模電集成直流穩(wěn)壓源課程設計報告

課程設計任務書工作單位：信息工程學院題目：集成直流穩(wěn)壓源的設計初始條件：副邊電壓15V、功率20W的變壓器一個，IN4001型號的二極管四個，型號為IN4148的二極管一個，2200uF/25V的電解電容兩只，10uF電容一個，1uF及0.1uF的鉭電容各一個，可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW317—個，電阻器240Q、18Q和4.7KQ的滑動變阻器各一個，散熱片、電路板、導線若干。要求完成的任務：已知條件：集成穩(wěn)壓器CW317。性能指標要求：輸出電壓+3V~+9V可調(diào)，輸出電流Iomax=1A；omax紋波電壓：小于或等于5mV電壓調(diào)整率：KuW3%電流調(diào)整率：％W1%時間安排：第14周理論講解，時間：禮拜一5，6節(jié)地點：鑒四605第14-20周理論設計、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）指導教師簽名： 年月日系主任（或責任教師）簽名： 年月日集成直流穩(wěn)壓源的設計目錄：設計任務與要求………3設計報告的具體內(nèi)容…………………..4考慮過的方案……………11元件參數(shù)的選擇…………13電路安裝與指標測試………………….15性能測試數(shù)據(jù)……………1618實際調(diào)試過程18收獲與體會………………19元件清單………………….20參考文獻…………………211、設計任務與要求1.1設計目的：通過集成直流穩(wěn)壓源的設計、安裝、和調(diào)試，要求學會：選擇變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩(wěn)壓器來設計直流穩(wěn)壓電源

1.1.2掌握直流穩(wěn)壓電路的調(diào)試及主要技術指標的測試方法。1.1.3學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經(jīng)驗，掌握模擬電路設計的基本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調(diào)試能力。、設計報告的具體內(nèi)容：直流穩(wěn)壓電源的一般設計思路為：由輸出電壓U、電流I確定穩(wěn)壓電路形式，o 0通過計算極限參數(shù)（電壓、電流和功耗）選擇器件；由穩(wěn)壓電路所要求的直流電壓、直流電流輸入確定整流濾波形式，選擇整流二極管及濾波電容并確定變壓器的副邊電壓的有效值，電流的有效值及變壓器功率。最后由電路的最大功耗工作條件確定穩(wěn)壓器、擴流功率管的散熱措施。輸入電壓U的確定:為保證穩(wěn)壓器在電網(wǎng)量低時仍處于穩(wěn)壓狀態(tài)，要求o min.(2-1)式中，（u是穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差，典型值為3V。按一般min電源指標的要求，當輸入交流電壓輸入電壓U的確定:為保證穩(wěn)壓器在電網(wǎng)量低時仍處于穩(wěn)壓狀態(tài)，要求o min.(2-1)式中，（u是穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差，典型值為3V。按一般min電源指標的要求，當輸入交流電壓220V變化土10%時，電源應穩(wěn)態(tài)。所以穩(wěn)態(tài)電路的最低輸入電壓+(U-U) ]/0.9oi o min(2-2)另一方面，為保證穩(wěn)壓器安全工作，要求UWU +（U-U） （2—3）i omin i o max式中（u-U）是穩(wěn)壓器允許的最大輸入輸出壓差，典型值為35Voi o max直流穩(wěn)壓電源一般由直流電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如下。5FT-穗壓電路圖2.1直流穩(wěn)壓源基本框圖變壓電路電源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓ui。變壓器副邊與原邊的功率比為p2/p1=n (2-4)式中，n為變壓器的效率。經(jīng)變壓器后，電壓的波形圖如下：整流電路：整流電路將交流電壓ui變換成脈動的直流電壓。常用的直流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波、倍壓整流電路。各濾波電容C滿足：RL1RL1C=(3~5)T/2 (2 -5)式中T為輸入交流信號周期；RL1為整流濾波電路的等效負載電阻。次實驗的整流部分主要采用橋式電路，即由四個二極管交叉而成。D1D2[RlN400jRlN40O1T1NLT_PQ_4_10D4D31N400&1N40O11.圖2.3橋式整流典型電路但使用二極管時應注意以下問題：最大整流電路If指二極管長期運行允許通過的最大反向平均電流。若使用時超過此值，有可能燒壞二極管。

