簡易直流穩(wěn)壓電源電工課程設計

1、<p>　　電 子 技 術 課 程 設 計</p><p><b>　　簡易直流穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　專 業(yè) ：車輛工程</p><p><b>　　班 級 ： </b></p><p><b>　　姓 名 ： </b></p&

2、gt;<p><b>　　指導教師 ： </b></p><p>　　日 期 ：2012年6月1日</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　當今社會人們極大的享受著電子設備帶來的便利，但是任何電子設備都有一個共同的電路--電源電路。大到超級計算機、小到袖珍計算器，所有的電子設備都必

3、須在電源電路的支持下才能正常工作。當然這些電源電路的樣式、復雜程度千差萬別。超級計算機的電源電路本身就是一套復雜的電源系統(tǒng)。通過這套電源系統(tǒng)，超級計算機各部分都能夠得到持續(xù)穩(wěn)定、符合各種復雜規(guī)范的電源供應。袖珍計算器則是簡單多的電池電源電路。不過你可不要小看了這個電池電源電路，比較新型的電路完全具備電池能量提醒、掉電保護等高級功能?？梢哉f電源電路是一切電子設備的基礎，沒有電源電路就不會有如此種類繁多的電子設備。由于電子技術的特性，電子設

4、備對電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源在電源技術中占有十分重要的地位。直流穩(wěn)壓電源，能為負載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當交流供電電源的電壓或負載電阻變化時，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會保持穩(wěn)定。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對</p>

5、<p><b>　　一、技術指標</b></p><p><b>　　質量指標：</b></p><p>　?。?）電壓調整率SV </p><p>　　電壓調整率是表征直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標，又稱為穩(wěn)壓系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù)，它表征當輸入電壓VI變化時直流穩(wěn)壓電源輸出電壓VO穩(wěn)定的程度，通常以單位輸出電

6、壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比表示。 </p><p>　　（2）電流調整率SI </p><p>　　電流調整率是反映直流穩(wěn)壓電源負載能力的一項主要自指標，又稱為電流穩(wěn)定系數(shù)。它表征當輸入電壓不變時，直流穩(wěn)壓電源對由于負載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力，在規(guī)定的負載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流穩(wěn)壓電源的電流調整率。

7、 </p><p>　?。?）紋波抑制比SR </p><p>　　紋波抑制比反映了直流穩(wěn)壓電源對輸入端引入的市電電壓的抑制能力，當直流穩(wěn)壓電源輸入和輸出條 件保持不變時，紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰－峰值與輸出紋波電壓峰－峰值之比表示，一般用分貝數(shù)表示，但是有時也可以用百分數(shù)表示，或直接用兩者的比值表示。 </p><p>　　（4）溫度穩(wěn)定性K </p&g

8、t;<p>　　集成直流穩(wěn)壓電源的溫度穩(wěn)定性是以在所規(guī)定的直流穩(wěn)壓電源工作溫度Ti最大變化范圍內(nèi)（Tmin≤Ti≤Tmax）直流穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化的百分比值。 </p><p><b>　　極限指標：</b></p><p>　　（1）最大輸入電壓 </p><p>　　是保證直流穩(wěn)壓電源安全工作的最大輸入電壓。 <

9、/p><p>　　（2）最大輸出電流 </p><p>　　是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。 </p><p>　　二、本設計報告主要技術指標與要求</p><p>　　（1）輸出直流電壓UO=12V，且連續(xù)可調，調節(jié)范圍±2V；</p><p>　　（2）最大輸出電流ILM≤200mA；</p&

10、gt;<p>　　（3）穩(wěn)壓系數(shù)Sr<10%；</p><p>　?。?）具有過流保護功能。</p><p><b>　　三、設計思路</b></p><p><b>　　1．1整體電路：</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路、及穩(wěn)壓電路組成，其

11、基本原理框圖如下圖（圖1.1）所示。</p><p>　?。?）首先選用合適的電源變壓器將電網(wǎng)電壓降到所需要的交流電源。</p><p>　?。?）降壓后的交流電壓，通過整流電路整流變成單項脈動直流電壓。直流脈動電壓經(jīng)過濾波電路變成平滑的、脈動小的直流電壓，即濾除交流成分，保留直流成分，濾波電路一般有電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。</

12、p><p>　?。?）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的作用適當外界因素（電網(wǎng)電壓、負載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能是輸出直流電壓不受影響而維持穩(wěn)定的輸出。</p><p>　　圖1.1直流穩(wěn)壓電源基本原理框圖</p><p>　　1.2總體方案的設計</p><p>　　該系統(tǒng)總體方案設計主要在可調電壓輸出部分，其要求是輸出電壓從0V開始連續(xù)可調。由于時間、個

