模電課設(shè)電路設(shè)計 直流穩(wěn)定電源

1、武漢理工大學(xué)課程設(shè)計 本科生課程設(shè)計成績評定表姓 名xx性別 男專業(yè)、班級信息工程學(xué)院 通信0805班課程設(shè)計題目： 直流穩(wěn)定電源課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄：成績評定依據(jù)：最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導(dǎo)教師簽字： 2010年 1 月 30 日 目錄一.目錄 1二.課程設(shè)計任務(wù)書2三摘要及注意事項 4四直流穩(wěn)壓 51.變壓 52.整流 53.濾波 64.穩(wěn)壓 75.仿真 9五穩(wěn)流電路 111.原理 112.參數(shù)確定 113.仿真 12六DC-DC轉(zhuǎn)換 151.原理圖確定 152.仿真 15七完整電路與仿真 16八電路測試與分析18九.附錄1.元件列表 19 附錄2. 參考工具書

2、20 附錄3. Multisim簡介21課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： xx 專業(yè)班級： 通信0805班 指導(dǎo)教師： 劉雪東 工作單位： 信息學(xué)院 題 目: 直流穩(wěn)定電源 初始條件：自己設(shè)計一個符合要求的電路。元件自選，不得用成品。參數(shù)自己選擇，但要達(dá)到要規(guī)定中的要求。變壓器220->15、TS_PQ4_10、芯片LM317H *2、二極管1N4001、1N4007若干，三極管TIP31C、2N2222A若干。電解電容、瓷片電容、電阻、電位器各型號若干。保險絲、散熱片及焊接用具，耗材若干。調(diào)試用儀表以及仿真器材若干。Multisim要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說

3、明書撰寫等具體要求）必做部分：1基本要求（1）穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍15%20%條件下：a輸出電壓可調(diào)范圍為+9V+12Vb最大輸出電流為1.5Ac電壓調(diào)整率0.2%（輸入電壓220V變化范圍15%20%下，空載到滿載）d負(fù)載調(diào)整率1%（最低輸入電壓下，滿載）e紋波電壓（峰-峰值）5mV（最低輸入電壓下，滿載）f效率40%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）g具有過流及短路保護功能（2）穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為12V的條件下：a輸出電流：420mA可調(diào)b負(fù)載調(diào)整率1%（輸入電壓12V、負(fù)載電阻由200300變化時，輸出電流為20mA時的相對變化率）（3）D

4、C-DC變換器 在輸入電壓為+9V+12V條件下：a輸出電壓為+100V，輸出電流為10mAb電壓調(diào)整率1%（輸入電壓變化范圍+9V+12V）c負(fù)載調(diào)整率1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）d紋波電壓（峰-峰值）100mV （輸入電壓+9V下，滿載）選作部分：（1）擴充功能a排除短路故障后，自動恢復(fù)為正常狀態(tài)b過熱保護c防止開、關(guān)機時產(chǎn)生的“過沖”（2）提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)a提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率b擴大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值（3）改善DC-DC變換器a提高效率（在100V、100mA下）b提高輸出電壓（4）用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流時間安排：第19周理論講解，時間：禮拜

5、一5，6，7、8節(jié) 地點：鑒三204第20周理論設(shè)計、實驗室安裝調(diào)試，地點：鑒主13樓通信工程綜合實驗室、鑒主15樓通信工程實驗室（1）。序號階段內(nèi)容時間1安排任務(wù)第19周2電路選擇與繪制第20周3撰寫報告第20周4答辯第20周合 計2周指導(dǎo)教師簽名： 2010年1 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2010年 1 月 日摘 要隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，各種各樣的電氣、電子設(shè)備已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于日常工作、科研、學(xué)習(xí)等各個方面。直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器，整流濾波電路級穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器吧交流電變?yōu)橹绷麟姟＝?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直

6、流電壓輸出。本設(shè)計分別用LM317三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓電路，LM317三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)流電路和反饋式逆變電路設(shè)計直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)流電源和DC-DC變換器。通過相關(guān)知識計算出各電路中各個器件的參數(shù)，使電路性能達(dá)到設(shè)計要求中的電壓調(diào)整率，電流調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，紋波電壓等各項指標(biāo)。注意事項1 焊接時要對各個功能模塊電路進行單個測試，需要時可設(shè)計一些臨時電路用于調(diào)試。 2 測試電路時，必須要保證焊接正確，才能打開電源，以防元器件燒壞。 3 3.按照原理圖焊接時必須要保證可靠接地必做部分*首先設(shè)計直流穩(wěn)壓電路*直流穩(wěn)壓電源是將交流電變換成功率較小的直流電，一般由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等幾部分組成。整流電

