課程設(shè)計(jì)--直流穩(wěn)壓電源

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　課程名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 直流穩(wěn)壓電源 </p><p>　　系 別： 通信與控制工程系 </p><p><b>　　摘要</b><

2、;/p><p>　　在電子電路中，通常都需要將電壓穩(wěn)定的直流穩(wěn)定的直流電源供電。它由電源變壓器、整流濾波、穩(wěn)壓電路等四個(gè)部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗璧碾妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于脈動(dòng)的直流電壓含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般在+10%的波動(dòng)），負(fù)載溫度的變化而變化。因此在整流濾波電路后，還需要穩(wěn)

3、壓電源。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。本次設(shè)計(jì)對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)有一定的知識(shí)要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還必須掌握protel的畫圖，這一步很是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源要用到示波器、電壓表等進(jìn)行測(cè)試以確定所設(shè)計(jì)的電路是否符合要求。這次設(shè)計(jì)是對(duì)知識(shí)的綜合考核，對(duì)我們的學(xué)習(xí)有很大的幫助！</p><p>　　關(guān)鍵詞：變壓 整流 濾波 穩(wěn)壓</p><p><

4、b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 緒論····························

5、3;·························4</p><p>　　1.1 課題背景······

6、····································

7、3;·· 4</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀····························&#

8、183;········· 5</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)要求﹑目的及思路····················

9、83;·············6</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)要求··················

10、;··························· 6</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)目的····

11、····································

12、3;···· 6</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)思路···························

13、;·················· 7</p><p>　　第三章 單元電路設(shè)計(jì)············

14、3;······························ 9</p><p>　　3.1 變壓電路·

15、;····································

16、83;······· 9</p><p>　　3.2 整流電路·······················

17、3;·····················10 </p><p>　　3.3 濾波電路·········

18、3;·································· 11</p>

19、<p>　　3.4 穩(wěn)壓電路·································&#

20、183;···········12</p><p>　　第四章 調(diào)試與檢測(cè)···················&#

21、183;·························14</p><p>　　總結(jié)······

22、83;····································&

23、#183;················ 15 </p><p>　　致謝···············

24、;····································

25、83;·········16</p><p>　　參考文獻(xiàn)······················&#

26、183;··································17</p>

27、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的設(shè)備之一,廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、科研等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的多功能直流穩(wěn)壓電源功能簡(jiǎn)單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。普通直流穩(wěn)壓電源品種很多, 但均存在以下二個(gè)問(wèn)題: 1) 輸出電

28、壓是通過(guò)粗調(diào)(波段開(kāi)關(guān)) 及細(xì)調(diào)(電位器)來(lái)調(diào)節(jié)。這樣, 當(dāng)輸出電壓需要精確輸出, 或需要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí)(如1. 05～ 1. 07V ) ,困難就較大。另外, 隨著使用時(shí)間的增加, 波段開(kāi)關(guān)及電位器難免接觸不良, 對(duì)輸出會(huì)有影響。2) 穩(wěn)壓方式均是采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路, 對(duì)過(guò)載進(jìn)行限流或截流型保護(hù), 電路構(gòu)成復(fù)雜,穩(wěn)壓精度也不高。 在家用電器和其他各類電子設(shè)備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。但在實(shí)際生活中，都是由220V

29、的交流電網(wǎng)供電。這就需要通過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　從上世紀(jì)九十年代末起，隨著對(duì)系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新推動(dòng)電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。在80年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開(kāi)始轉(zhuǎn)向到20世紀(jì)末更為先進(jìn)的第四代分布式供電結(jié)構(gòu)以及中間母線

30、結(jié)構(gòu)，直流/直流電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何在現(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數(shù)字控制。 早在90年代中，半導(dǎo)體生產(chǎn)商們就開(kāi)發(fā)出了數(shù)控電源管理技術(shù)，而在當(dāng)時(shí)，這種方案的性價(jià)比與當(dāng)時(shí)廣泛使用的模擬控制方案相比處與劣勢(shì)，因而無(wú)法被廣泛采用。 由于板載電源管理的更廣泛應(yīng)用和行業(yè)能源節(jié)約和運(yùn)行最優(yōu)化的關(guān)注，電源行業(yè)和半導(dǎo)體生產(chǎn)商們便開(kāi)始共同開(kāi)發(fā)這種名為“數(shù)控電源”的新產(chǎn)品 </p>

