小功率直流穩(wěn)壓電源的課程設計

1、西安科技大學高新學院機電一體化課程設計報告 名稱 小功率可調直流穩(wěn)壓電源 專 業(yè)：機械設計制造及自動化班 級：機單0902 組 號：第十組 組 員：涂杉杉 查歡 杜照金 胡宇晨指導教師：紹小強 實習時間：2012年7月2日至13日 目錄第一章 緒論21.1電路基本知識21.2 電源變壓器21.2.1電源變壓器概述21.2.2電源變壓器功能21.2.3電源變壓器的分類21.2.4變壓器的型式21.3整流電路的基本知識31.3.1單相橋式整流電路的工作原理31.4直流穩(wěn)壓電路工作的原理41.4.1串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理41.4.2具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路5第一章 緒論1.1電路基本知識在電子電

2、路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源供電，小功率的穩(wěn)壓電源是由電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成。在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源供電，小功率的穩(wěn)壓電源是由電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成。1.2 電源變壓器功率較小的直流電源大多數都是將50Hz的交流電經過整流、濾波和穩(wěn)壓后獲得。整流電路用來將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。1.2.1電源變壓器概述過整流電路將交流變?yōu)槊}動的直流電壓。由

3、于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。電源變壓器的作用是將交流220V的電壓變?yōu)樗璧碾妷褐担缓笸瑯拥碾妷哼€隨電網電壓波動、負載何溫度的變化而變化。1.2.2電源變壓器功能電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，作為一種主要的軟磁電磁元件，在電源技術中和電力電子技術中得到廣泛的應用。變壓器的功能主要有：電壓變換；阻抗變換；隔離；穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等。1.2.3電源變壓器的分類根據傳送功率的大小，電源變壓器可以分為幾檔：10kVA以上為大功率，10kVA0.5kVA為中功率，0.5kVA25VA為小功率，25VA以下為微功率。 1.2.

4、4變壓器的型式變壓器的最基本型式，包括兩組繞有導線之線圈，并且彼此以電感方式稱合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時，于另一組線圈中將感應出具有相同頻率之交流電壓，而感應的電壓大小取決于兩線圈耦合及磁交鏈之程度。一般指連接交流電源的線圈稱之為一次線圈(Primary coil);而跨于此線圈的電壓稱之為一次電壓.。在二次線圈的感應電壓可能大于或小于一次電壓，是由一次線圈與二次線圈問的匝數比所決定的。因此，變壓器區(qū)分為升壓與降壓變壓器兩種。1.3整流電路的基本知識1.3.1單相橋式整流電路的工作原理單相橋式整流電路如圖1.3.1(a)所示，圖中Tr為電源變壓器，它的作用是將

5、交流電網電壓vI變成整流電路要求的交流電壓 ，RL是要求直流供電的負載電阻，四只整流二極管D1D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。單相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，即正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。在v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經過二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向導通，D2、D4反偏截止。在負載上產生一個極性為上正下負的輸出電壓。其電流通路可用圖1.3.1(a)中實線箭頭表示。在v2的負半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經過二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓

6、器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向導通。電流流過RL時產生的電壓極性仍是上正下負，與正半周時相同。其電流通路如圖1.3.1(a)中虛線箭頭所示。1.3.2單相半波整流電路：單相半波整流簡單，使用器件少，它只對交流電的一半波形整流，只要橫軸上面的半波或者只要下面的半波。但由于只利用了交流電的一半波形，所以整流效率不高，而且整流電壓的脈動較大，無濾波電路時，整流電壓的直流分量較小，Vo=0.45Vi，變壓器的利用率低。1.3.3單相全波整流電路：使用的整流器件較半波整流時多一倍，整流電壓脈動較小，比半波整流小一半。無濾波電路時的輸出電壓Vo=0.9Vi，變壓器的利用率比半波整流時高。變壓器

7、二次繞組需中心抽頭。整流器件所承受的反向電壓較高。綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向導電性，將四個二極管分為兩組，根據變壓器副邊電壓的極性分別導通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負載電阻的上端相連，負極性端與負載電阻的下端相連，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。根據上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如1.3.1(c)。由圖可見，通過負載RL的電流iL以及電壓vL的波形都是單方向的全波脈動波形。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體

