直流穩(wěn)壓電源性能測(cè)試與優(yōu)化

1、 直流穩(wěn)壓電源的性能測(cè)試和優(yōu)化 院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 資昌龍 指導(dǎo)教師： 黃海波 職稱 實(shí)驗(yàn)師 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電氣本1105班 完成時(shí)間： 2015年6月 摘 要直流穩(wěn)壓電源是當(dāng)今社會(huì)的一大有用的發(fā)明，任何電子設(shè)備都要有一個(gè)電源供電。從大型計(jì)算機(jī)到小型計(jì)算器，所有的電子設(shè)備必須得在電源電路中工作。當(dāng)然，這些方式不同的電源電路都是具有復(fù)雜性的。大型計(jì)算機(jī)的電源電路更是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。直流穩(wěn)壓電源是以電子技術(shù)為理論知識(shí)，而且還是以電子、電力以及調(diào)控這三個(gè)電氣工程為核心的一項(xiàng)技術(shù)，它更是一項(xiàng)十分實(shí)用的科學(xué)技術(shù)。其主要作用是把交流電轉(zhuǎn)化成直流電。使

2、用范圍十分廣，在生產(chǎn)教育以及科學(xué)研究中是不可或缺的重點(diǎn)部分。電源的品質(zhì)是好還是壞、能否承受外界的干擾、甚至是影響之后儀器設(shè)備能否運(yùn)作，這一系列必須考慮的問題是重點(diǎn)研究的條件因素。若是判斷電源品質(zhì)的優(yōu)劣，那么于外部的環(huán)境等一系列因素，需要對(duì)它是否科學(xué)可靠等問題進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)；因此嚴(yán)格檢驗(yàn)是否過關(guān)合格都將是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)出一個(gè)直流穩(wěn)壓電源并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)整流、濾波、穩(wěn)壓這三個(gè)模塊方案對(duì)比的優(yōu)化選擇使設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源能輸出正負(fù)12V、正5V以及3V到9V可調(diào)直流電壓，通過一系列的仿真檢測(cè)基本符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：變壓器； proteus仿真 ，優(yōu)化性能 ABSTRACTD

3、C stabilized power supply is a useful invention in todays society, and any electronic device can have a common power circuit. From the super computer to the pocket calculator, all electronic devices must be able to work in the power circuit. Of course, these power circuits with different methods are

4、 all very complicated. The power circuit of super computer is a more complicated system.DC stabilized power supply is based on the theoretical knowledge of electronic technology, and with the three electrical engineering fields of electronics, electric power and regulation as the core, it is a very

5、practical scientific technology. Its focus is the conversion of electrical power. It has a wide application range, which is not only the basic professional knowledge in the fields of production, education and scientific research, but also an indispensible part in many instruments and devices. The qu

6、ality of power supply will decide whether it can stand the external disturbance and affect the later instrument operation and system regulation, and this series of issues must be considered, because they are the conditions and factors that should be emphatically studied.In order to determine the qua

7、lity of power supply, a series of external environment factors should be considered, and strict examination should conducted to determine if it is scientific and reliable; therefore, the strict examination of quality is a very critical linkDuring the graduation project design, first of all, we will

8、introduce the current development of power supply and the key switching power supplies; then, we will select the main data and detection method in accordance with the characteristics of designed power supply; a DC stabilized power supply is designed for strengthening. During the design, the bridge r

9、ectifier circuit is adopted as the rectifier circuit; the filter circuit consists of the capacitance filter circuit, three-section controllable integrated voltage-regulator tube and slide rheostat of 2000 ohm. Through a series of simulations and detections, the final project design basically achieve

10、s optimization of DC stabilized power supply.Key words transformer; proteus simulation, performance optimization目 錄1 緒論1 1.1 直流穩(wěn)壓電源的概念1 1.2 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展1 1.3 直流穩(wěn)壓電源的分類2 1.4 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)22 設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)5 2.1 設(shè)計(jì)的目的5 2.2 設(shè)計(jì)的任務(wù)5 2.3 設(shè)計(jì)的思路53 方案分析與選擇6 3.1 電源變壓器（Transformer）6 3.2 整流電路（rectifying circuit）7 3.2.1 單相半

11、波整流電路7 3.2.2 單相全波整流整流電路8 3.2.3 橋式整流電路9 3.2.4 整流電路方案選擇11 3.3 濾波電路(Filter circuit)11 3.3.1 電感濾波電路12 3.3.2 RC-型濾波電路12 3.3.3 采用LC濾波電路13 3.3.4 采用電容濾波電路13 3.4 穩(wěn)壓電路(Regulator circuit)15 3.4.1 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路15 3.4.2 三端固定式集成穩(wěn)壓器16 3.4.3 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器194 性能優(yōu)化方案22 4.1 ±12V直流電壓對(duì)稱輸出電路22 4.1.1 電路設(shè)計(jì)22 4.1.2 電路元器件選擇22

