直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

1、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目名稱： 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 班 級： 指導(dǎo)教師： 成 績： 目 錄1課程設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 22方案設(shè)計(jì) 23單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 44總原理圖及元器件清單 95安裝與調(diào)試 116性能測試與分析 127結(jié)論與心得 148參考文獻(xiàn) 14課程設(shè)計(jì)題目：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)一、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)和要求:1） 用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計(jì)固定的正負(fù)直流電源（12V）。2） 輸出可調(diào)直流電壓，范圍：1.515V；3） 輸出電流:IOm1500mA；（要有電流擴(kuò)展功能） 4） 穩(wěn)壓系數(shù)Sr0.05；具有過流保護(hù)功能。 二、 方案設(shè)計(jì)：穩(wěn)壓電源由電源變壓

2、器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，如下圖1所示，其整流與穩(wěn)壓過程的電壓輸出波形如圖2所示。 圖1穩(wěn)壓電源的組成框圖圖二 整流與穩(wěn)壓過程波形圖電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動(dòng)大）。脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載RL。方案一、單相半波整流電路半波單相整流電路簡單，電路及其電壓輸出波形分別

3、如圖3、圖4所示，使用元件少，它只對交流電的一半波形整流，其輸出波形只利用了交流電的一半波形則整流效率不高，且輸出波形脈動(dòng)大，其值為：S= U222 U2 = 2 1.57，直流成分小，U0= 2U20.45U2，變壓器利用率低。圖3 單相半波整流電路圖 4 單相半波整流電路電壓輸出波形圖方案二、單相全波整流電路使用的整流器件是半波電路的兩倍，整流電壓脈動(dòng)較小，是半波的一半，無濾波電路時(shí)的輸出電壓U0=0.9U2，變壓器的利用率比半波電路的高，整流器件所承受的反向電壓要求較高。方案三、單相橋式整流電路單相橋式整流電路使用的整流器件較多，但其實(shí)現(xiàn)了全波整流電路，它將U2的負(fù)半周也利用起來，所以在

4、變壓器副邊電壓有效值相同的情況下，輸出電壓的平均值是半波整流電路的兩倍，且如果負(fù)載也相同的情況下，輸出電流的平均值也是半波整流電路的兩倍，且其與半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對二極管的參數(shù)要求一樣，還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。所以綜合三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)決定用方案三。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算整流電路采用單相橋式整流電路，電路如圖5所示，圖 5 單相橋式整流電路當(dāng)U20時(shí)，電流由+流出，經(jīng)D1、RL、D2流入-，即D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止；當(dāng)U20時(shí)，電流由-流出，經(jīng)D3、RL、D4流入+，即D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。電路的輸出波形如圖6所示。圖6 單

5、相橋式整流電路輸出波形在橋式整流電路中，每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即：If = 12I01電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為2U2(U2是變壓器副邊電壓有效值)。在設(shè)計(jì)中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，直流輸出電壓：U01=(1.11.2)U2，直流輸出電流：I01= I2（1.52）（I2是變壓器副邊電流的有效值），穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路。12V直流穩(wěn)壓電源電路總體原理電路圖如圖7所示，可

6、調(diào)式直流穩(wěn)壓電源電路總體原理電路圖如圖8所示，電流擴(kuò)展直流穩(wěn)壓電源電路總體原理電路圖如圖9所示：圖712V直流穩(wěn)壓電源圖8 可調(diào)式直流穩(wěn)壓電圖 9 電流可拓展直流穩(wěn)壓電源電路1.選集成穩(wěn)壓器，確定電路形式(1)、在12V直流穩(wěn)壓電源電路實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)壓電路，采用固定式三端穩(wěn)壓器，主要使用了集成塊78系列及79系列。78系列輸出為正電壓，輸出電流可達(dá)1A，如7812的輸出電流為5mA1A，它的輸出電壓為12V。和78系列對應(yīng)的有79系列，它輸出為負(fù)電壓，如7912表示輸出電壓為12V和輸出電流為5mA1A。故稱之為三端式穩(wěn)壓器。典型應(yīng)用電路圖如圖10所示。 圖10應(yīng)用電路圖(2)、在可調(diào)式直流穩(wěn)壓電

7、源電路中要求輸出電壓可調(diào)，所以選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器LM317，其特性參數(shù)V0=+1.2V+37V，I0max=1.5A，最小輸入、輸出壓差（Vi-V0）min=3V，最大輸入、輸出壓差（Vi-V0）max=40V，能滿足設(shè)計(jì)要求，故選用LM317組成的穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護(hù)電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構(gòu)成的可調(diào)電壓穩(wěn)壓電源。電路系列的引腳功能相同，典型電路如圖12所示.。R1與RP1組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓V01.25(1+RP1R1)式中1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間的固有參考電壓VREF，此

