实验一 9V稳压电源电路实验

一、实验目的

1. 掌握电路绘制软件的基本使用方法（找元件、建元件、连线、画PCB板）。

2. 掌握基于线性集成稳压芯片的稳压电源设计方法。

二、实验内容及结果

1. 实验内容

基于“外部旁路晶体管扩流”原理，以线性集成稳压芯片为核心，设计一能够输出大电流的直流稳压电路。输出电压为9V，负载电阻为3Ω。

实验具体要求如下：

（1）确定电路形式，说明晶体管扩流的原理。

（2）查阅选择的集成稳压芯片和扩流晶体管数据手册，记录集成稳压芯片的最大输出电流，说明扩流晶体管的额定功率选择依据。

（3）确定电路其它元件参数。

（4）绘制原理图和PCB板图。

2. 实验结果

（1）在下方贴出所设计电路的原理图（确定电路中所有器件的型号和参数）

（2）在下方贴出所设计电路的PCB板图

（3）结合所设计的电路图说明该电路的工作原理及晶体管的扩流原理。（具体包括如何实现稳压、如何实现大电流输出）

设计的电路组成为：变压器变压电路、桥式整流电路、电容滤波电路、以LM317稳压芯片为核心的稳压电路、三极管扩流电路。

220V、50Hz交流电经过变压器变压到一定大小，由于二极管的单向导电性，在经过四个二极管组成的桥式整流电路后得到直流电，后利用电容充放电的特性实现对电流的滤波使得电压相对稳定。再经过以线性稳压芯片为核心的稳压电路实现电压稳定输出。根据要求，需要利用三极管的扩流作用来提高输出电流。具体的连接方式在上述原理图中。

要达到目的要求，需要选取合适的元器件，对于元器件的参数，需要从负载电阻的电压入手，具体分析如下所示。

电路的最终要求提供的电压是9V，由于稳压芯片输入端和输出端具有2~3V的压差，所以给稳压芯片输入端的电压至少是11~12V。由于R3的分压作用（PNP管be间电压，一般硅管理论考虑为0.7V），因此变压整流滤波电路需要提供的电压至少应该在12~13V（这里取整，由于稳压芯片的输入输出特性，影响可不计）。

设变压器输出端的电压为U2，整流滤波后的电压为U3=13V。由相关公式可知U3=√2U2（1-T/4RC）。由于最后的负载电阻大小为3欧姆，电压为9V，因此负载电阻电流大小为3A。因此，可以判断滤波后输出的电流大小可取为3A，把滤波电路后面的电路部分看成一个整体，理解为滤波电路的负载。这个负载两端的电压是U3=13V，电流大小为3A，等效电阻大小为13/3欧姆。滤波电路的负载和电容大小关系一般要满足RC=（3~5）T/2的关系，其中T为整流后的周期1/100s，R就是13/3欧姆，可以求出滤波电路的电容大小范围的取值应该在3462~5769uF之间。设计的电路中选择的电容大小为5000uF，即C1=5000uF。接下来求需要的变压器线圈比值。前面提到U3=√2U2（1-T/4RC），将先关数据代入可得U2≈11V。这样就知道了变压器线圈比值为20:1，设计电路中选择的是40:2的线圈比。

下面考虑为使扩流三极管工做在线性区域的分压电阻R3，R3两端的电压大小理论为0.7V，流经该电阻的电流大小为IR3=0.7/R，如果忽略扩流三极管基极电流，那么流经稳压芯片输入端和输出端的电流大小可以认为和R3的电流大小相等。考虑到稳压芯片的最大输出电流为1.5A，最小电流为3.5~10mA。因此该电阻的大小也是有一个取值范围的，这个取值范围约为0.46~70Ω，设计的电路中的取值为10Ω，即R3=10Ω。

对于以稳压芯片为核心的线性稳压电路相关分析如下：由相关手册可获取需要的典型电路，连接好相关器件。根据公式Uo=1.25(1+R2/R1)，我们只需要调整好其中电阻R2、R1的比值大小就可以得到我们需要的电压值。其中R1的取值通常为240Ω，那么要得到9V电压就要使R2大小为1488Ω。而对于其它相关的元器件的作用和取值大小如下所示：C2：输入电容，防止自激，稳压器与电源滤波器间导线的电感效应，一般取0.1uF。C3：滤波器，改善瞬态响应，减小输出纹波，一般取10uF。C4：输出电容，线性滤波，减小阻尼振荡和改善瞬态特性，可取1uF。二极管D5、D6：为C3、C4提供放电通路，防止稳压器承受反向电压，保护稳压器。

还有就是扩流三极管的选择要求，因为我们最终负载的电流大小是3A，但是稳压芯片的最大输出电流只有1.5A，因此，要求扩流三极管的集电极的最小能够输出1.5A的电流。设计的电路中选择的分压电阻R3的大小是10Ω，忽略扩流三极管的基极电流，那么可以认为稳压芯片的输出端的电流和流经电阻R3的电流大小相等，即为IOUT=0.7/10=0.07A=70mA，那么可以认为我们最终负载的电流基本上都来自扩流三极管，这样我们选择扩流三极管的时候要保证扩流三极管集电极要能够输出3A的电流。如果选择集电极最大输出电流相对较小的扩流三极管，那么我们需要提高稳压芯片输出电流的大小，方法是减小分压电阻R3。IR3=0.7/R3，IR3≈IOUT，10mA< IOUT<1.5A, 集电极电流IC=3A-IOUT。可以根据这几个式子计算需要的分压电阻R3和三极管参数。

（4）给出所选稳压芯片的最大输出电流参数，根据题目要求，列出扩流晶体管额定功率的计算过程。