12、4.2 +5V直流電壓輸出電路23 4.2.1 電路設(shè)計(jì)23 4.2.2 電路元器件選擇23 4.3 （+3+9)V直流電壓連續(xù)可調(diào)輸出電路24 4.3.1 電路設(shè)計(jì)24 4.3.2 電路元器件的選擇255 性能測(cè)試及仿真27 5.1 電路仿真27 5.1.1 ±12V直流電壓輸出電路仿真27 5.1.2 +5V直流電壓輸出電路仿真27 5.1.3 (+3+9)V直流電壓連續(xù)可調(diào)輸出電路仿真28 5.1.4 三檔直流電壓輸出電路28 5.2 性能測(cè)試28 5.2.1 測(cè)試指標(biāo)28 5.2.2 測(cè)試方法30 5.2.3 仿真測(cè)試結(jié)果31結(jié)束語32參考文獻(xiàn)33致 謝35附 錄A：元件列表

13、清單36 1 緒論1.1 直流穩(wěn)壓電源的概念220伏特的交流電壓在一般的輸入電壓的條件下，所輸出的電壓將會(huì)維持在一個(gè)固定值，而不會(huì)因?yàn)樾》秶碾娫措妷鹤兓推渌蛩刈兓ɡ鐪囟茸兓?產(chǎn)生對(duì)外影響，為電子器件持續(xù)提供穩(wěn)定的直流電源，這便是是直流電源。通常直流電源為連續(xù)導(dǎo)電直流電源，它是利用頻率變換器轉(zhuǎn)換成交流電壓值為220V電氣設(shè)備，然后經(jīng)整流濾波電路得到脈動(dòng)直流，最后獲得一個(gè)穩(wěn)定的恒定電壓穩(wěn)壓電路,缺點(diǎn)就是輸出紋波電流大，易受干擾1。1.2 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展 直流穩(wěn)壓電源是當(dāng)今社會(huì)的一大有用的發(fā)明，任何電子設(shè)備都有一個(gè)電源公共電路。像大型計(jì)算機(jī)，以及小型計(jì)算器，所有的電子設(shè)備必須在有電源的

14、電路中工作。當(dāng)然，在這些方式不同的電源電路中的復(fù)雜性也不同。像超級(jí)計(jì)算機(jī)的電源電路，便是一個(gè)非常復(fù)雜的電路，其電源電路是一個(gè)穩(wěn)定并具有多種復(fù)雜的電源規(guī)范線路。而對(duì)于簡(jiǎn)單的計(jì)算器電池的供電電路，卻不要小看，在此電路中不單單設(shè)計(jì)新穎還僅具有掉電保護(hù)功能。電源電路的基礎(chǔ)是面向所有其他電子設(shè)備，沒有電源電路就不會(huì)有各種各樣的電子設(shè)備。隨著時(shí)間推移，直流電源的科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展迅速，新技術(shù)的比普通的模擬控制系統(tǒng)的開發(fā)成本更低，具有體現(xiàn)在相關(guān)行業(yè)在當(dāng)?shù)貐^(qū)的市場(chǎng)2。如今的技術(shù)改善了直流電源的技術(shù)，從最開始的分別單元加上使用單芯片操控開發(fā)的集成操控系統(tǒng)內(nèi)的整流電路中到現(xiàn)在的直流電源，呈現(xiàn)了智能控制，遙控測(cè)，遙控

15、感，遙控制三遙控功能的直流電源。以及直流電源自動(dòng)化，一體化的基本實(shí)現(xiàn)【3】1.3 直流穩(wěn)壓電源的分類當(dāng)前直流穩(wěn)壓電源能夠通過五個(gè)角度來歸類： 根據(jù)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源輸出功率型和交流穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓電路通過與 系列電源并聯(lián)供電部分負(fù)載直流電源連接。反饋調(diào)整調(diào)節(jié)器：由一個(gè)放大器和一 個(gè)負(fù)反饋電路形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)過輸出電壓的采樣，變化，控制，放大，比 較更改元件數(shù)據(jù)以及其它步驟，以實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定的輸出。 如果通過不同的裝置的效果，可分為：管電壓調(diào)節(jié)器，穩(wěn)壓二極管。 如果有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的調(diào)整管的工作狀態(tài)，根據(jù)電路的類型劃分有一個(gè)簡(jiǎn)單的電源和電源回饋。按照電壓調(diào)節(jié)器的不同要求分為高和低電壓調(diào)節(jié)

16、器。如果依據(jù)電壓不同種類的需求，是有多種穩(wěn)壓器的【4】1.4 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo) 技術(shù)指標(biāo)直流電源可分為兩類：一類是在性能指標(biāo)，反映了直流電源的固有特性，如在直流電源的輸入電壓，輸出電壓，輸出電流，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍;另一個(gè)類的質(zhì)量指標(biāo)，反映了直流電源的優(yōu)點(diǎn)，包括穩(wěn)定性，等效電阻（輸出阻抗），脈動(dòng)電壓和溫度系數(shù)等【5】。在輸出電壓的范圍輸出電壓意思是：在正常運(yùn)行條件的直流電源的輸出電壓范圍的輸入電壓， 這個(gè)規(guī)格通過電壓輸入輸出的最大輸入值，及最小輸入值的差和電源的的電壓基 準(zhǔn)值來決定。最大輸入電壓和輸出的電壓差當(dāng)直流電源在額定電壓條件下運(yùn)行，輸出的電壓和所允許電源輸入的電壓兩 者相差最大值。

