小型穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作

1、濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)題目 小型穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作 系別 機(jī)電系 專業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) 班級(jí) 電技 0801 姓名 王勝卓 學(xué)號(hào) 08020120 指導(dǎo)教師 魏永峰 日期 2010 年 10 月 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)I設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)題目：小型穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作小型穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，主要技術(shù)指標(biāo)要求：1、輸出電壓可調(diào)：Uo=+3V+9V；2、最大輸出電流：Iomax=800mA；3、輸出電壓變化量：Uo15mV；4、穩(wěn)壓系數(shù)：SV0.003。設(shè)計(jì)進(jìn)度要求：設(shè)計(jì)進(jìn)度要求：第一周：選定設(shè)計(jì)題目

2、。第二周：指導(dǎo)老師對(duì)設(shè)計(jì)題目進(jìn)行詳細(xì)講解。第三周第十周：指導(dǎo)老師對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的指導(dǎo)。第十一周：查資料、收集信息，設(shè)計(jì)電路圖。第十二周：分發(fā)元件，按原理圖進(jìn)行 CAD 原理圖以及 PCB 的制作。第十三周：焊接元器件。第十四周第十五周：寫設(shè)計(jì)論文。第十六周：指導(dǎo)老師對(duì)設(shè)計(jì)報(bào)告進(jìn)行檢查、修改，并定稿設(shè)計(jì)論文。第十七周：熟悉論文，準(zhǔn)備答辯。 指導(dǎo)教師（簽名）：指導(dǎo)教師（簽名）： 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)II摘 要現(xiàn)代人類社會(huì)中，從國(guó)防到民生，從工作到生活，再到娛樂，電的應(yīng)用越來越普及，電的作用也越來越不可替代。因此，電源滲透到我們?nèi)祟惿畹姆椒矫婷?。隨著社會(huì)的發(fā)展，各種穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源，以及

3、計(jì)算機(jī)電源相繼問世并不斷地發(fā)展著。本設(shè)計(jì)涉及到的就是一種小型的、簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電源開關(guān)行穩(wěn)壓電源。該電源總的來說有四部分組成，分別是變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路。四部分相互銜接，組成了安全、可靠、節(jié)能的穩(wěn)壓電源。本設(shè)計(jì)對(duì)穩(wěn)壓器進(jìn)行了詳細(xì)的描述，包括小型變壓器材料的選擇、參數(shù)的計(jì)算等。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

4、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。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：線性穩(wěn)壓，變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)I目 錄摘 要.II1 穩(wěn)壓電源的介紹.11.1 引言 .11.2 線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)缺點(diǎn) .32 直流穩(wěn)壓電源變壓器部分的設(shè)計(jì)和制作.52.1 變壓器的材料 .52.2 設(shè)計(jì)與計(jì)算步驟 .62.3 變壓器的主要特性 .92.4 小功率電源變壓器的制造 .113 直流穩(wěn)壓電源整流與濾波電路部分的設(shè)計(jì)和制作.123.1 單相整流電路 .123.2 濾波電路 .174 小型穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì) .224.1 穩(wěn)壓電路的作用 .224.2 穩(wěn)壓電路的選擇

5、.224.3 穩(wěn)壓電源的主要性能指標(biāo) .264.4 電路設(shè)計(jì) .27致 謝.29參考文獻(xiàn).30濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)11 穩(wěn)壓電源的介紹1.11.1 引言引言1.1.1 穩(wěn)壓電源發(fā)展史1955 年美國(guó)的科學(xué)家羅那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的飽和來進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術(shù)的各種形式的精益求精不斷地被研制和涌現(xiàn)出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械振子示換流設(shè)備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備。

6、由于那時(shí)的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓高、開關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。60 年代，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器的開關(guān)電源。省掉了工頻變壓器，又使開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。70 年代以后，與這種技術(shù)有關(guān)的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關(guān)二極管、開關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來，使

7、無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域，從而使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。 任何電子線路的正常工作都離不開電源，電源有兩種：一種是直流電源（DC 既 Direct Current）；另一種是交流電源（ AC 既 Alternating Current）。而用大規(guī)模集成電路和輔助電子元件（如電阻、電容、二極管）組成的電子線路都要求電壓穩(wěn)定的直流電源供電。如果直接用干電池作為電源，由于電路電流較大，則需要頻繁的更換干電池。而我們?nèi)粘Ｋ玫碾娫淳鶠?AC220V。如何將 AC220V 電源變換為可用的直流電源呢？下面將給

