簡易直流穩(wěn)壓電源(終極版)

1、電工與電子技術基礎課程設計報告題 目 簡易直流穩(wěn)壓電源 學院（部） 專 業(yè) 班 級 學生姓名 學 號簡易直流穩(wěn)壓電源課程設計前言在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中，主要采用交流電，但在某些場例如電解、電鍍、蓄電池的充電、直流電動機等，都需要用直流電源供電。此外在電子線路合自動控制裝置中還需要用電壓非常穩(wěn)定的直流電源。為了得到直流電，除了用直流發(fā)電機外，目前廣泛采用各種半導體直流電源。圖1所示是半導體直流電源的原理方框圖，它表示把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程。整流變壓器整流電 路濾波器穩(wěn)壓環(huán) 節(jié)交流 u1u2u3uiu。負電源載tt t t t圖1 在如圖所示的直流穩(wěn)壓電源中，整流變壓器將交流電源電壓變換為符合

2、整流需要的電壓，整流電路用來將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓，濾波器用來減小整流電壓的脈動程度，以適合負載的需要，穩(wěn)壓電路的作用是在當輸入交流電源電壓的波動、負載和溫度的變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源具有體積小、重量輕、效率高、對電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應性強、輸出電壓保持時間長、有利于計算機信息保護等優(yōu)點，廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。直流穩(wěn)壓電源是電源的基礎技術，是最基本的穩(wěn)壓電路。此次課程設計 ，就是要根據(jù)直流穩(wěn)壓電源的主要技術指標和要求，設計簡易直流穩(wěn)壓電源。通過查閱大量的資料，在對比幾種不同的設計方案

3、后，我篩選出自己認為最優(yōu)化的設計方案，最終把該的方案的相關參數(shù)計算出來，完成了對簡易直流穩(wěn)壓電源的設計。目錄前言2目錄4摘要5設計要求5第一章 系統(tǒng)概述6第二章 單元電路的設計與分析11第三章 電路的安裝與調(diào)試16第四章 結束語18鳴謝19元器件明細表19參考文獻20摘要本文介紹了直流穩(wěn)壓電源的工作原理及其設計，它是一種簡易直流穩(wěn)壓電源，主要是采用一些簡單的電子元件即可，它是采用由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個核心部分組成，整流電路是采用單相橋式全波整流；濾波電路是以電容（1000uF）濾波；穩(wěn)壓電路是采用集成穩(wěn)壓器（W117型號）。變壓電路用變壓器將交流電路變成所需的電壓，整流

4、電路用二極管對交流進行整流。濾波電路由電容器將脈動電流變成直流，穩(wěn)壓電路是把直流輸出電壓穩(wěn)定化，本文在對不同方案對比后選出可行性較好的進行了最終的設計。關鍵詞：變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓、二極管、電容設計要求輸出直流電壓UO的調(diào)節(jié)范圍為3-12V，且連續(xù)可調(diào)；最大輸出電流ILM200mA；穩(wěn)壓系數(shù)Sr10%;具有過流保護作用。第一章 系統(tǒng)概述1.1設計思路直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路組成，如圖2。（1）首先選用合適的電源變壓器將電網(wǎng)電壓降到所需要的交流電源；（2）降壓后的交流電壓，通過選用合適的整流原件設計出整流電路整流變成單項脈動直流電壓，其整流原件（晶體二極管、

5、電子二極管或晶閘管）所以能整流是因為他們都具有單向?qū)щ姷墓残浴＃?）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，保留直流成分，濾波電路一般有電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。（4）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的作用適當外界因素（電網(wǎng)電壓、負載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能使輸出的直流電壓不受影響而維持穩(wěn)定的輸出。整流變壓器整流電 路濾波器穩(wěn)壓環(huán) 節(jié)交流 u1u2u3uIuO負電源載圖21.2不同設計方案對比實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的設計可有不同的方案，根據(jù)設計要求，我們對以下兩種設計方案作出可行性分析，并且篩選出我們認為最好設計方案，在此基礎上

