可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)1.1.1112

1、可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路所在學(xué)院：信控學(xué)院專業(yè)班級：電子1301 組號：第九組 組員：王新健 呂冰 潘慶耀可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路（11題）目錄 摘要31.設(shè)計(jì)任務(wù)及要求42系統(tǒng)方案43理論分析與計(jì)算94電路設(shè)計(jì)115組合硬件電路的調(diào)試及改進(jìn)116設(shè)計(jì)心得體會177.參考文獻(xiàn)128.附件1：LM317詳細(xì)資料139.附件2：系統(tǒng)總體電路連接圖1410.附件3：仿真結(jié)果15摘要： 電源可分為交流電源和直流電源，它是任何電子設(shè)備都不可缺少的組成部分。交流電源一般為220V、50Hz電源，但許多家用電器設(shè)備的內(nèi)部電路都要采用直流電源作為供電能源，如收音機(jī)、電視機(jī)、帶微處理器控制的家電設(shè)備等都離不開這種電

2、源。直流電源又分為兩類：一類是能直接供給直流電流或電壓的，如電池、蓄電池、太陽能電池、硅光電池、生物電池等，本文不做具體介紹；另一類是將交流電變換成所需的穩(wěn)定的直流電流或電壓的，這類變換電路統(tǒng)稱為直流穩(wěn)壓電源。現(xiàn)在所使用的大多數(shù)電子設(shè)備中，幾乎都必須用到直流穩(wěn)壓電源來使其正常工作，而最常用的是能將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電壓的直流電源，可見直流穩(wěn)壓電源在電子設(shè)備中起著主要作用，為設(shè)備能夠穩(wěn)定工作提供保證。220V、50HZ的單向交流電源經(jīng)電源變壓器降壓后，再經(jīng)過整流濾波可獲得低電壓小功率直流電源。然而，由于電網(wǎng)電壓可以有10%變化。為此必須將整流濾波后的直流電壓由穩(wěn)壓電路穩(wěn)定后再提供給負(fù)載，

3、使負(fù)載上直流電源電壓受上述因素的影響程度達(dá)到最小。直流電源電壓系統(tǒng)一般由四部分組成，它們分別是電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。關(guān)鍵詞：交流與直流、變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓。 Abstract: the power can be divided into ac power and dc power supply, it is indispensable to any electronic equipment components. Ac power generally is 220 v, 50 hz power supply, but many household electrical

4、 appliances circuit inside the dc power supply are used as the power supply energy, such as radio, TV, with the microprocessor control of home appliance equipment is inseparable from the power supply. Dc power is divided into two kinds: one kind is can directly supply dc current or voltage, such as

5、batteries, battery, solar cells, silicon photocell, biological cells, etc., this paper does not make specific; Another kind is the alternating current into the stability of the dc current or voltage, this type of transform circuit are collectively referred to as dc regulated power supply. Now used i

6、n most electronic devices, dc regulated power supply must be used to make almost all its normal work, and the most common is to convert ac power grid voltage to a stable dc voltage of the dc power supply, dc regulated power supply is plays a main role in the electronic equipment, provide guarantee f

7、or equipment can stable work. 220 v, 50 hz ac power in one direction after power transformer step-down, again through rectifier filter can obtain small power low voltage dc power supply. However, due to the power grid voltage changes can have a plus or minus 10%. Therefore must be stable dc voltage

8、by the voltage regulator circuit after rectifying filtering and then provided to the load, the load on the dc power supply voltage level of the influence of these factors. Dc power supply voltage system generally consists of four parts, they are respectively the power transformer, rectifier circuit,

9、 filter circuit, voltage regulator circuit.Key words: ac and dc, transformer, rectifier, filter, voltage regulator.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)用LM137設(shè)計(jì)一個(gè)輸出1A的恒壓源,輸出電壓為-3-10V1.2設(shè)計(jì)要求1）畫出系統(tǒng)電路圖，并畫出變壓器輸出、濾波電路輸出及穩(wěn)壓輸出的電壓波形；畫出變壓器副邊電流的波形。2）輸入工頻220V交流電的情況下，確定變壓器變比；3）在滿載情況下選擇濾波電容的大?。ㄈ?倍工頻半周期）；4）求濾波電路的輸出最大電壓；5）求電路中固定電阻阻值、可

