課程設(shè)計(jì)-可調(diào)直流穩(wěn)壓電源

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、設(shè)計(jì)目的作用 1\o"CurrentDocument"二、設(shè)計(jì)要求 1\o"CurrentDocument"2.1直流穩(wěn)壓電源的種類及選用 1\o"CurrentDocument"2。2穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)及對(duì)穩(wěn)壓電源的要求 2\o"CurrentDocument"2。 3串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求 2三、設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn) 23。 1系統(tǒng)概述 2TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"3。2單元電路設(shè)計(jì)與分析 43。2.1降壓電路 53.2。2整流電路 5\o"CurrentDocument"3.2.3濾波電路 7\o"CurrentDocument"3.2.4穩(wěn)壓電路 9\o"CurrentDocument"3。3元件電路參數(shù)計(jì)算 10\o"CurrentDocument"3。4改進(jìn)方案 113.5電路主要測(cè)試數(shù)據(jù) 12\o"CurrentDocument"四、 總結(jié) 12\o"CurrentDocument"五、 附錄 12\o"CurrentDocument"六、 參考文獻(xiàn) 14一、 設(shè)計(jì)目的作用當(dāng)今社會(huì)人們極大的享受著電子設(shè)備帶來(lái)的便利，但是任何電子設(shè)備都有一個(gè)共同的電路一一電源電路.大到超級(jí)計(jì)算機(jī)、小到袖珍計(jì)算器，所有的電子設(shè)備都必須在電源電路的支持下才能正常工作，當(dāng)然這些電源電路的樣式、復(fù)雜程度千差萬(wàn)別.超級(jí)計(jì)算機(jī)的電源電路本身就是一套復(fù)雜的電源系統(tǒng)，通過(guò)這套電源系統(tǒng)，超級(jí)計(jì)算機(jī)各部分都能夠得到持續(xù)穩(wěn)定、符合各種復(fù)雜規(guī)范的電源供應(yīng).袖珍計(jì)算器則是簡(jiǎn)單多的電池電源電路，不過(guò)你可不要小看了這個(gè)電池電源電路，比較新型的電路完全具備電池能量提醒、掉電保護(hù)等高級(jí)功能?？梢哉f(shuō)電源電路是一切電子設(shè)備的基礎(chǔ),沒有電源電路就不會(huì)有如此種類繁多的電子設(shè)備，我們的生活也就不會(huì)這么豐富多彩了?二、 由于電子技術(shù)的特性，電子設(shè)備對(duì)電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負(fù)載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地位.三、 設(shè)計(jì)要求2。1直流穩(wěn)壓電源的種類及選用直流穩(wěn)定電源按習(xí)慣可分為化學(xué)電源、線性穩(wěn)定電源和開關(guān)型穩(wěn)定電源，它們又分別具有各種不同類型：化學(xué)電源：平常所用的干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池均屬于這一類，各有其優(yōu)缺點(diǎn).隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了智能化電池；在充電電池材料方面，美國(guó)研制員發(fā)現(xiàn)錳的一種碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放電時(shí)間，多次充電后仍保持性能良好的環(huán)保型充電電池.(2)線性穩(wěn)壓電源:線性穩(wěn)定電源有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū),靠調(diào)整管之間的電壓降來(lái)穩(wěn)定輸出。由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個(gè)很大的散熱器給它散熱，而且由于變壓器工作在工頻(50Hz)上,所以重量較大.該類電源優(yōu)點(diǎn)是穩(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;缺點(diǎn)是體積大、較笨重、效率相對(duì)較低。(3)開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源：電路型式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它變壓器不工作在工頻而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲，功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)電源因此而得名.開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠；缺點(diǎn)相對(duì)于線性電源來(lái)說(shuō)紋波較大(一般W1%V ，好的可做到十幾mVo(P-P) P-P3/17或更小）.它的功率可自幾瓦一幾千瓦均有產(chǎn)品.2.2穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)及對(duì)穩(wěn)壓電源的要求（1） 穩(wěn)定性好當(dāng)輸入電壓Usr（整流、濾波的輸出電壓）在規(guī)定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出電壓Usc的變化應(yīng)該很小一般要求.由輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標(biāo)，常用穩(wěn)壓系數(shù)S來(lái)表示：S的大小，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，，越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高.通常S約為10-2~10-4。（2） 輸出電阻小負(fù)載變化時(shí)（從空載到滿載）,輸出電壓Usc，應(yīng)基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征.輸出電阻（又叫等效內(nèi)阻）用rn表示，它等于輸出電壓變化量和負(fù)載電流變化量之比。rn反映負(fù)載變動(dòng)時(shí)，輸出電壓維持恒定的能力,rn越小，則Ifz變化時(shí)輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到1Q，甚至0。01Q。（3） 輸出電壓紋波小所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50Hz或100Hz交流分量，通常用有效值或峰峰值表示.經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，而降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù)S。2.3串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求⑴輸出電壓從1.25V開始連續(xù)可調(diào)；⑵所選器件和電路必須達(dá)到在較寬范圍內(nèi)輸出電壓可調(diào)；（3） 輸出電壓應(yīng)能夠適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動(dòng)性能；（4） 電路還必須簡(jiǎn)單可靠，有過(guò)流保護(hù)電路，能夠輸出足夠大的電流。三、設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)概述符合上述要求的電源電路的設(shè)計(jì)方法有很多種，比較簡(jiǎn)單的有3種：（1）晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路