8、出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的電源，小型穩(wěn)壓電源。它由變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)2四部分組成。穩(wěn)壓器的分類多種多樣，根據(jù)其主要特性來劃分：按其穩(wěn)定結(jié)果來劃分可分為直流穩(wěn)壓器和交流穩(wěn)壓器；按穩(wěn)壓電路的連接方式可分為并聯(lián)型穩(wěn)壓器和串聯(lián)型穩(wěn)壓器。1.1.2 穩(wěn)壓電源的分類 穩(wěn)壓電源主要可分為線性型穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源兩大類。直流穩(wěn)壓電源 又稱直流穩(wěn)壓器。它的供電電壓大都是交流電壓，當(dāng)交流供電電壓的電壓或輸出負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直接輸出電壓都能保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓器的參數(shù)有電壓穩(wěn)定度、紋波系數(shù)和響應(yīng)速度等。前者表示輸入電壓的變化對(duì)輸出電壓的影響。紋波系數(shù)表示在額定工作情況下，輸出電壓中

9、交流分量的大?。缓笳弑硎据斎腚妷夯蜇?fù)載急劇變化時(shí)，電壓回到正常值所需時(shí)間。直流穩(wěn)壓電源分連續(xù)導(dǎo)電式與開關(guān)式兩類。前者由工頻變壓器把單相或三相交流電壓變到適當(dāng)值，然后經(jīng)整流、濾波，獲得不穩(wěn)定的直流電源，再經(jīng)穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定電壓 (或電流)。這種電源線路簡(jiǎn)單、紋波小、相互干擾小，但體積大、耗材多，效率低 (常低于 4060)。后者以改變調(diào)整元件(或開關(guān))的通斷時(shí)間比來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達(dá)到穩(wěn)壓。這類電源功耗小，效率可達(dá) 85左右，但缺點(diǎn)是紋波大、相互干擾大。所以， 80年代以來發(fā)展迅速。 因?yàn)榫€性電源在工作時(shí)會(huì)以發(fā)熱的形式損耗大量能量，故線性電源在效率要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合中使用，線性電源廣泛用作板載

10、電源，當(dāng)板上僅需幾瓦功率時(shí)，電源損耗的功率可通過一個(gè)小散熱片耗散，如果需要與交流輸入電源隔離，可以接一個(gè)交流變壓器或模塊電源。所以，本文選用線性穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓器在電網(wǎng)絡(luò)中的作用，我們用一個(gè)框圖來形象描繪：圖 1.1 穩(wěn)壓器簡(jiǎn)視圖總的來說，在輸出功率小于 10W 的應(yīng)用場(chǎng)合，線性電源有它的用武之地，穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器輸入穩(wěn)定電壓 Ui輸出穩(wěn)定電壓Uo濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)310W 之上，散熱器會(huì)變得既大又貴，則開關(guān)電源會(huì)更有吸引力。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的為中小型直流穩(wěn)壓電源，故采用線性的，可以帶動(dòng)錄音機(jī)、隨身聽等小家用電器。1.1.3 線性穩(wěn)壓電源概述所謂線性穩(wěn)壓電源，是指在穩(wěn)壓電源電路中的調(diào)整功率管是工作在

11、線性放大區(qū)，其工作過程為：將 220V、50HZ 的工頻電壓經(jīng)過線性變壓器降壓以后，再經(jīng)過整流、濾波和線性穩(wěn)壓，最后輸出一個(gè)紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓。其原理方框如圖 1.2 所示：交交交交交交交交交交交交交交交交交1.1 交交交交交交交交 圖1.2 線性穩(wěn)壓電源原理圖1.21.2 線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)缺點(diǎn)線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)缺點(diǎn)1.2.1 線性穩(wěn)壓電源的原理基本工作原理為：工頻交流電源經(jīng)過變壓器降壓、整流、濾波后成為一穩(wěn)定的直流電。電源接上負(fù)載后，通過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，則將誤差值經(jīng)過放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過調(diào)節(jié)器

12、調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到與基準(zhǔn)值相等；如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓，則通過調(diào)節(jié)器使輸出減小。1.2.2 線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)缺點(diǎn)1. 優(yōu)點(diǎn)：1）電源穩(wěn)定度及負(fù)載穩(wěn)定度較高；2）輸出紋波電壓?。?）瞬態(tài)響應(yīng)速度快；4）線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修； 5）沒有開關(guān)干擾。2缺點(diǎn)：濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)41)功耗大、效率低，其效率一般只有 45%；2）體積大、重量重，不能微小化；3）必須有較大容量的濾波電容。另外還有穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路 、輸出連續(xù)可調(diào)的成品的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是體積大、較笨重、效率相對(duì)較低 。造成這些缺點(diǎn)的原因是：在線性穩(wěn)壓電路部分中，調(diào)整管 V 在電源的整個(gè)工作過程中，一直是工作在晶

