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蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)題目：直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師：
| 在輸入交流電壓220V，50Hz的交流電壓變換范圍±10%條件下設(shè)計(jì)一個(gè)交流變換為直流的穩(wěn)壓電源： 1.輸出電壓：VL=12V±2V 2.最大輸出電流：IL MAX=500mA 3.穩(wěn)壓系數(shù)：SV=0.05 4.電源內(nèi)阻：ro≤0.1Ω 5.輸出紋波電壓：Vop-p≤20mV 利用串聯(lián)于電路中的調(diào)整管Q1進(jìn)行動(dòng)態(tài)分壓而使負(fù)載得到穩(wěn)定電壓的電路。 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理，是在輸入電壓存在波動(dòng)時(shí)，輸出電壓保持恒定的裝置，利用穩(wěn)壓二極管兩端電壓不變的原理，使輸出電壓保持不變，并用多級(jí)三極管組成達(dá)令頓復(fù)合電路，組成放大器提高穩(wěn)壓精度。 |
目 錄
一、設(shè)計(jì)方案 1
1.1設(shè)計(jì)目的 1
1.2方案選擇 1
1.3設(shè)計(jì)主要性能指標(biāo) 3
二、單元電路原理 3
2.1設(shè)計(jì)方案原理框圖 3
2.2直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計(jì) 4
2.3部分電路設(shè)計(jì)計(jì)算 4
三、單元電路的設(shè)計(jì) 6
3.1電源變壓器 6
3.2整流濾波電路 7
3.3穩(wěn)壓電路 9
3.4集成穩(wěn)壓器的選擇計(jì)算 9
3.5選擇電源變壓器 10
3.6整流二極管及濾波電容的選擇 10
四、元器件明細(xì)表 11
五、總結(jié) 12
六、參考文獻(xiàn) 12
一、設(shè)計(jì)方案
1.1設(shè)計(jì)目的
穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，不能滿足很多場(chǎng)合下的應(yīng)用。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)，利用晶體管的電流放大作用，增大負(fù)載電流；在電路中引用深度電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定；并且，通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。
通過了解相關(guān)分立式元器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和參數(shù)以及由它們構(gòu)成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的工作原理、原理圖的設(shè)計(jì)和參數(shù)的計(jì)算、元器件的選用、計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)硬件的仿真、PCB板的設(shè)計(jì)、電路的安裝和調(diào)試，最后完成達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品串聯(lián)穩(wěn)壓電源，即利用串聯(lián)于電路中的調(diào)整管Q1進(jìn)行動(dòng)態(tài)分壓而使負(fù)載得到穩(wěn)定電壓的電路。
1.2方案選擇
方案1：采用7805構(gòu)成直流電源
采用7805構(gòu)成直流電源的電路如圖1所示，改變RP阻值使7805的公共端的電壓在0～10V之間可調(diào)，則7805的輸出端電壓就可實(shí)現(xiàn)-5～+5V之間可調(diào)了。這種方案是利用了7805的輸出端與公共端的電壓固定為+5的特性來設(shè)計(jì)的。
優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單快捷，精確度高
缺點(diǎn)：存在不好數(shù)控的問題
圖1 7805構(gòu)成的直流電源電路圖
方案2：可調(diào)式三端穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)
三端穩(wěn)壓電源構(gòu)成直流可調(diào)原理框圖如圖2所示。該方案需使用三端穩(wěn)壓芯片CW317作為穩(wěn)壓電路可調(diào)部分，其輸出電壓調(diào)整范圍寬。
優(yōu)點(diǎn)：該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，干擾和噪音小。
缺點(diǎn)：數(shù)字電位器誤差較大，控制精度不夠高。
圖2 三端可調(diào)式穩(wěn)壓器電路原理圖
方案3：晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路
晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路。電路框圖如圖3所示，該電路中，輸出電壓UO經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對(duì)調(diào)整管的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓UI發(fā)生變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓UO為恒定值(穩(wěn)壓值)。
圖3 晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路框圖
優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)渭兊碾娐泛芎?jiǎn)單，易于連接。