13、人能力有限，固根據(jù)數(shù)字電子技術與模擬電子技術所學知識，設計出如下簡單，方便，易懂的設計方案。首先將220V交流電壓，通過變壓器，降低電壓值。然后交流電壓經(jīng)過整流濾波后,得到平滑的直流電壓,作為穩(wěn)壓電路的輸入電源從UI輸入。由于平穩(wěn)后的直流電壓達不到所需12V直流電壓，通過運用了比較放大電路,將電壓放大，通過計算，將其放大至所需值。它的核心是調整管,輸出電壓的穩(wěn)定是管的壓降相應改變,使輸出電壓保持穩(wěn)定。</p><p&

14、gt;<b>　　四、方案選擇與論證</b></p><p>　　方案一: 三端穩(wěn)壓電源</p><p>　　采用可調三端穩(wěn)壓電源構成直流可調電源的電路如圖1.1所示。怎樣實現(xiàn)數(shù)控呢？我們把圖1.1中的可變電阻RP用數(shù)字電位器來代替，就能實現(xiàn)數(shù)控了。但由于三端穩(wěn)壓芯片LM317和LM337的輸出電壓不能從0V起調，輸出公式：Vout=1.25×(1+R2/

15、R1) (1.1)</p><p>　　所以，可以采用在輸出的地方加兩個二級管，利用PN節(jié)的固有電壓來實現(xiàn)從0V起調，如圖1.2所示。</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p><b>　　圖1-2</b></p&g

16、t;<p>　　優(yōu)點：該方案結構簡單，使用方便，干擾和噪音小</p><p>　　缺點：數(shù)字電位器誤差較大，控制精度不夠高，誤差電壓較大。同時更重要的是幾乎所有的數(shù)字電位器能夠容忍的電流都在20mA以下。所以，這種方案就被否決了。</p><p>　　方案二：單相半波整流電路</p><p><b>　?。╝）電路圖</b><

17、;/p><p>　　U2 U0 Ud</p><p><b>　?。╞）濾波圖</b></p><p>　　工作原理：在變壓器次級電壓u2為正的半個周期內(nèi)（如圖（a）中所示上正下負），二極管導通，在RL上得到一個極性為上正下負的電壓；而在u2為負的半個周

18、期內(nèi)，二極管反向偏置，電流基本上等于0。所以在負載上的電壓的極性是單方向的（如圖（b）所示）。正半周內(nèi)Uo=U2，Ud=0；負半周內(nèi)Uo=0。Ud=U2。由此可見，由于二極管的單向導電作用，把變壓器次級的交流電壓變換為單向脈動電壓，達到了整流的目的。其優(yōu)點是結構簡單，使用的元件少，但也有明顯的缺點：輸出電壓脈動大，直流成分比較低；變壓器有半個周期不導電，利用率低；變壓器含有直流部分，容易飽和。只能用于輸出功率較小，負載要求不高的場合。&

19、lt;/p><p>　　方案三：單相全波整流</p><p><b>　?。╝）電路圖</b></p><p><b>　　U2IoUo</b></p><p>　　O tOtOt</p><p><b>　　(b)波形圖&l

20、t;/b></p><p>　　工作原理：全波是利用具有中心抽頭的變壓器與兩個二極管配合，使兩個二極管在正、負半周輪流導電，而且二者流過RL的電流保持同一方向，從而使正、負半周在負載上均有輸出電壓。電路如圖（a）所示。正半周內(nèi)D1導通，D2截止，在負載RL上得到的電壓極性為上正下負；負半周內(nèi)，D1截止，D2導通，在負載上得到的電壓仍為上正下負，與正半周相同。全波整流波形如圖（b）。全波整流的輸出電壓時半波整

21、流的兩倍，輸出波形的脈動成分比半波整流時有所下降。全波整流電路在負半周時二極管承受的反向電壓較高，其最大值等于，且電路中每個線圈只有一半時間通過電流，所以變壓器利用率不高。</p><p>　　方案四：單相橋式整流</p><p><b>　　（a）電路圖</b></p><p>　　U2 Io

22、 Uo</p><p>　　O 0 0 </p><p><b>　　(b)波形圖</b>

23、</p><p>　　工作原理：單相橋式整流電路如圖（a）。由圖可見，U2正半周時D1、D4導通，D3、D2截止，在負載電阻RL上形成上正下負的脈動電壓；而在U2負半周時，D2、D3導通，D1、D4截止，在RL上仍形成上正下負的脈動電壓。如果忽略二極管內(nèi)阻，有Uo≈U2。橋式整流電路波形如圖（b）所示。正負半周均有電流流過負載，而且電路方向是一致的，因而輸出電壓的直流成分提高，脈動成分降低。單相橋式整流電路主要參