13、體管特性曲線的線性放大區(qū)。調(diào)整管本身的功耗與輸出電流成正比。這樣調(diào)整管 V 本身的功耗會(huì)隨電源的輸出功耗的增大而增大，使調(diào)整管急劇地發(fā)熱。為了保證管子能正常工作，除選用功率大的管子，還必須給管子加上較大的散熱片。線性電源使用了 50HZ 工頻降壓變壓器，通常這種變壓器的效率只有80%90%，這樣不但增加了電源的體積和重量，而且也大大降低了電源的效率。濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)52 直流穩(wěn)壓電源變壓器部分的設(shè)計(jì)和制造2.12.1 變壓器的材料變壓器的材料2.1.1 變壓器的組成變壓器由繞組、鐵芯組成。一般而言，變壓器還有一個(gè)外殼，用來起屏蔽和固定作用。一般的變壓器具有一個(gè)初級(jí)繞組、一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞

14、組，線圈繞在鐵芯上。給初級(jí)繞組加上交流電，由于電磁感應(yīng)的原理，在次級(jí)繞組上則有電壓輸出。給初級(jí)繞組加上交流電后，在次級(jí)繞組周圍則產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，初級(jí)繞組通電后產(chǎn)生的磁力線絕大部分由鐵芯構(gòu)成回路（鐵芯的磁阻遠(yuǎn)小于空氣的磁阻） 。次級(jí)繞組繞在鐵芯上，這樣 它的線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，結(jié)果在次級(jí)繞組兩端有電壓輸出。無論在鐵芯上繞幾個(gè)次級(jí)繞組，次級(jí)線圈上都會(huì)切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。設(shè)計(jì)與制造整流濾波電路，是根據(jù)負(fù)載要求的電壓和電流來選擇電路和參數(shù)的，對(duì)變壓器副線圈上的電流和電壓提出要求，然后才能確定電源變壓器。因?yàn)樽儔浩魇蔷€性穩(wěn)壓電源中不可缺少的設(shè)備。2.1.2 變壓器的設(shè)計(jì)方法下面主要介紹

15、小功率電源變壓器， （一般為幾百瓦以下）的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)方法。1.硅鋼片 用作制造變壓器的鐵芯，按國(guó)標(biāo)要求剪裁。常見的鐵芯形狀有 U 型、E 型等多種形狀。 冷軋硅鋼片的化學(xué)成分：冷軋硅鋼片的化學(xué)成分是質(zhì)量為 3%5%的硅、0.06%的碳、0.25%的硫、0.15%的錳、0.03%的磷。鋁的分量為硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.7 倍，其余為鐵。這些元素在硅鋼片的作用是:1)碳（C）會(huì)增大鋼板的磁滯損耗，故應(yīng)盡量減少。2)硅（Si）可以減弱碳的不良作用，即減少磁滯損耗，同時(shí)又可提高磁導(dǎo)率和電阻率，延長(zhǎng)因長(zhǎng)期使用帶來的磁性變壞的老化作用。3)硫（S）會(huì)使硅鋼片產(chǎn)生熱脆，增加磁滯損耗，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶粒細(xì)化，降低磁通密度

16、。4)錳（Mn）能促使鋼中產(chǎn)生相變，對(duì)脫碳和脫硫不利，因而導(dǎo)致磁通密度濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)6降低。5)鋼中存在的雜志元素都是非磁性或弱磁性物質(zhì)，它們的存在造成晶格歪扭、錯(cuò)位、空位和內(nèi)應(yīng)力等，所以有冷軋硅鋼片、一般硅鋼片、優(yōu)質(zhì)硅鋼片等等。2.線圈骨架 用塑料、膠木板、硬質(zhì)板等絕緣材料做成。3.導(dǎo)線 用于制作變壓器的原副線圈，常用漆包線或紗包線。4.絕緣紙 用于變壓器層間與組間絕緣，有青殼紙、黃蠟綢等。2.22.2 設(shè)計(jì)與計(jì)算步驟設(shè)計(jì)與計(jì)算步驟2.2.1 選擇變壓器參數(shù)1確定副邊電壓 U2:根據(jù)性能指標(biāo)要求：Uomin=3V Uomax=9V又 Ui-Uomax(Ui-Uo)min Ui-Uo