8、電壓加于給定電阻R1兩端，將產(chǎn)生一個(gè)恒定電流通過輸出電壓調(diào)節(jié)電位器RP1，電阻R1常取值120240，取R1=240，則RP1min=48，RP1max=2.64k,故取RP1為5k的精密線繞可調(diào)電位器，與其并聯(lián)的電容器C可進(jìn)一步減小輸出電壓的紋波。圖中加入了二極管D，用于防止輸出端短路時(shí)10F大電容放電倒灌入三端穩(wěn)壓器而被損壞。圖12(3)、在電流擴(kuò)展中用大功率三極管TIP41C和LM7812穩(wěn)壓器，TIP41C三極管為NPN管，主要參數(shù)為：最大工作電壓100V，最大工作電流6A，最大耗散功率65W。設(shè)三端穩(wěn)壓器的最大輸出電流為I0max，則晶體管的最大基極電流IBmax=I0max-IR，

9、因而負(fù)載電流的最大值為ILmax=（1+）（I0max-IR），故其負(fù)載采用大功率的電阻，取RL=3.9，為10W的電阻。圖中二極管用于消除UBE對輸出電壓的影響。2.選擇電源變壓器電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓U1變換成整流濾波電路所需要的交流電壓U2，通常根據(jù)變壓器副邊輸出的功率P2來選用變壓器。變壓器副邊與原邊的功率比為：P1P2=，式中，為變壓器的效率。一般小型變壓器的效率如表1所示。功率P2VA 101030308080200功率0.60.70.80.85由LM317輸入電壓與輸出電壓最小壓差：（Vi-V0）min=3V，最大壓差為：（Vi-V0）max=40V,可得到L

10、M317的輸入電壓范圍為:V0max+(Vi-V0)minViV0min+(Vi-V0)max 15V+3VVi1.5V+40V18VVi41.5V副邊電壓V2Vimin1.1=181.1V，取V2=17V，副邊電流I2I0max1.5A，取I2=1A,通過電流擴(kuò)展可達(dá)到I21.5A，則變壓器副邊輸出功率P2I2V2=25.5W。 由表1可得到變壓器的效率=0.7，則原邊輸入功率P1P2=36.43W。為留有余地，選功率為50W的電源變壓器。3選整流二極管及濾波電容(1)、在12V直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)中整流二極管D選1N4007即可，其極限參數(shù)為VRM1000V，IF=1A，滿足VRM2 V2

11、。濾波電容容量較大，一般采用電解電容器，選用3300F/50V即可。電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。(2)、在可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源電路及電流擴(kuò)展直流穩(wěn)壓電源電路中整流二極管D選1N4007，其極限參數(shù)為VRM1000V，IF=1A。滿足VRM2V2，IF=I0max的條件。濾波電容C可由紋波電壓和穩(wěn)壓系數(shù)來確定，濾波電路的電路圖如圖14(a)所示，其輸出電壓波形如圖14(b)、(c)所示，將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。已知，V0=15V，Vi=18V，取V0P-P=9mV, Sr=0.0050.05,符合要求，則穩(wěn)壓器的輸入電壓的變化量：Vi=V0P-PViV0Sr=

12、2.2V濾波電容: C= ItVi = I0max tVi =3636電容的耐壓應(yīng)大于2V2=24V。故取2只3300F/50V的電容相并聯(lián)。（a） （b） （c）圖14 濾波電路及其輸出波形四、總原理圖及元器件清單1可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源總原理圖如圖15所示，12V直流穩(wěn)壓電源總原理圖如圖16所示，電流擴(kuò)展直流穩(wěn)壓電源電路總原理圖如圖17所示：圖15 可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源總原理圖圖16 12V直流穩(wěn)壓電源總原理圖圖17 電流可拓展直流穩(wěn)壓電源電路2元件清單：元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)U1保險(xiǎn)管1AC7、C8電解電容220F50VT1變壓器15VC3、C4電解電容10F50VD1、D2

13、、D3D4、D5、D6二極管1N4007URM1000V,1AC4電解電容1F50VD6二極管1N4148URM75V，25nAU3三端穩(wěn)壓器LM7912-12VQ1三極管TIP41C100V，6A，65WU2三端穩(wěn)壓器LM7812+12VLED1 、LED2發(fā)光二極管U2三端穩(wěn)壓器LM3171.2537VC1 、C2電解電容3300F50VR1、R2、R3電阻1KC3 、C4電解電容0.22F50VR1大功率水泥電阻10W，3.9C5、C6電解電容0.47F50VR2電阻120五、安裝與調(diào)試因以上各電路非常相似，很接近，只是在小范圍有點(diǎn)差別，所以在安裝和調(diào)試時(shí)是類似的，安裝調(diào)試如下：1. 首

14、先在變壓器的原邊接入保險(xiǎn)絲FU，以防電路短路損壞變壓器或其他元器件，其額定電流要略大于I0max，選FU的熔斷電流為1A，各元器件按理論電路圖正確焊接，注意布局緊密，不出現(xiàn)虛焊或漏焊。2. 先選好適當(dāng)大小的電路板，再合理布局。3. 安裝時(shí)先安裝較小的元器件，先安裝集成穩(wěn)壓電路，再安裝整流電路，最后安裝濾波電路，有三極管時(shí)因三極管對溫度很敏感，所以要最后安裝，但在安裝的過程中要特別注意電容、二極管和三極管TIP41C的極性，并且要注意LM 7812 、LM 7912和LM317管腳的接法。注意安裝要一級測試一級，檢查電路安裝無誤后，再連接安裝變壓器。4.接通電源后，靜置一會(huì)待電路穩(wěn)定后沒出現(xiàn)任何

