簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源電工課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　電 子 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計(jì)</p><p><b>　　簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　專 業(yè) ：車輛工程</p><p><b>　　班 級(jí) ： </b></p><p><b>　　姓 名 ： </b></p&

2、gt;<p><b>　　指導(dǎo)教師 ： </b></p><p>　　日 期 ：2012年6月1日</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　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--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

3、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。由于電子技術(shù)的特性，電子設(shè)

4、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。直流穩(wěn)壓電源，能為負(fù)載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當(dāng)交流供電電源的電壓或負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會(huì)保持穩(wěn)定。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對(duì)</p>

5、<p><b>　　一、技術(shù)指標(biāo)</b></p><p><b>　　質(zhì)量指標(biāo)：</b></p><p>　　（1）電壓調(diào)整率SV </p><p>　　電壓調(diào)整率是表征直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)，又稱為穩(wěn)壓系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù)，它表征當(dāng)輸入電壓VI變化時(shí)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓VO穩(wěn)定的程度，通常以單位輸出電

6、壓下的輸入和輸出電壓的相對(duì)變化的百分比表示。 </p><p>　　（2）電流調(diào)整率SI </p><p>　　電流調(diào)整率是反映直流穩(wěn)壓電源負(fù)載能力的一項(xiàng)主要自指標(biāo)，又稱為電流穩(wěn)定系數(shù)。它表征當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，直流穩(wěn)壓電源對(duì)由于負(fù)載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動(dòng)的抑制能力，在規(guī)定的負(fù)載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來(lái)表示直流穩(wěn)壓電源的電流調(diào)整率。

7、 </p><p>　?。?）紋波抑制比SR </p><p>　　紋波抑制比反映了直流穩(wěn)壓電源對(duì)輸入端引入的市電電壓的抑制能力，當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸入和輸出條 件保持不變時(shí)，紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰－峰值與輸出紋波電壓峰－峰值之比表示，一般用分貝數(shù)表示，但是有時(shí)也可以用百分?jǐn)?shù)表示，或直接用兩者的比值表示。 </p><p>　　（4）溫度穩(wěn)定性K </p&g

8、t;<p>　　集成直流穩(wěn)壓電源的溫度穩(wěn)定性是以在所規(guī)定的直流穩(wěn)壓電源工作溫度Ti最大變化范圍內(nèi)（Tmin≤Ti≤Tmax）直流穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對(duì)變化的百分比值。 </p><p><b>　　極限指標(biāo)：</b></p><p>　　（1）最大輸入電壓 </p><p>　　是保證直流穩(wěn)壓電源安全工作的最大輸入電壓。 <

9、/p><p>　?。?）最大輸出電流 </p><p>　　是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。 </p><p>　　二、本設(shè)計(jì)報(bào)告主要技術(shù)指標(biāo)與要求</p><p>　?。?）輸出直流電壓UO=12V，且連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍±2V；</p><p>　?。?）最大輸出電流ILM≤200mA；</p&

10、gt;<p>　?。?）穩(wěn)壓系數(shù)Sr<10%；</p><p>　?。?）具有過(guò)流保護(hù)功能。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)思路</b></p><p><b>　　1．1整體電路：</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路、及穩(wěn)壓電路組成，其

11、基本原理框圖如下圖（圖1.1）所示。</p><p>　　（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。</p><p>　　（2）降壓后的交流電壓，通過(guò)整流電路整流變成單項(xiàng)脈動(dòng)直流電壓。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。</

12、p><p>　　（3）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)，能是輸出直流電壓不受影響而維持穩(wěn)定的輸出。</p><p>　　圖1.1直流穩(wěn)壓電源基本原理框圖</p><p>　　1.2總體方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　該系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)主要在可調(diào)電壓輸出部分，其要求是輸出電壓從0V開始連續(xù)可調(diào)。由于時(shí)間、個(gè)

13、人能力有限，固根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出如下簡(jiǎn)單，方便，易懂的設(shè)計(jì)方案。首先將220V交流電壓，通過(guò)變壓器，降低電壓值。然后交流電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后,得到平滑的直流電壓,作為穩(wěn)壓電路的輸入電源從UI輸入。由于平穩(wěn)后的直流電壓達(dá)不到所需12V直流電壓，通過(guò)運(yùn)用了比較放大電路,將電壓放大，通過(guò)計(jì)算，將其放大至所需值。它的核心是調(diào)整管,輸出電壓的穩(wěn)定是管的壓降相應(yīng)改變,使輸出電壓保持穩(wěn)定。</p><p&