17、in(Ui-Uo)max其中：（Ui-Uoin）min=3V，(Ui-Uo)max=40V 12VUi43V此范圍中可任選 ：Ui=14V=Uo1根據(jù) Uo1=(1.11.2)U2 （式 2.1） 可得變壓的副邊電壓：VUUO1215. 1122確定變壓器副邊電流 I2 Io1=Io又副邊電流I2=(1.52)IO1 （式 2.2）取 IO=IOmax=800mA則 I2=1.50.8A=1.2A3選擇變壓器的功率變壓器的輸出功率：濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)7PoI2U2=14.4W （式 2.3） 2.2.2 鐵芯截面的選擇對(duì)于我國(guó)的工頻 f=50Hz 的電源變壓器，用經(jīng)驗(yàn)公式 Sc=KPO

18、（式 2.4）j=1.523.75 =7.5cm2=7.510-4m2式中的 P0=P1+P22=（25+22.5）2=23.75W,Sc=bl0,l0 是 E 型鐵芯的舌寬，l0 的取值為 2.5cm；在選擇鐵芯舌寬時(shí)，鐵芯的重疊厚度 b，b 的取值為 3cm；硅鋼片的厚度 d 有 0.5mm，0.35mm 規(guī)格。在由公式 N=bd （式 2.5） =3cm0.5mm=60算出所需硅鋼片片數(shù)。系數(shù) K 由下表查出。表 2.1 功率系數(shù)對(duì)比表變壓器的功率 P0 (W)K51021.7510501.751.5501001.51.35100500 1.351.255001000 1.251.002

19、.2.3 計(jì)算每伏匝數(shù) 有磁感應(yīng)公式可得： 其中 f=50Hz，每伏匝數(shù)為U=4.44 N SC fC10-4 （式 2.6）其中 f=53HZ,每伏匝數(shù)為NO = 45 B SC =451.61047.510-4=3.75(匝/伏) SC 為鐵芯的截面積，單位為 m 。2 B 為鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為高斯。它的數(shù)值取法是，冷軋硅鋼為濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)81600018000，優(yōu)質(zhì)硅鋼片取 1000012000,一般硅鋼片取 70008000。 疊厚 疊厚 b 窗高 h圖 2.1 變壓器 E 型鐵芯因?yàn)閷?dǎo)線有電阻，副邊的每伏圈數(shù)要提高 510%，則副邊每伏圈數(shù)計(jì)算為NO1=(1+5%)N

20、O （式 2.7）=1.0545B SC=1.05451.61047.510-4 = 4 匝伏2.2.4 計(jì)算原副邊各個(gè)繞組的圈數(shù)原邊的圈數(shù)N1=N1U1 （式 2.8）那么 N1=220N0 =2203.75=825 匝伏副邊的圈數(shù)N21=N01U21=418.4=74 匝N22=N01U22=418.4=74 匝N23=N01U23=411=44 匝N24=N01U24=412=48 匝舌寬 lo窗寬 l1濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)9N25=N01U25=44.1=17 匝2.2.5 繞組線徑的選擇繞組的粗細(xì)是通過查表來選擇的，但是也可以通過用計(jì)算的方法求得。一般小功率電源變壓器的導(dǎo)線電流密

21、度 J=2.53A/mm2,所以，在知道線圈的電流I 時(shí)，由 I/J 就可以計(jì)算出導(dǎo)線的截面積。對(duì)于銅線的直徑 d 和面積 S 有公式 S=d24 （式 2.9）則d=1.13JI /當(dāng) J=2.5A/ mm2時(shí)d=0.27 I繞組的線徑都可以從上式計(jì)算得出:d0=0.27 = 0.27 =0.27(0.3+0.3+1+0.1)=0.0078mmIoId1=0.27 = 0.27 = 0.270.3=0.148mmI1Id2=0.27 = 0.27 = 0.270.3=0.148 mmI2Id3=0.27 = 0.27 = 0.271 =0.27 mmI3Id4= 0.27 = 0.27 =0

22、.270.1=8.5310-2mmI4I2.2.6 校核變壓器的窗口變壓器的窗口面積 S=l1 h （式 2.10）S=1.53.4=3.91cm2S1=730.01482+440.027+160.00853+0.0078852=3.5371 cm2 S按線徑和匝數(shù)就可校驗(yàn)變壓器的窗口大小是否合適，窗口大導(dǎo)致變壓器體積大，而太小又放不下繞組，以剛好放下繞組而剩余的空隙不大為原則。如不合適，就得再選鐵芯，直到滿意為止。本實(shí)驗(yàn)中的 S1S，所以合適。2.32.3 變壓器的主要特性變壓器的主要特性2.3.1 電壓比（匝變比）濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)10 它是次級(jí)、初級(jí)繞組匝數(shù)之比，用 N 表示。 N

