300mW 的限流電阻即可滿足要求。 濾波電容及整流管和變壓器的計(jì)算和選擇如下： 由于 CW7815 的輸出電壓有 30V。那么它的輸入端就應(yīng)該至少有 35V。整流濾波之后的輸出電壓 Ui=35V, Ruui IIII ??? 21 Ii=300+40+15=原則 ,應(yīng)該流有一定的安全裕量 ,取 Ii= ,得出如下計(jì)算 : Ui=Uo+5=35V,因?yàn)榻涣麟妷河?10%的波動(dòng) ,所以 Ui 也 10%的波動(dòng) 。 即 Uim=35*(1+)= Uimin=35*()= 由橋式整流濾波電路分析可以知道： ID=I/2=400/2=200mA 由于帶負(fù)載時(shí)的直流輸出電壓為 ： Ui= 所以，變壓器次級(jí)線圈的有效值為 ： U2=Uo/=35/= 每個(gè)二極管承受的最大反相電壓為 U 反 =*= 根據(jù) ID ， U 反 的值，可選用二極管 2CZ54A（最大整流電流 500mA，最大反相工作電壓為 300V） 濾波電容的計(jì)算和選擇 在整流濾波電路中，最值得注意的是電解電容使用不當(dāng)時(shí)，不僅會(huì)影響電源的直流特性，而且還有可能損壞。電容的耐壓值必須要超過脈動(dòng)電壓的峰值。因此要選在變壓器次級(jí)電壓 U2 的 倍以上。還要明確一點(diǎn)是，通常所說(shuō)的變壓 器的次級(jí)電壓 U2 是指額定電壓，如果電流減少或空載時(shí)，U2 會(huì)升高，這是因?yàn)槔@線電阻的電壓降減少的緣故。通常把由變壓器負(fù)載電流大桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 ____________________________________________________________________________________________________ 26 小變化引起的變化比率稱為變動(dòng)率，用ε表示。設(shè)變壓器的次級(jí)額定電壓為 U2，電網(wǎng)電壓變化范圍是 a%，則電容的耐壓值必須滿足： Uc≥ U2*（ 100+a） *+U2*ε UF 式中， UF 為整流二極管的正相壓降，一般按 。變壓器的額定功率 ： P=U2*Io=*= 所以變動(dòng)率為 17%。 Uc=**+*25%= 由工程估算法知選用 1000UF 的電解電容即可 。 所以電容選用耐壓在 60V 以上的即可。變壓器為 30V/12W 變壓器的變動(dòng)率ε隨變壓器的容量大小而變，其數(shù)值如表所示。至此，所有的硬件電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，綜合各個(gè)模塊可以得出總體電路的 表 3變壓器容量和變動(dòng)率 容量 W 變動(dòng)率（％） 容量 W 變動(dòng)率（％） 10 35 70 12 15 25 100 30 17 200 7 50 15 300 6 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 ____________________________________________________________________________________________________ 27 3． 1． 4總電路圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 ____________________________________________________________________________________________________ 28 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 ____________________________________________________________________________________________________ 29 圖 11 單片機(jī)穩(wěn)壓電源電路原理圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 __