電路框圖如圖1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，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1.25V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1.25V開始調(diào)節(jié)。J可調(diào)式集成穩(wěn)壓器7…軟啟動(dòng)電路.J可調(diào)式集成穩(wěn)壓器7…軟啟動(dòng)電路.圖2電路結(jié)構(gòu)框圖(3)用單片機(jī)制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電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1.25?24V，0.1V步長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)1A，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)、鍵盤顯示等幾部分,硬件部分原理圖如圖3所示。錯(cuò)誤!未指定書簽。方案論證與比較方案一：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用常用分立元器件，容易實(shí)現(xiàn)，技術(shù)成熟完全能夠達(dá)到技術(shù)參數(shù)的要求，造價(jià)成本低,精確度不是太高。方案二：穩(wěn)壓部分需采用一塊三端穩(wěn)壓器其他分立元器件，元器件先進(jìn)，技術(shù)成熟，完全能達(dá)到題目要求，性能較方案一需優(yōu)越一些，但成本較高。方案三:電源穩(wěn)定性好、精度高，并且能夠輸出±24V范圍內(nèi)的可調(diào)直流電壓，且其性能于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，但是電路比較復(fù)雜，成本很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，多采用第二種設(shè)計(jì)方案。綜合考慮,采用方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)。3。2單元電路設(shè)計(jì)與分析本電路采用三端集成穩(wěn)壓器電路方案，電路分為降壓電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四大部分組成。電路原理圖如圖4所示,其中IC為三端集成穩(wěn)壓器LM317，電阻R1和電容C3組成軟啟動(dòng)電路。圖4輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路原理圖3.2。1降壓電路本電路使用的降壓電路是單相交流變壓器，選用電壓和功率依照后級(jí)電路的設(shè)計(jì)需求而定.變壓器電路原理圖及其波形變換如圖5所示，變壓器的功能是交流電壓變換部分，作用將電網(wǎng)電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?，即將直流電源和?變壓器工作原理電路示意框圖本電路使用的降壓電路是單相交流變壓器，選用電壓和功率依照后級(jí)電路的設(shè)計(jì)需求而定.變壓器電路原理圖及其波形變換如圖5所示，變壓器的功能是交流電壓變換部分，作用將電網(wǎng)電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?，即將直流電源和?變壓器工作原理電路示意框圖仿真一：電源變壓器的基本特性仿真一：電源變壓器的基本特性(1)要求：電源變壓器(10:1，220V50Hz)，負(fù)載電阻:100。仿真電路：ower_ioMW::-圖7電源變壓器仿真電路圖ower_ioMW::-圖7電源變壓器仿真電路圖3。2.2整流電路整流電路的主要作用是把經(jīng)過(guò)變壓器降壓后的交流電通過(guò)整流變成單個(gè)方向的直流電，但是這種直流電的幅值變化很大。它主要是通過(guò)二極管的截止和導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路原理圖及其波形變換如圖8所示。常見的整流電路主要有全波整流電路、橋式整流電路、倍壓整流電路，而本設(shè)計(jì)選取單相橋式整流電路實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的整流功能。圖8整流電路原理圖及其波形變換圖（1） 電路圖：如圖9所示，二極管D1、D2、D3、D4四只二極管接成電橋的形式，名稱由此而來(lái)。（2） 工作原理:在V2的正半周,D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，通過(guò)D1、D3給R提L供電流，方向由上向下（圖中虛線）；圖9橋式整流電路電路圖在V2的負(fù)半周，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止，通過(guò)D2、D4給R乙提供電流，方向仍然是由上向下（圖中虛線）由此得到圖示的整流波形。（3）波形圖：圖10橋式整流電路波形圖