23、=N2/N1=U2/U1 (式 2.11)將公式 2.11 變換一下，得： U2=U1（N2/N1） (式 2.12)從公式 2.11 可知：當(dāng) n1 時(shí)，U2U1，為升壓變壓器；當(dāng) n1 時(shí)，U2U1，稱為 1/1 變壓器（如隔離變壓器） ；當(dāng) n1 時(shí)，U2U1，稱為降壓變壓器，這是一種常用的變壓器，也是目前我們所用的變壓器。2.3.2 電壓與電流的關(guān)系 為了分析方便,假設(shè)變壓器是無損耗的,那么初級(jí)輸入功率等于次級(jí)輸出功率,即 P1P2，由 PUI，得出： U1I2U2I1 U2/U1I1/I2 (式 2.13) 從公式 2.13 可知，當(dāng) U2U1時(shí)（即 n1)，有 II；當(dāng) UU 時(shí)（

24、即 n1） ，有 II；換句話說在降壓變壓器中，次級(jí)輸出小電壓大電流，次級(jí)輸出電流大于初級(jí)輸出電流，所以這種變壓器的次級(jí)繞組線徑比初級(jí)繞組線徑大；在升壓變壓器中，次級(jí)輸出大電壓小電流次級(jí)輸出電流小于初級(jí)輸入電流，所以這種變壓器的次級(jí)繞組的線徑比初級(jí)繞組線徑細(xì)。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，變壓器是存在損耗的，但電壓與電流的關(guān)系仍符合以上所述的關(guān)系的。2.3.3 阻抗關(guān)系變壓器可進(jìn)行電壓交換，在某些場(chǎng)合則是它的阻抗變換特性。利用歐姆定律，可得： PU2/Z； P1P2； U12/Z1U22/Z2；濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)11根據(jù)公式 2.11，可得： Z2/Z1U22/U12 （式 2.14）(U2/U1) 2

25、 (N2/N1) 2 n2 由上式分析可知，Z2,Z1之間的關(guān)系與 n2有關(guān)；當(dāng) N2N1時(shí)，Z2Z1，這說明變壓器初級(jí)的輸入阻抗等于次級(jí)的負(fù)載阻抗，此時(shí)變壓器無阻抗變換作用；當(dāng) N2N1時(shí)，Z1Z2/ n2，這說明變壓器初級(jí)的輸入阻抗相當(dāng)于提高（1/ n2）倍的次級(jí)負(fù)載阻抗；當(dāng) N2N1時(shí)，Z1Z2/ n2，這說明變壓器初級(jí)的輸入阻抗相當(dāng)于降低 n2倍的次級(jí)的負(fù)載阻抗；在放大器的極間耦合電路中，為了能使負(fù)載獲得最大的激勵(lì)阻抗，往往采用變壓器（阻抗變換器）來進(jìn)行阻抗的匹配。因?yàn)樽罴炎杩蛊ヅ涞臈l件是激勵(lì)信號(hào)源內(nèi)阻等于負(fù)載阻抗，此時(shí)能使負(fù)載獲得最大功率。2.42.4 小功率電源變壓器的制造小功率電

26、源變壓器的制造2.4.1 制造方法1.畫圖紙2.制作線圈骨架根據(jù)各繞組的情況，里面的線圈的陰線頭是從線圈骨架上打眼引出。3.繞線先繞原線圈，繞完后加裹絕緣紙，然后再繞各個(gè)副線圈。4.測(cè)試給繞好的線圈加上鐵芯，加電后測(cè)量各個(gè)副邊的電壓是否合適。如不合適，就需要進(jìn)行調(diào)整副邊的圈數(shù)。5.預(yù)烘干浸 302 絕緣漆6.再烘干濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)123 直流穩(wěn)壓電源整流與濾波電路部分的設(shè)計(jì)和制造3.13.1 幾種單相整流電路幾種單相整流電路3.1.1 單相橋式整流電路電路整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)為具有直流電成分的脈動(dòng)直流電。濾波電路是將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。穩(wěn)壓電路對(duì)整

27、流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。3.1 單相橋式整流電路1. 工作原理單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，其電路如圖3.1（a）所示： （a） 整流電路濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)13（b）波形圖圖 3.1 單相橋式整流電路在分析整流電路工作原理時(shí)，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦?。根?jù)圖 3.1（a）的電路圖可知：當(dāng)正半周時(shí) D1、D3二極管導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。當(dāng)負(fù)半周時(shí) D2、D4二極管導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單相脈動(dòng)電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖 3.1（b）

