簡易直流穩(wěn)壓電源

1、<一>課題名稱與技術(shù)要求：設(shè)計課題：簡易穩(wěn)壓直流電源 （1）輸出直流電壓UO的調(diào)節(jié)范圍為3 12V，且連續(xù)可調(diào)； （2）最大輸出電流ILM200mA； （3）穩(wěn)壓系數(shù)Sr<10%；（4）具有過流保護(hù)功能。<二>摘要：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，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會保持穩(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，對電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。電源是各種電子、電氣設(shè)備工作的動力，是自動化不可

2、或缺的組成部分。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要采用交流電，而在電子線路和自動化控制中還需要穩(wěn)定的直流電。為了得到直流電除了直流發(fā)電機外多采用直流穩(wěn)壓電源，目前廣泛采用各種半導(dǎo)體直流電源。集成穩(wěn)壓器的種類很多，應(yīng)根據(jù)設(shè)備對直流電源的要求來進(jìn)行選擇。對于大多數(shù)電子儀器、設(shè)備和電子電路來說，通常是選用串聯(lián)線性集成穩(wěn)壓器。而在這種類型的器件中，又以三端式穩(wěn)壓器應(yīng)用最為廣泛。本文設(shè)計的是輸出312V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓源，最大輸出電流為 200mA，另外采用LM317 集成器件。集成穩(wěn)壓器具有體積小，外接線路簡單、使用方便、工作可靠和通用性等優(yōu)點，因此在各種電子設(shè)備中應(yīng)用十分普遍，基本上取代了由分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路

3、。<三>總體方案設(shè)計與論證及選擇：1.總體設(shè)計思路根據(jù)課本教材可知直流穩(wěn)壓電源一般要包括4個部分,即整流變壓器,整流電路,濾波器,穩(wěn)壓環(huán)節(jié).其框圖如下所示如圖所示,首先應(yīng)經(jīng)過整流變壓器將交流電壓變換為符合整流需要的電壓,然后經(jīng)過整流電路將交流電壓變換為單向脈動電壓,其中的整流元件(二極管或晶閘管)之所以能整流是因為他們都具有單向?qū)щ姷墓餐匦?接著通過濾波器減少整流電壓的脈動程度，以適合負(fù)載的需要，濾除交流成分，保留直流成分。最后通過濾波環(huán)節(jié)在交流電源電壓波動或負(fù)載變動時，使直流輸出電壓穩(wěn)定。根據(jù)要求所設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源應(yīng)符合幅值穩(wěn)定，平滑，變換頻率高，負(fù)載能力強，溫度穩(wěn)定性好的特

4、點。由于知識有限，本著簡單，易懂，經(jīng)濟，安全的原則對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行方案的選擇2.方案論證選擇（1）整流電路的選擇整流分為半波整流，全波整流，與橋式整流a、 單向半波整流半波整流是最簡單的整流電路，原理簡單就不再論述,有整流變壓器Tr，整流元件D及負(fù)載電阻Rl組成。公式為U0=U2=0.45 U2優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件少缺點：輸出電壓脈動大，直流成分比較低；變壓器有半個周期不導(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)載要求不高的場合b 單向全波整流通過查閱治療可知：全波整流的輸出電壓時半波整流的兩倍，輸出波形的脈動成分比半波整流時有所下降。全波整流電路在負(fù)半周時二極

5、管承受的反向電壓較高，其最大值等于，且電路中每個線圈只有一半時間通過電流，所以變壓器利用率不高。c 單向橋式整流電路單向橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡單起見，二極管用理想模型來處理，如圖，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。在 U2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管 D1流向RL,再由二極管 D3流回變壓器，所以 D1、D3正向?qū)?，D2、D4反向截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個極性為上正下負(fù)的輸出電壓。其電流通路可用下圖中實線箭頭表示。在 U2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管 D2流向 RL，再由二極管 D4流回變壓器，所以 D1

6、、D3反向截止，D2、D4正向?qū)?。電流流過 RL時產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時相同。其電流通路如圖 中虛線箭頭所示。綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。各方案的優(yōu)缺點比較：單向半波整流電路雖然簡單但是只有電源的半周被整流輸出，存在著輸出電壓低，脈動大，變壓器利用率低的缺點，一般只適合于負(fù)戴電流小于10mA的場合。單向全波整流電路雖然輸出電壓的脈動程度比單向半波整流電路有所降低，但在交流電源電