仿真二:橋式整流電路(1)要求：整流橋(理想)1只。(2)仿真電路:311VrmsTSFOWER10Ti3N247g100TSFOWER10Ti3N247g100o②流過(guò)負(fù)載平均電流：ID②流過(guò)負(fù)載平均電流：ID0o=V/Rl=0.9V2/Rl；③流過(guò)整流二極管的平均電流:If=y=0.45V2/Rl；圖11橋式整流電路仿真電路圖⑷參數(shù)計(jì)算：①輸出的直流電壓值為：V--1n^2Vsin(①t)d(①t)-2—V牝0.9V；O兀0 2 兀2 2④整流二極管的最大反向電壓：Vdr=sqr⑵匕。3.2。3濾波電路盡管整流后的電壓為直流電壓，但波動(dòng)較大，仍然不能直接作為電源使用，還需進(jìn)一步濾波，將其中的交流成份濾掉。在小功率整流濾波電路中，電容濾波是最常用的一種。電容在電路中有儲(chǔ)能的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來(lái)，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，效果較好。而且本電路后級(jí)是穩(wěn)壓電路，因此可以使用電容濾波電路進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波。(1)電路組成：電容濾波電路如圖12所示。

圖12電容濾波電路圖（2）工作原理：負(fù)載未接入（開關(guān)，斷開）時(shí)：設(shè)電容兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)V2為正半周時(shí)，V2通過(guò)D1、D3向電容C充電；V2為負(fù)半周時(shí)，經(jīng)D2、D4向電容C充電。充電時(shí)間常數(shù)為：tc=RintC。其中Rint包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管的正向電阻。由于Rint一般很小，電容器很快就充電到交流電壓V2的最大值V2疽由于電容無(wú)放電回路，故輸出電壓（電莓兩端的電壓）保持在V不變。2m1、接入負(fù)載Rl（開關(guān)S合上）時(shí)：設(shè)變壓器副邊電壓V2從0開始上升時(shí)接入R乙，由于電容已到V2,故剛接入負(fù)載時(shí)，V2VV疽二極管在反向電壓作用下而截止，電容C經(jīng)RL放電，放電時(shí)間常數(shù)為：td=RLC。因td一般較大，故電容兩端電壓Vc（即匕）按指數(shù)規(guī)律慢下降（圖中a,b段）?II、當(dāng)V2升至V2〉V°時(shí),二極管D1、D3在正向電壓作用下而導(dǎo)通，此時(shí)V2經(jīng)D1、D3—方面向Rl提供電流，一方面向C充電（接入日l(shuí)后充電時(shí)間常數(shù)變?yōu)閠=RL/RintC2RintC）。V將如圖中b、c段所示.m、當(dāng)v2又降至v2vvc時(shí)，二極管又截止，電容c又向rl