7、路用來將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是輸入交流電源電壓波動、負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。1 變壓：從市電轉(zhuǎn)換為實驗用點。電源變壓器的作用是將交流電網(wǎng)提供的220V、50Hz市電變成所需的交流電壓。本實驗中選用了將220V轉(zhuǎn)換為15V的變壓器。2 整流：整流電路常用有半波整流電路和橋式整流電路。1.半波2.橋式整流電路為了克服半波整流的缺點，常采用橋式整流電路，如右圖所示，圖中V1、V2、V3、V4四只整流 二極管接成電橋形式，故稱為橋式整流。工作原理和輸出波形：設(shè)變壓器二次電壓u2=21/

8、2U2sint，波形如電壓、電流波形圖(a)所示。在u2的正半周，即a點為正，b點為負(fù)時，V1、V3承受正向電壓而導(dǎo)通，此時有電流流過RL，電流路徑為aV1RLV3b，此時V2、V4因反偏而截止，負(fù)載RL上得到一個半波電壓，如電壓、電流波形圖(b)中的0段所示。若略去二極管的正向壓降，則uOu2。電壓、電流波形在u2的負(fù)半周，即a點為負(fù)b點為正時，V1、V3因反偏而截止，V2、V4正偏而導(dǎo)通，此時有電流流過RL，電流路徑為bV2RLV4a。這時RL上得到一個與0段相同的半波電壓如電壓、電流波形圖(b)中的2段所示，若略去二極管的正向壓降，uu2。由此可見，在交流電壓u2的整個周期始終有同方向的

9、電流流過負(fù)載電阻RL，故RL上得到單方向全波脈動的直流電壓?？梢?，橋式整流電路輸出電壓為半波整流電路輸出電壓的兩倍，所以橋式整流電路輸出電壓平均值為u=2×0.45U2=0.9U2。橋式整流電路中，由于每兩只二極管只導(dǎo)通半個周期，故流過每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半，這樣V2、V4就并聯(lián)在u2上，其承受的反向峰值電壓為UR=21/2U2。同理，V2、V4導(dǎo)通時，V1、V3截止，其承受的反向峰值電壓也為UR=21/2U2。二極管承受電壓的波形如電壓、電流波形圖(d)所示。由上圖可見，在交流電壓u2的整個周期始終有同方向的電流流過負(fù)載電阻RL，故RL上得到單方 向全波脈動的直流電

10、壓?？梢?，橋式整流電路輸出電壓為半波整流電路輸出電壓的兩倍。 濾波：整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流電，但其中含有大量的交流成分（稱為紋波電壓）。應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路，濾去交流成分。1.電容濾波.電路和工作原理設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時接通電路，u2為正半周，當(dāng)u2由零上升時，V1、V3導(dǎo) 通，C被充電，同時電流經(jīng)V1、V3向負(fù)載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時間常數(shù)近似為零，因此uo=ucu2，在u2達(dá)到最大值時，uc也達(dá)到最大值，然后u2下降，此時，uc>u2，V1、V3截止，電容C向負(fù)載電阻RL放電，由于放電時間常數(shù)=RLC一般較大，電容電壓u

11、c按 指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當(dāng)下降到|u2|>uc時，V2、V4導(dǎo)通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充放電 過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓。.波形及輸出電壓 2其他形式濾波電路.電感濾波電路: 電路如下圖所示，電感L起著阻止負(fù)載電流變化使之趨于平直的作用。直流分量被電感 L 短路，交流分 量主要降在L 上  ，電感越大，濾波效果越好 。一般電感濾波電路只使用于低電壓、大電流的場合。.p 型濾波: 為了進一步減小負(fù)載電壓中的紋波可采用p 型LC濾波電路。由于C1、C2 對交流容抗小，而電 感對交流阻抗很大，因此，負(fù)載RL上的紋波電壓很小。為了更好的

12、控制電路，本實驗中選擇最常用的橋式整流電路。. 穩(wěn)壓1.引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因引起輸出電壓變化的原因是負(fù)載電流的變化和輸入電壓的變化，參見下圖。負(fù)載電流的變化會在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，從而使輸入電壓發(fā)生變化。*輸出電壓變化原因示意圖*2.穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)用穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)去衡量穩(wěn)壓電路性能的高低。 DVI和D IO引起的D VO可用下式表示1)穩(wěn)壓系數(shù)Sr 有時穩(wěn)壓系數(shù)也用下式定義2)電壓調(diào)整率SV（一般特指Vi/Vi=±10%時的Sr）3)輸出電阻Ro4）電流調(diào)整率SI 當(dāng)輸出電流從零變化到最大額定值時，輸出電壓的相對變化值。為了更穩(wěn)定的輸出+12V的直流電壓。我們采用

