交流變換為直流的穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)方案

1、交流變換為直流的穩(wěn)定電 源設(shè)計(jì)方案1.1. 設(shè)計(jì)目的及意義本次設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)流電源具有較高的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)本次設(shè) 計(jì)讓我充分理解了直流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)流電源的工作原理， 了解其工作特點(diǎn)以 及目前市面上一些直流穩(wěn)定電源存在的一些缺陷。 通過(guò)設(shè)計(jì)盡量去完善直流穩(wěn)定 電源系統(tǒng)。 使得這個(gè)電源在使用的時(shí)候盡量便捷， 盡量直觀。 在一系列的設(shè)計(jì)過(guò) 后能夠使自己初步形成工程設(shè)計(jì)的基本思想和一般設(shè)計(jì)方法。 此外通過(guò)本次設(shè)計(jì) 讓我學(xué)到了一些東西： 較熟練的掌握了電子線路仿真軟件 （Multisim2001 ）的使 用。1.2. 設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求要求完成的主要任務(wù) :設(shè)計(jì)并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電

2、源。基本要求：（1）穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化圍+ 15%- 20%條件下：a. 輸出電壓可調(diào)圍為+9V+12Vb. 最大輸出電流為1.5Ac. 電壓調(diào)整率W 0.2% （輸入電壓220V變化圍+ 15%20%下 空載到滿載）d. 負(fù)載調(diào)整率w 1% （最低輸入電壓下，滿載）e. 紋波電壓（峰-峰值）w 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(guò)流及短路保護(hù)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W 1%（輸入電壓+ 12V、負(fù)載電阻由200Q300Q變化時(shí)，

3、輸 出電流為20mA寸的相對(duì)變化率）2. 設(shè)計(jì)方案2.1. 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)2.1.1. 晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路該電路中，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）。因輸出電壓要求從0 V起 實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此要在基準(zhǔn)電壓處設(shè)計(jì)輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從 0 V開(kāi)始調(diào)節(jié)。單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路很簡(jiǎn)單， 但增加輔助電源后， 電路比較復(fù)雜， 由于都采用分立元件，電路

4、的可靠性難以保證。2.1.2. 采用三端集成穩(wěn)壓器電路該電路采用輸出電壓可調(diào)且部有過(guò)載保護(hù)的三端集成穩(wěn)壓器， 輸出電壓調(diào)整 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)一軟啟動(dòng)電路以適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動(dòng)性能。 該電路 所用器件較少，成本低且組裝方便、可靠性高。2.1.3. 用單片機(jī)制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源該電路采用可控硅作為第一級(jí)調(diào)壓元件，用穩(wěn)壓電源芯片 LM317 LM337作 為第二級(jí)調(diào)壓元件，通過(guò) AT89CS51單片機(jī)控制繼電器改變電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，從 而改變調(diào)壓元件的外圍參數(shù)，并加上軟啟動(dòng)電路，獲得 024 V， 0.1 V 步長(zhǎng)，

5、 驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)1 A，同時(shí)可以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。其硬件電路主要包括變壓器、 整流濾波電路、 壓差控制電路、 穩(wěn)壓及輸出電 壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、單片機(jī)、鍵盤(pán)顯示 等幾部分，硬件部分。正、負(fù)端壓差控制電路的作用是減少 LM317和LM337輸入端和輸出端的壓差 以降低LM317和LM337的功耗。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓芯片 LM317負(fù)壓用LM337） 及外圍器件組成， 輸出電壓控制電路采用繼電器控制的電阻網(wǎng)絡(luò)。 電阻網(wǎng)絡(luò)的每 個(gè)電阻都需要精密匹配， 電阻的精密程度直接影響輸出電壓的精度。 電壓電流采 樣電路由單片機(jī)控制實(shí)時(shí)對(duì)當(dāng)前電壓電流進(jìn)行采樣， 以

