直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)制作人某某題目直流穩(wěn)定電源的設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)

1、直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)制作人 :某某題目：直流穩(wěn)定電源的設(shè)計(jì)一、任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源。二、要求：1基本要求（1）穩(wěn)壓電源 在輸入電壓 220V、50Hz、電壓變化范圍+ 15%20%條件下：a. 輸出電壓可調(diào)范圍為 +9V+12Vb. 最大輸出電流為 1.5Ac. 電壓調(diào)整率 0.2（輸入電壓220V變化范圍+ 15% 20% 下，空載到滿載）d. 負(fù)載調(diào)整率 1% （最低輸入電壓下，滿載）e. 紋波電壓（峰-峰值）5mV （最低輸入電壓下，滿 載）f. 效率40% （輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）g. 具有過流及短路保護(hù)功能（ 2）穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為+ 12V

2、 的條件下：a.輸出電流：420mA可調(diào)b .負(fù)載調(diào)整率 1% （輸入電壓+12V、負(fù)載電阻由200 Q300 Q變化時(shí)，輸出電流為 20mA時(shí)的相對變化率）（ 3） DC-DC 變換器 在輸入電壓為 +9V +12V 條件下：a. 輸出電壓為+100V，輸出電流為10mAb. 電壓調(diào)整率 1% （輸入電壓變化范圍 +9V+12V）c. 負(fù)載調(diào)整率 1% （輸入電壓+12V下，空載到滿載）d. 紋波電壓（峰-峰值） 100mV （輸入電壓+9V下，滿載）2.發(fā)揮部分（1）擴(kuò)充功能a. 排除短路故障后，自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)b. 過熱保護(hù)c. 防止開、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的 過沖”（2）提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)

3、a. 提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率b. 擴(kuò)大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值（ 3）改善 DC-DC 變換器a. 提高效率（在 100V、100mA下）b. 提高輸出電壓（ 4）用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流.三，穩(wěn)壓電源的研究背景本電源在市場上很有應(yīng)用前景， 可以作為收音機(jī)或掌機(jī) 的外接電源，也可以用作手機(jī)電池的充電器，功率高點(diǎn)的還 作為小型電視或其他家用電器的電源。直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的儀器之一， 它現(xiàn)在廣泛 的應(yīng)用在學(xué)校教學(xué)，科學(xué)研究等領(lǐng)域，是電子設(shè)計(jì)人員進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)操作和科學(xué)研究必不可少的電子儀器。 在日常的電子電 路中，供電電源常常要用到穩(wěn)壓直流電源。所以，穩(wěn)壓直流 電源具有非常

4、重要的研究意義。在日常生活中，很多家用電器或者 IT 產(chǎn)品都要用到穩(wěn)壓直流電源供電。但是在實(shí)際生活中，我們的家庭用電都是用到220V的交流電網(wǎng)。這就需要通過變壓，整流，濾波， 穩(wěn)壓電路來將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓的直流電，供家用電器使 用。變壓器可以將 220V的交流電轉(zhuǎn)換成適合用電器的低壓 交流電。整流器由二極管組成，用于濾去整流輸出電壓中的 紋波。四、課題的設(shè)計(jì)（1）.電源的輸出控制本系統(tǒng)利用Im317的穩(wěn)壓及其電壓可調(diào)的功能，通過旋轉(zhuǎn)接在調(diào)整腳的電位器，實(shí)現(xiàn)輸出電壓在1.25-20V內(nèi)連續(xù)可調(diào)，調(diào)整精度較高。LM317的電壓調(diào)整電路圖如圖 1所示。.3VIVO211R1220RRV1POTU1L

5、M317L圖1 Im317的電壓調(diào)整原理電路圖如圖1所示，通過調(diào)整可調(diào)電阻RV1的阻值，就可以調(diào)整輸出電壓 Vo的大小。所以，如果希望調(diào)整的精度高，可調(diào)電阻RV1的調(diào)整精度也要高。（2）.方案的設(shè)計(jì)思路：a.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的制定（經(jīng)小組協(xié)商確定其調(diào)節(jié)范圍為1.25至20v ）。利用Im317集成穩(wěn)壓芯片為核心，通過變壓器之后整流 濾波再穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的直流電。再用數(shù)字顯示電壓表頭（內(nèi) 含ICL7107芯片），表頭的供電也是用Im317制作+5V的穩(wěn)壓 電源提供。方案系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖3方案三系統(tǒng)框圖a. 1 LM317芯片的選擇理由Lm317是可調(diào)節(jié)三端正電穩(wěn)壓器，在輸出電壓的范圍是 1.