放電，如圖中5d段所示。電容如此周而復(fù)始充放電，就得到了一個(gè)如圖所示的鋸齒波電壓V/V°，由此可見輸出電壓的波動(dòng)大大減小?？?、為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取t廣RLCN（3~5）T/2（T為交流電周期20ms）此時(shí)：V=（1.1?1。2）V2。濾波電路波形圖濾波電路波形圖仿真三:電容濾波（1）要求：電容2200UF1只（2）仿真電路：XIH'11i—Jxi-n-12波仿真電路圖圖14電容濾

i—Jxi-n-12波仿真電路圖圖14電容濾3.2。4穩(wěn)壓電路因?yàn)橐筝敵鲭妷嚎烧{(diào)，所以選擇三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。LM317系列三端集

成穩(wěn)壓器,其輸出電壓調(diào)節(jié)范圍可達(dá)1°25~37V,輸出電流可達(dá)1.5A,內(nèi)部帶有

過(guò)載保護(hù)電路，具有穩(wěn)壓精度高、工作可靠等特點(diǎn)。其輸出電壓的調(diào)節(jié)原理如

圖15所示。圖5輸出電壓調(diào)節(jié)席衛(wèi)圖圖5輸出電壓調(diào)節(jié)席衛(wèi)圖由瑚電壓的、節(jié)原理間的電壓U為一穩(wěn)定的32基準(zhǔn)電壓（1.25V），故有：U°w（1+R）x1.25V式中，1.25V是集成穩(wěn)壓器輸出端與調(diào)整端之間的固定參考電壓U赫R1取值120?240Q（此值保證穩(wěn)壓器在空載時(shí)也能正常工作），調(diào)節(jié)Rp可改變輸出電壓的大小（Rp取值視Rl和輸出電壓的大小而確定）。3.3元件電路參數(shù)計(jì)算（一） 根據(jù)設(shè)計(jì)所要求的性能指標(biāo)，選擇集成三端穩(wěn)壓器選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器LM317，其特性參數(shù)Vo=1.25V—37V，Iomax=1.5A，最小輸入、輸出壓差（V-Vo）屈=3立最大輸入、輸出壓差（V-Vo）ma「40V。由計(jì)算得Voe1.25（1+Rp/R1），取R1=200。，貝眼p=3.64KQ，故取Rp為5K。的精密線繞可調(diào)電位器。（二） 選電源變壓器輸入電壓V.的范圍為：Vomax+(V.-V)minWV.WVomin+(V.—V)maxn24V+3VWV.W1.25V+40Vn27VWV.W41。25V副邊電壓V2NV浦/1。1=27/1。IV,取V2=27V,副邊電流I「Iomax=0.3A,取12=0。5A,則變壓器副邊輸出功率P2NI2xV2=13。5W.變壓器的效率n=0.6，則原邊輸入功率P1NP2/n=22。5W,為留有余地，選功率為30W的電源變壓器。選整流二極管及濾波電容整流二極管耐壓VD>VOM=J2V2，ID>IOmax=0.3An匕^/'2[V +(V-V)]=27很=38.2V為了焊接便利，選擇整流橋KBP307(1000V6。0A)作為整流部分。濾波電容：C=(3-5)￡￡=(825—1375)|iFi 2Vimln為了留有余地，取2200uF/50V作濾波電容.保護(hù)管VD1，VD2集成穩(wěn)壓器如果離濾波電容C1較遠(yuǎn)，應(yīng)在靠近LM317輸入端接0。1^F旁路電容C2,接在調(diào)整端和地之間的電容C3用來(lái)旁路電位器兩端的紋波電壓。當(dāng)C3容量為10叩時(shí),紋波抑制比可提高20dB,減小到原來(lái)的十分之一。另一方面，由于C3的接入，一旦輸入或輸出端發(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)放大管而損壞穩(wěn)壓器,故在日兩端并接二極管VD2.1在沒有容性負(fù)載的情況下，穩(wěn)壓器可以穩(wěn)定地工作，但當(dāng)輸出端有500—5000pF的容性負(fù)載時(shí)，容易發(fā)生自激。