13、LM317芯片來控制電壓。擬采用下圖電路為原型。加設(shè)電位器，制作可調(diào)穩(wěn)定電源。使用“MULTISIM”軟件進行仿真，仿真電路圖如下。輸入電壓240V輸入電壓220V輸入電壓200V輸入電壓200V輸入電壓240V輸入電壓220V測量紋波電壓負(fù)載1兆歐負(fù)載1毫歐小結(jié)：* 當(dāng)負(fù)載在滿載和空載之間變化時，輸出電壓調(diào)整大小不超過0.2%。* 通過調(diào)整R4的值來測量通過負(fù)載的電流，當(dāng)RL=1兆歐時，Io=12.67mA； 當(dāng)RL=1毫歐時，Io=241.25mA。最大輸出電流小于1.5A。* 紋波電壓5.826uV。* 過流保護可以在變壓器前面加上一個保險絲。* 短路保護體現(xiàn)在D7,D2上，當(dāng)輸入短路時

14、，這兩個二極管可以防止電容放 電擊穿芯片。*設(shè)計穩(wěn)流電路*一、原理：穩(wěn)流指的是電流沒有大的波動，輸出穩(wěn)定平滑，并不是指電流大小不變。穩(wěn)流電源的設(shè)計一般有以下要求。1穩(wěn)流電源的主要技術(shù)指標(biāo)(1)輸出電流范圍 本項指標(biāo)是指在不穩(wěn)流情況下，輸出電流可以調(diào)節(jié)的范圍，例如輸出額定電流Io=2A,Io=1A，則其可調(diào)范圍為1.52.5A。當(dāng)然，相對于IO來說，偏離量也可能不是上下對稱的，即不是±0.5A，可能上限值大于下限值，也可能相反。(2)輸出電壓范圍 交流穩(wěn)流電源所提供的輸出電壓要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)及其阻抗、電流值等而變化，所以必須確定一個輸出電壓范圍來衡量其性能。(3)輸出電流穩(wěn)流精度它表示輸

15、出電流在額定精度內(nèi)允許“電流變化范圍I”。設(shè)輸出電流Io為2A，精度為±1，則表示當(dāng)用了穩(wěn)流器后輸出電流Io滿足1.98A2. 穩(wěn)流電源實驗參數(shù)在輸入電壓固定為12V的條件下：輸出電流：420mA可調(diào)，所以實際中采用阻值為500的滑動變阻器，和一個定值電阻串聯(lián)，所以 ，經(jīng)計算，R3=125，Vi=2.4V。輸入端電壓為12V，可采用電阻分壓的方式讓同相輸入端的電壓Vi=2.4V。分壓電阻阻值為4.7K，1.2K。實物中運放采用NE5532，NE5532是高性能低噪聲運放，它具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當(dāng)高的小信號與電源帶寬。（1）小信號帶寬：10MHz；（2）輸出驅(qū)動能

16、力：600，10V；（3）輸入噪聲電壓：5nV/HZ（典型值）；（4）DC電壓增益：50000；（5）AC電壓增益：10KHz時2200；（6）電源帶寬：140KHz；（7）轉(zhuǎn)換速率：9V/S；（8）大電源電壓范圍：±3±20V。二、電路設(shè)計與仿真負(fù)載200300歐姆負(fù)載200300歐姆本 章 小 結(jié)直流穩(wěn)壓電源由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，濾波電路可減小脈動使直流電壓平滑，穩(wěn)壓電路的作用是在 電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時保持輸出電壓基本不變。整流電路有半波和全波兩種，最常用的是單相橋式整流電路。分析整流電路時，應(yīng)分別判斷在變壓器

17、副邊電壓正、負(fù)半周兩種情況下二極管的工作狀態(tài)，從而得到負(fù)載兩端電壓、二極管端電壓及其電流波形并由此得到輸出電壓和 電流的平均值，以及二極管的最大整流平均電流和所能承受的最高反向電壓。濾波電路通常有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波，本實驗介紹了電容濾波電路。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓不可調(diào)，僅適用于負(fù)載電流較小且其變化范圍也較小的情況。在串聯(lián)型穩(wěn)壓電源中，調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓電路、輸出電壓取樣電路和比較放大電路是基本組成部分。電路中引入了深度電壓負(fù)反饋，從而使輸出電壓穩(wěn)定。 集成穩(wěn)壓器僅有輸入端、輸出端和公共端三個引出端，使用方便，穩(wěn)壓性較好。*設(shè)計DC-DC轉(zhuǎn)換*選擇 DC-AC-DC轉(zhuǎn)換升壓