6、25V-37V的時(shí)候能夠提供超過 1.5A的電流，此穩(wěn)壓器非常 容易使用，只要兩個(gè)外部電阻來設(shè)置輸出電壓。此外，還使 用內(nèi)部限流，熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償從而使之能防止燒斷 保險(xiǎn)絲。Lm317是應(yīng)用很廣泛的集成電路之一。它不僅能構(gòu)成三端 穩(wěn)壓電路的最簡單形式，同時(shí)輸出電壓具有可調(diào)的功能。此 外，它還有眾多的優(yōu)點(diǎn)，例如，調(diào)壓范圍寬，穩(wěn)壓性能好， 噪聲低，紋波抑制比高。它的主要性能參數(shù)如下：輸出電壓：1.25-37V DC ；輸出電流：5mA-1.5A；保護(hù)電路：芯片內(nèi)部有過熱，過流，短路保護(hù)電路；最大輸入輸出電壓差： 40V DC；最小輸入輸出電壓差： 3V DCb.整流，濾波，穩(wěn)壓，保護(hù)， DC

7、-DC變換，穩(wěn)流，表頭供電 等電路的設(shè)計(jì)（ b.1 ）整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。 完成這一任 務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫?因此二極管是構(gòu)成整流 電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中，常見的集中整流電 路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用單 相橋式整流電路。單相橋式整流電路是工程上最常用的單相整流電路。 在工作時(shí)，電路中的四只二極管都是作為開關(guān)運(yùn)用，當(dāng)正半周時(shí)，二極管VI、V3導(dǎo)通（V2、V4截止），在負(fù)載電阻上得到 正弦波的正半周；當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極管V2、V4導(dǎo)通（VI、V3截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載電阻上 正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是

8、同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓 橋式整流電路原理圖如圖 6所示。RL圖6 橋式整流電路原理圖選擇二極管要依據(jù)二極管的反向耐壓VRM和正向電流IF。由于濾波電容的容量愈大，二極管導(dǎo)通角愈小，通過二 極管脈沖電流的幅度愈大，因此，整流管的幅值電流必須加 以考慮。流過整流管的平均電流：I丄 'D 21 i = 1 R2 7。1 R2 =R1 "adj 0.01A式中Ii為穩(wěn)壓器的輸入電流，IR1、IR2、ladj分別為流過R1、R2,以及調(diào)整端的電流，貝0.01 I。2考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的23倍。二極管最大反向電壓:Udmax2U22 1.2Ui式中U2為電

9、源變壓器次級電壓有效值，Ui為整流輸出電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓器 LM317穩(wěn)定運(yùn)行，輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在515V范圍,取Ui-U0=10V，得：d max=1.卩= 1.2（U。10） = 12 1.2Uo設(shè)計(jì)時(shí)可考慮一定的余量。根據(jù)計(jì)算，1N4007的二極管符合設(shè)計(jì)要求，可以用作整流橋。(b.2 )濾波電路采用電容濾波電路。由于電容在電路中也是起到儲存能量的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時(shí)，能夠把 部分能量儲存起來，而當(dāng)電源電壓減低的時(shí)候，就能把能量 釋放出來，是負(fù)載電壓比較平滑穩(wěn)定，也就是電容也有平波 的作用。電容濾波電路比較簡單， 而且負(fù)載直流電壓

10、比較高， 紋波也比較少，適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場合， 也減輕了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。電容濾波電路原理圖如圖9所示。圖9電容濾波電路經(jīng)過濾波，電路的電壓、電流波形如圖10所示。濾波電解電容C的選擇原則是：取其放電時(shí)間常數(shù) RLC大于充電周期 的35倍，其耐壓值必須大于脈動(dòng)電壓峰值。對于橋式整 流電路來說，脈動(dòng)電壓峰值為 2U2, C的充電周期等于交流電 源周期T的一半，即C> （35） T2RL,式中RL為整流后的等效 負(fù)載電阻，經(jīng)過考慮，本設(shè)計(jì)取C為2200uF。設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時(shí)接通電路，輸入電壓U2為正半周，當(dāng)U由零上升時(shí)，VI、V3導(dǎo) 通，C被