10、調(diào)電阻調(diào)節(jié)范圍。2 系統(tǒng)方案 采用三端集成穩(wěn)壓器電路，用輸出電壓調(diào)且內(nèi)部有過載保護(hù)的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調(diào)整范圍較寬，設(shè)計(jì)一電壓補(bǔ)償電路可實(shí)現(xiàn)輸出電壓從0V起連續(xù)可調(diào)，因要求電路具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，需設(shè)計(jì)一款啟動電路以適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動性能。該電路所用器件較少，成本低且組裝方便，可靠性高。2.1 設(shè)計(jì)思路 （1）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。（2）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（即脈動大）。（3）脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，

11、保留其直流成份。（4）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，供給電壓表。如何提高精度和穩(wěn)定性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)思路如圖 220V家庭 電源 整流 濾波 照明電路 變壓器 電路 電路 LM137 穩(wěn)壓 負(fù)載 電路 電路2.2 方案論證與比較選擇 直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成。一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如下：2.2.1 電壓變壓模塊電源變壓器：是降壓變壓器，它的作用是將220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器的變比

12、由變壓器的副邊確定，變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=n，式中n是變壓器的效率。2.2.2 整流模塊 整流電路即將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。常用的整流濾波電路有半波整流、全波整流、橋式整流等。單相半波整流電路簡單易行，所用二極管數(shù)量少。但是由于它只是利用了交流電壓的半個(gè)周期，所以輸出電壓低，交流分量大，效率低。因此，這種電路僅適用于整流電流較小，對脈動要求不高的場合。全波橋式整流電路為了克服單相半波整流電路的特點(diǎn)，在使用電路中多采用單相全波整流電路，最常用的是單相橋式整流電路。如圖（1）所示圖（1） 全波橋式整流電路設(shè)變壓器次級電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m

13、為其幅值，U2為有效值。在電壓U2的正半周期時(shí)，二極管D1、D3因受正向偏壓而導(dǎo)通，D2、D4因承受反向電壓而截止；在電壓U2的負(fù)半周期時(shí)，二極管因受D2、D4正向偏壓而導(dǎo)通，D1、D3因承受反向電壓而截止。U2和UL的波形如圖（2）所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是全波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為圖（2） 全波整流電路的波形UOL=2U2m/p=U20.9U2 全波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實(shí)際流過二極管平均電。由于4個(gè)二極管是兩兩輪流導(dǎo)通的，因此有IFIDO=0.

14、5ULO/RL =0.45U2/RLb）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2單相橋式整流電路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)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用高、脈動小等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。它的主要缺點(diǎn)是所需二極管的數(shù)量比較多，由于實(shí)際上二極管的正向電阻不為零，必然使得整流電路內(nèi)阻較大，當(dāng)然損耗也就比較大。2.2.3 濾波模塊 從信號角度分析的角度而言，任何一個(gè)信號都可以從頻率角度劃分成眾多的頻譜，而我們所需的實(shí)際信號的頻譜只占其中的一小部分，其余部分即為干擾頻譜，應(yīng)當(dāng)盡量去除。 在本系

15、統(tǒng)中，重量信號的頻譜主要集中在 40Hz 以內(nèi)，所以我們要設(shè)計(jì)截止頻率約 40Hz 的低通濾波器。濾波方式可分為硬件和軟件濾波，硬件濾波效果好，軟件濾波成本低，在這里采用單向橋式整流濾波電容濾波，減小了紋波和電路間的電磁干擾。 該電路工作原理：設(shè)U2= U2msinwt=U2sinwt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期還是在負(fù)半周期，電源電壓U2一方面向RL供電，另一方面對電容C進(jìn)行充電，由于充電時(shí)間常數(shù)很?。ǘO管導(dǎo)通電阻和變壓器內(nèi)阻很?。?，所以，很快充滿電荷，使電容兩端電壓UC基本接近U2m，而電容上的電壓是不會突變的?，F(xiàn)假設(shè)某一時(shí)刻U2的正半周期由零開始上升，因?yàn)榇藭r(shí)電容上電壓UC基