18、電路如圖所示，這一電路依靠自激震蕩電路，將直流電源輸入的電能轉(zhuǎn)化為交流電壓，經(jīng)變壓器升壓后再恢復(fù)為直流。此種電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，且升壓范圍比較大，能夠達(dá)到設(shè)計要求。缺點在于輸出的電壓不穩(wěn)定，有較大波動，而且交流紋波電壓比較大。 電路測試與分析1穩(wěn)壓模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍15%20%條件下：a輸出電壓可調(diào)范圍為+8.978V+15.252Vb最大輸出電流為1.25Ac電壓調(diào)整率為0.15%（輸入電壓220V變化范圍15%20%下，空載到滿載）d負(fù)載調(diào)整率0.20%（最低輸入電壓下，滿載）e紋波電壓（峰-峰值）5.826uV（最低輸入電壓下，滿載）f

19、效率44.46%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）2穩(wěn)流模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為12V的條件下：a輸出電流：3.09619.334mA可調(diào)b負(fù)載調(diào)整率為<1%（輸入電壓12V、負(fù)載電阻由200300變化時，輸出電流為20mA時的相對變化率）3 DC-DC變換器的數(shù)據(jù)結(jié)果：DC-DC變換器 在輸入電壓為+9V+12V條件下：a輸出電壓為+99.502V，輸出電流為36mAb電壓調(diào)整率<0.1%（輸入電壓變化范圍+9V+12V）c負(fù)載調(diào)整率0.1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）d紋波電壓（峰-峰值），2.4mV （輸入電壓+9V下，滿載）數(shù)據(jù)分析由以上數(shù)據(jù)可

20、見，穩(wěn)壓模塊、穩(wěn)流模塊以基本完成題目要求，達(dá)到了各項要求指標(biāo)，說明設(shè)計合理，制作正確。而DC-DC變換器變換器模塊的各項數(shù)值沒有明顯達(dá)到題目要求，我分析原因有以下幾點：1 設(shè)計中原理參數(shù)存在問題。2電子元件存在誤差，不穩(wěn)定。附錄1元件列表穩(wěn)壓源主要器件型號參數(shù)數(shù)量穩(wěn)壓芯片LM3171變壓器18V1二極管1N400721N40015電解電容470uF1100uF110uF1滑動變阻器5011電阻12016501穩(wěn)流源主要器件型號參數(shù)數(shù)量芯片LM3171 滑動變阻器5012電阻951三極管2N869A1DCDC變換器主要器件型號參數(shù)數(shù)量變壓器18V1DC/DC芯片TIP31C1電解電容1uF1瓷片

21、電容1031三極管2N2222A2二極管 1N40011電阻3.9K14.7K11K1680K210M4保險管100V1保險管1A散熱片開關(guān)板子，跳線焊接用具附錄3參考文獻(xiàn)電子線路設(shè)計·實驗·測試 第三版，謝自美 主編，華中科技大學(xué)出版社新型集成電路的應(yīng)用-電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計，梁宗善主編，華中科技大學(xué)出版社電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計，孫梅生等編著，高等教育出版社實用單元電路及其應(yīng)用黃繼昌，張海貴；人民郵電出版社 模擬電子電路基礎(chǔ) 王衛(wèi)東，江曉安. 西安電子科技大學(xué)出版社，2003電路與電子簡明教程 王槐斌 吳建國 周國平. 華中科技大學(xué)出版社，2006附錄2Multisim簡介

22、Multisim本是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，被美國NI公司收購后，更名為NI Multisim，而V10.0是其（即NI，NationalInstruments）最新推出的Multisim最新版本。目前美國NI公司的EWB的包含有電路仿真設(shè)計的模塊Multisim、PCB設(shè)計軟件Ultiboard、布線引擎Ultiroute及通信電路分析與設(shè)計模塊Commsim 4個部分，能完成從電路的仿真設(shè)計到電路版圖生成的全過程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Co

23、mmsim 4個部分相互獨立，可以分別使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4個部分有增強專業(yè)版（Power Professional）、專業(yè)版（Professional）、個人版（Personal）、教育版（Education）、學(xué)生版（Student）和演示版（Demo）等多個版本，各版本的功能和價格有著明顯的差異。NI Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。NI Multisim 10是一個原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。NI Multisim 10的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊中查到，因此也很方便的在工程設(shè)計中使用。NI Multisim 10的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。NI Multisim 10具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、 時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、