7、壓和變壓器變比相同的情況下，輸出直流電壓并沒有比半波整流電路提高，而且在交流電的正負(fù)半周內(nèi)每次只有一半副繞組在工作，因此，變壓器的利用率仍然較低，其應(yīng)用受到了限制！綜上所述，結(jié)合本實驗選擇單向橋式整流電路（2）濾波電路的選擇經(jīng)整流后的電壓仍具有較大的交流分量，必須通過濾波電路將交流分量濾掉。盡量保留其輸出中的直流分量，才能獲得比較平滑的直流分量。濾波電路分為電容濾波器，電感電容濾波器，型濾波器電感電容濾波器電感較大，其匝數(shù)較多，電阻也較大，因而其上也有一定的直流電壓降，造成輸出電壓的下降。型濾波器也有同樣的缺點，電容濾波已經(jīng)完全符合本實驗的要求而且簡單，易懂，經(jīng)濟，故選擇電容濾波器。（3）穩(wěn)壓

8、電路的選擇穩(wěn)壓電路的作用是在外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能夠輸出不受影響而維持穩(wěn)定的直流電壓。穩(wěn)壓電路包括固定式三端穩(wěn)壓器，串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路，三端可調(diào)穩(wěn)壓電源固定式三端穩(wěn)壓器包括W78XX系列，W79XX系列，W78XX系列輸出的固定電壓有5V，6V，9V，12V等，電流的等級有三個，1.5A，0.5A，0.1A，輸入與輸出電壓不得小于2V，一般在5V左右。W79XX系列輸出固定負(fù)電壓，其參數(shù)與W78XX系列基本相同。結(jié)合本實驗如果使用固定式三端穩(wěn)壓器，那么就必須結(jié)合運算放大器進(jìn)行。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由采樣環(huán)節(jié)，基準(zhǔn)電壓，比較放大電路，調(diào)整環(huán)節(jié)構(gòu)成，元器件相對較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，

9、相對兩者三端可調(diào)穩(wěn)壓電源比較簡單，經(jīng)濟，可靠，完全滿足實驗需求綜上所述本設(shè)計電路主要采用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器LM317，穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)置了過流保護(hù)、短路保護(hù)、調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)及穩(wěn)壓器芯片過熱保護(hù)等電路,十分安全可靠<四>設(shè)計方案原理框圖、總體電路原理圖及說明1.原理框圖如圖所示包括4個部分,即整流變壓器,整流電路,濾波器,穩(wěn)壓環(huán)節(jié).最終將交流電變成幅值穩(wěn)定，平滑的直流電2.總體電路原理3.說明從圖中可以看出220v的市電經(jīng)過整流變壓器降到所需要的整流電壓值，再將降壓后的交流電壓通過整流電路變換為單向脈動電壓，直流脈動電壓經(jīng)過濾波電路變成平滑的、脈動小的直流電壓，即濾除交流成分，保

10、留直流成分，最后通過三端可調(diào)穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)壓電壓，通過改變Rp的阻值大小，即可改變R2/R1，近而調(diào)整輸出電壓U0的大小， 實現(xiàn)電壓從3V起連續(xù)可調(diào)。<五>單元電路設(shè)計原理，主要器件選擇及參數(shù)計算1、整流變壓電路電源變壓器是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓變換為電路所需電壓。變壓電路如圖220u所示。變壓器參數(shù)計算：LM317輸入電壓設(shè)為Ui則U0min=3V、U0max=12V Ui-U0max（Ui-U0）min Ui-U0min（Ui-U0）max。 其中：（Ui-U0）min=3V，（Ui-U0）max=40V。所以15VUi40V，穩(wěn)壓器的壓差不宜過大，因此選擇Ui=15V。

11、則變壓器二次側(cè)電壓U=Ui/1.2=12.5V取U=13V。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。穩(wěn)壓器輸入輸出電流基本保持不變Ii200mA,則變壓器二次側(cè)的電流有效值I=200*1.1=220mA。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。2整流電路：變壓器二次側(cè)電壓有效值為U=15V，于是URM=1.414*1522V。ID=I0/2=100mA。查二極管分立元件參數(shù)表，二極管選用2CZ55B（IOM=1000mA；URWM=50V）滿足電路需求。整流后的圖像如下3.濾波電路對于