缺點(diǎn)：增加輔助電源后電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多采用分立式原件，電路可靠性低。
直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備能量的提供者，對(duì)直流電源要求是：輸出電壓的幅值穩(wěn)定，平滑，變換頻率高，負(fù)載能力強(qiáng)，溫度穩(wěn)定性好。綜合以上三種方案，得出結(jié)論，第2種方案最可行。總體設(shè)計(jì)應(yīng)該簡(jiǎn)單耐用。
1.3設(shè)計(jì)主要性能指標(biāo)
在輸入電壓為220V，50Hz，電壓變化范圍±10%的條件下：
1. 輸出電壓：VL=12V±2V
2. 最大輸出電流：ILmax=500mA
3. 穩(wěn)壓系數(shù)：Sv≤0.05
4. 電源內(nèi)阻:ro≤0.1Ω
5. 輸出紋波電壓：Vop-p≤20mV
二、單元電路原理
2.1設(shè)計(jì)方案原理框圖
交流電網(wǎng)220V的電壓通過電源變壓器將變?yōu)樾枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還是會(huì)隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度等的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還須接穩(wěn)壓電路，保證輸出的直流電壓穩(wěn)定。
圖4 直流穩(wěn)壓電源基本原理框圖
2.2直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計(jì)
穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓U0、輸出電流I0、輸出紋波電壓Vop-p等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流橋和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。
直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計(jì)可以分為以下三個(gè)步驟：
根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、最大輸出電流Ilmax，確定穩(wěn)壓器的型號(hào)及電路形式。
根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓U1，確定電源變壓器副邊電壓U2的有效值u2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流I0max，確定流過電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓器副邊的功率P2；根據(jù)P2，從表1查出變壓器的效率η，從而確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。
確定整流橋的正向平均電流ID、整流橋的最大反向電壓RMU和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)確定的參數(shù)選擇整流橋和濾波電容。
2.3部分電路設(shè)計(jì)計(jì)算
⑴選擇分立元件復(fù)合管，確定電路形式在此方案中主要選擇兩種類型三極管
1、對(duì)于VT1管集電極一發(fā)射極反射擊穿電壓UBR(CEO)1應(yīng)為
UBR(CEO)1>UC1max=23.76V
集電極最大電流
ICM1>(1+20%)800mA=960mA
集電極耗散功率
PCM1>（23.76-3)V800mA=16.6W
對(duì)于VT2管UBR(CEO)2應(yīng)當(dāng)也有
UBR(CEO)1>UC1max=23.76V
集電極最大電流
ICM2>==13.3mA
VT2集電極耗散功率
PCM1>（23.76-3)V13.3mA=0.28W
⑵選擇電源變壓器
電源變壓器有很多種：有降壓的、有升壓的，在這次的設(shè)計(jì)中我們用的是降壓變壓器，它的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓U1變?yōu)檎麟娐匪枰慕涣麟妷篣2。η=，其中：P2是變壓器副邊的功率，P1是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1所示：
表1 小型變壓器的效率
因此，當(dāng)算出了副邊功率2P后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率P輸入電壓Vi的范圍為VI max+(Vi-V0)minViV0 min+(Vi-V0)max,Vi max為最大輸出電壓，V0 min為最小輸出電壓，(Vi-V0)min為穩(wěn)壓器最小輸入、輸出差，(Vi-V0)max為穩(wěn)壓管最大輸入、輸出差，故Vi12+3=15V,考慮電網(wǎng)電壓10%的波動(dòng)，最終取Vi=16.7V,由10V2==15.18V,但在實(shí)際過程中，由于沒有這種生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，所以選購(gòu)了輸出為24V的。
（3）用整流橋和濾波電容整流橋：實(shí)測(cè)V2=33V整流輸出電壓平值
Vi =(1.1-1.2)V2=36.3V
二極管平均電流
ID=I0==0.45=0.327A
二極管最大反向壓
URM=U2=23.3V
故整流橋選用1N4001(1A,50V)保護(hù)二極管選IN4148(1A,50V)濾波電容
RLC(3-5)T/2,則C1=5T/2RL
式中T為交流電源周期，T=20ms，RL為C1右邊的等效電阻，應(yīng)取最小值，由于Imax=500mA,因此RL==33,所以C1=C2=1515μF,可見C1的容量較大，應(yīng)選電解電容，受規(guī)格限制，電容的耐壓要25V,故濾波電容C取容量為2200uF，耐壓為25V的電解電容。
