簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源(終極版)

1、電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目 簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源 學(xué)院（部） 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào)簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計(jì)前言在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，主要采用交流電，但在某些場(chǎng)例如電解、電鍍、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等，都需要用直流電源供電。此外在電子線路合自動(dòng)控制裝置中還需要用電壓非常穩(wěn)定的直流電源。為了得到直流電，除了用直流發(fā)電機(jī)外，目前廣泛采用各種半導(dǎo)體直流電源。圖1所示是半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖，它表示把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程。整流變壓器整流電 路濾波器穩(wěn)壓環(huán) 節(jié)交流 u1u2u3uiu。負(fù)電源載tt t t t圖1 在如圖所示的直流穩(wěn)壓電源中，整流變壓器將交流電源電壓變換為符合

2、整流需要的電壓，整流電路用來(lái)將交流電壓變換為單向脈動(dòng)的直流電壓，濾波器用來(lái)減小整流電壓的脈動(dòng)程度，以適合負(fù)載的需要，穩(wěn)壓電路的作用是在當(dāng)輸入交流電源電壓的波動(dòng)、負(fù)載和溫度的變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源具有體積小、重量輕、效率高、對(duì)電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應(yīng)性強(qiáng)、輸出電壓保持時(shí)間長(zhǎng)、有利于計(jì)算機(jī)信息保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。直流穩(wěn)壓電源是電源的基礎(chǔ)技術(shù)，是最基本的穩(wěn)壓電路。此次課程設(shè)計(jì) ，就是要根據(jù)直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)和要求，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源。通過(guò)查閱大量的資料，在對(duì)比幾種不同的設(shè)計(jì)方案

3、后，我篩選出自己認(rèn)為最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，最終把該的方案的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出來(lái)，完成了對(duì)簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。目錄前言2目錄4摘要5設(shè)計(jì)要求5第一章 系統(tǒng)概述6第二章 單元電路的設(shè)計(jì)與分析11第三章 電路的安裝與調(diào)試16第四章 結(jié)束語(yǔ)18鳴謝19元器件明細(xì)表19參考文獻(xiàn)20摘要本文介紹了直流穩(wěn)壓電源的工作原理及其設(shè)計(jì)，它是一種簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源，主要是采用一些簡(jiǎn)單的電子元件即可，它是采用由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)核心部分組成，整流電路是采用單相橋式全波整流；濾波電路是以電容（1000uF）濾波；穩(wěn)壓電路是采用集成穩(wěn)壓器（W117型號(hào)）。變壓電路用變壓器將交流電路變成所需的電壓，整流

4、電路用二極管對(duì)交流進(jìn)行整流。濾波電路由電容器將脈動(dòng)電流變成直流，穩(wěn)壓電路是把直流輸出電壓穩(wěn)定化，本文在對(duì)不同方案對(duì)比后選出可行性較好的進(jìn)行了最終的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓、二極管、電容設(shè)計(jì)要求輸出直流電壓UO的調(diào)節(jié)范圍為3-12V，且連續(xù)可調(diào)；最大輸出電流ILM200mA；穩(wěn)壓系數(shù)Sr10%;具有過(guò)流保護(hù)作用。第一章 系統(tǒng)概述1.1設(shè)計(jì)思路直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路組成，如圖2。（1）首先選用合適的電源變壓器將電網(wǎng)電壓降到所需要的交流電源；（2）降壓后的交流電壓，通過(guò)選用合適的整流原件設(shè)計(jì)出整流電路整流變成單項(xiàng)脈動(dòng)直流電壓，其整流原件（晶體二極管、