12、橋式整流電路來說，濾波電解電容 C的選擇原則是：RLC（35）T/2，式中，T是U1的周期，取T=0.02s。RL 為負(fù)載電阻，考慮到為了保證穩(wěn)壓器 LM317 穩(wěn)定運行，輸入電壓 Ui 與輸出電壓 U0之差在340之間，考慮到電壓差增大則LM317損耗也隨之增大，故取Ui- U0=3。IiIo 。則RL =Ui/ Io。最后可以得出C=667F。故選用C=700F，耐壓為50V的極性電容器。4、穩(wěn)壓電路我們在穩(wěn)壓部分選用的LM317，通過查閱相關(guān)資料得知該元件輸出 的基準(zhǔn)電壓為1.25V，輸出電壓可用下式計算，Vo=1.25（1+R2/R1）,在本次設(shè)計中R2/R1的比值范圍是1.48.6。

13、通過改變Rp的阻值大小，即可改變R2/R1，近而調(diào)整輸出電壓U0的大小， 實現(xiàn)電壓從3V起連續(xù)可調(diào)。在集成穩(wěn)壓器離濾波電容較遠(yuǎn)時，應(yīng)在LM317靠近輸入端處接上一只0.33F的旁路電容C3，接在調(diào)整端和地之間的電容C2是用來旁路RP兩端的波紋電壓，當(dāng)C2為10F紋波抑制比可提高 20dB,減到原來的1/10。另一方面，由于在電路中接了電容C2，此時一旦輸入端或輸出端發(fā)生短路，C3中儲存的電荷會通過穩(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C2的放電電流通過穩(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500-5

14、000pF的容性負(fù)載時，就容易發(fā)生自激。為了抑制自激，在輸出端接一只 1F的鉭電容或 25F的鋁電解電容C1。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，C1將對穩(wěn)壓器的輸出端放電，其放電電流可能損壞穩(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D6。 穩(wěn)壓電路中各元件參數(shù)的計算：根據(jù)內(nèi)部電路設(shè)計，流過R1的電流I=5mA，R1=UREF/I=1.25/0.005=250，考慮器件參數(shù)的分散性，實際I可能大于5mA，因此R1值應(yīng)小于250。此處取R1=240。為了使輸出基準(zhǔn)電壓為3v應(yīng)在Rp下方串聯(lián)一個電阻阻值為R3=(3-1.25)*240/

15、1.25=336，故取R3=330。U0=1.25（1+R2/R1），所以R2=（U0 -1.25）R1/1.25，當(dāng)U0取最大值12V時，R2max=（12-1.25）*240/1.25-336=1734。故取常用繞組滑動器Rp最大值2.0k。D5和D6分別是為了防止輸入短路和輸出短路時電容器放電使得LM317損壞，應(yīng)在LM317的輸入端與輸出端、控制端與輸出端分別接二極管D5、D6.如上圖所示。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。因此D5、D6均選擇2CZ55B。另外C3=0.33F C2=10F C1=1F采用正溫度系數(shù)的PTC熱敏電阻,在常溫

16、下其阻值很小，當(dāng)輸出電流過大或短路時，PTC受熱阻值迅速增至無窮大大，切斷輸出。類似于電視機顯像管消磁線圈中的消磁機制。從而達(dá)到過流保護(hù)的目的。<六>結(jié)論與心得體會通過一個多星期的課程設(shè)計，使我懂得：要設(shè)計一個成功的電路，必須要有扎實的只是基礎(chǔ)，要熟練地掌握課本上的只知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、解決。同時還要有耐心和毅力。在此課程設(shè)計中，用到了multisim電路仿真軟件。設(shè)計此課程看似簡單的問題真做起來不容易。我主要做了前面3-12v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就好。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓

17、常用的穩(wěn)壓值好像不大再說那電壓還要可調(diào)所以用兩級放大，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。雖然整個過程做下來遇到了種種難題，但是最終通過查閱相關(guān)專業(yè)資料和請教同學(xué)，都得到了解決。并且此次課程設(shè)計中所有部分都分別用multisim模擬，并且整個方案也經(jīng)過multisim模擬，結(jié)果滿足要求。這充分證明了此方案的可行性！通過此次課程設(shè)計的學(xué)習(xí)，對電路也有了很大的了解與體會，加深了對知識的理解，也提高的動手能力。一個人的知識思維想法是有限的，通過團隊的合作，也體會到了團隊的重要性<七 >參考文獻(xiàn)【1】楊福生主編. 電子技術(shù). 高等教育出版社【2】秦曾煌主編. 電工學(xué)（下冊）.高等教育出版社【3】陳振源主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社【4】康華生主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ). 高