17、最小輸入、輸出電壓差最小輸入電壓的區(qū)別是在直流電源電壓在額定運(yùn)行時(shí)間下，以及最小輸出直流電源之間的功率差是代替正在工作的額定電壓，最小輸入電壓的區(qū)別是在直流電源電壓在額定工況的時(shí)間，以及最小輸出直流電源之間的功率差是代替正在工作的額定電壓，不同的輸入電壓和輸出電壓的輸入和輸出電壓差作為依據(jù)。電壓調(diào)整率SV電壓調(diào)節(jié)是優(yōu)劣的DC電源電壓的性能特征，也稱為電壓系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)，這是表示了變化后的一個(gè)重要的指標(biāo)，當(dāng)輸入電壓U1的直流電源輸出電壓U0達(dá)到穩(wěn)定的水平，它的公式如（1）所表達(dá) （1）電流調(diào)整率SI 電流調(diào)整是一個(gè)重要的自我指標(biāo)反映負(fù)載容量能力的，也被視為為電流穩(wěn)定系數(shù)的直流電源的一個(gè)主要指標(biāo)。

18、它的特點(diǎn)是，當(dāng)輸入電壓是恒定時(shí)，由于直流電源的波動(dòng)負(fù)載引起的排斥反應(yīng)電流輸出電壓的變化，指定負(fù)載電流變化，一般由輸出單位電壓下的變化值百分比表達(dá)穩(wěn)壓直流電源調(diào)整率。它如式（2）所表 示 (2) 極限值的指標(biāo)：（a）最大的輸出電壓 就是直流電源工作正常時(shí)可以承受最大的電壓，它可能會(huì)發(fā)生超過所述電 源電壓故障的問題還有可能會(huì)被損壞。（b）最大輸入的電流 若要使輸出電壓的波動(dòng)，那么最大的電流也是是可以承擔(dān)最大的電流所超出負(fù)載的電流值，也可能由于過熱引起的電阻值的變化。32 設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)2.1 設(shè)計(jì)的目的 每個(gè)分類的直流電源，并從每個(gè)性能直流電源中通過對(duì)比來，選擇最優(yōu)的方案并且吸取其精華，使直流電

19、源性能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。使輸出電壓更穩(wěn)定。通過優(yōu)化的性能測(cè)試、仿真設(shè)計(jì)和調(diào)試電路，從而使電子技術(shù)的直流電源的設(shè)計(jì)，達(dá)到要求，并鞏固所學(xué)知識(shí)【6】2.2 設(shè)計(jì)的任務(wù) 若要達(dá)到直流電源性能更加優(yōu)化，會(huì)有多種方案，得選擇能滿足性能指標(biāo)要求的最優(yōu)解，以達(dá)到計(jì)算元件的參數(shù)，從而計(jì)算出的元器組件的參數(shù)，才能選擇出滿足各種電路中元器件對(duì)電路設(shè)計(jì)的要求，最后再經(jīng)過Proteus仿真軟件進(jìn)行電路仿真和調(diào)試的設(shè)計(jì)。2.3 設(shè)計(jì)的思路 論文設(shè)計(jì)主要是要實(shí)現(xiàn)的是關(guān)于220伏，50赫茲的交流電變成直流電的穩(wěn)定裝置，則需要四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成，這四個(gè)環(huán)節(jié)分別是：改變電壓，濾波，穩(wěn)壓，整流。由圖1表示: 圖1 直流穩(wěn)壓電源工

20、作環(huán)節(jié)3 方案分析與選擇3.1 電源變壓器（Transformer） （1）組成結(jié)構(gòu)：變壓器由兩個(gè)鐵芯，每個(gè)鐵芯外有一層漆包線緊密纏繞組成繞組，連接電源的繞組叫初級(jí)線圈，連接負(fù)載端的繞組叫次級(jí)線圈。繞組的圈數(shù)決定了變壓器的變壓的規(guī)格。 （2）工作原理：利用法拉第電磁感應(yīng)定律，給初級(jí)繞組的線圈通入交流電，鐵芯中感應(yīng)出交流磁通，磁通在次級(jí)線圈中感應(yīng)出交流電壓。如此使電網(wǎng)220V交流電壓轉(zhuǎn)變成符合需要的交流電壓，并送給整流電路。次級(jí)線圈的匝數(shù)決定了改變后的電壓值，匝數(shù)越多次級(jí)線圈中感應(yīng)的電壓值就越大7。原理如圖2所示 圖2 變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 電源變壓器的效率如公式（3）所示 （3）式中：是變壓器初級(jí)