穩(wěn)壓過程。輸出電壓因某種原因變化時(shí)，LM317構(gòu)成的電壓調(diào)整器就能夠調(diào)整輸出電壓，使其保持恒定。
輸出電壓調(diào)整過程。Rw用于調(diào)整輸出電壓大小。當(dāng)Rw滑動(dòng)端向上滑時(shí)，基極電壓Ub就上升，使輸出電壓變小。若當(dāng)Rp滑動(dòng)端向下滑時(shí)，輸出電壓則會(huì)變大。
用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。7V輸出電流為0.1～0.5A；工作結(jié)溫同樣分為-55～+155℃，-25～+150℃，0～+125℃三類電壓調(diào)整率的典型值為0.01％V，負(fù)載調(diào)整率的典型值為0.1％，內(nèi)部含有過流、過熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電路。
直流穩(wěn)壓電源基本原理電路圖
圖5 直流穩(wěn)壓電源基本原理電路圖
三、單元電路的設(shè)計(jì)
3.1電源變壓器
電源變壓器將來自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。如果不考慮變壓器的損耗，可以認(rèn)為一個(gè)理想的變壓器次級(jí)負(fù)載消耗的功率也就是初級(jí)從電源取得的電功率。變壓器能根據(jù)需要通過改變次級(jí)線圈的圈數(shù)而改變次級(jí)電壓，由于變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠(yuǎn)小于輸入功率。
實(shí)際電路中選擇一個(gè)中間帶抽頭的多路輸出穩(wěn)壓器，其輸出電壓分別是（交流）12V、18V、20V。分別對(duì)應(yīng)LM78XX、79XX系列和LM317穩(wěn)壓器。
3.2整流濾波電路
單相橋式整流電路如圖6所示，四只整流二極管D1～D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。單相橋式整流電路的工作原理為簡(jiǎn)單起見，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大。
圖6 單相橋式整流電路
在v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向?qū)ǎ珼2、D4反偏截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓。其電流通路可用圖中實(shí)線箭頭表示。
在v2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向?qū)āｋ娏髁鬟^RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。其電流通路如圖中虛線箭頭所示。
綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⑺膫�(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。
單相橋式整流電路如圖7所示。由圖可見，U2正半周時(shí)D1、D4導(dǎo)通，D3、D2截止，在負(fù)載電阻RL上形成上正下負(fù)的脈動(dòng)電壓；而在U2負(fù)半周時(shí)，D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止，在RL上仍形成上正下負(fù)的脈動(dòng)電壓。如果忽略二極管內(nèi)阻，有Uo≈U2。
圖7 單相橋式整流電路簡(jiǎn)化圖
橋式整流電路波形如圖8所示。正負(fù)半周均有電流流過負(fù)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(dòng)成分降低。單相橋式整流電路主要參數(shù)：輸出直流電壓UO(AV) ,脈動(dòng)系數(shù)S，二極管正向平均電流 ID(AV),二極管最大反向峰值電壓URM。橋式整流電路解決了單相整流電路存在的缺點(diǎn)，用一次級(jí)線圈的變壓器，達(dá)到了全波整流的目的。
圖8 橋式整流電路的工作波形
由圖可見，通過負(fù)載橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向RL的電流iL以及電壓vL的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形。電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。
3.3穩(wěn)壓電路
由于穩(wěn)壓電路發(fā)生波動(dòng)、負(fù)載和溫度發(fā)生變化，濾波電路輸出的直流電壓會(huì)隨著變化。因此，為了維持輸出電壓穩(wěn)定不變，還需加一級(jí)穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）等發(fā)生變化時(shí)，使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件組成。采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
集成穩(wěn)壓器的種類很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按照輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可以分為正電壓輸出和負(fù)電壓輸出兩種類型。按照設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要用到可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。其常見產(chǎn)品有CW317、CW337、LM317、LM337。其中317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，337系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的負(fù)電壓，可調(diào)范圍為1.2～37V，最大輸出電流為1.5A。圖9 LM317三端式穩(wěn)壓器及穩(wěn)壓電路