31、<p>　　現(xiàn)今隨著直流電源技術(shù)的飛躍發(fā)展, 整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機(jī)控制, 從而使直流電源智能化, 具有遙測(cè)、遙信、遙控的三遙功能, 基本實(shí)現(xiàn)了直流電源的無(wú)人值守。</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)要求﹑目的及思路</p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　輸出電壓5V、+12V

32、、-12V （2）輸出電流：最大電流>1A；（3）紋波電壓峰值Vop-p≤5mv，穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤5%，電網(wǎng)電壓波動(dòng)正負(fù)10%。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　在電子電路及電子設(shè)備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電，作為電子電路中必不可少的組成部分，它的作用之一是為各級(jí)電路中的三極管提供合適的偏置，其次是作為整個(gè)電子

33、電路能量來(lái)源。常見(jiàn)的供電方式有兩種，一種是采用干電池、蓄電池或其他形式如光電池等向電路供電，這種供電方式是用化學(xué)能或其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能之后，向電路提供能量，其缺陷在于能量的使用要受實(shí)際條件的限制；另一種是利用電網(wǎng)向電路供電，這種供電方式是把電網(wǎng)的交流電經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓之后，轉(zhuǎn)化為直流電向電路提供能量，其優(yōu)勢(shì)在于電網(wǎng)所提供的能量是源源不斷的。</p><p><b>　　2.3 設(shè)計(jì)思路&

34、lt;/b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四部分組成，其工作原理圖簡(jiǎn)畫如下：</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　2.3.1 元器件選擇 </p><p>　　設(shè)計(jì)的電路圖如下（圖中未畫出變壓電路部分）：</p><p>

35、;<b>　　圖2</b></p><p>　　由電路圖，取C1 = 0.01μF，C2 =10μF，C0 = 1μF，R1 = 200Ω，RW = 2kΩ，二極管用IN4001</p><p>　　在圖 2 電路中，R1和Rw組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，輸出電壓 取120 ~ 240?，流過(guò) 1 R 的電流為5 ~ 10mA。取R1=240歐，由公式可求得，電阻的取值范圍

36、，故取變壓器為2k的精密線繞電位器。</p><p>　　在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，他告訴我們?cè)谠O(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源中變壓器不必要用，只在測(cè)試時(shí)候用，所以我們也就省去了電路圖中畫變壓部分的電路。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)電路設(shè)計(jì)的要求，LM317的輸入電壓范圍為15v《U《45v，我們計(jì)算的是要45W或40W的變壓器，在整流電路中，由于所選二極管的最大反向電壓必須大于電路中的電壓，根據(jù)要求，選IN4001，其最大反向擊穿電壓為50

37、v，所要電路元器件的規(guī)格如圖所標(biāo)示。計(jì)算部分是電路設(shè)計(jì)出來(lái)后關(guān)鍵的一步，所選元器件的規(guī)格如果不符合要求，則得不到所要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這次設(shè)計(jì)中我們?cè)谟?jì)算的過(guò)程中也是遇到了一些困難。</p><p><b>　　以下為元器件清單</b></p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　第三章 單元電路設(shè)計(jì)</

38、p><p><b>　　3.1 變壓電路</b></p><p>　　電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。變壓器原理：變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電變壓器原理圖流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。如圖4-1-1中是

39、一個(gè)10TO1的變壓器，他的作用是使變壓后的電壓為原來(lái)的1/10。</p><p><b>　　變壓電源電路圖4</b></p><p>　　變壓電源仿真波形圖5</p><p><b>　　3.2 整流電路</b></p><p>　　此實(shí)驗(yàn)的整流部分主要采用橋式電路，即由四個(gè)二極管交叉而成。其實(shí)

40、橋式整流電路相當(dāng)于理想二極管，即正偏時(shí)導(dǎo)通，電壓降為零，相當(dāng)于理想開(kāi)關(guān)閉合；反偏時(shí)截止，電流為零，相當(dāng)于理想開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。整流電路包括單向半波整流電路和橋式整流電路。半波整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用元件少，但整流效率低，輸出電壓脈動(dòng)大。因此，它只適用于要求不高的場(chǎng)合。為了克服半波整流的缺點(diǎn)，常采用橋式整流電路: 在u2的正半周內(nèi)，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止；u2的負(fù)半周內(nèi)，D2、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過(guò)的負(fù)載電