24、數(shù)：輸出直流電壓,脈動系數(shù)S，二極管正向平均電流I,二極管最大反向峰值電壓U。橋式整流電路解決了單相整流電路存在的缺點，用一次級線圈的變壓器，達到了全波整流的目的。</p><p>　　方案五：采用A/D和D/A</p><p>　　采用A/D和D/A構成直流電源的電路如圖4所示。采用單片機構成直流電源的電路如圖所示，利用AVR單片機自帶的D/A口DAC0輸出0－2.5V的電壓，然后經(jīng)一級

25、反相放大器和跟隨器，此時可以輸出0到－5V電壓。但是因為A/D變換器只能采集0到+2.56V的電壓，所以再在跟隨器后面加一級反相放大器器然后送回到A/D采樣，MCU比較發(fā)現(xiàn)DAC0輸出為正確電壓時，則從跟隨器后直接輸出電壓，這樣就可以輸出0到-5V的電壓了。當需要正相電壓時從DAC1口輸出電壓，這時就不需要反相，其它原理與DAC0相似。</p><p>　　優(yōu)點：精確度高，紋波小，效率和密度比較高，可靠性也不錯。

26、</p><p>　　缺點：電路相對復雜，AVR單片機的IO口不能容忍負電壓，否則會被損壞。所以，這種方案也行不通。</p><p>　　方案六：采用7805構成直流電源</p><p>　　采用7805構成直流電源的電路如圖所示，改變RP阻值使7805的公共端的電壓在0到－10V之間可調，則7805的輸出端電壓就可實現(xiàn)-5V－+5V之間可調了。這種方案是利用了78

27、05的輸出端與公共端的電壓固定為+5的特性來設計的。但同樣存在不好數(shù)控的問題。</p><p><b>　　五、單元路設計</b></p><p><b>　　變壓電路：</b></p><p>　　電源變壓器是將來自電網(wǎng)的220V交流</p><p>　　電壓變換為電路所需電壓。變壓電路如圖22

28、0u</p><p><b>　　所示。</b></p><p>　　變壓器參數(shù)計算：LM317輸入電壓設為Ui則</p><p>　　U0min=0V、U0max=12V Ui-U0max≥（Ui-U0）min 圖5—1.1變壓器</p><p>　　Ui-U0min≤（Ui-U0）max。 </p&

29、gt;<p>　　其中：（Ui-U0）min=3V，（Ui-U0）max=40V。</p><p>　　所以15V≤Ui≤40V，穩(wěn)壓器的壓差不宜過大，因此選擇Ui=15V。則變壓器二次側電壓U=Ui/1.2=12.5V取U=13V。</p><p>　　考慮到變壓器上的繞組即管子上的壓降等因素，變壓器二次側電壓大約要高出10％，即 13*1.1=14.3V取15V。<

30、/p><p>　　穩(wěn)壓器輸入輸出電流基本保持不變Ii≤200mA,則變壓器二次側的電流有效值I=200*1.1=220mA。</p><p>　　這樣變壓器的輸出功率P=UI=15*0.22=3.3W。故選用10W的變壓器。</p><p><b>　　整流電路：</b></p><p>　　在整流部分我們選用單相橋式整流

31、a</p><p>　　電路，其電路圖如圖所示。我們+D1</p><p>　　先來分該環(huán)節(jié)的工作情況。D4</p><p>　　在變壓器二次側電壓u的正半周時~u RL</p><p>　　即a點電位高于b點電位，二極管D1和D3</p><p>　　D3導通

32、，D2和D4截止，電流i1的通路-D2</p><p>　　是a D1 RL D3b。這時，b</p><p>　　負載電阻RL上得到一個半波電壓。 單相橋式整流電路</p><p>　　在電壓u的負半周時，變壓器二次側則是上負下正D1和D3截止D2和D4導通。電流i2的通路是b D2

33、RL D4 a同樣在負載電阻上得到一個半波電壓。整流后的電壓電流的波形如圖所示</p><p>　　整流電路中二極管的參數(shù)計算： u0i0</p><p>　　變壓器二次側電壓有效值為U=15Vu0</p><p>　　于是URM=1.414*15≈22V。ID=I0/2=100mA。i1i2i1i2</p><

34、p>　　查二極管分立元件參數(shù)表，二極管選用</p><p>　　2CZ55B（IOM=1000mA；URWM=50V）滿足電 wt</p><p>　　路需求。整流后的波形</p><p><b>　　穩(wěn)壓電路：</b></p><p>　　我們在穩(wěn)壓部分選用的LM317，輸出</p><p

35、>　　的基準電壓為1.25V，所以需要一個補</p><p>　　償電路來達到輸出電壓為0V。由R2和R1C4</p><p>　　穩(wěn)壓管Dz組成的穩(wěn)壓電路便可達到此效C2D5</p><p>　　果（通過穩(wěn)壓管使A點為-1.25V，這樣當C3Rp</p><p>　　Rp=0時，VA和輸出的基準電壓相抵消，</p&

