可調(diào)溫壓直流電源

1、成績課程設(shè)計(jì)說明書題 目： 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 課程名稱： 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 學(xué) 院： 電子信息與電氣工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 2013年6月7日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書設(shè)計(jì)題目 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)學(xué)生姓名所在學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)、年級(jí)、班自動(dòng)化2011級(jí)1班設(shè)計(jì)要求： 1、設(shè)計(jì)制作一個(gè)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路； 2、輸入電壓為220V的交流電壓，頻率為50Hz； 3、輸出直流電壓為1.25V15V可調(diào)； 4、最大輸出電流為Iomax=1A； 5、紋波電壓小于10mA，穩(wěn)壓系數(shù)Sr小于5。學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)： 設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路，并利用Mult

2、isim軟件進(jìn)行電路仿真。利用DXP軟件繪制電路原理圖，并設(shè)計(jì)制作電路的PCB板。根據(jù)設(shè)計(jì)原理對(duì)電路進(jìn)行安裝調(diào)試，完成課程設(shè)計(jì)工作，并提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。參考文獻(xiàn)：1 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2005.2 秦長海，張?zhí)禊i，翟亞芳.數(shù)字電子技術(shù)M.北京：北京大學(xué)出版社，2012.3 邱關(guān)源，羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 閻 石.數(shù)字電子技術(shù)（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.工作計(jì)劃： 5月27日29日完成原理圖的設(shè)計(jì)； 5月29日31日進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)； 6月3日4日制作PCB板； 6月5日7日電路板安裝與調(diào)試，提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。

3、任務(wù)下達(dá)日期：2013年5月27日任務(wù)完成日期：2013年6月 7日 指導(dǎo)教師（簽名）： 學(xué)生（簽名）：可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)摘 要：首先介紹變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路的原理。再由變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩(wěn)壓器來設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源。已知輸入電壓為220V的交流電壓，頻率為50Hz，要求穩(wěn)壓電源輸出直流電壓為1.25V15V并且可調(diào)，此外最大輸出電流為Iomax=1A，紋波電壓小于10mA，穩(wěn)壓系數(shù)Sr小于5。在這個(gè)過程我們通過使用Multisim軟件仿真，再經(jīng)過Altium Dsigner設(shè)計(jì)出電路板。最后焊接，調(diào)試，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：可調(diào)直流穩(wěn)壓電源；變壓器；二極管單相橋

4、式整流；電解電容濾波目 錄1.設(shè)計(jì)背景11.1設(shè)計(jì)需求11.2設(shè)計(jì)目的12.設(shè)計(jì)方案12.1直流穩(wěn)壓電源的基本組成12.2電源變壓器22.3整流電路22.4濾波電路42.5穩(wěn)壓電路63.方案實(shí)施93.1 設(shè)計(jì)步驟93.2實(shí)際采用電路圖93.3 Altium Designer 設(shè)計(jì)結(jié)果104.結(jié)果與結(jié)論104.1 Multisim仿真結(jié)果104.2 Altium Designer 設(shè)計(jì)結(jié)果114.3結(jié)論115.收獲與致謝125.1收獲125.2致謝126.參考文獻(xiàn) 127.附件127.1所需原清單137.2實(shí)物拍攝131. 設(shè)計(jì)背景1.1設(shè)計(jì)需求 直流穩(wěn)壓電源是指能為負(fù)載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝

5、置。它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)電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。由于電子技術(shù)的特性，電子設(shè)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。1.2設(shè)計(jì)目的 在電子電路及設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。這里所介紹的直流電源為單相小功率電源，是將頻率為50Hz.有效值為220V的單相交流電源電壓轉(zhuǎn)換成幅值穩(wěn)定.2.

6、 設(shè)計(jì)方案2.1直流穩(wěn)壓電源的基本組成 單相交流電經(jīng)過電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓的直流電壓，其方框圖及各電路的輸出電壓波形如圖所示，下面就各部分的作用加以介紹。T整流濾波穩(wěn)壓負(fù)載圖1 直流穩(wěn)壓電源的方框圖 直流穩(wěn)壓電源的輸入為220V的電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對(duì)交流電壓進(jìn)行處理。變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的需要。變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動(dòng)電壓，半波整流電路和全波整流電路的輸出波形如圖所示。可以看出，他們均含有較大的交流分量，會(huì)影響負(fù)載電路的正常