6、修正輸出電壓值。 掉電前 重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路用以保存當(dāng)前設(shè)置的電壓值， 可以方便用戶在重新上電后不用 設(shè)置，而且也不會(huì)因?yàn)殡妷褐颠^(guò)高損壞用戶設(shè)備。該電源穩(wěn)定性好、精度高，并且能夠輸出± 24 V 圍的可調(diào)直流電壓，且其 性能優(yōu)于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源， 但是電路比較復(fù)雜， 成本較高， 使用于要求 較高的場(chǎng)合。 在實(shí)際中， 如果對(duì)電路的要求不太高 （這種情況較多 ） ，多采用第二 種設(shè)計(jì)方案。2.2. 最終決定的直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)方案最終，我決定采用第二種LM317三端集成穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓源， 主要因 為它的使用非常簡(jiǎn)單， 僅需兩個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。 此外它的線性調(diào)整率 和負(fù)

7、載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM117/LM317置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保 護(hù)等多種保護(hù)電路。通常 LM117/LM317 不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM117/LM317輸入端的連線超過(guò)6英寸（約15厘米）。使用輸出電容能改變瞬 態(tài)響應(yīng)。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。電路圖如下：圖 1 LM317 集成穩(wěn)壓電路317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，可調(diào)圍為 1.237V，最大輸出電 流為1.5A。滿足設(shè)計(jì)需要。圖中R1, R2,電位器組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，電容 C1 /C2/ C3為濾波電容，電容C4與電位器并聯(lián)組成輸出濾波電容，減小輸出的 紋波電壓

8、。二極管D5的作用是防止輸出端與地短路時(shí)，電容C2上的電壓損壞穩(wěn) 壓器。2.3. 直流穩(wěn)流電源電路設(shè)計(jì)2.3.1. 高精度恒壓恒流直流穩(wěn)壓電源電路該電路可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流輸出， 但毫無(wú)疑問(wèn)的是過(guò)于復(fù)雜， 精度極高， 超出題目 要求及制作條件，故不予考慮。2.3.2. LM317 構(gòu)成的可調(diào)穩(wěn)流源電路用 12V 供電，依靠 317 的 2、3 兩端帶隙電壓恒定的特點(diǎn)，用 R3 與 RS2 的 阻值控制輸出電流的大小，達(dá)到輸出穩(wěn)定可調(diào)電流的目的。2.4 . 最終決定的直流穩(wěn)流電源電路設(shè)計(jì)方案最終我決定采用第三種設(shè)計(jì)方案，用 LM317 制作這一電路簡(jiǎn)單易行，在性 能上又能達(dá)到設(shè)計(jì)要求指標(biāo)，是最合理和最理

9、想的方案之一圖 2 LM317 集成穩(wěn)流電路3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.1. 電路圖與主要工作原理經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，我決定采用如下電路制作穩(wěn)定電源實(shí)物圖 3 整體設(shè)計(jì)電路圖3.1.1. 穩(wěn)壓模塊工作原理本電路的穩(wěn)壓電源模塊采用了 LM317集成穩(wěn)壓電源構(gòu)成的可調(diào)式穩(wěn)壓電路， 將220V-18V變壓器變出的18V交流電壓，經(jīng)過(guò)全波橋式整流后得到直流脈動(dòng)電 壓，在經(jīng)過(guò)濾波電容減小電壓脈動(dòng)，最終經(jīng)過(guò) LM317 穩(wěn)壓后得到穩(wěn)定的 1.25V 帶隙電壓。再依靠R1電阻固定電流，經(jīng)R2與RP1調(diào)整輸出端的電壓。達(dá)到輸出 穩(wěn)定可調(diào)電壓的要求。3.1.2. 穩(wěn)流模塊工作原理本電路的穩(wěn)流電源模塊采用了 LM317 集成