36、gt;<p>　　便可近似認為U0為0V）；通過改變Rp的阻值大小，即可調節(jié)輸出電壓U0的大小，實現(xiàn)電壓從0V起連續(xù)可調。在集成穩(wěn)壓器離濾波電容較遠時，應在LM317靠近輸入端處接上一只0.33μF的旁路電容C2，接在調整端和地之間的電容C3是用來旁路RP兩端的波紋電壓，當C3為10μF紋波抑制比可提高 20dB,減到原來的 1/10。另一方面，由于在電路中接了電容C3，此時一旦輸入端或輸出端發(fā)生短路，C3中儲存的電荷會通

37、過穩(wěn)壓器內(nèi)部的調整管和基準放大器而損壞穩(wěn)壓器。為了防止在這種情況下C3的放電電流通過穩(wěn)壓器，在R1兩端并接一只二極管D5。 LM317集成穩(wěn)壓器在沒有容性負載的情況下可以穩(wěn)定工作。但當輸出端有500-5000pF的容性負載時，就容易發(fā)生自激。為了抑制自激，在輸出端接一只 1μF的鉭電容或 25μF的鋁電解電容C4。該電容還可以改善電源的瞬態(tài)響應。但是接上蓋地拿容以后，集成穩(wěn)壓器的輸入端一旦發(fā)生短路，C4將對穩(wěn)壓器的輸出端放電，其放電電流

38、可能損壞穩(wěn)壓器，故在穩(wěn)壓器的輸入與輸出端之間，接一只保護二極管D4。</p><p>　　穩(wěn)壓電路中各元件參數(shù)的計算：</p><p>　　電路中當R2=0時，VA=-1.25V，它與UREF剛好抵消使得U0=0V，因此穩(wěn)壓二極管DZ穩(wěn)定電壓為1.25V.</p><p>　　根據(jù)內(nèi)部電路設計，流過R1的電流I=5mA，R1=UREF/I=1.25/0.005=25

39、0Ω，考慮器件參數(shù)的分散性，實際I可能大于5mA，因此R1值應小于250Ω。此處取R1=240Ω。</p><p>　　U0=1.25（1+R2/R1）-1.25，所以R2=（U0 R1）/1.25，當U0取最大值12V時，R2max=（12*240）/1.25=2304Ω</p><p>　　故取常用繞組變壓器R2=3.0KΩ。</p><p>　　D1和D2分別

40、是為了防止輸入短路和輸出短路時電容器放電使得LM317損壞，查表得2CZ55B的最大反向工作電壓為50V，最大整流電流1A，滿足電路的需要。</p><p>　　因此D4、D5均選擇2CZ55B。</p><p>　　另外C2=0.33μF C3=10μF C4=1μF</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p>&

41、lt;p>　　楊福生主編. 《電子技術》. 高等教育出版社</p><p>　　秦曾煌主編. 《電工學》（下冊）.高等教育出版社</p><p>　　陳振源主編. 《電子技術基礎》. 高等教育出版社</p><p>　　劉昭和主編. 《電工學習題解答》.哈爾濱工業(yè)大學出版社</p><p>　　康華生主編. 《電子技術基礎》. 高等教

42、育出版社</p><p>　　林渭勛主編. 《電力電子技術基礎》.機械工業(yè)出版社社</p><p>　　王鴻明主編. 《電工技術與電子技術》.清華大學出版社</p><p><b>　　七、心得與體會</b></p><p>　　通過一個多星期的課程設計，使我懂得：要設計一個成功的電路，必須要有扎實的只是基礎，要熟練地掌

43、握課本上的只知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析、解決。同事還要有耐心和毅力。</p><p>　　通過此次課程設計，還學會了一種軟件的使用，Multisim軟件的使用。設計此課程看似簡單的問題真做起來不容易。我主要做了前面0-12v電壓的產(chǎn)生，不用多想整流自然用單橋，而這濾波看資料好像用的越復雜效果越好但是想想好像也不需要，就用電容挺好只要值大一點就好。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓常用的穩(wěn)壓值好像不大再說那電壓還要可調所以用

44、兩級放大，之間用電位器可調而后的輸出要使電流小于400ma則當負載為0時電流不大于400，為此輸出采用分壓調節(jié)電阻值使其滿足要求。至此電壓可調并滿足量程之后考慮數(shù)字顯示輸出電壓是個模擬量則需要將其轉換成數(shù)字量。則需要用道A|D轉換，通過查資料，請教同學，慢慢一點一點做。經(jīng)驗確實重要實踐不容忽視。</p><p>　　通過此次課程設計的學習，對電路也有了很大的了解與體會，也學會了Multisim軟件的應用。加深了對