5、電子二極管或晶閘管）所以能整流是因?yàn)樗麄兌季哂袉蜗驅(qū)щ姷墓残?。?）直流脈動(dòng)電壓經(jīng)過(guò)濾波電路變成平滑的、脈動(dòng)小的直流電壓，即濾除交流成分，保留直流成分，濾波電路一般有電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。（4）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的作用適當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時(shí)，能使輸出的直流電壓不受影響而維持穩(wěn)定的輸出。整流變壓器整流電 路濾波器穩(wěn)壓環(huán) 節(jié)交流 u1u2u3uIuO負(fù)電源載圖21.2不同設(shè)計(jì)方案對(duì)比實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)可有不同的方案，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們對(duì)以下兩種設(shè)計(jì)方案作出可行性分析，并且篩選出我們認(rèn)為最好設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上

6、完成了直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。方案一：穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路最簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓電源是采用穩(wěn)壓二極管來(lái)穩(wěn)定電壓的，其工作原理圖如圖3所示，經(jīng)過(guò)整流電路和濾波器得到直流電壓再經(jīng)過(guò)限流電阻和穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路連接到負(fù)載電阻上，這樣負(fù)載上得到的就是一個(gè)比較穩(wěn)定的電壓。但是此時(shí)輸出電壓還補(bǔ)課調(diào)，為了使輸出電壓可從3V調(diào)起還需要設(shè)計(jì)一個(gè)電位器，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。穩(wěn)壓二極管電位器UI Uo圖3方案二：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的電路框圖如圖4所示，該電路中，輸出電壓Uo經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓，送到運(yùn)算放大器的反相輸入端，由 穩(wěn) 壓 二 極 管 和一個(gè)電阻組成的穩(wěn)壓電路提供一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓

7、，送到運(yùn)算放大器的同相輸入端作為調(diào)整和比較的標(biāo)準(zhǔn)。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3V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3V開(kāi)始調(diào)節(jié)。調(diào)整管 UI Uo誤差放大取樣輔助電源基準(zhǔn)圖4方案三：三端穩(wěn)壓電源構(gòu)成直流可調(diào)原理框圖如圖5所示。該方案需使用三端穩(wěn)壓芯片W117作為穩(wěn)壓電路可調(diào)部分，其輸出電壓調(diào)整范圍寬，但該穩(wěn)壓電路輸出的基準(zhǔn)電壓是1.25V，而要求電壓從3V起，因此還需設(shè)計(jì)

8、電壓補(bǔ)償電路才可以實(shí)現(xiàn)。輸 出 3V 起 可 調(diào) 電 整流濾波電路三端穩(wěn)壓芯片W117補(bǔ)償電壓圖51.3方案論證與分析：方案一中的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路是最簡(jiǎn)單的獲得穩(wěn)定電壓的辦法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要的元器件簡(jiǎn)單，便于制作，但是由于受穩(wěn)壓二極管最大穩(wěn)定電流的限制，負(fù)載電流不能太大，并且負(fù)載電壓的穩(wěn)定性不夠。方案二中的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路，根據(jù)要求電壓要從3V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3V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，電路的可靠性難以保證。對(duì)于方案一，采用可調(diào)三端集成穩(wěn)壓電路，該芯片的基準(zhǔn)電壓為

9、1.25V，再設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓從3V起連續(xù)可調(diào)。所用元件較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，組裝方便且可靠性較高，此外，它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好，它能夠很好的滿足實(shí)際中大多數(shù)情況下的要求。綜上所述，顯然第三個(gè)方案較為合理。1.4總體設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖6所示,總體線路圖如圖7所示；變壓 整流 濾波 穩(wěn)壓交流 負(fù)電源 載u u u u uo t o t o t o t o 圖6圖7電路如圖7所示,在輸入端加上220V交流電壓經(jīng)過(guò)變壓器變壓之后得到合適的電壓；將降壓后的交流電壓通過(guò)整流電路變換為單向脈動(dòng)電壓。其中的整流元件（晶體二極管）組合成單相橋式整流電路，經(jīng)整流后的單向