10、穩(wěn)壓電源構(gòu)成的可調(diào)式穩(wěn)流電路，將上一級(jí) 產(chǎn)生的 12V 穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的 4-20mA 的穩(wěn)定電流。由穩(wěn)壓源供電，仍然是依靠 LM317 的帶隙電壓，通過(guò) R4 與 R5 電阻的調(diào)節(jié)控制輸出端電流，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出可調(diào)電流的 題目要求。3.2. 主要參數(shù)的選擇與計(jì)算穩(wěn)壓電源電源變壓器的選擇電源變壓器的作用是將來(lái)自電網(wǎng)的 220V交流電壓ui變換為整流電路所需要 的交流電壓U2。電源變壓器的效率為：P2百其中P2是變壓器副邊的功率，Pi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小型變壓器的效率副邊功率P210VA10 30VA30 80VA80 200VA效率0.60.70.8

11、0.85因此，當(dāng)算出了副邊功率P2后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率 Pi。由于LM317的輸入電壓與輸出電壓差的最小值 5 Uo min 3V，輸入電壓與輸出電壓差的最大值 Ui Uomax 40V，故LM317的輸入電壓圍為:U o max(U |U °) minU lU o min(U lU o) max即12V 3V U | 9V 40V15V U i 49VU21513.6V，1.1 1.113 6輸入電壓變化圍在+ 15%20%條件下也滿足，則U2-3 170.8取 U218V變壓器副邊電流：丨2 Io max 1.5 A，取丨2 1-6 A，因此，變壓器副邊輸出功率：P2

12、I 2U 228 .8W由于變壓器的效率0.7，所以變壓器原邊輸入功率R P241W，為留有余地，選用功率為43W的變壓器。整流二極管和濾波電容的選擇由于：Urm 2U221521.2V，|°max 1.5A。IN5401的反向擊穿電壓Urm 50V，額定工作電流Id 3A l°max，故整流二極管選用 IN5401。濾波電容和公式可求得:U op pU IU°SvSv UU00 UU|0.005 183 10 312I。常數(shù)T常數(shù)2.5V所以，濾波電容:C整UiTI0 max 2Ui1.5丄502.51220.006F6000uF電容C的耐壓要大于1521.2V

13、，故取 3 只 2200 F/25V 的電解電容相并聯(lián)。電阻和電位器的選擇輸出電壓表達(dá)式為1.25 1RP1 R2R1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，此電壓 加于給定電阻R1兩端，將產(chǎn)生一個(gè)恒定電流通過(guò)輸出電壓調(diào)節(jié)電位器 RP1，電 阻RP1常取值120 240，根據(jù)LM317輸出電壓表達(dá)式，?。篟P仁500 ,R1=210,R2=1.3k 。我們RP1 一般使用精密電位器，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)10 yF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)圍：1.2

14、V37V輸出負(fù)載電流：1.5A輸入與輸出工作壓差 U=0Uo： 340V能滿足設(shè)計(jì)要求,故選用LM317組成穩(wěn)壓電路。穩(wěn)流電源R1 (1.25 0.7) / 0.0297.5選 R1 91RP (1.25 0.7) / 0.004 91 396.5選 RP 5004. 仿真及分析4.1. 穩(wěn)壓模塊的仿真改變滑動(dòng)變阻器的值，可以得到912V的直流電壓，且電壓的值隨負(fù)載的改 變量很小，滿足要求。圖 4.1 穩(wěn)壓模塊仿真圖圖 4.2 穩(wěn)壓模塊仿真圖圖 4.3 穩(wěn)壓模塊紋波圖4.2. 穩(wěn)流模塊的仿真改變滑動(dòng)變阻器阻值，可得到 420mA勺直流電流，且電流的值隨負(fù)載的改 變量很小，滿足要求。圖 5.1

15、穩(wěn)流模塊仿真圖圖 5.3 穩(wěn)流模塊仿真圖4.3. 數(shù)據(jù)整理及最終分析4.3.1. 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電壓變化圍+ 15%- 20%條件下：a.輸出電壓可調(diào)圍為+9.072V+12.073Vb 最大輸出電流為1.506AC.電壓調(diào)整率為0.177% （輸入電壓220V變化圍+ 15%一20%F，空載到 滿載）d. 紋波電壓（峰-峰值）0.25mV （最低輸入電壓下，滿載）e. 效率43.36% （輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）4.3.2. 穩(wěn)流模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖所示，穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為+ 12V的條件下：a. 輸出電流：3.12120.25