3.4集成穩(wěn)壓器的選擇計(jì)算
集成穩(wěn)壓器選用CW317，其輸出電壓范圍為
VL=1.2～37V
最大輸出電流
I0max=1.5A
集成穩(wěn)壓器的輸出電壓VL應(yīng)與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓的大小及范圍相同。穩(wěn)壓器的最大允許電流ILm<ILmax，穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍為：
VLmax+（VI-VL)minVIVLmin+（VI-VL)max
式中，VLmax——最大輸出電壓；
VLmin——最小輸出電壓；
（Vi-VL）min——穩(wěn)壓器的最小輸入電壓差；
（Vi-VL）max——穩(wěn)壓器的最大輸入電壓差；
在電路中，取C0=1μF,C1=0.01μF,C2=10μF,R1=200Ω，RW=2kΩ二極管用IN4001在電路中，R1和RW組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，輸出電壓VL=1.25(1+RW/R1)，R1取120～240Ω，流過R1的電流為5～10A。取R1 =200Ω，則由VL=1.25(1+RW/R1)，可求得：
Rwmin=1400歐，Rwmax=2040歐，故取為2500歐的精密線繞電位器。
3.5選擇電源變壓器
VLmax+(VI-VL)minVIVLmax+(VI-VL)max
14V+3VVi10V+40V
17VVi50V
V2Vimin/1.1=17/1.1=15.45V
取V2=20V,變壓器副邊電流
I2ILmax=500mA
取I2=200mA,則變壓器的副邊輸出功率P2為
P2I2U2=3.09W
為留有余地，故選用功率為10W的變壓器,所以變壓器選用20V/10W的即可。
3.6整流二極管及濾波電容的選擇
由于
URM===28.284V,ILmax=500mA
IN4001的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用IN4001。
SV=
式中：V=14V，Vi=20V,Vop-p20mV，Sv=0.05 ,則
△Vi=Vop-p/VLSv=1.67V
則濾波電容C為
C=Ict/△Vi=ILt/△Vi=4800μF
由之前模電實(shí)驗(yàn)可知，在實(shí)際制作過程中采用比理論值小的電容同樣能達(dá)到很好的濾波效果，因此采用4700μF的電容。
四、元器件明細(xì)表
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | URMfile:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBBFF.tmp.png1000V,1A | | | | | | URMfile:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBC00.tmp.png75V，25nA | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
表2 元件明細(xì)表 五、總結(jié) 通過本次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)查找資料和綜合應(yīng)用課本理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。讓我懂得，當(dāng)下的我們一定要好好努力，好好學(xué)習(xí)，注重培養(yǎng)自己的能力。在計(jì)算和動(dòng)手方面要有耐心和細(xì)心，才能把事情做得更好；在生活和學(xué)習(xí)中，要和身邊的人團(tuán)結(jié)互助，能幫的就要盡力幫。 相信以后的我會(huì)以更加積極地態(tài)度對(duì)待學(xué)習(xí)、對(duì)待生活，我的激情永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束。相反，我會(huì)更加努力，努力的去彌補(bǔ)自己的缺點(diǎn)，發(fā)展自己的優(yōu)點(diǎn)，去充實(shí)自己。只有在了解了自己的長(zhǎng)短之后，我們會(huì)更加珍惜擁有的，更加努力的去完善它，增進(jìn)它。只有不斷的測(cè)試自己，挑戰(zhàn)自己，才能擁有更多的成功和快樂！認(rèn)真的對(duì)待每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，珍惜每一分每一秒，從中學(xué)到更多的知識(shí)和方法，鍛煉自己的能力，這個(gè)是我在課程設(shè)計(jì)中學(xué)到的最重要的東西，也是以后都將受益匪淺的！ 六、參考文獻(xiàn) [1] 封民腸．模擬集成電路系統(tǒng)（第二版）[M]，北京：中國(guó)鐵道出版社，1998 [2] 常曉玲．電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器[M]，北京：機(jī)械工程出版社，2004 [3] 趙學(xué)泉，張國(guó)華．電源電路[M]，北京：電子工業(yè)出版社，1995 [4] 晶體管技術(shù)編輯部．電子電路設(shè)計(jì)與制作[M]，北京：科學(xué)出版社，2005 [5] 陳大欽．電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M]，高等教育出版社，2005 [6] 康光華．電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]，高等教育出版社，2006 [7] 張慶雙．實(shí)用電子電路200例[J],機(jī)械工業(yè)出版社,2005
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