21、線圈的功率，是變壓器次級(jí)線圈的功率。常見幾種變壓器的效率如表1所示：表1 小型變壓器的效率 副邊功率<10VA1030VA3080VA80200VA效率0.60.70.80.85 所以當(dāng)計(jì)算出次級(jí)線圈的功率，通過對(duì)表就可以得出初級(jí)線圈的功率。3.2 整流電路（rectifying circuit） 工作原理：利用單向?qū)щ娫?，將變壓電路輸出?0Hz的正弦交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電。 結(jié)構(gòu)組成：多用硅整流二極管和晶閘管組成。3.2.1 單相半波整流電路 單相半波整流電路是最基礎(chǔ)的整流電路之一。它由電源變壓器、整流二極管 VD 和負(fù)載電阻組成。變壓器把220V電網(wǎng)電壓變成設(shè)計(jì)中所需要的交

22、流電壓。 再利用二極管VD的單向?qū)щ娞匦裕瑢⒔涣麟娮兂芍淮嬖谡胫芷?，使得流過負(fù)載RL的電流是單相脈動(dòng)直流電8。因此由單相半波整流電路出來的電流依然是電網(wǎng)交流電的50HZ。電路圖如圖3所示 圖3 單相半波整流電路圖在周期0 區(qū)間內(nèi)，電壓為正，VD兩端電壓為正向電壓，此時(shí)VD導(dǎo)通，在2 周期區(qū)間內(nèi)，為負(fù)，VD兩端電壓為反向電壓，此時(shí)VD不導(dǎo)通。交流電只有正半周通過負(fù)載。由于負(fù)載電流隨時(shí)間變化，所以通過這種方式獲得的電流稱為脈動(dòng)直流電。其波形圖如圖4所示 半波整流因一半電流被轉(zhuǎn)化為其他形式的能，所以造成了不必要的浪費(fèi)。 圖4 單向半波整流電路波形圖 負(fù)載電壓電流計(jì)算根據(jù)輸出電壓極性與電壓電流波形分

23、析可知，負(fù)載所得半波整流電壓雖然方向不變，但大小總是隨時(shí)間變化，輸出直流電壓為一個(gè)周期內(nèi)電壓的平均值，（半波整流電壓的平均值是交流電壓峰值的倍），如公式（4）所示 （4） 輸出平均電壓： (5)輸出電壓： (6)輸出平均電流： (7)輸出電流： (8)3.2.2 單相全波整流整流電路全波整流電路由兩個(gè)二級(jí)管組成，分別負(fù)責(zé)正負(fù)方向的電壓，通過半導(dǎo)體二極管將交流電變成脈動(dòng)直流電9。如圖5所示，其波形圖如圖6所示 圖5 全波整流電路圖全波整流電路的工作原理是和分別在交流電正負(fù)兩個(gè)周期工作將交流電變成脈動(dòng)直流電。在周期0區(qū)間內(nèi)，對(duì)為正向電流，導(dǎo)通，負(fù)載上得到電壓；對(duì)為反向電流，不導(dǎo)通。在周期-2區(qū)間內(nèi)

24、， 對(duì)VD2為正向電壓，導(dǎo)通，在負(fù)載上得到；對(duì)為反向電流，不導(dǎo)通。 圖6 單相全波整流電路波形圖從圖中的波形圖中可見，負(fù)載在正負(fù)半周期均有電流流過，比單相半波整流電路多出了半個(gè)周期電流，如此提高了1倍整流效率節(jié)約了電能。3.2.3 橋式整流電路單相橋式整流電路是一種應(yīng)用較為廣泛的整流電路。它由兩組橋臂組成，一組由二極管和組成，另一組由和組成。四個(gè)整流二極管構(gòu)成電橋形式，所以稱橋式整流10。橋式整流電路相比全波整流電路，全波整流電路需要2只整流二極管而橋式整流電路需要4只整流二極管來完成整流，相對(duì)線路復(fù)雜些； 但是全波整流電路每只二極管承受兩倍反向電壓，橋式的四只二極管只承受一倍反向電壓，所以全

25、波整流電路需要能承受高壓的二極管，如圖7所示，其波形圖如8所示 圖7 橋式整流電路橋式整流的工作原理是當(dāng)處于2周期區(qū)間內(nèi)，電壓只存在于正半周期，二極管和的兩端承受是正向電壓，使之導(dǎo)通；而與的兩端承受的是反向電壓，和無法導(dǎo)通。電流通過、負(fù)載、構(gòu)成回路，負(fù)載上形成上正下負(fù)的半波整流電壓。其電流流向如圖9所示。當(dāng)處于23區(qū)間內(nèi)，電壓只存在于負(fù)半周，此時(shí)二極管和兩端所承受的是正向電壓，此時(shí)和導(dǎo)通；與所承受的是反向電壓，和無法導(dǎo)通。電流通過、負(fù)載、構(gòu)成回路，負(fù)載RL上形成上負(fù)下正的整流電壓。其電流流向如圖10所示。如此反復(fù)兩組二極管的導(dǎo)通與關(guān)斷，在負(fù)載上就得到全波整流電壓。在橋式整流電路中，變壓器次級(jí)線