16、本接近U2m，因此U2UC，D1、D2、D3、D4管均截止，電容C通過RL放電，由于放電時(shí)常數(shù)td=RLC很大（RL較大時(shí)），因此放電速度很慢，UC下降很少。與此同時(shí)，U2仍按 U2sinwt的規(guī)律上升，一旦當(dāng)U2UC 時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，U2對C充電。然后，U2又按 U2sinwt的規(guī)律下降，當(dāng)U2UC 時(shí)，二極管均截止，故C又經(jīng)RL放電。同樣，在U2的負(fù)半周期也會出現(xiàn)與上述基本相同的結(jié)果。這樣在U2的不斷作用下，電容上的電壓不斷進(jìn)行充放電，周而復(fù)始，從而得到一近似于鋸齒波的電壓UL= UC，使負(fù)載電壓的紋波大為減小。由以上分析可知，電容濾波電路有如下特點(diǎn)：a）RLC越大，電容放電速度越慢，

17、負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取 RLC(35)T/2 式中，T為交流電源電壓的周期。b）RL越小輸出電壓越小。若C值一定，當(dāng)RL，即空載時(shí)有ULO= U21.4 U2。當(dāng)C=0，即無電容時(shí)有ULO0.9 U2。當(dāng)整流電路的內(nèi)阻不太大（幾W）和電阻RL電容C取值滿足上式時(shí)，有ULO(1.11.2) U2 總之，電容濾波適用于負(fù)載電壓較高、負(fù)載變化不大的場合2.2.4 穩(wěn)壓模塊 雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換為較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時(shí)，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的波動；另

18、一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，內(nèi)阻上的電壓將產(chǎn)生相反的變化，于是輸出電壓平均值也將隨之產(chǎn)生相反的變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會隨著電網(wǎng)電壓的波動而波動，隨著負(fù)載電阻的變化而變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。簡單穩(wěn)壓電源直接用穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，所用元器件少；但是，因?yàn)槭芊€(wěn)壓管自身參數(shù)的限制，其輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，因此只適用于負(fù)載電流較小，負(fù)載電壓不變的場合。三端集成穩(wěn)壓器電路集成穩(wěn)壓器與簡單穩(wěn)壓電路相比其電路結(jié)構(gòu)簡單，它可以通過外接元件使輸出電壓得到很寬的調(diào)節(jié)范圍。并且內(nèi)部有過熱保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)電路，可以很

19、安全的保護(hù)電路的正常工作。圖（3）時(shí)由LM137組成的基準(zhǔn)電壓源電路，電容C9用于防止產(chǎn)生自激震蕩，其值一般介于0.1-0.33F，這里取0.2F。輸入端和調(diào)整端之間的電壓時(shí)非常穩(wěn)定的電壓，其值為1.25V。輸出電流可達(dá)1.5A。圖（3） 由LM137組成的穩(wěn)壓電路由于調(diào)整端的電流可忽略不計(jì)，輸出電壓為Uo=(1+（R2+R3）/R1)1.25V由于設(shè)計(jì)要求電壓從零開始調(diào)起，LM137集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓補(bǔ)償電路來抵消LM317的1.25V最小輸出電壓，如圖（3）所示，電壓補(bǔ)償電路由R1、R2和電位器R3組成。當(dāng)調(diào)節(jié)R3減少至0,輸出電壓即為-3V。之后,當(dāng)調(diào)節(jié)R3逐漸