41、阻RL，且方向是一致的。如圖</p><p>　　單相橋式整流電路簡(jiǎn)易畫法圖6及波形圖7</p><p><b>　　3.3 濾波電路</b></p><p>　　整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)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(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路，以濾去交流部分。此電路采用的是電容濾波電路，即在橋式

42、整流電路輸出端與負(fù)載之間并聯(lián)一個(gè)大電容。原理如下：</p><p>　　在整流電路采用電容濾波后使二極管得到的時(shí)間縮短，由于電容C充電的瞬時(shí)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(shí)，必須留有足夠的電流裕量，以免燒壞。采用濾波電路可濾除整流電路輸出電壓中的交流成分，使電壓波形變得平滑。常見(jiàn)的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波等。 </p><p>　　在整流電路的輸出端

43、，即負(fù)載電阻RL兩端并聯(lián)一個(gè)電容量較大的電解電容C，則構(gòu)成了電容濾波電路，如圖5所示電路，由于濾波電容與負(fù)載并聯(lián)，也稱為并聯(lián)濾波電路。</p><p>　　單相橋式整流電容濾波電路8</p><p>　　從圖4可以看出，當(dāng)u2為正半周時(shí), 電源u2通過(guò)導(dǎo)通的二極管VD1、VD3向負(fù)載RL供電，并同時(shí)向電容C充電（將電能存儲(chǔ)在電容里，如t1～t2），輸出電壓uo＝uc ≈ u2；uo達(dá)峰值后

44、u2減小，當(dāng)uo≥u2時(shí)，VD1、VD3提前截止，電容C通過(guò)RL放電，輸出電壓緩慢下降（如t2～t3），由于放電時(shí)間常數(shù)較大，電容放電速度很慢，當(dāng)uC下降不多時(shí)u2已開(kāi)始下一個(gè)上升周期，當(dāng)u2＞uo時(shí)，電源u2又通過(guò)導(dǎo)通的VD2、VD4向負(fù)載RL供電，同時(shí)再給電容C充電（如t3～t4），如此周而復(fù)始。電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，負(fù)載上得到如圖中實(shí)線所示的近似鋸齒的電壓波形，與整流輸出的脈動(dòng)直流（虛線）相比，濾波后輸出的電壓平滑多了。</p

45、><p><b>　　3.4 穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　穩(wěn)壓器采用78xx和79xx系列控制輸出電壓.屬于三段固定輸出集成穩(wěn)壓，兩邊輸入輸出中間接地。為了防止電流或電壓過(guò)大用三極管進(jìn)行擴(kuò)流，可以獲得較大的輸出電流電，會(huì)防止電流過(guò)大時(shí)穩(wěn)壓管燒壞。</p><p>　　LM317和LM337為三端可調(diào)式穩(wěn)壓器，內(nèi)部具有過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)電路，而

46、且性能穩(wěn)定，輸出電壓可以達(dá)到本設(shè)計(jì)要求。LM317是可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍1.2伏到37伏時(shí)能夠提供超過(guò)1.5安的LM337 的輸出電壓范圍是 -1.2V 至 -37V，負(fù)載電流最大為 0.5A-5A。它們的使用非常簡(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)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。實(shí)際應(yīng)用LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣

47、泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如LM317HVH、W317L等。電子愛(ài)好者經(jīng)常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。 </p><p>　　穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算，Vo＝1.25（1＋R2/R1）。僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。 首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—37V（高輸出

48、電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—45V），所以R2/R1的比值范圍只能是0—28.6。 其次是317穩(wěn)壓塊都有一個(gè)最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5mA。由于317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號(hào)不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5mA。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊

49、就不能正常工作。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時(shí)（如圖所示），沒(méi)有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會(huì)出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。</p><p>　　在應(yīng)用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護(hù)電路，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把317燒壞。