26、圈中電壓值等于各個(gè)二極管所承受的反向電壓值，但橋式整流電路二極管所承受的電壓是全波整流電路電壓的一半，所以全波整流電路比橋式整流電路對(duì)二極管的要求更高。 圖8 橋式整流電路波形圖 圖9 處于正半周時(shí)電流流向圖 圖10 處于負(fù)半周時(shí)電流流向圖 橋式整流電路各參數(shù)計(jì)算：設(shè)輸出平均電壓為， 橋式整流電路輸出電壓與變壓器次級(jí)線圈電壓的關(guān)系如公式（9）所示 (9) 因?yàn)?、?dǎo)通時(shí)、關(guān)斷，、導(dǎo)通時(shí)、關(guān)斷，如此輪流導(dǎo)通， 使得流過二極管的平均電流等于流過負(fù)載端電流的一半， 如公式（10）所示 (10)當(dāng)在2周期區(qū)間范圍內(nèi)，為正向電壓，此時(shí) 和導(dǎo)通， 而和關(guān)斷， 相當(dāng)于、并聯(lián)后跨接在上， 因此二極管承受的最高反

27、向峰值電壓與為的關(guān)系式如公式（11）所示 (11) 3.2.4 整流電路方案選擇由于通過二極管的平均電流值為通過負(fù)載平均電流值的一半，通過二極管的最大電流值與通過負(fù)載的最大電流值相等。 橋式整流電路相比半波整流電路，當(dāng)和相同時(shí)，半波整流電路輸出的直流電壓值是橋式整流電路輸出的直流電壓值的一半；橋式整流電路減小了電流脈動(dòng)程度；橋式整流電路在一個(gè)完整周期內(nèi)周期都有對(duì)稱電流流過負(fù)載，并且正負(fù)兩個(gè)半周期的電壓值相等，橋式整流電路方案既充分節(jié)約了電能，也不會(huì)再磁化方面產(chǎn)生影響11。因此它的應(yīng)用范圍較為廣泛。橋式整流電路相比全波整流電路，全波整流電路需要2只整流二極管而橋式整流電路需要4只整流二極管來完成

28、整流，相對(duì)線路復(fù)雜些； 但是全波整流電路每只二極管承受兩倍反向電壓，橋式的四只二極管只承受一倍反向電壓，所以全波整流電路需要能承受高壓的二極管；在全波整流電路的變壓器中，次級(jí)繞組端一定要有兩個(gè)相互對(duì)稱且電壓轉(zhuǎn)化率相等的磁芯,這在設(shè)計(jì)上出現(xiàn)了較多的困難，并且會(huì)產(chǎn)生一定誤差，使得對(duì)次級(jí)端的變壓值不準(zhǔn)確。通過以上三種整流方式的對(duì)比，根據(jù)橋式整流電路晶體管承受的反向電流小，輸出電壓高，電源變壓器次級(jí)端電壓的利用率高，電壓紋波波動(dòng)范圍穩(wěn)定，同時(shí)由于電源變壓器在一個(gè)完整的周內(nèi)都有持續(xù)穩(wěn)定的電流供給負(fù)載，最終選擇橋式整流電路為直流穩(wěn)壓電源的整流電路。 3.3 濾波電路(Filter circuit)工作原理

29、：在電感處于正常工作下時(shí)，電感的線圈將根據(jù)電流的增大或者減小產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并抑制電流的變化。當(dāng)電路中的電流變化值升高時(shí)，電感線圈會(huì)產(chǎn)生與電流相反的自感電動(dòng)勢(shì)，抑制電路中升高的電流變化值，并將通過電感線圈的電流感應(yīng)成磁動(dòng)勢(shì)并以磁場(chǎng)的形式保存在電感中；當(dāng)流過電感線圈的電流變化值降低時(shí)，電感中電流感應(yīng)的磁動(dòng)勢(shì)和電流方向一樣，磁動(dòng)勢(shì)抑制電路中電流變化值的減小，與此同時(shí)將儲(chǔ)存在電感中的磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)化為電流值，從而抑制電路中的電流變化值的減小12。所以電流經(jīng)電感并利用磁動(dòng)勢(shì)濾波后抑制電路中電流的變化量，使得負(fù)載端電流變化值的波動(dòng)有效降低，輸出的電壓值脈動(dòng)系數(shù)減小，輸出電流波形穩(wěn)定，整流二極管VD的導(dǎo)通角近似

30、等于。當(dāng)電感的性能指標(biāo)不變，線圈數(shù)一定時(shí)，負(fù)載電阻變化與輸出電壓的交流分量的變化成正比。當(dāng)負(fù)載電阻比輸出電壓的交流分量特別大是才能得到相對(duì)穩(wěn)定的波形。但這需要大電阻值的負(fù)載，所以當(dāng)電感很大的時(shí)候，才能得到較為穩(wěn)定平滑的波形。除此之外，可以使二極管的導(dǎo)通角近似等于，如此做就可以降低二極管VD所承受的反向電壓，使得二極管能更持久的工作。3.3.1 電感濾波電路電感濾波電路如圖11所示，利用電感對(duì)脈動(dòng)直流感應(yīng)出磁動(dòng)勢(shì)從而變成反向電動(dòng)勢(shì)來達(dá)到濾波的作用，當(dāng)電路中的電流變化值升高時(shí)，電感線圈會(huì)產(chǎn)生與電流相反的自感電動(dòng)勢(shì)，抑制電路中升高的電流變化值，并將通過電感線圈的電流感應(yīng)成磁動(dòng)勢(shì)并以磁場(chǎng)的形式保存在電