最高反向工作電壓Urm指允許施加在二極管兩端的最大方向電壓通常為擊穿電壓的一半。反向電流Ir指二極管未擊穿時的反向電流值。其值會隨溫度的升高而急劇增加，其值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。但是反向電流值會隨溫度的上升而顯著增加。最高工作頻率f指保證二極管單向?qū)щ姇r的最高導電頻率。當工作頻率超過其限度時，二極管的單向?qū)щ娦阅芫蜁儾睢蚴秸麟娐废喈斢诶硐攵O管，及正偏時導通，電壓降為零，相當于理想開關閉合；反偏時截止，電流為零，相當于理想開關斷開。在交流電壓的整個周期始終有同方向的電流流過負載電阻R,故R上得到單方向全波脈動的直流電壓。在橋式整流電路中，由于每兩只二極管只導通半個周期，故流過每只二極管的平均電流僅為負載電流的一半，在輸入電壓的正半周期，D1和D3導通時，可將它們看成短路，這樣D和D就并聯(lián)在輸入電壓上，其承受的反向峰值電壓為24TOC\o"1-5"\h\zV=V2V (2—6)RM 2同理D和D導通時，D和D截止，其承受的反向峰值電壓值，大小與上2 4 1 3式相同。整流后電壓波形圖如下:2.3濾波電路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)。為了獲得平滑的直流電壓，應在整流電路的后面加接濾波電路，以濾去交流部分。在整流器的輸出端并聯(lián)一個電容器，就是電容濾波器，一個實際的單相橋式整流濾波電路圖如T1p