14、gt;<b>　　四、方案選擇與論證</b></p><p>　　方案一: 三端穩(wěn)壓電源</p><p>　　采用可調(diào)三端穩(wěn)壓電源構(gòu)成直流可調(diào)電源的電路如圖1.1所示。怎樣實(shí)現(xiàn)數(shù)控呢？我們把圖1.1中的可變電阻RP用數(shù)字電位器來(lái)代替，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)控了。但由于三端穩(wěn)壓芯片LM317和LM337的輸出電壓不能從0V起調(diào)，輸出公式：Vout=1.25×(1+R2/

15、R1) (1.1)</p><p>　　所以，可以采用在輸出的地方加兩個(gè)二級(jí)管，利用PN節(jié)的固有電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)從0V起調(diào)，如圖1.2所示。</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p><b>　　圖1-2</b></p&g

16、t;<p>　　優(yōu)點(diǎn)：該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，干擾和噪音小</p><p>　　缺點(diǎn)：數(shù)字電位器誤差較大，控制精度不夠高，誤差電壓較大。同時(shí)更重要的是幾乎所有的數(shù)字電位器能夠容忍的電流都在20mA以下。所以，這種方案就被否決了。</p><p>　　方案二：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ麟娐?lt;/p><p><b>　?。╝）電路圖</b><

17、;/p><p>　　U2 U0 Ud</p><p><b>　?。╞）濾波圖</b></p><p>　　工作原理：在變壓器次級(jí)電壓u2為正的半個(gè)周期內(nèi)（如圖（a）中所示上正下負(fù)），二極管導(dǎo)通，在RL上得到一個(gè)極性為上正下負(fù)的電壓；而在u2為負(fù)的半個(gè)周

18、期內(nèi)，二極管反向偏置，電流基本上等于0。所以在負(fù)載上的電壓的極性是單方向的（如圖（b）所示）。正半周內(nèi)Uo=U2，Ud=0；負(fù)半周內(nèi)Uo=0。Ud=U2。由此可見，由于二極管的單向?qū)щ娮饔茫炎儔浩鞔渭?jí)的交流電壓變換為單向脈動(dòng)電壓，達(dá)到了整流的目的。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的元件少，但也有明顯的缺點(diǎn)：輸出電壓脈動(dòng)大，直流成分比較低；變壓器有半個(gè)周期不導(dǎo)電，利用率低；變壓器含有直流部分，容易飽和。只能用于輸出功率較小，負(fù)載要求不高的場(chǎng)合。&

19、lt;/p><p>　　方案三：?jiǎn)蜗嗳ㄕ?lt;/p><p><b>　?。╝）電路圖</b></p><p><b>　　U2IoUo</b></p><p>　　O tOtOt</p><p><b>　　(b)波形圖&l

20、t;/b></p><p>　　工作原理：全波是利用具有中心抽頭的變壓器與兩個(gè)二極管配合，使兩個(gè)二極管在正、負(fù)半周輪流導(dǎo)電，而且二者流過(guò)RL的電流保持同一方向，從而使正、負(fù)半周在負(fù)載上均有輸出電壓。電路如圖（a）所示。正半周內(nèi)D1導(dǎo)通，D2截止，在負(fù)載RL上得到的電壓極性為上正下負(fù)；負(fù)半周內(nèi)，D1截止，D2導(dǎo)通，在負(fù)載上得到的電壓仍為上正下負(fù)，與正半周相同。全波整流波形如圖（b）。全波整流的輸出電壓時(shí)半波整

21、流的兩倍，輸出波形的脈動(dòng)成分比半波整流時(shí)有所下降。全波整流電路在負(fù)半周時(shí)二極管承受的反向電壓較高，其最大值等于，且電路中每個(gè)線圈只有一半時(shí)間通過(guò)電流，所以變壓器利用率不高。</p><p>　　方案四：?jiǎn)蜗鄻蚴秸?lt;/p><p><b>　?。╝）電路圖</b></p><p>　　U2 Io

22、 Uo</p><p>　　O 0 0 </p><p><b>　　(b)波形圖</b>

23、</p><p>　　工作原理：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐啡鐖D（a）。由圖可見，U2正半周時(shí)D1、D4導(dǎo)通，D3、D2截止，在負(fù)載電阻RL上形成上正下負(fù)的脈動(dòng)電壓；而在U2負(fù)半周時(shí)，D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止，在RL上仍形成上正下負(fù)的脈動(dòng)電壓。如果忽略二極管內(nèi)阻，有Uo≈U2。橋式整流電路波形如圖（b）所示。正負(fù)半周均有電流流過(guò)負(fù)載，而且電路方向是一致的，因而輸出電壓的直流成分提高，脈動(dòng)成分降低。單相橋式整流電路主要參