28、。2參數(shù)計(jì)算根據(jù)圖 3.1（b）可知，輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為：VO=VL=1/0V2sintd（t） （式 3.1）22U2234t0234t02U2ti0ti0t0RL2U2t02U22U2RL2U2RLD2D2D1D1iO OU2U22D1D1V VU0U0濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)14=2/V2=0.9V22=10.8V 流過負(fù)載的平均電流為：IL=2V2/RL2=0.9V2/RL =10.8V/RL流過二極管的平均電流為：ID=IL/2=V2/RL=0.45V2/RL=5.4V/ RL2二極管所承受的最大反向電壓為：VRmax=V2=17V

29、 2橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為：A4 . 028 . 02oI查手冊(cè)選整流二極管 IN4001，其參數(shù)為：反向擊穿電壓 UBR=50V17V最大整流電流 IF=1A0.4A流過負(fù)載的脈動(dòng)電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動(dòng)電壓做傅里葉分析。此時(shí)諧波分量中的二次諧波幅度最大，最低次諧波的幅值與平均值的比值稱為脈動(dòng)系數(shù) S。U0=V2(2/-4/3cost-4/15cos4t+)2S=(4V2/3)/(2V2/)=2/3=0.67223.1.3 單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線是輸出電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系曲線VO=f(IO)該曲線如圖 3.2 所示。

30、曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。圖 3.2 負(fù)載特性曲線0UOIO0.9U2濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)153.1.2 單相半波整流電路單相整流電路除橋式整流電路外，還有單相半波和全波兩種形式。單相半波整流電路如圖 3.3（a）所示，波形圖如圖 3.3（b）所示： 圖 3.3 單相半波整流電路根據(jù) 3.3 可知，輸出電壓在一個(gè)工頻周期內(nèi)，只是正半周導(dǎo)電，在負(fù)載上得到的是半個(gè)正弦波。負(fù)載上輸出平均電壓為： VO=VL=1/20V2sintd（t） （式 3.2）2=/V2=0.45V2=5.4V2流過負(fù)載和二極管的平均電流為：（a）電路圖（b）波形圖2U2234 tU20234 t02U2 ti0

31、ti0R L2U2R L2U2R LDD1iO=UOUD濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)16ID=IL=V2/RL=0.45V2/RL2二極管所承受的最大反向電壓為：VRmax=V2=17V23.1.3 單相全波整流電路 單相全波整流電路如圖 3.4（a）所示，波形圖如圖 3.4（b）所示： （a）整流電路圖 2U2234 tU20 t02U2 t0 tv0R L t02U22U2R LD1 t022U2R L2U2vOiOiD2iD1 （b）波形圖圖 3.4 單相全波整流電路濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)17根據(jù)圖 3.4（b）可知，全波整流電路的輸出，與橋式整流電路的輸出相同。輸出平均電壓為：VO=VL

32、=1/0U2sintd（t） （式 3.3）2=2/U2=0.9U2=10.8V2流過負(fù)載的平均電流為：IO=IL=2V2/RL=0.9U2/RL2二極管所承受的最大反向電壓為：VRmax=2U2=34V2單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù) S 與單相橋式整流電路相同。S=(4V2/3)/(2V2/)=2/3=0.67 22單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而半波和全波整流電路中均有直流分量流過。所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在相同的功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源之中。注意：整流電路中的二極管是做為開關(guān)運(yùn)用的

33、。整流電路既有交流量，又有直流量，通常有如下要求：輸入（交流）： 用有效值或最大值；輸出（交直流）： 用平均值；整流管正向電流： 用平均值整流管反向電壓： 用最大值?？紤]到成本與性能，我們一般采取橋式整流的方式。它相對(duì)半波、全波整流而言，具有二極管反向耐壓值較小，通過二極管的電流較小，同時(shí)能量的利用率高等特點(diǎn)。3.23.2 濾波電路濾波電路3.2.1 電容濾波電路1濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器 C 對(duì)直流開路，對(duì)交流阻抗小，所以 C 應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器 L 對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此 L 應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分濟(jì)

34、源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)18量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。2電容濾波電路現(xiàn)以單相橋式電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖 3.5 所示，負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容 C。圖 3.5 單相橋式電容濾波整流電路3濾波原理假如電路處于正半周，二極管 D1D3導(dǎo)通，變壓器次級(jí)端電壓 V2給電容器 C充電。此時(shí) C 相當(dāng)于并聯(lián)在 V2上，所以輸出波形同 U2，是正弦波。圖 3.6 橋式整流、電容濾波時(shí)的電壓、電流波形濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)19當(dāng) U2到達(dá) 900時(shí)，V2開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容 C 就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載 RL放