7、工作。為了減小電壓的脈動(dòng)，需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。理想情況下，應(yīng)將交流分量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。然而，由于濾波電路為無源電路，所以接入負(fù)載后勢必影響其濾波效果。對(duì)于穩(wěn)定性要求不高的電子電路，整流、濾波后的直流電壓可以作為供電電源。交流電壓通過整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者負(fù)載變化時(shí)，其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。2.2電源變壓器電源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。實(shí)際上，理想變壓器滿足I

8、1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。根據(jù)輸出電壓的范圍，可以令變壓器副邊電壓為22V，即變壓系數(shù)為0.1。2.3整流電路 分析整流電路，就是弄清電路的整流原理，求出主要參數(shù)，并確定整流電路二極管的極限參數(shù)。先以下圖所示的單項(xiàng)半波整流電路為例說明整流電路的分析方法及其基本參數(shù)。 （a） （b） 圖2半波整流 （a）半波整流電路（b）半波整流波形圖 1.半波整流 整流電路如圖2所示，其輸出電壓平均值就是負(fù)載電阻上電壓的平均值Uo(AV)。從圖3所示波形圖可知，當(dāng)wt=0時(shí)，Uo =U2sinw

9、t;當(dāng)wt=2時(shí)，Uo=0。所以，求解Uo的平均值Uo(AV)，就是將0的電壓平均在02時(shí)間間隔之中，如圖3所示，負(fù)載電流的平均值:Io(AV)= Uo(AV)/RL （1）二極管的選擇a）二極管的最大整流電流必須大于實(shí)際流過二極管平均電流，即IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RLb）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2 單相半波整流電路簡單易行，所用二極管數(shù)量少。但是由于它只是利用了交流電壓的半個(gè)周期，所以輸出電壓低，交流分量大，效率低。因此，這種電路僅適用于整流電流較小，對(duì)脈動(dòng)要求不高的場合。 2.全波橋式整流電路為了克服

10、單相半波整流電路的特點(diǎn)，在使用電路中多采用單相全波整流電路，最常用的是單相橋式整流電路。如圖3所示 圖3 全波橋式整流電路設(shè)變壓器次級(jí)電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m為其幅值，U2為有效值，負(fù)載電阻為100。在電壓U2的正半周期時(shí)，二極管D1、D3因受正向偏壓而導(dǎo)通，D2、D4因承受反向電壓而截止；在電壓U2的負(fù)半周期時(shí)，二極管因受D2、D4正向偏壓而導(dǎo)通，D1、D3因承受反向電壓而截止。U2和UL的波形如圖4所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是全波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為 圖4 全

11、波整流電路的波形UOL=2U2m/p=U20.9U2=0.92220V （1）全波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實(shí)際流過二極管平均電。由于4個(gè)二極管是兩兩輪流導(dǎo)通的，因此有IFIDO=0.5ULO/RL =0.45U2/RL=0.4520/10090mAb）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2=1.420=28V單相橋式整流電路與半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對(duì)二極管的參數(shù)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用高、脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。它的主要缺點(diǎn)是所需二極管的數(shù)

12、量比較多，由于實(shí)際上二極管的正向電阻不為零，必然使得整流電路內(nèi)阻較大，當(dāng)然損耗也就比較大。2.4濾波電路電容濾波電路是最常見的也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容即構(gòu)成電容濾波電路，如圖5所示：(a)(b) (c) 圖5 單相橋式整流電容濾波電路 (a)Multisim仿真電路圖，（b）實(shí)際電路圖（c）波形圖該電路工作原理：設(shè)U2= U2msinwt=U2sinwt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期還是在負(fù)半周期，電源電壓U2一方面向RL供電，另一方面對(duì)電容C進(jìn)行充電，由于充電時(shí)間常數(shù)很?。ǘO管導(dǎo)通電阻和變壓器內(nèi)阻很小），所以，很快充滿電荷，使電容兩端電壓UC基本接近U2