8、整流電路中得到了頗為廣泛的應用。電路的缺點是二極管用得較多，但目前市場上已有整流橋堆出售，如QL51AG、QL62AL等，其中QL62AL的額定電流為2A，最大反向電壓為25V1000V。故單相橋式整流電路常畫成圖1.3.1(b)所示的簡化形式。 圖1.3.1(a) 圖1.3.1(b)圖1.3.1(c)1.4直流穩(wěn)壓電路工作的原理實用的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源至少包含調整管、基準電壓電路、取樣電路和比較放大電路四個部分組成。此外，為使電路安全工作，還常在電路中加保護電路，如圖所示。圖1.4串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖1.4.1串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理基本調整管電路：如下圖1.4.1（a）所示為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，負

9、載電流最大變化范圍等于穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流和最小穩(wěn)定電流之差，即（IZM-IZ）。擴大負載電流的最簡單方法是：利用晶體管的電流放大作用，將穩(wěn)壓管穩(wěn)定電路的輸出電流放大后，再作為負載電流。電路采用射極輸出形式，因而引入了電壓負反饋，可以穩(wěn)定輸出電壓，如圖1.4.1（b）所示，常見畫法如圖1.4.1（c）所示。(a)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 （b）加晶體管擴大負載電流的變化范圍 （c）常見畫法 圖1.4.1 基本調整管穩(wěn)壓電路擴大負載電流的最簡單方法是：利用晶體管的電流放大作用，將穩(wěn)壓管穩(wěn)定電路的輸出電流放大后，再作為負載電流。電路采用射極輸出形式，因而引入了電壓負反饋，可以穩(wěn)定輸出電壓，如圖（b）所示，常

10、見畫法如圖（c）所示。調整管：晶體管的調節(jié)作用使UO穩(wěn)定，晶體管稱為調整管。要使調整管起到調整作用，必須使它工作在放大狀態(tài)。串聯(lián)穩(wěn)壓電源：由于調整管與負載相串聯(lián)，故稱這類電路為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源：由于調整管工作在線性區(qū)，故稱這類電路為線性穩(wěn)壓電源。1.4.2具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路 電路構成基本調整管穩(wěn)壓電路的輸出電壓不可調，且輸出電壓因UBE的變化而變，穩(wěn)定性較差。為了使輸出電壓可調，加深電壓負反饋，可在基本調整管穩(wěn)壓電路的基礎上引入放大環(huán)節(jié)。電路如下圖所示，由調整管、基準電壓電路、取樣電路和比較放大電路組成。圖1.4.2具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理當電網電壓波動（或負載電

11、阻的變化）使輸出電壓UO上升時，取樣電壓UN增大，由于穩(wěn)壓管的電壓UZ不變，運放的輸入電壓UNP(=UN-UP=UN-UZ)增大，使A的輸出減小（即調整管的基極電位降低），而使調整管T的c-e壓降低增大，從而調節(jié)輸出電壓UO（=UI-Uce）減小。使輸出電壓得到穩(wěn)定?？梢?，電路是靠引入深度電壓負反饋來穩(wěn)定輸出電壓輸出電壓的可調范圍當電位器R2的滑動端在最上端時，輸出電壓最小為當電位器R2的滑動端在最下端時，輸出電壓最大為若R1=R2=R3=300，UZ=6V，則輸出電壓9VUO18V。2.1.5 集成穩(wěn)壓器選用時的注意事項在選擇集成穩(wěn)壓器時，應該兼顧性能、使用和價格幾個方面。性能指標主要根據負

12、載電壓電流的大小、調整率的高低以及工作穩(wěn)定范圍的寬窄來選。對電源精度要求較高的電子產品（例如通信設備、航空設備、高檔儀器儀表等）的穩(wěn)壓電源電路及使用電池供電的穩(wěn)壓電路，可選用低壓差、低功耗的集成穩(wěn)壓器。對輸出電壓需要關斷控制的穩(wěn)壓電源電路，應選用多端可控式集成穩(wěn)壓器，五端集成穩(wěn)壓器。對需要同時生產+5V輸出電壓和復位電壓的電源電路，可選用L78LR05、L78MR05等集成穩(wěn)壓器。對需要多組不同輸出電壓的電源電路，可選用八端集成穩(wěn)壓器。選擇集成穩(wěn)壓器的主要參數 確定集成穩(wěn)壓器的類型后，還應根據負載電路選擇集成穩(wěn)壓器的主要參數，包括輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、壓差、電壓調整率、電流調整率等。所