10、脈動(dòng)電壓再經(jīng)濾波后減小了電壓的脈動(dòng)程度，逐漸達(dá)到負(fù)載的需要；經(jīng)過(guò)濾波后的電壓最后再由穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓之后將會(huì)輸出直流電U0。.而穩(wěn)壓環(huán)節(jié)是該方案的關(guān)鍵部分，根據(jù)要求輸出電壓3-12V可變輸出， 我們?cè)诜€(wěn)壓部分選用W117三端集成穩(wěn)壓器，通過(guò)調(diào)節(jié)Rp即可控制輸出電壓的值。第二章 單元電路的設(shè)計(jì)與分析2.1 變壓電路 電源變壓器是將來(lái)自電網(wǎng)的220V交流電壓變換為電路所需電壓。變壓電路如圖8:變壓器參數(shù)計(jì)算：設(shè)W317輸入電壓設(shè)為Ui則 Uomin=3V、U0max=12V、Ui-Uomax（Ui-Uo）min Ui-U0min（Ui-Ui）max其中：（Ui-Uo）min=3V，（Ui-Uo）max

11、=40V。 所以15VUi43V，穩(wěn)壓器的壓差不 圖 8宜過(guò)大，因此選擇Ui=15V。則變壓器二次側(cè)電壓U=Ui/1.2=12.5V,取U=13V考慮到變壓器上的繞組即管子上的壓降等因素，變壓器二次側(cè)電壓大約要高出10，即13*1.1=14.3V取15V。電流值I=200*1.1=220mA穩(wěn)壓器輸入輸出電流基本保持不變Ii200mA,則變壓器二次側(cè)的電流有效值為I=200*1.1=220mA這樣變壓器的輸出功率P=UI=15*0.22=3.3W。故選用10W的變壓器。2.2整流電路 在整流部分我們選用單相橋式整流電路圖如圖9所示： + a+ D1 D2 RL D4 D3 - b-圖9 變壓器

12、二次側(cè)電壓u的正半周時(shí)電路，其極性上正下負(fù)，即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，此時(shí)電路圖如圖所示，可以看出，D2,D4導(dǎo)通，D1，D3截止，負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)半波電壓。與 此 情 況 相 反 時(shí)，即在電壓u的負(fù)半周時(shí)，變壓器二次側(cè)則是上負(fù)下正D1和D3導(dǎo)通D2和D4截止，負(fù)載電阻RL上又得到另一個(gè)半波電壓，這樣，在負(fù)載電阻上又得到另一半的電壓整流后的電壓電流的波形如圖10所示 U O t圖10整流電路中二極管的參數(shù)計(jì)算：變壓器二次側(cè)電壓有效值為U=15于是URM=1.414*1522V。ID=I0/2=100mA管分立元件參數(shù)表，二查二極極管選用2CZ55B（IOM=1000mA；URWM=50V）

13、滿足電路需求。2.3濾波器 如圖11所示與負(fù)載并聯(lián)的電容濾波電路就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的濾波器。圖11下面分析該電路的工作情況：如果電路不接電容濾波器，輸出電壓波形如圖12-（a）所示，加電容濾波器后如12-（b）所示： U UO t O t（a） （b）圖12由于電容器的端電壓在電路狀態(tài)改變時(shí)不能躍變，濾波器以此為基本原理制成。在二極管導(dǎo)通時(shí)，一方面供電給負(fù)載，同時(shí)對(duì)電容器C充電。二極管導(dǎo)通后，一方面給負(fù)載供電，另一方面給電容充電，在忽略二極管，正向壓降的情況下，充電電壓uc與上升的正弦電壓u一致，電源電壓u達(dá)到最大值時(shí)Uc也達(dá)到最大值，而后u和uc都開(kāi)始下降，u安正弦規(guī)律下降，當(dāng)u<uc時(shí)，