LTN410D2D121N400X1N40O1+C1斗10uFT1p

LTN410D2D121N400X1N40O1+C1斗10uFR118QD4盍1N4O0^1N4OO1D3圖2.5濾波的典型電路其工作原理為：當負載R未接入時的情況，設電容兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當輸入電壓v為正半周期時，v通過D]、D3向電容C充電，v為負半周期時，經(jīng)D、D向電容充電，充電電流方向相同。24充電時間常數(shù)t=RC （2-6）式中R為包括變壓器二次繞組的直流電阻和二極管D的正向電阻。由于R—般很小，故充電的時間常數(shù)也就很小，因此電容器上的電壓很快充電到交流電壓v的最大值1.414v。因而使整流二極管的外加要么為反向電壓，要么為零電壓；此時，電容器無放電回路，故輸出電壓V（即電容兩端的電壓）保持在1.414V,輸出為o2恒定的直流，如圖所示：圖2.6濾波后的電壓波形濾波電路通常由電抗元件組成，由于電抗元件在電路中有儲能的作用，并聯(lián)的電容C在電源供給的電壓升高時，可以把部分能量儲存起來，而當電源電壓降低時，又可以把電場能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用。濾波電路形式多種多樣，依不同的劃分標準又可進行不同的分類，根據(jù)需要選擇。在整流電路采用電容濾波后使二極管得到的時間縮短，由于電容C充電的瞬時電流較大，形成了浪涌電流，容易損壞二極管，故在選擇二極管時，必須留有足夠的電流余量，以免燒壞。2.4穩(wěn)壓電路2.4.1三端集成穩(wěn)壓器分為固定式和可調(diào)式兩種。在此選用LM317可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器。LM317三端可調(diào)正輸出穩(wěn)壓器的輸出電壓范圍為1.2-37V，最大輸出電流為1.5A，最小輸入輸出電壓差（V-V） =3V,最大輸入輸出電壓差（V-V）iomin io=40V。max為保證穩(wěn)壓器能正常工作，對輸入直流電壓也有所要求，一般輸入直流電壓比輸出直流電壓高出3-5V，不宜高出太多，高出太多會使穩(wěn)壓器功耗過大，易損壞穩(wěn)壓器。同時電阻要緊靠穩(wěn)壓器，防止輸出電流在連線電阻上產(chǎn)生誤差。317系列集成穩(wěn)壓器的典型應用電路如下：圖2.7 317系列集成穩(wěn)壓器典型應用電路2.4.2穩(wěn)壓器主要參數(shù)及測試方法4.2.1穩(wěn)壓系數(shù)Sv當輸出電流不變(且負載為確定值)時，輸入電壓變化將引起輸出電壓變化，則輸出電壓相對變化量于輸入電壓相對變化量之比，定義為穩(wěn)壓系數(shù)，用sv表示TOC\o"1-5"\h\zS=AVV/AVV (2—7)V Oi io測量時，如選用多位直流數(shù)字電壓表，可直接測出當輸入電壓V增加或減i少10%時，其相應的輸出電壓V、V、V,求出AV、AV，并將其中數(shù)值較oo1 o2 O1 o2大的AVo代入Sv表達式中。顯然SV愈小，穩(wěn)壓效果愈好。2.4.2.2輸出電阻RO輸入電壓不變，當負載變化使輸出電流增加或減小，會引起輸出電壓發(fā)生很小的變化，則輸出電壓變化量與電流變化量之比，定義為穩(wěn)壓電源的輸出電阻，用RO表示。TOC\o"1-5"\h\zR=AV/AI (2—8)OOL式中Al=IL—IL(IL為穩(wěn)壓器額定輸出電流，IL=0)。L max min max min測量時，令V=常數(shù)，用直接測量法分別測出I時的V和I=0時的V,求出i lmax o1 Lmin O2AV，即可算出R。OO2.4.2.3紋波電壓紋波電壓是指輸出電壓交流分量的有效值，一般為毫伏數(shù)量級。測量時，保持輸出電壓V。和輸出電流il為額定值，用交流電壓表直接測量即可。3、考慮過的方.1方案一按照通常的設計方案，經(jīng)變壓器變壓獲得所需的電壓值，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，整流電路有四個二極管(IN4001)組成；在此脈動的直流電壓中還含有較大的紋波，所以必須通過濾波電路加以濾除，選用兩個2200uF/25V的電容用來濾波，案3從而可以得到平滑的直流電壓。經(jīng)濾波之后也并不能保證輸出穩(wěn)定的電壓，它還會隨電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度的變化而變化，故在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路，這里采用LM317可變?nèi)思煞€(wěn)壓器，穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護電路，用以穩(wěn)定輸出直流電壓。R1與R2組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓Vo=l.25(1+R/R) (2—9)12R2的值為120Q?240Q,流經(jīng)R2的泄放電流為5mA?1OmA.R］為精密可調(diào)電位器，通過調(diào)節(jié)Rp就能改變輸出電壓。選用一個型號為IN4181的二極管作為保護二極管，當輸入端短路時，給輸出電容C一個放電通路，防止C兩端電壓作用于調(diào)整管的be結，擊穿損壞穩(wěn)壓器。電容C3與R1并聯(lián)組成濾波電路，以減小輸出的紋波電壓。二極管D的作用是防止輸出端與地短路時損壞穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器的輸出電壓V。與穩(wěn)壓電源的輸出電壓相同。穩(wěn)壓器最大允許電流I…<I，輸入電壓U的范圍為：TOC\o"1-5"\h\zCM omax iU +(U-U)WUWU+(U-U) -(2—9)omax i omin i omin i o max式中，U 為最大輸出電壓；u為最小輸出電壓；(U-U)為穩(wěn)壓omax omin i omin器的最小輸入、輸出電壓差；(u-U)為穩(wěn)壓器的最大輸入、輸出壓差。i o max