為抑制自激，在輸出端接一只25誠(chéng)的鋁電解電容C4，它還可以發(fā)送電源的瞬態(tài)響應(yīng)。但當(dāng)輸入端發(fā)生短路時(shí)，C4中儲(chǔ)存的電荷將對(duì)穩(wěn)壓器輸出端放電，放電電流可能損壞穩(wěn)壓器，故在穩(wěn)壓器兩端并接保護(hù)二極管VD2。VD1和VD2都選用IN4007:額定電流以,最大反向電壓100V.3.4改進(jìn)方案由于該電路的輸出電壓的調(diào)整完全依賴電電位器R2的改變，因此R2的改變范圍較大，這樣在輸出電壓的調(diào)整過(guò)程中,容易調(diào)過(guò)頭或調(diào)不足，要準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)1。25?24V寬范圍的電壓任一電壓有些調(diào)整比較麻煩，必須反復(fù)調(diào)整，只依賴R2是比較困難的，如果將電位器R2用一個(gè)電位器R2'和電阻日檔串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)一個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)電阻日檔的改變從而改變輸出電壓的范圍，并在所選擇的輸出電壓范圍內(nèi)通過(guò)改變電位器R2'的阻值得到所需要的準(zhǔn)確的直流電壓輸出，電路如圖1、變壓器次級(jí)輸出：、=18.4U;2、 整流輸出：V疽23.5V；3、 Rp阻值變化時(shí)，測(cè)電路的輸出電壓Rp(K。)Vo(V)RpS^值（K。）誤差0.01。220.00。00。625。00.63.33%1。4310。01。40.21%2.1915.02.20。45%3。0520。03。01。67%4。4622。15。010.8%由以上數(shù)據(jù)分析可見，本次設(shè)計(jì)基本滿足各項(xiàng)要求指標(biāo)，說(shuō)明設(shè)計(jì)合理，制作正確。四、 總結(jié)經(jīng)過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)我收獲了很多，也學(xué)習(xí)到了很多有關(guān)專業(yè)方面的知識(shí)!通過(guò)自己預(yù)先設(shè)計(jì)的電路，然后再參考一些書籍上的電路并經(jīng)過(guò)修改和創(chuàng)造，設(shè)計(jì)成了最終符合要求的電路原理圖，并進(jìn)一步了解和學(xué)習(xí)了整個(gè)電路的各個(gè)部分的具體工作原理，達(dá)到了理想的要求，最后我用Multisim軟件對(duì)電路圖進(jìn)行了部分仿真，經(jīng)過(guò)對(duì)前面部分電路的仿真我掌握了仿真的具體方法，總的來(lái)說(shuō)我對(duì)仿真的結(jié)果還是比較滿意。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，我了解了穩(wěn)壓直流電源的組成部分和各部分的具體的作用,并且通過(guò)專研和實(shí)際的調(diào)試、測(cè)試,掌握了各級(jí)輸出級(jí)的電壓值的具體測(cè)量方法和誤差分析。學(xué)會(huì)了電路各部分元件參數(shù)的計(jì)算和確定，以及通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)的要求和各部分電路各個(gè)元件之間的關(guān)系來(lái)準(zhǔn)確的確定具體的電路和元件的實(shí)際參數(shù)?通過(guò)對(duì)電路的理論分析從而在一定程度上大致分析所得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和確定正確與否，也通過(guò)實(shí)際的操作和對(duì)各元件的實(shí)際參數(shù)與理論值之間