模擬電子課程設(shè)計(jì)--直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p><b>　　直流穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　【課程設(shè)計(jì)】1.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p>　　通過(guò)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，要學(xué)會(huì)：<

2、;/p><p>　　⑴選擇變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩(wěn)壓器來(lái)設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電流；</p><p>　　⑵掌握直流穩(wěn)壓電路的調(diào)試及主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試方法。</p><p><b>　　二.設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　1．直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　⑴同時(shí)輸出+12V電

3、壓、輸出電流為500MA。 </p><p>　?、品€(wěn)壓系數(shù)S《0.05</p><p>　　（3）具有過(guò)流保護(hù)功能</p><p><b>　　2．設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　?、藕侠磉x擇變壓器、穩(wěn)壓器及二極管</p><p>　?、仆瓿扇娐防碚撛O(shè)計(jì)、安

4、裝調(diào)試、繪制電路圖</p><p>　?、亲珜懺O(shè)計(jì)報(bào)告、調(diào)試總結(jié)報(bào)告及使用說(shuō)明書(shū)。 三.基本原理</p><p>　?、苯涣麟娫措妷航?jīng)電源變壓器變換成整流電路所需的交流電壓植后，通過(guò)整流電路變換成單向脈沖電壓，再由濾波電路濾去其中的交流分量，得到較平滑的直流電壓，最后經(jīng)穩(wěn)壓電路獲得穩(wěn)定的直流電壓。</p><p><

5、;b>　　2．結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)圖和穩(wěn)壓過(guò)程</p><p><b>　　四.單元電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1.橋式整流電路整流電路：將變壓器輸出的符合電壓要求的交流電變換為所需數(shù)值的直流電。常用的整流電路主要有：半波整流、全波整流及橋式整流等。相對(duì)于半波整流相，全波整流二極管

6、交替導(dǎo)通，其輸出電壓紋波明顯減?。欢鴺蚴秸麟娐肥侨ㄕ麟娐返囊粋€(gè)變形，其輸出電壓波形與全波整流電路相同，但加在變壓器次級(jí)線圈上的電流變?yōu)榱藰O性正負(fù)交替的脈沖電流，其性能更加優(yōu)越。本設(shè)計(jì)中采用性能優(yōu)越的橋式整流電路。</p><p>　　2.濾波電路 ：濾波電路：使交流電在經(jīng)過(guò)二極管整流后獲得的有雜波的直流電，變成波形較為平滑的直流電。本次實(shí)驗(yàn)我們使用濾波電容實(shí)現(xiàn)濾波。</p><p>

7、　　3.穩(wěn)壓電路：采用三端集成穩(wěn)壓器。</p><p>　　W7800型為輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器</p><p>　　其中二極管D5，D6在接有感性負(fù)載時(shí)用作“續(xù)流”保護(hù)。Uf為整流濾波后的直流電壓。電容C3，C4用以抵消輸入端引線過(guò)長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩，C5，C6用以改善穩(wěn)壓器在負(fù)載電流瞬時(shí)變動(dòng)時(shí)，輸出電壓引起的波動(dòng)，控制紋波電壓的范圍</p><p

8、><b>　　五.總體設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?）變壓器</b></p><p>　　變壓器的作用是把電網(wǎng)提供的交流電壓轉(zhuǎn)變成符合整流電路需要的交流電壓。選用的時(shí)候，應(yīng)該考慮就是功率和次級(jí)的交流電壓。要根據(jù)電壓和最大輸出電流來(lái)確定電源變壓器的功率。按照設(shè)計(jì)要求，變壓器的輸出電壓應(yīng)為9V，最大電流應(yīng)不小于1A，本實(shí)驗(yàn)選用輸

9、出電壓為15V、220/0.1A的變壓器。</p><p><b>　?。?）整流電路</b></p><p>　　橋式整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮儞Q成單向脈動(dòng)的直流電壓，電路由四個(gè)完全一樣的二極管連接而成。它是全波整流電路的變形，但在一定程度上克服了全波整流電路的缺點(diǎn)。下圖即為橋式整流電路原理圖。圖中UL為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓UL變成整

10、流電路要求的交流電壓U2，Rl是要求供電的負(fù)載電阻四只整流二極管D1～ D2接成電橋的形式，故有橋式整流電路之。 橋式整流電路的工作原理是

11、：在為正半周時(shí)，承受正向電壓，導(dǎo)通，承受反向電壓，截止。電阻R上形成上正下負(fù)電壓。在負(fù)半周時(shí)，承受正向電壓，導(dǎo)通；承受反向電壓，截止。R上形成上正下負(fù)的電壓。四個(gè)二級(jí)管兩個(gè)一組輪流交替導(dǎo)通截止，則R上可以獲得完整的全波整流電壓。</p><p>　　橋式整流電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓最大值，較之全波整流電路小了二分之一。這對(duì)于二極管來(lái)說(shuō)是有保護(hù)作用的。</p><p>