U2WWWnnnn弓U2WWWnnnn弓PRL18C圖3.1方案一完整電路設計3.2方案二具體變壓方案與上述相同，根據(jù)橋式整流電容濾波，通過每個整流二極管的反峰電壓和工作電流求出濾波電容值。選擇整流二極管IN5401,濾波電容^為2200uF/25V的電解電容。如果集成穩(wěn)壓器離濾波電容C1較遠時，應在W317靠近輸入端處接上一只0.33uF的旁路電容C2。接在調(diào)整端和地之間的電容C3，是用來旁路電位器RP兩端的紋波電壓。當C3的容量為10uF時，紋波抑制比可提高20dB，減到原來的1/10。另一方面，由于在電路中接了電容c3,此時一旦輸入端或輸出端發(fā)生短路，c3中儲存的電荷會通過穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管和基準放大管而損壞穩(wěn)壓器。為了防止這種情況下C3的放電電流流過穩(wěn)壓器，在R］兩端并接一只二極管VD2。W317集成穩(wěn)壓器在沒有容性負載的情況下可以穩(wěn)定地工作。但當輸出端有500~5000pF的容性負載時，就容易發(fā)生自激。為了抑制自激，在輸出端接一只1uF的鉭電容或25uF的鋁電解電容C。該電容還可以改善電源的瞬態(tài)響應。但是接上該4電容以后，集成穩(wěn)壓器的輸入端一旦發(fā)生短路，C4將對穩(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，接一只保護二極管VD。T11N4001D61N40D11LM317AH5 _ LINEVREGVOLTAGEU26NLT_PQ_4_120D3祖1N4001D2

1N40012C6T11N4001D61N40D11LM317AH5 _ LINEVREGVOLTAGEU26NLT_PQ_4_120D3祖1N4001D2

1N40012C6三2DFF1N4001C7

2.2mFMON4R15kCKey=A50%R2240

n10uFD5C2>R3〒1uF?18C圖3.2方案二完整電路設計總的來說，方案一的設計步驟清晰，簡單明了，方案二與方案一基本類似，在經(jīng)過考慮之后，決定采用方案一的電路設計形式，這個方案性能好、工作穩(wěn)定、體積小、制作安裝簡單方便無論從經(jīng)濟方面還是從實際操作方面來說，同時結合方案二，在三端集成穩(wěn)壓器兩端加一個保護二極管。完整的電路圖如下：qnnnnnpqnnnnnp圖3.3最后確定方案完整電路4、元件參數(shù)的選擇4.1選擇變壓器)miwu)miwuiomin i o max9V+3VwVw3V+40V