31、感中；當(dāng)流過電感線圈的電流變化值降低時(shí)，電感中電流感應(yīng)的磁動(dòng)勢(shì)和電流方向一樣，磁動(dòng)勢(shì)抑制電路中電流變化值的減小，與此同時(shí)將儲(chǔ)存在電感中的磁，如果電感值越大，那么電感濾波電路的濾波效果就越明顯。圖11 電感濾波電路3.3.2 RC-型濾波電路 型濾波電路如圖12所示，它有兩個(gè)電容并聯(lián)在電路中并在兩個(gè)電容之間串聯(lián)一個(gè)電阻，這種電路又被稱之為濾波電路。因?yàn)榇藶V波電路多了一個(gè)電阻負(fù)載，把電流中的波動(dòng)部分分?jǐn)傇陔娮枭?。電阻和并?lián)的第二個(gè)電容越大，得到的濾波電壓的穩(wěn)定系數(shù)就越高，不過在電路中，電阻超過一定數(shù)值就會(huì)造成輸出電壓變低，如此就降低了變壓效率，減小了輸出電壓。所以我們一般在濾波電路中，使小于。圖1

32、2 RC濾波電路圖3.3.3 采用LC濾波電路濾波電路如圖13所示，濾波電路是一種與電感濾波電路相對(duì)的濾波電路，這種濾波電路結(jié)合了電容濾波電路輸出電壓的波動(dòng)率低以及電感濾波電路帶負(fù)載輸出的電壓波形穩(wěn)定率高抗干擾能力強(qiáng)的特性13。圖13 LC濾波電路圖3.3.4 采用電容濾波電路電容濾波電路的構(gòu)成是將大電容與負(fù)載電阻并聯(lián)，并利用電容受到正向電流感應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)并將電磁能儲(chǔ)存起來，俗稱充電，利用電容施加反向電壓的原理達(dá)到濾波的效果。如圖14所示，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出波形波動(dòng)較小，但是負(fù)載端的電壓比較高，它適用于負(fù)載電壓較高的場(chǎng)合，使用電容濾波電路也減輕了電路設(shè)計(jì)工作。由于電感的體積和制作成本等原因，所以

33、濾波電路一般采用電容濾波。電容濾波的工作波形如圖15所示。圖14 電容濾波電路圖 圖15 電容濾波工作波形圖（圖中陰影部分為二級(jí)管中的電流）當(dāng)一組二極管處于工作狀態(tài)時(shí)，電容電容受到正向電流感應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)并將電磁能儲(chǔ)存起來， 當(dāng)二極管受到反向電壓截止時(shí)，電容將儲(chǔ)存的電磁能轉(zhuǎn)換成電能輸送出去。 當(dāng)上升時(shí)，大于電容上的電壓,對(duì)電容進(jìn)行充電，, 下降，小于電容上的電壓。二極管承受反向電壓而截止。電容通過放電，按指數(shù)規(guī)律下降，時(shí)間常數(shù) 只有整流電路輸出電壓大于時(shí)，才有充電電流。因此二極管中的電流是脈沖波。 經(jīng)上述分析可知， 由于在二極管截止期間電容向負(fù)載電阻緩慢放電， 使得輸出電壓的脈動(dòng)減小， 結(jié)果平滑了許

34、多。 輸出電壓平均值也得到了提高14。 顯然的值越大，濾波效果越好,當(dāng)負(fù)載開路時(shí)（），輸出電壓如公式（12）所示 （12）為了取得良好的濾波效果，一般取 （13）式中，為電壓周期。 這個(gè)時(shí)候的輸出電壓平均值為Uo1.2 U2表2 濾波電路比較表 序號(hào)類型 輸出直流電壓整流管的沖擊電流適用場(chǎng)合外特性1電容濾波1.2大小電流軟2RC濾波 1.2大小電流更軟3電感濾波0.9小大電流硬4LC濾波0.9小適應(yīng)性較強(qiáng)硬基于以上的電路對(duì)比分析，選用電容濾波電路。3.4 穩(wěn)壓電路(Regulator circuit)電路會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩匕l(fā)生波動(dòng)，例如當(dāng)負(fù)載的溫度發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸?shù)妮敵鲭妷簳?huì)隨因此變得不穩(wěn)定

35、。所以為了維持輸出的電壓值保持穩(wěn)定不變，還需一個(gè)穩(wěn)壓電路。當(dāng)電網(wǎng)電壓、負(fù)載、外界環(huán)境、溫度等發(fā)生變化時(shí)，使輸出直流電壓不受影響，穩(wěn)壓電路持電壓的穩(wěn)定輸出，這就是穩(wěn)壓電路所起到的作用15。3.4.1 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓是以穩(wěn)壓管作為電路基礎(chǔ)，利用晶體管的電流放大作用，增大負(fù)載電流；在電路中引入深度電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定；同時(shí)，可以通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)16。串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路的工作原理如圖16所示，由圖可知有，當(dāng)?shù)碾妷褐底兇髸r(shí)，因受控制而增加，使增加，從而在一定程度上抵消了增加對(duì)輸出電壓的影響。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，受控制而減小，使減小，這就在一定程度上抵消了因增加使減小，