35、電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過 900時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。剛過 900時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過 900后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。所以，在 t1到 t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，C 充電，Uc=Ut按正弦規(guī)律變化；t2到 t3時(shí)刻二極管關(guān)斷，Uc=Ut按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為 RLC。電容濾波過程見上圖 3.6。 圖 3.7 RLC 不同時(shí) V0 的波形需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù) RLC 增加時(shí)，t1點(diǎn)要右移，t2點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)通角減少，見曲線 3；反之，RLC 減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然，當(dāng) RL很小，

36、即 IL很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見圖 3.7 濾波曲線中曲線 2。反之，當(dāng) RL很大，即 IL很小時(shí)，盡管 C 較小，RLC 仍很大，電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的曲線 3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場(chǎng)合。4電容濾波的計(jì)算電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因此決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線可供查詢。一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)20 VL=VO=V2(1-T/4RLC) （式 3.4）2另一種是在 RLC=(35)T/2 的條件下，近似認(rèn)為 VL=V0=1.2V2。 （或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應(yīng)滿足 RLC610

37、）濾波電路中濾波電容的選擇濾波電容的大小可用式 （式 3.5）求得。1）求 Ui:根據(jù)穩(wěn)壓電路的的穩(wěn)壓系數(shù)的定義： （式 3.6） 設(shè)計(jì)要求 Uo15mV ，SV0.003 Uo=+3V+9V Ui=14V代入上式，則可求得 Ui2）濾波電容 C設(shè)定 Io=Iomax=0.8A，t=0.01S 則可求得 C。電路中濾波電容承受的最高電壓為17V，所以所選電容器的耐壓應(yīng)U2大于 17V。5外特性整流濾波電路中，輸出直流電壓 VL隨負(fù)載電流 IO的變化關(guān)系曲線如圖 3.8所示：ioUtICiiooVUUUUS濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)210UOIO0.9U22U2容容容容容容容容圖 3.8 純電阻和

38、電容濾波電路的輸出特性 表 3.1 幾種整流濾波電路的特性名稱VL（空載）VL（帶載）二極管反向最大電壓每管平均電流半波整流V220.45V2V22IL全波整流電容濾波V221.2V22V220.5IL橋式整流電容濾波V221.2V2V220.5IL全波整流電感濾波V220.9V2V220.5IL RL=, V0=V22C=0, V0=0.9V2Dd=RLC(35)T/2V01.2V2濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)224 小型穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)4.14.1 穩(wěn)壓電路的作用穩(wěn)壓電路的作用交流電整流再經(jīng)濾波后就能得到直流了，但這樣的直流輸出電壓，還會(huì)隨交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的波動(dòng)而變化。在對(duì)直流供

39、電要求較高的場(chǎng)合，還需要使用穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的功能就在于，使變化的電壓通過電路的調(diào)節(jié)作用輸出變化很小的電壓，以保證直流電壓更加穩(wěn)定。4.24.2 穩(wěn)壓電路的選擇穩(wěn)壓電路的選擇目前，在小功率設(shè)備中廣泛采用三種穩(wěn)壓電路，一種是用硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電路，其特點(diǎn)是電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，所用的元件少，在負(fù)載變化較小時(shí)可達(dá)到較高的電源穩(wěn)壓度。但因輸出電流受到穩(wěn)壓管電流的限制不易做到很大，而且輸出的電壓受穩(wěn)壓管管型的限制不能調(diào)節(jié)。另一種是由晶體管組成的串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路，輸出電壓穩(wěn)壓度很高，而且電壓可以調(diào)節(jié)，又可輸出較大的電流。第三種就是集成穩(wěn)壓器，由于集成穩(wěn)壓器具有體積小、外接線路簡(jiǎn)單、使用方便、工作可靠和通用性

40、強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，由此在各種電子設(shè)備中應(yīng)用十分普遍，基本上取代了由分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。下面我們以選擇串聯(lián)型集成穩(wěn)壓器作為設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行敘述。4.1.1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成圖 4.1 是由分立元件組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的電路圖，因調(diào)整管 T1 (3DA1A_)與負(fù)載是串聯(lián)關(guān)系而得名。其整流部分為單相橋式整流、電容濾波電濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)23路。穩(wěn)壓部分為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，它由調(diào)整元件（晶體管 T1） ；比較放大器T2（3DG4） ；R4；取樣電路 R1、R2、RW，基準(zhǔn)電壓 DW、R3組成。 穩(wěn)壓原理整個(gè)穩(wěn)壓電路是一個(gè)具有電壓串聯(lián)負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，其穩(wěn)壓過程為：當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)或負(fù)載變化引起輸出電壓發(fā)生