24、數(shù)：輸出直流電壓,脈動(dòng)系數(shù)S，二極管正向平均電流I,二極管最大反向峰值電壓U。橋式整流電路解決了單相整流電路存在的缺點(diǎn)，用一次級(jí)線圈的變壓器，達(dá)到了全波整流的目的。</p><p>　　方案五：采用A/D和D/A</p><p>　　采用A/D和D/A構(gòu)成直流電源的電路如圖4所示。采用單片機(jī)構(gòu)成直流電源的電路如圖所示，利用AVR單片機(jī)自帶的D/A口DAC0輸出0－2.5V的電壓，然后經(jīng)一級(jí)

25、反相放大器和跟隨器，此時(shí)可以輸出0到－5V電壓。但是因?yàn)锳/D變換器只能采集0到+2.56V的電壓，所以再在跟隨器后面加一級(jí)反相放大器器然后送回到A/D采樣，MCU比較發(fā)現(xiàn)DAC0輸出為正確電壓時(shí)，則從跟隨器后直接輸出電壓，這樣就可以輸出0到-5V的電壓了。當(dāng)需要正相電壓時(shí)從DAC1口輸出電壓，這時(shí)就不需要反相，其它原理與DAC0相似。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：精確度高，紋波小，效率和密度比較高，可靠性也不錯(cuò)。

26、</p><p>　　缺點(diǎn)：電路相對(duì)復(fù)雜，AVR單片機(jī)的IO口不能容忍負(fù)電壓，否則會(huì)被損壞。所以，這種方案也行不通。</p><p>　　方案六：采用7805構(gòu)成直流電源</p><p>　　采用7805構(gòu)成直流電源的電路如圖所示，改變RP阻值使7805的公共端的電壓在0到－10V之間可調(diào)，則7805的輸出端電壓就可實(shí)現(xiàn)-5V－+5V之間可調(diào)了。這種方案是利用了78

27、05的輸出端與公共端的電壓固定為+5的特性來(lái)設(shè)計(jì)的。但同樣存在不好數(shù)控的問題。</p><p><b>　　五、單元路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　變壓電路：</b></p><p>　　電源變壓器是將來(lái)自電網(wǎng)的220V交流</p><p>　　電壓變換為電路所需電壓。變壓電路如圖22

28、0u</p><p><b>　　所示。</b></p><p>　　變壓器參數(shù)計(jì)算：LM317輸入電壓設(shè)為Ui則</p><p>　　U0min=0V、U0max=12V Ui-U0max≥（Ui-U0）min 圖5—1.1變壓器</p><p>　　Ui-U0min≤（Ui-U0）max。 </p&

29、gt;<p>　　其中：（Ui-U0）min=3V，（Ui-U0）max=40V。</p><p>　　所以15V≤Ui≤40V，穩(wěn)壓器的壓差不宜過(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。</p><p>　　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。<

30、/p><p>　　穩(wěn)壓器輸入輸出電流基本保持不變Ii≤200mA,則變壓器二次側(cè)的電流有效值I=200*1.1=220mA。</p><p>　　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。</p><p><b>　　整流電路：</b></p><p>　　在整流部分我們選用單相橋式整流

31、a</p><p>　　電路，其電路圖如圖所示。我們+D1</p><p>　　先來(lái)分該環(huán)節(jié)的工作情況。D4</p><p>　　在變壓器二次側(cè)電壓u的正半周時(shí)~u RL</p><p>　　即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，二極管D1和D3</p><p>　　D3導(dǎo)通

32、，D2和D4截止，電流i1的通路-D2</p><p>　　是a D1 RL D3b。這時(shí)，b</p><p>　　負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)半波電壓。 單相橋式整流電路</p><p>　　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截止D2和D4導(dǎo)通。電流i2的通路是b D2

33、RL D4 a同樣在負(fù)載電阻上得到一個(gè)半波電壓。整流后的電壓電流的波形如圖所示</p><p>　　整流電路中二極管的參數(shù)計(jì)算： u0i0</p><p>　　變壓器二次側(cè)電壓有效值為U=15Vu0</p><p>　　于是URM=1.414*15≈22V。ID=I0/2=100mA。i1i2i1i2</p><

34、p>　　查二極管分立元件參數(shù)表，二極管選用</p><p>　　2CZ55B（IOM=1000mA；URWM=50V）滿足電 wt</p><p>　　路需求。整流后的波形</p><p><b>　　穩(wěn)壓電路：</b></p><p>　　我們?cè)诜€(wěn)壓部分選用的LM317，輸出</p><p