36、對(duì)輸出電壓減小的影響。 圖16 串聯(lián)穩(wěn)壓電路的基本組成電路 典型串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路中，可變電阻是用一個(gè)三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降，VCE相當(dāng)于。要想輸出電壓穩(wěn)定，必須按電壓負(fù)反饋電路的模式來構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。 如圖17所示，串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路由調(diào)整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓源四個(gè)部分組成。圖17 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖（1）當(dāng)輸入電壓變化，負(fù)載電流保持不變。若輸入電壓的增加，會(huì)使輸出電壓有所增加，輸出電壓經(jīng)過取樣電路取出一部分信號(hào)與基準(zhǔn)源電壓比較，獲得誤差信號(hào)。誤差信號(hào)經(jīng)放大器進(jìn)行放大后，使用去控制調(diào)整管的管壓降的增加，這樣就抵消輸入電壓增加的影響。其變化過

37、程可以描述如下：（2）當(dāng)負(fù)載電流變化，輸入電壓保持不變。若負(fù)載電流的增加，會(huì)使輸入電壓VI有所減小，輸出電壓必然有所下降，經(jīng)過取樣電路取出一部分信號(hào)與基準(zhǔn)電壓源VREF比較，獲得的誤差信號(hào)。誤差信號(hào)經(jīng)放大器進(jìn)行放大后使增加，從而使調(diào)整管的管壓降下降，這樣就抵消了因增加使輸入電壓減小的影響。其變化過程可以描述如下：串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算,如公式（14）、（15）所示 （14） （15） 由上式可以看出，通過調(diào)節(jié)可以改變輸出電壓。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻很小，如果輸出端短路，則輸出短路電流很大。同時(shí)輸入電壓將全部降落在調(diào)整管上，使調(diào)整管的功耗大大增加，調(diào)整管將因過損耗發(fā)熱而損壞，為此

38、必須對(duì)穩(wěn)壓電源的短路進(jìn)行保護(hù)。過載也會(huì)造成損壞。3.4.2 三端固定式集成穩(wěn)壓器 目前在市場(chǎng)上，集成穩(wěn)壓器的類型有很多，使用也很廣泛，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端集成穩(wěn)壓器,其內(nèi)部也屬于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)17。三端集成穩(wěn)壓器按其輸出電壓類型可分為固定式穩(wěn)壓器和可調(diào)式穩(wěn)壓器，此外這些集成穩(wěn)壓器又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。 三端固定式集成穩(wěn)壓器的外形和管腳排列如圖18所示。從圖中可以看出它只有輸入、輸出和公共地端三個(gè)端子,所以稱之為三端穩(wěn)壓器。 圖18 三端固定式集成穩(wěn)壓器外形及管腳 國產(chǎn)的三端固定集成穩(wěn)壓器有CW78XX系列和CW79XX系列,CW78XX系列能夠輸出正電壓，

39、CW79XX系列輸出負(fù)電壓，它們的輸出電壓值有±5V、±6V、±8V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V等,最大輸出電流有0.1A、0.5A、1A、1.5A、2.0A等。 78××系列和79××系列的典型電路如圖19（a）、（b）所示： 圖19（a） 正電壓輸出 圖19（b） 負(fù)電壓輸出電容的作用是用來抵消輸入端接線較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。用來改善波形。通常大小取0.1mF 0.33mF。電容的作用是為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)，不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng)

40、。即用來改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。通常大小為1mF18。 如果需要輸出電壓高于三端穩(wěn)壓器輸出電壓，即要提高輸出電壓時(shí),可采用圖20（a）、（b）所示電路。 圖20 提高輸出電壓的接線圖 圖20(a)中,輸出端電壓為集成穩(wěn)壓器的輸出電壓值與穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值之和，如公式（13）所示 （16）在上式中,UXX為集成穩(wěn)壓器的輸出電壓值;UZ為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。圖20(b)中, （17）在上式中,IW為三端穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流,一般大小在幾毫安左右。當(dāng)負(fù)載電流大于三端穩(wěn)壓器輸出電流，即要提高輸出電流時(shí),可采用圖21（a），（b）所示電路。 （a）(b) 圖21 提高輸出電流的電路 其中的電流關(guān)系為： （18） （19

41、） （20） 因?yàn)?gt;>1,且IW很小,可忽略不計(jì),所以有 （21） （22） 在上式中,R為V提供偏置電壓;UBE的大小由三極管決定,通常鍺管為0.3V,硅管為0.7V。圖21 (b)中,輸出電流為單片三端穩(wěn)壓器的兩倍,如公式（23）所示 （23）如果要求電路同時(shí)具有正、負(fù)電壓輸出功能?？刹捎脠D22所示電路,由圖可知,這種電路可以在輸出端得到大小相等、極性相反的電壓。圖22 正負(fù)電壓對(duì)稱輸出的穩(wěn)壓電路3.4.3 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器克服了固定三端穩(wěn)壓器輸出電壓不可調(diào)的缺點(diǎn),同時(shí)有繼承了三端固定式集成穩(wěn)壓器的一些優(yōu)點(diǎn)19。三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器CW317和CW337是