13、選集成穩(wěn)壓器的輸入電壓應與整流濾波電路的輸出電壓（或電池的電壓）相適應，其輸出電壓應與負載電路的工作電壓值相同，其輸出電流應大于負載電路的最大工作電流（要留有一定的功率余量）。要根據應用電路的電壓極性選擇正確的輸出電壓，即集成穩(wěn)壓器的輸出電壓極性應與應用電路的的電壓極性相同。第二章 設計方案一設計目的1 學習小功率直流穩(wěn)壓電源的設計與調試方法。2 掌握小功率直流穩(wěn)壓電源有關參數的測試方法。二設計任務及要求 1. 性能指標要求：V0=+5v 2. 技術指標：波紋電壓5mv 3. 電壓調整率ku3% 電流調整率：Ki1%1.2.2、相關技術的介紹集成穩(wěn)壓器的原理與分立晶體管穩(wěn)壓器基本相同，也是由調

14、整元件、誤差放大器、基準電壓、比較取樣等幾個主要部分組成。但是集成穩(wěn)壓器充分利用了集成技術的優(yōu)點，在線路結構和制造工藝上都采用了很多基本的模擬集成電路的方法。諸如偏置電路、電流源電路、基準電壓源電路、各種形式的誤差放大器和集成穩(wěn)壓器所特有的啟動電路、保護電路等。與分立元件穩(wěn)壓器相比，集成穩(wěn)壓器具有體積小，成本低，使用方便，性能指標高的優(yōu)點，這使得它的應用日趨廣泛。1.3方案選擇方案一：運用基于LM317K可調式的穩(wěn)壓器電源使用LM317K可調式穩(wěn)壓器，可連續(xù)輸出可調的直流正電壓。穩(wěn)壓器內部含有過流，過熱保護電路，該電路由電阻R和可變電位器RP組成輸出調節(jié)電壓電路，其特點是輸出電壓連續(xù)可調，調節(jié)

15、范圍較寬，可達到1.2V37V，其負載調整率電壓調整率等指標顯然均優(yōu)于固定式三點穩(wěn)壓器。但由于本次設計指標要求輸出電壓為+5V的直流穩(wěn)定電壓，故此可調式穩(wěn)壓器不宜采用。方案二：運用基于LM7805固定式三端穩(wěn)壓器使用LM7805三端穩(wěn)壓器，輸入端接電容可以進一步濾波，而輸出端接電容還可以改善負載的瞬間影響。此電路的穩(wěn)定性比可調式三端穩(wěn)壓器要好。不僅如此，該固定式三端穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓值為+5V，恰好合適我們本次設計輸出電壓的要求。因此，綜合考慮起來，應該選擇方案二比較合適。三實驗原理 小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，如圖1所示。 + 電 源 + 整 流 + 濾

16、 波 + 穩(wěn) 壓 + u1 u2 u3 uI U0 _ 變壓器 _ 電 路 _ 電 路 _ 電 路 _（a）穩(wěn)壓電源的組成框圖 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t （b）整流與穩(wěn)壓過程圖1穩(wěn)壓電源的組成框圖及整流與穩(wěn)壓過程電源變壓器：將交流電網所提供的50Hz 220V電壓變換成符合整流需要的交流電壓；整流電路：利用具有單向導電性的元件如二極管，將正負交替的正弦交流電壓變換成單方向脈動的直流電壓；濾波電路：利用電感電容等儲能元件，盡可能地將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，使之輸出比較平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路：采用某種措施，使輸出的直流電壓在電網電壓或負載電流波動

17、是保持穩(wěn)定。本次設計采用LM7805三端固定式集成穩(wěn)壓器。1.3.2詳細原理設計.1 原理圖2 LM7805固定式三端穩(wěn)壓器應用電路圖為LM7805基本應用電路。圖中C2用于抑制芯片的自激振蕩，應盡量靠近穩(wěn)壓器的管腳。C3用于限制芯片高頻帶寬，減少高頻噪聲。如果對輸出要求高，還應接10uF以上的電解電容起濾波作用。3 橋式整流應用電路橋式整流電路由四只二極管組成的一個單橋，單橋的兩組相對節(jié)點分別接變壓器二次繞組和負載。工作時，D1、D2、和D3、D4兩兩輪流導通。在u2正半周，二極管D1與D2正向導通，而D3與D4反向截止，形成負載電流i0,i0導通的路徑為：bD3RLD4ab,u0=-u2。