12、;　　電路中采用的二極管要根據(jù)不同的整流方式和負(fù)載R的大小來(lái)選擇</p><p>　　選擇時(shí)主要考慮的依據(jù)為：</p><p>　　整流二極管的最高反向電壓滿足的條件</p><p>　　整流電路性能的主要指標(biāo)為輸出直流電壓和電壓紋波因子。特別是輸出電壓的紋波因子，它表征整流電路輸出電壓波形的平滑程度。也即反應(yīng)了輸出電壓的質(zhì)量高低。</p><p

13、>　　通過(guò)負(fù)載Rl的電流iL以及電壓vL的波形如下圖所示。顯然，它們都是單方向的全波脈動(dòng)波形。</p><p><b>　?。?）濾波電路</b></p><p>　　濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成。由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容C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)電壓降低時(shí)，就能把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平

14、滑，即C具有平波作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L，當(dāng)電源供給的電流增加時(shí)，它能把能量存儲(chǔ)起來(lái)，而當(dāng)電流減小時(shí)又能把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電流比較平滑，即電感也具有平波作用。 在橋式整流電路和負(fù)載電阻之間并入一個(gè)電容C即得到電容濾波電路如下圖</p><p><b>　?。?）穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　在這里我們采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。下圖是其結(jié)構(gòu)圖，圖中V1是整流濾

15、波電路的輸出電壓，T為調(diào)整管，A為比較放大電路，Vref為基準(zhǔn)電壓，它由穩(wěn)壓管D2與限流電阻R串聯(lián)所構(gòu)成的簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路而得，R1和R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)。這種穩(wěn)壓電路的主回路是起調(diào)整作用的BJTT與負(fù)載串聯(lián)，故為串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。</p><p>　　輸出電壓的變化量由反饋網(wǎng)絡(luò)取樣經(jīng)放大電路（A）放大后去控制調(diào)整管T的c-e級(jí)間的電壓降，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓V0的目的。當(dāng)輸入電壓V1增加時(shí)，導(dǎo)致輸出電壓V0增加，隨之反饋

16、電壓Vf=R2V0/（R1+R2）=FvV0也增加。Vf與基準(zhǔn)電壓Vref相比較，其差值電壓經(jīng)比較放大電路放大后使Vb和Ic減小，調(diào)整管T的c-e極間電壓Vce增大，使V0下降，從而維持V0基本恒定。</p><p><b>　　串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　電網(wǎng)電壓的變化和負(fù)載電流的變化都能引起電源電壓的變化，要獲得輸出電壓穩(wěn)定的直流電源，必須增加

17、穩(wěn)壓電路。</p><p>　?。?）三端集成穩(wěn)壓器</p><p>　　集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。</p><p><b>　　固定電壓輸出穩(wěn)壓器</b></p><p>　　常見(jiàn)的有CW78（LM7

18、8）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個(gè)接地端子。它由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護(hù)電路等部分組成。</p><p>　　規(guī)格 輸出電壓：小于15V 輸出電流：大于1V</p><p>　　保護(hù)電路：內(nèi)部含有限流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)電路，采用了噪聲低、溫度漂移小的基準(zhǔn)電壓源，工作穩(wěn)定可靠。</p>&l

19、t;p>　　特點(diǎn)78xx系列集成穩(wěn)壓器為三端器件：1腳為輸入端，2腳為接地端，3腳為輸出端，使用十分方便</p><p>　　78xx系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如下圖所示，這是一個(gè)輸出正15V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負(fù)載電阻。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。 </p><p><b>　　（

20、5） 原理圖</b></p><p><b>　　六．參數(shù)計(jì)算</b></p><p><b>　　★需要計(jì)算的參數(shù)：</b></p><p>　?、糯_定穩(wěn)壓電路的最低輸入直流電壓Ui（min）</p><p>　　Uimin≈[Uomax+（U1-Uo）min]/0.9</p&g

21、t;<p>　　代入各指標(biāo)，計(jì)算得；Uimin≥[15+3]/0.9=20V</p><p><b>　　取20V。</b></p><p>　?、拼_定電源變壓器副邊電壓，電流及功率。</p><p>　　Ui≥Uimax/2，Ii≥Iimax，</p><p><b>　　取Ii為2A。<