15、故障（如芯片被燒等）再進(jìn)行測量，若出現(xiàn)類似狀況應(yīng)立即斷開直流電源，檢查問題所在并及時(shí)排除故障再進(jìn)行測量。用萬用表分別測量變壓器原、副邊線圈的輸出電壓，濾波后的輸出電壓，7812，7912的輸入和輸出電壓。對于穩(wěn)壓電路則主要測試集成穩(wěn)壓器是否能正常工作。其輸入端加直流電壓Vi18V，調(diào)節(jié)RP1，輸出電壓V0隨之變化，說明穩(wěn)壓電路正常工作。整流濾波電路主要是檢查整流二極管是否接反，安裝前用萬用表測量其正、反向電阻。接入電源變壓器，整流輸出電壓Vi應(yīng)為正。斷開交流電源，將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路相連接，再接通電源，輸出電壓V0為規(guī)定值，說明各級電路均正常工作，可以進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)的測試。六、性能測試與

16、分析1.12V直流穩(wěn)壓電源的性能測試：依次用萬用表的250V的交流檔測量變壓器的原邊電壓，25V的交流檔測量變壓器的副邊電壓，25V直流檔測量濾波后的輸出電壓、穩(wěn)壓器的輸入電壓和電路的最后輸出電壓，并記錄測試結(jié)果如下表：相對誤差計(jì)算:其中變壓器的副邊電壓的理論值為15V，濾波后的輸出電壓的理論值為UO1=1.2U2=1.2*15V=18V，UO1 =1.2U2=1.2*（-15）V=-18V，輸出電壓的理論值為UO2=+12V，UO2=-12V，則有： 變壓器副邊電壓的相對誤差： a1=（15-15）15*100%=0%a2=（15-15）15*100%=0%;濾波后的輸出電壓的相對誤差：b1

17、=|18-18.1|18.1*100%=0.55%b2=（-18+18.1）18.1*100%=0.55%輸出電壓的相對誤差： c1=|12-12.05|12.05*100%=0.41%c2=|-12+11.95|11.95*100%=0.42%2.可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的性能測試按圖18電路的連接方法進(jìn)行穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)測試，輸出端接負(fù)載電阻RL，連接好測試電路圖檢查無誤后通電，輸入端接220V的交流電壓，先將萬用表打到25V電壓的直流檔，然后接上萬用表對輸出電壓進(jìn)行測量，由小到大慢慢地調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中的5K電位器，觀察萬用表的讀數(shù)，并記錄測試的結(jié)果為輸出電壓可調(diào)范圍為：1.5V15V，記錄完數(shù)據(jù)

18、后迅速調(diào)節(jié)電位器使輸出端電壓減小，再斷電。理論輸出最小電壓為1.5V，輸出最大電壓為15V。則相對誤差計(jì)算：d1=(1.5-1.5) 1.5*100%=0%d2=(15-15) 15*100%=0%3.電流擴(kuò)展直流穩(wěn)壓電源的性能測試先將萬用表打到5A直流檔，再接通電源，直接將用萬用表串聯(lián)到電路中大功率的電阻的輸出端，然后讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù)后斷電，輸出電流為I0=1.6A，理論輸出電流為I0=(1+)( I0max-IR)1.5A，也可按圖18電路連接方法測量輸出電流。測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合要求I01.5A，所以不存在誤差。4.穩(wěn)壓系數(shù)的測試在本實(shí)驗(yàn)中由于沒有自藕變壓器，不能調(diào)節(jié)輸入交流電的電壓，從而無

19、法測試穩(wěn)壓系數(shù)但穩(wěn)壓系數(shù)的測試方法為：用圖18測試，先調(diào)節(jié)自藕變壓器使輸入電壓增加10%，即Vi=242V，測量此時(shí)對應(yīng)的輸出電壓V01；再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓減少10%，即=198V，測量這時(shí)的輸出電壓V02，Vi=220V時(shí)對應(yīng)的輸出電壓V0，則穩(wěn)壓系數(shù)為：Sv= V0V0ViVi = 220242-198 V01-V02V0 5.產(chǎn)生誤差的原因：綜上數(shù)據(jù)計(jì)算與處理和誤差計(jì)算分析，本實(shí)驗(yàn)在誤差允許的范圍內(nèi)，符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，存在誤差的主要原因有：(1). 實(shí)驗(yàn)測量儀器萬用表本身存在缺陷，不精確，可采用更高精確度的儀器去測量；(2). 實(shí)驗(yàn)器材受環(huán)境溫度的影響。如二極管和三極管對溫度比較敏感，易受溫度的