13、m，而電容上的電壓是不會(huì)突變的。現(xiàn)假設(shè)某一時(shí)刻U2的正半周期由零開始上升，因?yàn)榇藭r(shí)電容上電壓UC基本接近U2m，因此U2UC，D1、D2、D3、D4管均截止，電容C通過RL放電，由于放電時(shí)常數(shù)td=RLC很大（RL較大時(shí)），因此放電速度很慢，UC下降很少。與此同時(shí)，U2仍按 U2sinwt的規(guī)律上升，一旦當(dāng)U2UC 時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，U2對(duì)C充電。然后，U2又按 U2sinwt的規(guī)律下降，當(dāng)U2UC 時(shí)，二極管均截止，故C又經(jīng)RL放電。同樣，在U2的負(fù)半周期也會(huì)出現(xiàn)與上述基本相同的結(jié)果。這樣在U2的不斷作用下，電容上的電壓不斷進(jìn)行充放電，周而復(fù)始，從而得到一近似于鋸齒波的電壓UL= UC，使

14、負(fù)載電壓的紋波大為減小。由以上分析可知，電容濾波電路有如下特點(diǎn)：a）RLC越大，電容放電速度越慢，負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取 RLC(35)T/2 式中，T為交流電源電壓的周期。由上式可以解得 C =(35)T/2 RL400Fb）RL越小輸出電壓越小。若C值一定，當(dāng)RL，即空載時(shí)有ULO= U21.4 U2。當(dāng)C=0，即無電容時(shí)有ULO0.9 U2。當(dāng)整流電路的內(nèi)阻不太大（幾W）和電阻RL電容C取值滿足上式時(shí)，有ULO(1.11.2) U2 總之，電容濾波適用于負(fù)載電壓較高、負(fù)載變化不大的場合2.5穩(wěn)壓電路 雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換

15、為較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，內(nèi)阻上的電壓將產(chǎn)生相反的變化，于是輸出電壓平均值也將隨之產(chǎn)生相反的變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會(huì)隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，隨著負(fù)載電阻的變化而變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。 1.簡單穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路如圖6所示： 圖6 穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的原理實(shí)際上是利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)電流可在較大范圍內(nèi)變動(dòng)但擊穿電壓卻基本不變的特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸

16、入電流將隨之變化，穩(wěn)壓管中的電流也將隨之同步變化，結(jié)果輸出電壓基本不變；當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)，輸出電流將隨之變化，但穩(wěn)壓管中的電流卻隨之作反向變化，結(jié)果仍是輸出電壓基本不變。顯然，穩(wěn)壓管反向擊穿特性曲線越陡峭，穩(wěn)壓特性越好。下面討論R的取值范圍。參見圖7，設(shè)為保證穩(wěn)壓作用的所需的流過穩(wěn)壓二極管的最小電流為Izmin，為防止電流過大從而造成損壞所容許的流過穩(wěn)壓二極管的最大電流為Izmax，即要求IzminIzI2max。當(dāng)UI最大和RL開路時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時(shí)應(yīng)有；當(dāng)UI最?。ú恍∮赨z）和RL最小（不允許短路）時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時(shí)應(yīng)有。即 一般來說，在穩(wěn)壓二極管安全工作

17、的條件下，R應(yīng)盡可能小，從而使輸出電流范圍增大。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，所用元器件少；但是，因?yàn)槭芊€(wěn)壓管自身參數(shù)的限制，其輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，因此只適用于負(fù)載電流較小，負(fù)載電壓不變的場合。 2.三端集成穩(wěn)壓器電路集成穩(wěn)壓器與簡單穩(wěn)壓電路相比其電路結(jié)構(gòu)簡單，它可以通過外接元件使輸出電壓得到很寬的調(diào)節(jié)范圍。并且內(nèi)部有過熱保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)電路，可以很安全的保護(hù)電路的正常工作。圖7時(shí)由LM317組成的基準(zhǔn)電壓源電路，電容Co用于消除輸出電壓中的高頻噪音，可取小于1F的電容。輸入端和調(diào)整端之間的電壓時(shí)非常穩(wěn)定的電壓，其值為1.25V。輸出電流可達(dá)1.5A。 圖7 由LM317組成的

18、穩(wěn)壓電路 由于調(diào)整端的電流可忽略不計(jì)，輸出電壓為Uo=(1+R2/R)1.25V為了減少R2上的紋波電壓，可在其上并聯(lián)一個(gè)10F電容C。但是，在輸出開路時(shí)，C將向穩(wěn)壓器調(diào)整管發(fā)射結(jié)反偏，為了保護(hù)穩(wěn)壓器，可加二極管D2，提供一個(gè)放電回路，D1,D2起保護(hù)作用。如圖8所示： 圖8 加保護(hù)二極管的電路由于設(shè)計(jì)要求電壓從零開始調(diào)起，LM317集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓補(bǔ)償電路來抵消LM317的1.25V最小輸出電壓，如圖9所示， 圖9 電壓補(bǔ)償電路 電壓補(bǔ)償電路由R3和二極管D組成，其輸出電壓Uo=U-UD,其中，U為LM317的輸出端電壓，UD為二極管D的正向壓降。UD即為補(bǔ)償電壓