22、/b></p><p>　　Ui≥30/2=15V 變壓器副邊功率P2≥30W</p><p>　　變壓器的效率η=0.7,則原邊功率P1≥42.8W.由上分析,可 選副邊電壓為16V,輸出2A,功率45W的變壓器.</p><p>　　⑶選整流二極管及濾波電容</p><p>　　因?yàn)殡娐沸问綖闃蚴秸麟娙轂V波,通過(guò)每個(gè)整流二極

23、管</p><p>　　峰電壓和工作電流求出濾波電容值.已知整流二極管1N540,起極限參數(shù)為URM=50V,ID=5A.</p><p>　　濾波電容C1≈(3∽5)T*Iimax/2Uimin=（3000∽5000）μf</p><p>　　故取3300μf/30V的電解電容作濾波電容。</p><p><b>　　★穩(wěn)壓器功耗

24、估算</b></p><p>　　當(dāng)輸入交流電壓增加10％時(shí)，穩(wěn)壓器輸入直流電壓最大，</p><p>　　Uimax=1.1*2*16=35.2V</p><p>　　所以穩(wěn)壓器承受的最大壓差為：35.2-（-15）=50.2V</p><p>　　最大功耗為：Uimax * Iimax =35.2*2=70.4W</p&

25、gt;<p>　　故應(yīng)選用散熱功率≥70.4W的散熱器。</p><p>　　七.參數(shù)性能指標(biāo)及測(cè)試方法 </p><p>　　1.電源變壓器的作用是將220V的交流電壓變換成整流需要的交流電壓Ui。</p><p>　　變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=η。式中，η為變壓器的效率。</p><p>　　選變壓器時(shí)，應(yīng)選比電

26、壓額定值高一點(diǎn)，比所要電流高出25%壓器。</p><p>　　2.整流電路將交流電壓Ui邊換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除紋波，輸出直流電壓U1。</p><p>　　常用的整流濾波電路有全波整流濾波，橋式整流濾波。</p><p>　　附：①U2是變壓器（次級(jí)）交流電壓的有效值；I0是輸出直流電流；</p><p>　　②表中所有參數(shù)

27、未計(jì)變壓器直流電阻和整流二極管正向壓降影響。 </p><p>　　3.穩(wěn)壓器（集成穩(wěn)壓器）</p><p>　　W7800，W7900系列集成穩(wěn)壓器是一種三端固定正負(fù)集成穩(wěn)壓器由于是三端（輸入，輸出，公共端）不需要外接元件，故使用十方便W7800為正穩(wěn)壓器，W7900為負(fù)穩(wěn)壓器，它們分別有+15（-15）∽+24（-24）若干種固定輸出電壓，輸出電流分別為0.1A，0.5A，1.5A。該

28、集成穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)置了過(guò)流保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)及調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電 路，所以使用安全可靠。 W7900系列輸出固定電壓與下表一致，但均變成負(fù)。W78L00（W79L00）輸出電流0.1A W7800（W7900）輸出電流 1.5A W78M00（W79M00）輸出電流0.5A 。</p><p>　　固定輸出正，負(fù)壓三端集成穩(wěn)壓器</p><p>　　◆紋波電壓 紋波電壓是指疊加在輸出

29、電壓Uo上的交流分量。用示波器觀測(cè)其峰-峰值△UOPP一般為毫伏量級(jí)。也可以用交流電壓表測(cè)量其有效值，但因 △Uo不是正炫波，所以用有效值衡量其紋波電壓，存在一定的誤差。</p><p>　　穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)載電流，環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對(duì)變化引起輸出電壓的相對(duì)變化，即</p><p>　　SU=[△Uo/Uo]/[ △Ui/Ui]</p><p>　　電

30、壓調(diào)整率：輸入電壓相對(duì)變化為±10%時(shí)的輸出電壓相對(duì)變化量，即KU=△Uo/Uo穩(wěn)壓系數(shù)SU和電壓調(diào)整率KU均說(shuō)明輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響，因此只需測(cè)試其中之一即可。</p><p>　　4.二極管的選擇應(yīng)注意：根據(jù)需要正確選擇型號(hào)，同一型號(hào)的整流二極管方可串，并聯(lián)。同時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，決定是否加入均衡裝置。</p><p>　　◆ 整流二極管，反向電壓降低20%使用，以保證