11、充電，同時(shí)電流經(jīng) VI、V3向負(fù)載電阻供電。忽略二極管正 向壓降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時(shí)間常數(shù)近似為零，因此 Uo=Uc- U2,在u2達(dá)到最大值時(shí)，Uc也達(dá)到最大值，然后 U2下降，此時(shí)，Uc>U2, VI、V3截止，電容C向負(fù)載電阻 RL放電，由于放電時(shí)間常數(shù) t =RLC 一般較大，電容電壓 Uc 按 指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當(dāng)下降到|U2|>Uc時(shí)，V2、V4導(dǎo)通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充放電 過 程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓，使負(fù)載電壓 的波動(dòng)大為減小 .（b.3 ）穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路是整個(gè)設(shè)計(jì)之中一個(gè)很重要的組成部分，幾乎 所有的電子設(shè)備都需要

12、穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作。 所以，研究和熟悉穩(wěn)壓電路的組成和設(shè)計(jì)具有非常重要的意 義。穩(wěn)壓電路主要用于提供更加穩(wěn)定的直流帶能源。考慮到 整流濾波電路的輸出電壓和理想的直流電源還是有相當(dāng)?shù)?距離，主要是存在兩方面的問題：第一方面，但負(fù)載電流變 化的時(shí)候，因?yàn)檎鳛V波電路存在一定的內(nèi)阻，所以輸出的 直流電壓將有可能隨之發(fā)生變化。第二方面，由于電網(wǎng)電壓 并不穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，整流電路的輸出電壓直 接與變壓器副邊電壓有關(guān)， 因此輸出直流電壓也相應(yīng)的發(fā)生 變化。因此，在設(shè)計(jì)中，采用三端集成穩(wěn)壓器 lm317 來實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)定電壓的功能。其中，調(diào)整管接在輸入端和輸出端之間。當(dāng)電網(wǎng)電壓或 負(fù)載電

13、流波動(dòng)時(shí)，調(diào)整自身的集 - 射壓降使輸出電壓基本保 持不變。 放大短路將基準(zhǔn)電壓與從輸出端得到的采樣電壓進(jìn) 行比較，然后再放大并送到調(diào)整管的基極。放大倍數(shù)越大， 則穩(wěn)定性能越好。 由于三端集成穩(wěn)壓器是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電 路的一種， 而串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓成正比，因此，基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路的輸出 電壓的穩(wěn)定性。采樣電路由兩個(gè)分壓電阻組成，它將輸出電 壓變化量的一步份送到放大電路的輸入端。啟動(dòng)電路的作用是在剛接通電流輸入電壓的時(shí)候，是調(diào)整管、放大電路和基 準(zhǔn)電源等建立各自的工作電路，而當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作是啟動(dòng)電路被斷開，影響穩(wěn)壓電路的性能。保護(hù)電路主要起到限 流保護(hù)，

14、過熱保護(hù)和過壓保護(hù)的作用。穩(wěn)壓部分的電路原理圖如圖 11所示。U1LM317LVID61N4002VOR3200R廠D51N4002仆C310uPOT圖11 穩(wěn)壓電路原理圖穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算:Vo =1.25(1僅僅從公式本身看，R3、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。 然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R3和R2的阻值是不能隨 意設(shè)定的。 1，2 腳之間為 1.25V 電壓基準(zhǔn)。 為保證穩(wěn)壓器的 輸出性能，R3應(yīng)小于240歐姆。改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓 電壓值。 D5， D6 用于保護(hù) LM317。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo = 1.25V 37V （高輸出 電壓的317

15、穩(wěn)壓塊如 LM317HVA LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是 Vo= 1.25V 45V）,所 以 R2/R3 的比值范圍只能是 028.6 。它的使用非常簡單， 僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓。 此外它的線性調(diào)整率和 負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM 3 1 7內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。LM317屬于深度負(fù)反饋的穩(wěn)壓電路，其功耗比較大，所以有 必要討論一下LM317穩(wěn)壓模塊的散熱問題。穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫TJM, 當(dāng)T<Tjm時(shí)穩(wěn)壓器才能正常工作。 因此，穩(wěn)壓器的散熱能力愈強(qiáng)， 結(jié)溫就愈低，它所能承受的功率也愈大。穩(wěn)壓器的散熱能力 取決