42、一種懸浮式串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器,它們的外形如圖23所示,內(nèi)部電路如圖24所示。317系列集成穩(wěn)壓器能夠輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，337系列集成穩(wěn)壓器能夠輸出連可調(diào)的負(fù)電壓。圖23 CW317和CW337外形圖圖24 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器內(nèi)部原理圖圖25 CW317和CW337典型應(yīng)用電路在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，為了使電路正常工作,一般317和337系列穩(wěn)壓器輸出電流不小于5mA。其輸入電壓范圍在240V之間,輸出電壓可在1.2537V之間調(diào)整,負(fù)載電流可達(dá)到1.5A,因?yàn)檎{(diào)整端的輸出電流非常?。ㄇ液愣?可將其忽略不計(jì),這樣輸出電壓如公式（24）所示 （24） 在上式中，1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間的

43、固有參考電壓，此電壓加于給定電阻兩端，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定電流通過輸出電壓調(diào)節(jié)電位器RP，通常電阻取值為120-240，根據(jù)LM317輸出電壓表達(dá)式，取：R1=2.2k,R2=2k。RP一般使用精密電位器，與其并聯(lián)的電容器C可進(jìn)一步減小輸出電壓的紋波20?？烧{(diào)式穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護(hù)電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構(gòu)成的可調(diào)電壓穩(wěn)壓電源。LM317系列和lM337系列的引腳功能基本相同。LM317的一些特性參數(shù)如下：（1）輸出電壓可調(diào)范圍：1.2V37V；（2）輸出負(fù)載電流：1.5A；（3）輸入與輸出工作壓差,的出結(jié)果在340

44、V之間。3.4.4 集成穩(wěn)壓器的參數(shù)關(guān)系（1）在直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)當(dāng)中，集成穩(wěn)壓器的輸出電壓應(yīng)與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓的大小及范圍相符。穩(wěn)壓器的最大允許電流，穩(wěn)壓器的輸入電壓以滿足下式： （25）在公式（25）當(dāng)中，為穩(wěn)壓電源的最大輸出電壓：為穩(wěn)壓電源的最小輸出電壓；為穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差；為穩(wěn)壓器的最大輸入輸出壓差。 （2）可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器輸出電壓滿足公式（26） （26）4 性能優(yōu)化方案4.1 ±12V直流電壓對(duì)稱輸出電路4.1.1 電路設(shè)計(jì)±12V直流電壓對(duì)稱輸出電路原理圖如圖26所示：圖26 ±12V直流電壓對(duì)稱輸出電路4.1.2 電路元器件選擇

45、變壓器的選擇在圖26中，集成穩(wěn)壓器選用LM7812和LM7912，其輸出電壓分別為+12V，-12V，最大輸出電流為1.5A。 根據(jù)公式（25）可以計(jì)算出 所以，取可滿足要求。又因?yàn)樽儔浩鞲边呺娏鳎?，則變壓器的副邊輸出功率如公式（27）： （27） 由表1知，變壓器的效率為，則原邊輸入功率。 為留有一定的余地，可選用功率為20W的變壓器。所以選用15V/20W的變壓器。 整流二極管的選擇因?yàn)椋?，。而IN4001的反向擊穿電壓URM50V，其額定工作電流ID=1A，所以整流二極管可以選用IN4001。 濾波電容的選擇 根據(jù)公式： （28） 在公式（28）中，,由此可求出濾波電容C=800F，在電

46、路中取C=1000uF。在電路圖26中，C2=C6=1000uF。 穩(wěn)壓器前后小濾波電容：取值C3=C7=330nF,C1=C8=0.1F。集成穩(wěn)壓器件：7812,7902。輸出濾波電容：C4=C5=220F。4.2 +5V直流電壓輸出電路4.2.1 電路設(shè)計(jì) +5V直流電壓輸出電路原理圖如圖27所示：圖27 +5V直流電壓輸出電路4.2.2 電路元器件選擇（1） 變壓器的選擇在圖4-2中，集成穩(wěn)壓器選用LM7805，其輸出電壓為+5V，最大輸出電流Iomax為1.5A。根據(jù)公式（25）可以計(jì)算出 所以，取U2=10V可滿足要求。由于，變壓器副邊電流為：，則變壓器的副邊輸出功率P2為：。 由表3-1知，變壓器的效率，則原邊輸入功率。 要留有一定的余地，可選用功率為20W的變壓器，所以在此電路中選用15V/20W的變壓器。 （2）整流二極管的選擇 因?yàn)?, 。而IN4001的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管可以選用IN4001。 （3）濾波電容的選擇 根據(jù)公式： （29） 在上式中，,，可求出濾波電容C為：1500F。在設(shè)計(jì)電路圖27中取C2