31、可靠性。整流器應(yīng)避免瞬間或長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電壓。額定整流電流，額定電壓是指電阻性，電感性負(fù)載下的半波平均值，若工作在容性負(fù)載是，，其中的整流電流應(yīng)降低20％使用。</p><p>　　◆穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用，但不能并聯(lián)使用。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)50℃時(shí)，每升高1℃，應(yīng)將最大耗散功率降低1％。所使用的電 流及功率不允許超過(guò)極限值。</p><p>　　◆為了使二極管能在較寬的范圍內(nèi)溫度系數(shù)達(dá)到最小的溫度特性

32、值，可采用將二極管與穩(wěn)壓管串聯(lián)起來(lái)，使它們的溫度系數(shù)相互抵消。不過(guò)，此時(shí)它們的反向漏電流也會(huì)增加一些。</p><p>　　5.任何電容器都存在損耗，希望愈小愈好。特別是在高頻電路， </p><p><b>　　這一點(diǎn)尤其重要。</b></p><p>　　◆工作頻率是選擇電容器極其重要的依據(jù)：</p><p>　?、?/p>

33、在高頻小信號(hào)電路中，應(yīng)選陶瓷、云母介質(zhì)的電容器</p><p>　　②在高頻大功率（指≥100MHz）,應(yīng)選擇空氣可變電容器所組成的匹配電路；</p><p>　?、墼诟哳l旁路電路中，應(yīng)選用具有引線的電容器與穿心電容器并聯(lián)使用，這樣就避免了僅使用穿心電容器造成體積尺寸過(guò)大的缺點(diǎn)；</p><p>　?、茉凇?00MHz以上的電路中，宜采用全部無(wú)引線的金屬電容 <

34、;/p><p>　　⑤不論使用以上哪一種電容器，引出線應(yīng)越短越好。同時(shí)，焊接質(zhì)量也有很大的關(guān)系，要求焊點(diǎn)偏大而圓滑，絕對(duì)不允許出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。</p><p>　　⑥有極性的電容器不允許在負(fù)壓的情況下工作。即加在電容器上的直流電壓成分與交流電壓峰值之差應(yīng)≥0,若超出此規(guī)定，應(yīng)選用無(wú)極性電容器?；?qū)蓚€(gè)同規(guī)格的極性電容器的負(fù)極連接起來(lái)，兩個(gè)正極分別接在電路中（如圖2），此時(shí)每只電容器的容量為實(shí)際所

35、需電容量的雙倍數(shù)值；而直流工作電壓為實(shí)際所需直流工作電壓一半以上的臨界電壓系列值。</p><p><b>　　圖二 </b></p><p><b>　　圖（2）</b></p><p><b>　　八. 實(shí)驗(yàn)總結(jié)</b></p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)基本完成了實(shí)驗(yàn)的目的。通

36、過(guò)親自動(dòng)手我們進(jìn)一步熟悉了實(shí)驗(yàn)器材和它們的性能。雖然我們完成的僅是很基本的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，但明晰了穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)，激發(fā)了我們的實(shí)驗(yàn)興趣，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)電子技術(shù)這門課程奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)是我們從原理設(shè)計(jì)，器件選擇，電路搭設(shè)，電路調(diào)試完全自己動(dòng)手完成的實(shí)驗(yàn)，雖然實(shí)驗(yàn)本身并不復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度也不大，但確使我們充分了解了完成一項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)所需完成的整個(gè)過(guò)程。特別是在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，雖然都不復(fù)雜

37、，但是經(jīng)過(guò)我們自己查找分析，最終獲得解決的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們學(xué)到了很多關(guān)于電路調(diào)試和問(wèn)題查找的知識(shí)。檢查電路，雖說(shuō)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，卻也體味到了解決問(wèn)題的快感，最重要的是，讓我們知道應(yīng)該如何根據(jù)問(wèn)題去檢查電路，減少盲目性，提高電路調(diào)試效率。</p><p>　　同學(xué)們都比較喜歡這門設(shè)計(jì)課程，因?yàn)榇蠹矣X(jué)得在這門課上確確實(shí)實(shí)能學(xué)到很多東西，還有老師的悉心教導(dǎo)，特別是相對(duì)寬松的設(shè)計(jì)環(huán)境，不僅使我們學(xué)到許多新的知識(shí)，還對(duì)我

38、們以前所學(xué)知識(shí)給予了系統(tǒng)化的整理，尤其是培養(yǎng)了我們獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。</p><p>　　最后，對(duì)xx老師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給予我們的耐心指導(dǎo)表示真誠(chéng)的感謝！</p><p><b>　　九．參考資料</b></p><p>　　1.清華大學(xué)電子教學(xué)教研組，，童詩(shī)白主編，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，修訂2版，北京：高等教育出版社，1988</p>