14、二極管承受反向電壓而截止，電容器對(duì)負(fù)載放電，負(fù)載中仍有電流，而uc按放電曲線下降。在u的下個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)uuc時(shí)，二極管再行導(dǎo)通，電容器再被充電，重復(fù)上述過(guò)程。整流電路輸出電壓與輸出電流的外特性曲線如圖所示。 Uo 1.4U 0.45UO t圖13有無(wú)電容濾波時(shí)比較輸出電壓隨負(fù)載電阻的變換有較大的變化，即外特性較差或者說(shuō)帶載能力較差通常取U0=U（半波）U0=1.2U（全波）采用電容濾波時(shí)輸出電壓的脈動(dòng)程度與電容放電時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)系。RLC大一些脈動(dòng)就小一些。為了得到比較平直的輸出電壓一般要求RL（1015）1/wC，即RLC（35）T/2，式中T為電源交流電的周期。濾波電容參數(shù)計(jì)算：Ui=

15、15V,Iimax=200mA,可得RL=15/0.2=75又RLC（35）T/2，T=0.02S；電容C=（5*T）/（2R）=667F。應(yīng)取電容常數(shù)為C=1000F。2.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路如圖14所示，穩(wěn)壓部分采用三端集成穩(wěn)壓器W117，輸出的基準(zhǔn)電壓為1.25V，根據(jù)要求要使輸出電壓為3-12V可調(diào)，可與電位器Rp串聯(lián)一個(gè)電阻R2，加入只有電位器，輸出電壓只能從1.25V調(diào)起當(dāng)Rp調(diào)至0時(shí)，輸出電壓為最小值，當(dāng)Rp調(diào)至最大時(shí)，輸出電壓為最大值，因此只要合理選擇Rp與R2的電阻值即可以實(shí)現(xiàn)該電路的設(shè)計(jì)。在集成穩(wěn)壓器離濾波電容較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)在W117靠近輸入端處接上一只0.33F的旁路電容C2，

16、接在調(diào)整端和地之間的電容C3是用來(lái)旁路RP兩端的波紋電壓，當(dāng)C3為10F紋波抑制比可提高20dB,減到原來(lái)的1/10。另一方面，由于在電路中接了電容C3，此時(shí)一旦輸入端或輸出端發(fā)生短路，C3中儲(chǔ)存的電荷會(huì)通過(guò)穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管和基準(zhǔn)放大器而損壞穩(wěn)壓器。為了防止在這種情況下C3的放電電流通過(guò)穩(wěn)壓器，在R1兩端并接一只二極管D5。W117集成穩(wěn)壓器在沒(méi)有容性負(fù)載的情況下可以穩(wěn)定工作，但當(dāng)輸出端有500-5000pF的容性負(fù)載時(shí)，就容易發(fā)生自激，為了抑制自激，在輸出端接一只1F的鉭電容或25F的鋁電解電容C4。該電容還可以改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)。但是接上接地容以后，集成穩(wěn)壓器的輸入端一旦發(fā)生短路，C4將

17、對(duì)穩(wěn)壓器的輸出端放電，其放電電流可能損壞穩(wěn)壓器，故在穩(wěn)壓器的輸入與輸出端之間，接一只保護(hù)二極管D6。+- -圖14穩(wěn)壓電路中各元件參數(shù)的計(jì)算：輸出電壓與各個(gè)電阻存在關(guān)系：Uo=1+(Rp+R2)/R1X1.25 V通常情況下R1取240當(dāng)Rp為0時(shí)易知輸出有最小值3V,于是可以求出R2=336;當(dāng)Rp為最大值時(shí),輸出電壓有最大值,可求得Rp=1728故可取固定電阻R2為336,取繞組變壓器Rp=2KD5和D6分別是為了防止輸入短路和輸出短路時(shí)電容器放電使得W117損壞，查表得2CZ55B的最大反向工作電壓為50V，最大整流電流1A，滿足電路的需要因此D5、D6均選擇2CZ55B，另外取C2=0