18、由此可見，不論哪兩個二極管導通，負載電流的方向始終保持不變。本設計原理圖中，在單相橋式整流電路的后面接上了一個濾波電容C1,如右圖。根據模電公式，整流后的輸出電壓u0=(1.11.2)u2 。1.4整流1.4.1整流電路的作用電路中用了四個二極管，接成電橋形式，利用二極管的單向導電性，將正負交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓1.4.2主要參數計算a直流電壓Uob直流電源Ioc波動系數1.5電容濾波工作原理1.5.1電容濾波電路作用利用電容元件儲能的特性，將整流后輸出的電壓的能量儲存起來，然后緩慢的釋放給負載。盡可能地將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。1.

19、5.2主要參數計算a. 耐壓電流b放電時間常數范圍c輸入輸出關系d波動系數1.5.3電容濾波電路的特點（1）電容濾波電路適用于小電流負載。（2）電容濾波電路的外特性比較軟。（3）采用電容濾波時，整流二極管中將流過較大的沖擊電流。必須選用較大容量的整流二極管。（4）電容濾波后，輸出直流電壓提高了，同時輸出電壓的脈動成分也降低了，而且輸出直流電壓與放電時間常數有關RLC，Uo=1.4U2，S=0。1.5.4選電容原則電容放電的時間常數 =RLC 愈大，放電過程愈慢，則輸出電壓愈高，同時脈動成分也愈少，即濾波效果愈好。故應該選擇一個1.6穩(wěn)壓電路工作原理圖4 直流穩(wěn)壓電路1.6.1直流穩(wěn)壓電路作用使

20、輸出的直流電壓，在電網電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。本次課程設計中，穩(wěn)壓電路選擇用三段集成穩(wěn)壓器W7815和W7915以及電容組成1.6.2三端集成穩(wěn)壓器介紹隨著半導體工藝的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。由于集成穩(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，因此在各種電子設備中應用十分普遍，基本上取代了由分立元件構成的穩(wěn)壓電路。W7800、W7900系列三端式集成穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的，在使用中不能進行調整。W7800系列固定輸出正電壓，W7900固定輸出負電壓，檔位一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V 、24V。（1）W7815和W7915外形及連接圖

21、圖5 W7815外形及連接圖 圖6 W7915外形圖及連接圖 （2）以W7812為例說明電路組成 圖7 由W7815構成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源圖7 是用三端式穩(wěn)壓器W7812構成的單電源電壓輸出串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的實驗電路圖。濾波電容C1、C2一般選取幾百幾千微法。當穩(wěn)壓器距離整流濾波電路比較遠時，在輸入端必須接入電容器C3（數值為0.33F ），以抵消線路的電感效應，防止產生自激振蕩。輸出端電容C4(0.1F)用以濾除輸出端的高頻信號，改善電路的暫態(tài)響應。2.3 設計時遇到的問題及其原因1.為什么變壓器輸入電壓不能超過額定電壓？答：，變壓器的額定電壓是變壓器允許輸入的最大電壓，當變壓器的輸入

22、電壓超過額定電壓時時，變壓器的激磁電流增加，磁通密度增大，造成變壓器鐵芯因損耗增加而過熱。同時，由于激磁電流的增加，變壓器所消耗的無功功率也隨之增加，使變壓器的實際出力降低。另外，由于激磁電流有的增加，磁通密度增大，使磁通飽和，引起副繞組電勢的波形發(fā)生畸變，由原來的正弦波變?yōu)榧忭敳?，對變壓器的絕緣有一定的危害。因此，變壓器的運行電壓可以較額定值高，但一般不得超過額定值的5%。2.遠距離輸電為什么采用高壓輸電？ 答：為了降低電流，減少線路損耗。輸送相同的電功率，電壓越高，需要的電流就越小。任何導線都存在一定的電阻，電流通過時導線電阻會白白消耗一部分功率。電流越大，消耗的功率越大，這種消耗和電流的平方成正比；當導線的截面積一定時，導線越長電阻就越大，消耗的功率也就越大。所以遠距離輸電時，我們沒辦法降低導線的電阻，只能想辦法降低電流，也就是提高電壓，所以只能采用高壓輸電。第三章 課程設計心得體會杜照金：結論與心得經過一個多星期的努