50、 在設(shè)計(jì)中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過(guò)電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，直流輸出電壓：Uo1=(1.1～1.2)U2，直流輸出電流：（I2是變壓器副邊電流的有效值），穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路。穩(wěn)壓電路原理電路大致見(jiàn)下圖：</p><p><b>　　穩(wěn)壓電路原理圖9</b></p

51、><p><b>　　調(diào)試與檢測(cè)</b></p><p>　　（1）輸出電流IL（即額定負(fù)載電流）：</p><p>　　它的最大值決定于調(diào)整管的最大允許功耗PCM和最大允許電流IC，</p><p>　　輸出電壓UO及其調(diào)節(jié)范圍。</p><p>　　(2)穩(wěn)壓系數(shù)Sγ 穩(wěn)壓系數(shù)即輸出直流電

52、壓的相對(duì)變化量與輸入直流電壓的相對(duì)變化量之比。</p><p><b>　　(3)輸出內(nèi)阻ro</b></p><p>　　輸出內(nèi)阻是指輸入直流電壓不變時(shí)，由于負(fù)載電流的變化量ΔIL而引起的輸出直流電壓的變化量ΔU0的比值：</p><p>

53、;<b>　　(4)輸出紋波電壓</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓并非完全的直流，其中包含少量的交流成分。通常我們把在Ui=220V時(shí)，在額定輸出電流和額定輸出電壓的情況下測(cè)出的交流分量的有效值或峰-峰值稱為紋波電壓,該電壓越小越好。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)

54、是我們學(xué)習(xí)成果的一種測(cè)試，同時(shí)也是對(duì)我們的一個(gè)挑戰(zhàn)。理論學(xué)習(xí)固然重要，然而畢竟實(shí)踐出真知，唯有通過(guò)一次次的實(shí)驗(yàn)、操作才能讓我們的所學(xué)得到發(fā)揮。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)，我們這組抽到的題目是直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，說(shuō)實(shí)話這個(gè)設(shè)計(jì)比其他同學(xué)的題目都要簡(jiǎn)單一些，然而從我們的角度來(lái)說(shuō)，亦是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。一開(kāi)始抽到題目，對(duì)題目中的紋波電壓、電網(wǎng)波動(dòng)是一片茫然，因?yàn)椴涣私馑莻€(gè)什么，所以我們只能慢慢來(lái)，一步步摸索。接

55、下來(lái)我們就在百度上瀏覽資料，縱多的資料，想要找一模一樣的，不免有些大海撈針的感覺(jué)，但自己心中也不想一味的抄襲，畢竟那樣自己得不到任何鍛煉，于是我們就閱讀資料，思考，選擇電路，畫電路圖，計(jì)算參數(shù)等等一些問(wèn)題。在這過(guò)程中，設(shè)計(jì)PCB圖是比較復(fù)雜的一步，因?yàn)樵骷姆庋b、焊盤等問(wèn)題最讓人煩，但最后在我們共同的努力下，還是如愿畫好了PCB電路圖。接下來(lái)的日子里，打印、腐蝕電路板、打孔、裝元器件、調(diào)試就一氣呵成了！</p><

56、p>　　本次設(shè)計(jì)大概花了六天時(shí)間，過(guò)程中對(duì)模擬電子技術(shù)的知識(shí)又得到了很好的復(fù)習(xí)，而設(shè)計(jì)電路更是掌握了多種知識(shí)，同時(shí)團(tuán)結(jié)合作也顯得尤為重要，總而言之，這次課程設(shè)計(jì)讓我們?nèi)耸芤娣藴\！</p><p><b>　　致謝 </b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的順利完成是和老師的指導(dǎo)分不開(kāi)的，雖然設(shè)計(jì)過(guò)程主要還是要靠自己的努力。在設(shè)計(jì)課題的過(guò)程中我們運(yùn)用分工合作的

57、方法，先是由我設(shè)計(jì)電路圖，然后再由**畫PCB電路圖，我認(rèn)為畫電路圖是比較困難的，在此也覺(jué)得他是本次課程里的作用是很關(guān)鍵的，其次**負(fù)責(zé)撰寫課程報(bào)告書，這個(gè)任務(wù)也是不簡(jiǎn)單的，要花心思才可以，最后也由衷地感謝在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中幫助過(guò)我們的老師和聽(tīng)同學(xué)們，謝謝大家！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）［M］．北