18、.33F、C3=10F、C4=1F。第三章 電路的安裝與調(diào)試至此，簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源就設(shè)計(jì)完成了，接下來(lái)就需要根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)電路進(jìn)行安裝與調(diào)試，該電路主要可以實(shí)現(xiàn)以下四個(gè)方面的功能：（1）輸出直流電壓UO的調(diào)節(jié)范圍為3-12V，且連續(xù)可調(diào)；（2）最大輸出電流ILM200mA；（3）穩(wěn)壓系數(shù)Sr10%;（4）具有過(guò)流保護(hù)作用。為保證電路安裝與調(diào)試的順利進(jìn)行，在接線時(shí)不能只看著電路原理圖去接，應(yīng)該先把電路圖中的每個(gè)元件的原理和用途搞清楚，明白每個(gè)元件的各個(gè)管腳與它哪里相對(duì)應(yīng)，最主要的是搞清楚元件與元件之間的聯(lián)系，它們?cè)谝黄鹩性鯓拥淖饔?，它們接在一起可以?shí)現(xiàn)那些功能，它們之間有什么相互的影響，好幾個(gè)元件在

19、一起又能有怎樣的功能，弄明白了這些過(guò)后，就可以接電路了。在接電路的過(guò)程中要仔細(xì)并且得有耐心，在檢查錯(cuò)誤時(shí)要更耐心，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，首先檢查線接對(duì)了沒(méi)有，如果沒(méi)有錯(cuò)誤就看是不是元件存在問(wèn)題，遇見(jiàn)錯(cuò)誤要一步一步的來(lái)。第四章 結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)幾天的努力，在老師的細(xì)心地指導(dǎo)下及在同學(xué)的幫助下，我們順利地完成了本次課程設(shè)計(jì)。通過(guò)本次電工與電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我掌握了簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源的電子電路的設(shè)計(jì)與制作，鍛煉了我的動(dòng)手能力，在課程設(shè)計(jì)中遇到了許多問(wèn)題，我學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考，查閱資料解決問(wèn)題，大大鍛煉了我解決問(wèn)題分析問(wèn)題的能力。 在設(shè)計(jì)電路時(shí)，深深體會(huì)到設(shè)計(jì)電路時(shí)一定要細(xì)心仔細(xì)，負(fù)責(zé)會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間卻不能取得較好的效果

20、。除此之外，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我發(fā)現(xiàn)，只是單純地學(xué)習(xí)理論知識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，即使對(duì)理論知識(shí)很熟悉在實(shí)際運(yùn)用的時(shí)候也會(huì)遇到許多意想不到的問(wèn)題，而且這些問(wèn)題甚至?xí)乖O(shè)計(jì)工作難以進(jìn)行下去，所以，在以后的學(xué)習(xí)中應(yīng)該注重理論聯(lián)系實(shí)際，把所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中來(lái)，不斷增強(qiáng)自己運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，不僅會(huì)用到本課程的知識(shí)，我在設(shè)計(jì)電路時(shí)查閱了大量的資料，運(yùn)用了CAD設(shè)計(jì)，對(duì)自己綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力是一個(gè)極大的考驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)自己在許多方面都存在不足，很多知識(shí)都沒(méi)有學(xué)習(xí)到，因此，這對(duì)以后的學(xué)習(xí)是一個(gè)很好的啟發(fā)，大學(xué)中很多東西都是要靠自己去學(xué)的，當(dāng)然，我們不能盲目的去學(xué)一，應(yīng)該有針對(duì)性地學(xué)習(xí)，自學(xué)是我們學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)好一門(mén)課、一門(mén)專業(yè)重要的一種能力。一個(gè)擁有很強(qiáng)自學(xué)能力的人，他在某種程度上可以比那些自學(xué)能力相對(duì)弱的人更容易成功。因?yàn)橐粋€(gè)自學(xué)能力強(qiáng)的人，可以很快地掌握一項(xiàng)從來(lái)