35、>　　的基準(zhǔn)電壓為1.25V，所以需要一個(gè)補(bǔ)</p><p>　　償電路來(lái)達(dá)到輸出電壓為0V。由R2和R1C4</p><p>　　穩(wěn)壓管Dz組成的穩(wěn)壓電路便可達(dá)到此效C2D5</p><p>　　果（通過(guò)穩(wěn)壓管使A點(diǎn)為-1.25V，這樣當(dāng)C3Rp</p><p>　　Rp=0時(shí)，VA和輸出的基準(zhǔn)電壓相抵消，</p&

36、gt;<p>　　便可近似認(rèn)為U0為0V）；通過(guò)改變Rp的阻值大小，即可調(diào)節(jié)輸出電壓U0的大小，實(shí)現(xiàn)電壓從0V起連續(xù)可調(diào)。在集成穩(wěn)壓器離濾波電容較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)在LM317靠近輸入端處接上一只0.33μF的旁路電容C2，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10μF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

37、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。 LM317集成穩(wěn)壓器在沒有容性負(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 1μF的鉭電容或 25μF的鋁電解電容C4。該電容還可以改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)。但是接上蓋地拿容以后，集成穩(wěn)壓器的輸入端一旦發(fā)生短路，C4將對(duì)穩(wěn)壓器的輸出端放電，其放電電流

38、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D4。</p><p>　　穩(wěn)壓電路中各元件參數(shù)的計(jì)算：</p><p>　　電路中當(dāng)R2=0時(shí)，VA=-1.25V，它與UREF剛好抵消使得U0=0V，因此穩(wěn)壓二極管DZ穩(wěn)定電壓為1.25V.</p><p>　　根據(jù)內(nèi)部電路設(shè)計(jì)，流過(guò)R1的電流I=5mA，R1=UREF/I=1.25/0.005=25

39、0Ω，考慮器件參數(shù)的分散性，實(shí)際I可能大于5mA，因此R1值應(yīng)小于250Ω。此處取R1=240Ω。</p><p>　　U0=1.25（1+R2/R1）-1.25，所以R2=（U0 R1）/1.25，當(dāng)U0取最大值12V時(shí)，R2max=（12*240）/1.25=2304Ω</p><p>　　故取常用繞組變壓器R2=3.0KΩ。</p><p>　　D1和D2分別

40、是為了防止輸入短路和輸出短路時(shí)電容器放電使得LM317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。</p><p>　　因此D4、D5均選擇2CZ55B。</p><p>　　另外C2=0.33μF C3=10μF C4=1μF</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p>&

41、lt;p>　　楊福生主編. 《電子技術(shù)》. 高等教育出版社</p><p>　　秦曾煌主編. 《電工學(xué)》（下冊(cè)）.高等教育出版社</p><p>　　陳振源主編. 《電子技術(shù)基礎(chǔ)》. 高等教育出版社</p><p>　　劉昭和主編. 《電工學(xué)習(xí)題解答》.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社</p><p>　　康華生主編. 《電子技術(shù)基礎(chǔ)》. 高等教

42、育出版社</p><p>　　林渭勛主編. 《電力電子技術(shù)基礎(chǔ)》.機(jī)械工業(yè)出版社社</p><p>　　王鴻明主編. 《電工技術(shù)與電子技術(shù)》.清華大學(xué)出版社</p><p><b>　　七、心得與體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)一個(gè)多星期的課程設(shè)計(jì)，使我懂得：要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電路，必須要有扎實(shí)的只是基礎(chǔ)，要熟練地掌

43、握課本上的只知識(shí)，這樣才能對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、解決。同事還要有耐心和毅力。</p><p>　　通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，還學(xué)會(huì)了一種軟件的使用，Multisim軟件的使用。設(shè)計(jì)此課程看似簡(jiǎn)單的問題真做起來(lái)不容易。我主要做了前面0-12v電壓的產(chǎn)生，不用多想整流自然用單橋，而這濾波看資料好像用的越復(fù)雜效果越好但是想想好像也不需要，就用電容挺好只要值大一點(diǎn)就好。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓常用的穩(wěn)壓值好像不大再說(shuō)那電壓還要可調(diào)所以用

44、兩級(jí)放大，之間用電位器可調(diào)而后的輸出要使電流小于400ma則當(dāng)負(fù)載為0時(shí)電流不大于400，為此輸出采用分壓調(diào)節(jié)電阻值使其滿足要求。至此電壓可調(diào)并滿足量程之后考慮數(shù)字顯示輸出電壓是個(gè)模擬量則需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。則需要用道A|D轉(zhuǎn)換，通過(guò)查資料，請(qǐng)教同學(xué)，慢慢一點(diǎn)一點(diǎn)做。經(jīng)驗(yàn)確實(shí)重要實(shí)踐不容忽視。</p><p>　　通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，對(duì)電路也有了很大的了解與體會(huì)，也學(xué)會(huì)了Multisim軟件的應(yīng)用。加深了對(duì)