41、變化時(shí)，取樣電路取出輸出電壓的一部分送入比較放大器，并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)經(jīng) T2 放大后送至調(diào)整管 T1 基極，使調(diào)整管改變其管壓降，以補(bǔ)償輸出電壓的變化，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。T13D A1AT23D G4RwDw2CW 5R3R4R1RLR2C2C1+EwIIL1T13D A1AT23D G4RwDw2CW 5R3R4R1RLR2C2C1+EwIIL1圖 4.1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源實(shí)驗(yàn)電路4.1.2 集成穩(wěn)壓器的介紹隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。由于集成穩(wěn)壓器具有體積小、外界線路簡(jiǎn)單、工作可靠和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在各種電子設(shè)備中應(yīng)用十分普遍，基本上取代

42、了有分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。集成穩(wěn)壓器的種類很多，應(yīng)根據(jù)設(shè)備對(duì)直流電源的要求來進(jìn)行選擇。對(duì)于大多數(shù)電子儀器、設(shè)備和電子電路來說，通常是選用串聯(lián)線性集成穩(wěn)壓器。而在這種類型的器件中，又以三端式集成穩(wěn)壓器應(yīng)用最為廣泛。W78、W79系列三端式集成穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的，在使用中不能進(jìn)行調(diào)整。W78系列三端式集成穩(wěn)壓器輸出正極性電壓，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 七個(gè)檔次，輸出電流最大可達(dá) 1.5A（加散熱片） 。同類型 78M 系列穩(wěn)壓器的輸出電流為 0.5A，78L 系列穩(wěn)壓器的輸出電流為RLUO濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)240.1A。若要求負(fù)極性輸出電壓，則可選用 W

43、79系列穩(wěn)壓器。圖 4.2 為 W78、W79系列的外形和接線圖。圖 4.2 三端集成穩(wěn)壓器圖 4.3 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路它們都有三個(gè)引出端:輸入端(不穩(wěn)定電壓輸出端)、輸出端(穩(wěn)定電壓輸出端)、公共端。使用時(shí)應(yīng)注意：W78和 W79系列產(chǎn)品是哪個(gè)引出端的功能不同，不可錯(cuò)接。除固定輸出三端穩(wěn)壓器外，還有可調(diào)式三端穩(wěn)壓器，后者可通過外接元件對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不停地需要。圖 4.3 為三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路。圖中輸入端電容 Ci用以抵消輸入端較長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)，以防止產(chǎn)生自激振蕩，一版取值為0.33F。輸出端 CO用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，減少高頻噪聲，其典型

44、值為1F。為了使穩(wěn)壓器正常工作，其輸入電壓 Ui數(shù)值至少比輸出電壓 UO高出23V。圖 4.4 為同時(shí)輸出正、負(fù)雙電壓的穩(wěn)壓電路，由于采用了兩片穩(wěn)壓數(shù)值相等、極性相反的三端集成穩(wěn)壓器 W7815 和 W7915，在輸出端同時(shí)獲得了對(duì)稱的濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)25穩(wěn)定輸出電壓。這種對(duì)稱直流電源在很多電子電路中得到應(yīng)用。圖 4.4 輸出正、負(fù)雙電源的穩(wěn)壓電路LM317 系列和 lM337 系列的引腳功能相同，管腳圖和典型電路如圖 4.5 和圖 4.6。圖 4.5 LM317 圖 4.6 典型電路圖輸出電壓表達(dá)式為: (式 4.1)11125. 1RRPUo式中，電壓是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間

45、的固有參考電壓，此電壓REFV加于給定電阻兩端，將產(chǎn)生一個(gè)恒定電流通過輸出電壓調(diào)節(jié)電位器，電1R1RP濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)26阻常取值，一般使用精密電位器，與其并聯(lián)的電容器 C 可1R2401201RP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。LM317 其特性參數(shù)：輸出電壓可調(diào)范圍：1.2V37V輸出負(fù)載電流：1.5A輸入與輸出工作壓差 U=Ui-Uo：340V能滿足設(shè)計(jì)要求,故選用 LM317 組成穩(wěn)壓電路?？烧{(diào)式集成穩(wěn)壓器，常見主要有 CW317、CW337、LM317、LM337。317 系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，337 系列穩(wěn)壓器輸出連可調(diào)的負(fù)電壓，可調(diào)范圍為 1.2V37V，最大輸出電流為 1.5A。穩(wěn)壓內(nèi)部含有過流、過熱保護(hù)電maxOI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。LM317 系列和lM337 系列的引腳功能相同。4.34.3 穩(wěn)壓電源的主要性能指標(biāo)穩(wěn)壓電源的主要性能指標(biāo)4.3.1 參數(shù)計(jì)算1.輸出電壓 UO和輸出電壓調(diào)節(jié)范圍 Uo =R1+ RW+ R2(R2+RW)(UZ+UBE2) =1.2V37V （