16、7mA可調(diào)b. 負(fù)載調(diào)整率為4.92%（輸入電壓+ 12V、負(fù)載電阻由200Q300Q變化時(shí)， 輸出電流為20mA時(shí)的相對(duì)變化率）4.3.3. 整體分析由以上數(shù)據(jù)可知， 本次設(shè)計(jì)基本成功， 但在細(xì)節(jié)處與要求有一定得偏差， 分 析原因主要在于， 一些元件的參數(shù)與計(jì)算值有一定得偏差， 且溫度等外部因素也 對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。5. 實(shí)物制作5.1. 穩(wěn)定直流穩(wěn)壓源的制作制作直流穩(wěn)壓源使用的元件比較多， 在采購(gòu)時(shí)， 有的元件無(wú)法買(mǎi)到， 只能用相近 的元件替代， 并且電路的焊接比較花費(fèi)時(shí)間， 在焊接的過(guò)程中， 電烙鐵在電路板 上停留時(shí)間太長(zhǎng)，焊盤(pán)容易焊壞。5.2. 穩(wěn)定直流穩(wěn)流源的制作制作直流穩(wěn)流源使用

17、的元件不是很多，但焊接還是有點(diǎn)困難。6. 設(shè)計(jì)心得及體會(huì)通過(guò)兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)， 我對(duì)電子工藝的理論有了更深的了解。 其中包括焊普 通元件與電路元件的技巧、 印制電路板圖的設(shè)計(jì)制作、 穩(wěn)壓電源的工作原理等等。 這些知識(shí)不僅在課堂上有效， 在日常生活中更是有著現(xiàn)實(shí)意義， 也對(duì)自己的動(dòng)手 能力是個(gè)很大的鍛煉。 在實(shí)習(xí)中， 我鍛煉了自己動(dòng)手能力， 提高了自己解決問(wèn)題 的能力。通過(guò)本次實(shí)踐也培養(yǎng)了我理論聯(lián)系實(shí)際的能力， 提高了我分析問(wèn)題和解 決問(wèn)題的能力， 增強(qiáng)了獨(dú)立工作的能力。 最主要的是收獲頗豐， 我基本掌握手工 電烙鐵的焊接技術(shù)， 能夠獨(dú)立的完成簡(jiǎn)單電子產(chǎn)品的安裝與焊接基本熟悉了電子 產(chǎn)品的安裝

18、工藝的生產(chǎn)流程， 了解了電子產(chǎn)品的焊接、 調(diào)試與維修方法； 其次我 更加熟悉了有關(guān)軟件 Multisim 的使用，能夠熟練的使用普通萬(wàn)用表。最重要的， 我熟悉了常用電子器件的類(lèi)別、型號(hào)、規(guī)格、性能及其使用圍，能查找資料，查 閱有關(guān)的電子器件圖書(shū)等了。另外在這次設(shè)計(jì)中， 我也遇到了不少的問(wèn)題， 幸運(yùn)的是， 最終一一解決了遇到的 問(wèn)題。在我們遇到不懂的問(wèn)題時(shí)， 利用網(wǎng)上和圖書(shū)館的資源， 搜索查找得到需要 的信息及和隊(duì)友之間相互討論顯得尤其重要了， 我明白了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。 這 次的制作也讓我們感受到， 我們?cè)陔娮臃矫鎸W(xué)到的只是很小的一部分知識(shí)， 我們 需要更多的時(shí)間來(lái)自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。參考文獻(xiàn)1 自美電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試第三版華中科技大學(xué)，20052 霞，侯傳教，孟濤，智敏 . 電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐 . 電子工業(yè)， 20093 康華光 . 電子技術(shù)基礎(chǔ) - 模擬部分第五版 .