i12vWVW43Vi副邊電壓V三V/1.1=12/1.1V，取V=15V，副邊電流I>I=0.8A,取2 imin 22 omaxI=1A,則變壓器副邊輸出功率P三IV=11W。2222變壓器效率n=0.7,則原邊輸入功率P］三P2/n=15.7W。為留有余地，選功率為20W的電源變壓器。4.2選整流二極管及濾波電容整流二極管D選IN4001,其極限參數(shù)為V250V, I=1A。滿足V>RM FRMV'2V,I=I的條件。2Fomac濾波電容C可由紋波電壓AV和穩(wěn)壓系數(shù)S來確定。已知，V=9V,V=12V,0pp V O iAV=5mA,S=0.003,則可得穩(wěn)壓器的輸入電壓的變化量0pp VAV=AVV/VS=2.2Vi OPPiOV濾波電容C=It/AV=3636uFci電容C的耐壓應大于邁0uF/25V的電容相并聯(lián)。26．性能測試數(shù)據(jù)穩(wěn)壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標,包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標,用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度,包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調(diào)整率）、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。6.1輸出電壓U和最大輸出電流I的測量0 omix穩(wěn)壓電源正常工作時能輸出的最大工作電流，用Iomax表示，一般情況下的工作電流Io<Iomax.穩(wěn)壓電源內(nèi)部應有保護電路,以防Io>Iomax時損壞穩(wěn)壓器。6.2輸出電壓同時測量Vo與Iomax.測試過程是：輸出端接負載RL,輸入端接220V的交流電壓數(shù)字電壓表的測量值為Vo;使RL逐漸減小，直到Vo的值下降5%,此時流經(jīng)負載RL的電流即為Iomax.6.3紋波電壓疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。穩(wěn)壓系數(shù)S的測量6.4.1穩(wěn)壓系數(shù)：在負載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即：Sv=(V-Vo)/(Vi/VI) (6-1)電壓調(diào)整率：輸入電壓相對變化為±10%時的輸出電壓相對變化量，穩(wěn)壓系數(shù)和電壓調(diào)整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。6.5輸出電阻及電流調(diào)整率輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值.電流調(diào)整率：輸出電流從0變到最大值時所產(chǎn)生的輸出電壓相對變化值。輸出電阻和電流調(diào)整率均說明負載電流變化對輸出電壓的影響，因此也只需測試其中之一即可。電路安裝與指標測試5.1安裝整流濾波電路首先應在變壓器的副邊接入保險絲，以防電源輸出端短路損壞變壓器或其他器件，整流濾波電路主要檢查二極管是否接反，否則會損壞變壓器。檢查無誤后，通電測試(可用調(diào)壓器逐漸將輸入交流電壓升到220V),用滑線變阻器做等效負載，用示波器觀察輸出是否正常。安裝穩(wěn)壓電路部分集成穩(wěn)壓器要安裝適當散熱器,根據(jù)散熱器安裝的位置決定是否需要集成穩(wěn)壓器與散熱器之間絕緣,輸入端加直流電壓U1(可用直流電源作輸入,也可用調(diào)試好的整流濾波電路作輸入),滑線變阻器作等效負載,調(diào)節(jié)電位器RP,輸出電壓應隨之變化,說明穩(wěn)壓電路正常工作。注意檢查在額定負載電流下穩(wěn)壓器的發(fā)熱情況5.3總裝及指標測試將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路相連接并接上等效負載,測量下列各值是否滿足設計要求：5.3.1UI為最高值,UO為最小值,測穩(wěn)壓器輸入,輸出端壓差是否小于額定值,并檢查散熱器的溫升是否滿足要求(此時應使輸出電流為最大負載電流)。J為最低值，U。為最大值，測穩(wěn)壓器輸入、輸出端壓差是否大于3V，并檢查輸出穩(wěn)壓情況。第一次焊接好電路，用示波器觀察輸出波形，得到直流輸出，但輸出電壓可變范圍為4OmV?2.5V,電壓偏低，不符合要求；同時觀察到輸出波形中紋波較大，不穩(wěn)定。之后改變?yōu)V波電容、抑制自激的容性負載c2以及電壓調(diào)節(jié)電阻r2的值，觀察輸出波形的變化情況。發(fā)現(xiàn)負載電阻偏小，將負載由18Q增加到470Q，電阻A?由240Q減小到120Q,發(fā)現(xiàn)輸出波形的穩(wěn)定性明顯改善，同時調(diào)節(jié)范圍變?yōu)??4.25V。考慮到電路帶負載的能力有限，將負載去掉，再次測量輸出電壓，其可調(diào)范圍變?yōu)??15.16V。收獲與體會8.1從最開始著手準備資料，到近期課程設計的結束，以長達半個月之久。期間讓我感觸最深的就是，理論和實踐確實相差很多，即使我們可以把原理弄得很清楚但當自己把元件拿到手，開始做實物時，又是另一回事兒，因為在做的過程中，我們會發(fā)現(xiàn)許多新的問題，是在理論學習中所沒有考慮過的、沒想過的。我們應該在實踐操作中發(fā)現(xiàn)問題、尋找問題，而把自己悶在課本里是不會有質(zhì)的飛躍的。當在實踐中碰上問題時，就要想方設法