19、。其值略大于LM317的基準(zhǔn)電壓（1.25V），這里用兩只串聯(lián)的硅材料整流二極管的導(dǎo)通壓降來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)R2 減少,使U3達(dá)到與UD 相等時(shí),輸出電壓即為0V。之后,當(dāng)調(diào)節(jié)R2逐漸增大時(shí), U0即由0V 開始增大。由于負(fù)載電流流過D ,故D 的最大工作電流應(yīng)能適應(yīng)負(fù)載電流的要求。上圖中輸出電壓的表達(dá)式為：Uo =(1+R2/R1)1.25-1.4。 由于LM317工作時(shí)必須大于其最小工作電流，所以一般R1小于240,在此令R1=100，根據(jù)上式可以求出R2max1.5K。3. 方案實(shí)施 3.1 設(shè)計(jì)步驟 1.電路圖設(shè)計(jì)（1）確定目標(biāo)：設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個(gè)模塊之間的信號(hào)傳輸，并畫出

20、直流穩(wěn)壓電源方框圖。（2）系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。2.電路安裝、調(diào)試（1）在每個(gè)模塊電路的輸入端加一信號(hào)，測試輸出端信號(hào)，以驗(yàn)證每個(gè)模塊能否達(dá)到所規(guī)定的指標(biāo)。（2）重點(diǎn)測試穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)。（3）將各模塊電路連起來，整機(jī)調(diào)試，并測量該系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。3.2 實(shí)際采用電路圖圖10 Multisim仿真圖3.3 Altium Designer原理圖圖11 Altim Designer原理圖4. 結(jié)果與結(jié)論4.1 Multisim仿真結(jié)果圖12 是當(dāng)P1開關(guān)閉合，電路是固定直流電壓源，輸出電壓理論值為5V。圖12 P1閉合固定電源輸出圖13是當(dāng)P2開關(guān)閉合，電路是固定直流電

21、壓源，輸出電壓的理論值為12V。圖13 P2閉合固定電源輸出圖14是當(dāng)P3開關(guān)閉合，電路是連續(xù)可調(diào)直流輸出電壓源，輸出范圍理論值為1.2515V （a） （b）圖14 連續(xù)可調(diào)電路（a）輸出電壓最大值（b）輸出電壓最小值4.2 Altium Designer 設(shè)計(jì)結(jié)果圖15 pcb圖4.3結(jié)論 直流電源為單相小功率電源，是將頻率為50Hz.有效值為220V的單相交流電源電壓轉(zhuǎn)換成幅值穩(wěn)定的直流源。穩(wěn)定值分別為5.04V.11.99V。以及連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓直流源，其輸出電壓最大為15.50輸出最小電壓為1.27V。電流為幾十的直流電流。5.收獲與致謝 5.1收獲 鑒于是第一次設(shè)計(jì)做板，所以作品也不是非常的好，以后有時(shí)間還是會(huì)多做，盡量的做出最好的。這一次的課程設(shè)計(jì)是一次理論與實(shí)際相結(jié)合的具體體現(xiàn)。它使我受益非淺：1、它鍛煉及培養(yǎng)了我的耐性，將會(huì)讓我做每一件事情都會(huì)耐心地對(duì)待；2、經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何使用Protel 繪制原理圖以及導(dǎo)入PCB圖，增強(qiáng)了我自學(xué)的信心；它培養(yǎng)了我的動(dòng)手能力（在這次設(shè)計(jì)之前我都是很少自己動(dòng)手做設(shè)計(jì)的），讓我對(duì)動(dòng)手產(chǎn)生了更大的興趣；4、它讓我認(rèn)識(shí)到了：成功地制板的嚴(yán)格工序，它的每一步都必須嚴(yán)格地按要求實(shí)際操作；5、它也讓我懂得了仔細(xì)檢查的重要性，也增強(qiáng)了我的細(xì)心度；6、從中我深深地體會(huì)到動(dòng)手能力對(duì)于我們專業(yè)的重要性，也驗(yàn)證了實(shí)踐才是