16、于它的熱阻給半導(dǎo)體器件加散熱片后可減小總熱阻。若令Ro1表示從結(jié)到器件外殼的熱阻，Ro2表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻，Ro a表示從結(jié)到散熱片表面的熱阻， 則R o A=Ro 1+Ro 2。若令 Ro d 表示散熱片到周圍空氣的熱阻，Ro '表示加散熱片后結(jié)到空氣的總熱阻，則Ro ' =Ro a+Ro d。設(shè)集成穩(wěn)壓器的最高允許結(jié)溫為 Tjm,最高環(huán)境溫度為Tam,加散熱器 后器件的功耗為P）,則有關(guān)系式：P Tjm -tampd=-Tjm _tamRA Rd所以器件的最大功耗必須滿足PDM <PD。(b.4)過流保護(hù)電路的過流保護(hù)原理圖如圖 12所示Q1R4R51

17、11,=IOR69013C41圖12 過流保護(hù)電路原理圖R6為取樣小電阻。當(dāng)電源工作時(shí)，穩(wěn)壓器輸出端輸出正 向直流電壓，電機(jī)開始啟動(dòng)。由于直流電機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)電流 iout較大(約為額定電流的810倍)，iout流過小電阻R6, 并經(jīng)R5對C4充電。通過設(shè)定 R6 C4的值，使充電時(shí)間 t 大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間 8 , Q1(9013)處于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)啟動(dòng)到 穩(wěn)定狀態(tài)后，電流恢復(fù)到工作電流。一旦電機(jī)發(fā)生短路或堵 轉(zhuǎn)，使電容 C4兩端電壓達(dá)到 Q1的導(dǎo)通電壓，則 Q1導(dǎo)通， 強(qiáng)制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25V。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間t大于啟動(dòng)時(shí)間8 , Q1不導(dǎo)通，電機(jī)才能正常啟動(dòng)。由于啟

18、動(dòng)電流很大，一般是額定電流的47倍，可看成不變，設(shè)為1=51 °。根據(jù)圖15,可得以下公式：du /i “R5由于R4 R5,所以i R5 i R5因此零狀態(tài)輸入響應(yīng)，求解得：UR5 二 R4C4(f %4iR4i約等于i R5。此時(shí)為一階_ 1UR4"R5(1e 4 4)假設(shè)電容C4的電壓達(dá)到0.7V為充電時(shí)間，得:二 R C In R4C4in i_0 7設(shè)電機(jī)負(fù)荷在額定狀態(tài)下運(yùn)行，電機(jī)電流I0已經(jīng)穩(wěn)定。電機(jī)短路或堵轉(zhuǎn)后，電流突然增大到短路電流Is，電容C4開始充電。考慮一定的設(shè)計(jì)余量，取保護(hù)電流設(shè)定值I G<l S式(1)同樣成立此為一階全響應(yīng)方程，強(qiáng)制分量UC

19、4 (a)=l gR5,求解得：初始條件 Uc4 (0+)=1 oi R5,c4_1"cRs &(1。譏冷 r4c4假設(shè)垢增大到V2導(dǎo)通電壓0.7的充電時(shí)間為',則'必 須小于允許短路時(shí)間t,即：R4C4ln(R)要使保護(hù)起到作用，Uc4 ( )必須大于0.7V ,即:& ¥c（b.5）表頭供電電路用LM317集成穩(wěn)壓模塊制作一個(gè) +5V的電源，然后用一只NPN 三極管，兩只電阻，一個(gè)電感來進(jìn)行信號放大，把芯片38腳的振蕩信號串接一個(gè) 20K 56K的電阻連接到三極管“ B” 極，在三極管“ C'極串接一個(gè)電阻（為了保護(hù)）和一個(gè)電感（提高交流放大倍數(shù)），在正常工作時(shí)，三極管的“ C'極 電壓為2.4V 2.8V為最好。這樣，在三極管的“ C'極有放 大的交流信號，把這個(gè)信號通過 2只4u7電容和2支1N4148 二極管，構(gòu)成倍壓整流電路，可以得到負(fù)電壓供給ICL7107的26腳使用。本電路的穩(wěn)流模塊采用了LM317集成穩(wěn)壓電源構(gòu)成的可調(diào)式穩(wěn)流電路，將上一級產(chǎn)生的12v穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)化成輸出端的420MA的穩(wěn)定電流，有穩(wěn)壓源供電，利用三極管的輸出特性設(shè)計(jì)，R4, D