20、增大時(shí), U0即由-3V開始減小至-10V。負(fù)載電流的最大工作電流應(yīng)能適應(yīng)負(fù)載電流的要求。集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。3 理論分析與計(jì)算 3.1 電源變壓器選擇1）確定穩(wěn)壓電路的最低輸入直流電壓UImin :UImin(UOmax+(UI-UO)min)/0.9式中：(UI-UO)min為穩(wěn)壓器的最小輸入、輸出電壓差，而LM137的允許輸入、輸出電壓差為340V，現(xiàn)取為3V；系數(shù)0.9是考慮電網(wǎng)電壓可能波動10%。代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：UImin(10+3)0.9=14.4V這里取

21、15V。2）選擇電源變壓器： 確定電源變壓器副邊電壓及電流： U2 UImin/1.1,I2IImin因?yàn)檩敵鲭娏髯畲鬄?A,所以取I2為1.1A,U2 15/1.1=13.6V。輸入的交流電壓：U1=220v,所以變壓器的變比為：n=220/13.6=16.18, 1/n=0.062.3.2 整流二極管的選擇 因?yàn)樽儔浩鞯姆冸妷?橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為：橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為： 查手冊選整流二極管IN4001,其參數(shù)為：反向擊穿電最大整流電流故選擇二極管IN4001作為整流二極管3.3 濾波電容的選擇濾波電路可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以

22、濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。此次設(shè)計(jì)采用單向橋式整流濾波電容濾波。題目要求是5倍工頻半周期，由于要求不是很精確，則可根據(jù)負(fù)載來算。所以 C1=5*T*/2Uimin=2.1mF 所以應(yīng)選擇2.2mF的電解電容電路濾波電容承受的最高電壓為,所以所選電容器的耐壓應(yīng)大于19V.3.4 各電容的選擇 C1為輸入端濾波電容，可抵消電路的電感效應(yīng)和濾波輸入線竄入的干擾脈沖。一般取2.2mF瓷介電容。C4為保護(hù)電容，一般取10F。C8是為減小R4兩端紋波電壓而設(shè)置的，一般取10pF。C5是消振電容，防止輸出端負(fù)載呈電容性時(shí)可能出現(xiàn)的阻尼振蕩。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取100pF。3.5 集成三端穩(wěn)壓器的選擇LM1

23、37內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓高得多的紋波抑制比?？烧{(diào)整輸出電壓低到1.2V，保證1.5A輸出電流，典型線性調(diào)整率0.01%，80dB紋波抑制比，輸出短路保護(hù)，過流、過熱保護(hù)，調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)三極管封裝。LM137其特性參數(shù)：可調(diào)范圍為-1.25V-37V最大輸出點(diǎn)流為1.5A輸入與輸出工作壓差為=2.7V。輸出表達(dá)式為：其中，是集成穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V。如圖(3)所示，改變R3的值，Uo的值即可改變。當(dāng)R2短路時(shí)，Uo最大，為-3V；當(dāng)R3大于零時(shí)，Uo小于-3V。3.6 確定R1、R2的阻值穩(wěn)壓電路圖如下所示：圖4

24、 LM317電路圖輸出電壓計(jì)算公式 帶入數(shù)據(jù)可得 （1） （2）有（1）（2）可得： 解得： 4 電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體電路連接圖（見附件2）5 輸出電壓與電流的仿真調(diào)試將萬用表打到直流電壓檔，接到電路的輸出端，然后給該電路通電,通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的旋鈕改變其阻值可改變輸出電壓，還有電壓表讀數(shù)知，該電路輸出電壓完全符合-3V到-10V的設(shè)計(jì)要求，且滿足輸出電流為1A的恒壓源。6 結(jié)束語 經(jīng)過學(xué)習(xí)與實(shí)踐，我們還是把課程設(shè)計(jì)報(bào)告完成了。通過這一次的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，讓我們對模電知識更近一步的了解，對模電課程中直流穩(wěn)壓電源這一章所涉及的部分元件有了一定的認(rèn)識；掌握了選擇變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩(wěn)壓器來設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源，學(xué)會了用Multisim仿真軟件對直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行調(diào)試及各部件主要技術(shù)指標(biāo)的測試。在課程設(shè)計(jì)過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，但經(jīng)過與其他同學(xué)們的討論，終于迎刃而解。本次課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了我們運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)查找資料