6、完成了直流穩(wěn)壓電源的設計。方案一：穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路最簡單的直流穩(wěn)壓電源是采用穩(wěn)壓二極管來穩(wěn)定電壓的，其工作原理圖如圖3所示，經(jīng)過整流電路和濾波器得到直流電壓再經(jīng)過限流電阻和穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路連接到負載電阻上，這樣負載上得到的就是一個比較穩(wěn)定的電壓。但是此時輸出電壓還補課調(diào)，為了使輸出電壓可從3V調(diào)起還需要設計一個電位器，用來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。穩(wěn)壓二極管電位器UI Uo圖3方案二：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的電路框圖如圖4所示，該電路中，輸出電壓Uo經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓，送到運算放大器的反相輸入端，由 穩(wěn) 壓 二 極 管 和一個電阻組成的穩(wěn)壓電路提供一個穩(wěn)定的基準電壓

7、，送到運算放大器的同相輸入端作為調(diào)整和比較的標準。取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對調(diào)整管的工作狀態(tài)進行調(diào)整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與供電電壓UI發(fā)生變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓Uo為恒定值(穩(wěn)壓值)。因輸出電壓要求從3V起實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此要在基準電壓處設計輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從3V開始調(diào)節(jié)。調(diào)整管 UI Uo誤差放大取樣輔助電源基準圖4方案三：三端穩(wěn)壓電源構成直流可調(diào)原理框圖如圖5所示。該方案需使用三端穩(wěn)壓芯片W117作為穩(wěn)壓電路可調(diào)部分，其輸出電壓調(diào)整范圍寬，但該穩(wěn)壓電路輸出的基準電壓是1.25V，而要求電壓從3V起，因此還需設計

8、電壓補償電路才可以實現(xiàn)。輸 出 3V 起 可 調(diào) 電 整流濾波電路三端穩(wěn)壓芯片W117補償電壓圖51.3方案論證與分析：方案一中的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路是最簡單的獲得穩(wěn)定電壓的辦法，結構簡單，需要的元器件簡單，便于制作，但是由于受穩(wěn)壓二極管最大穩(wěn)定電流的限制，負載電流不能太大，并且負載電壓的穩(wěn)定性不夠。方案二中的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路，根據(jù)要求電壓要從3V起實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此要在基準電壓處設計輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從3V開始調(diào)節(jié)。單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路很簡單，但增加輔助電源后，電路比較復雜，由于都采用分立元件，電路的可靠性難以保證。對于方案一，采用可調(diào)三端集成穩(wěn)壓電路，該芯片的基準電壓為

9、1.25V，再設計一個補償電路來實現(xiàn)電壓從3V起連續(xù)可調(diào)。所用元件較少，結構簡單，成本較低，組裝方便且可靠性較高，此外，它的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好，它能夠很好的滿足實際中大多數(shù)情況下的要求。綜上所述，顯然第三個方案較為合理。1.4總體設計方案原理框圖如圖6所示,總體線路圖如圖7所示；變壓 整流 濾波 穩(wěn)壓交流 負電源 載u u u u uo t o t o t o t o 圖6圖7電路如圖7所示,在輸入端加上220V交流電壓經(jīng)過變壓器變壓之后得到合適的電壓；將降壓后的交流電壓通過整流電路變換為單向脈動電壓。其中的整流元件（晶體二極管）組合成單相橋式整流電路，經(jīng)整流后的單向

10、脈動電壓再經(jīng)濾波后減小了電壓的脈動程度，逐漸達到負載的需要；經(jīng)過濾波后的電壓最后再由穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓之后將會輸出直流電U0。.而穩(wěn)壓環(huán)節(jié)是該方案的關鍵部分，根據(jù)要求輸出電壓3-12V可變輸出， 我們在穩(wěn)壓部分選用W117三端集成穩(wěn)壓器，通過調(diào)節(jié)Rp即可控制輸出電壓的值。第二章 單元電路的設計與分析2.1 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8:變壓器參數(shù)計算：設W317輸入電壓設為Ui則 Uomin=3V、U0max=12V、Ui-Uomax（Ui-Uo）min Ui-U0min（Ui-Ui）max其中：（Ui-Uo）min=3V，（Ui-Uo）max

11、=40V。 所以15VUi43V，穩(wěn)壓器的壓差不 圖 8宜過大，因此選擇Ui=15V。則變壓器二次側電壓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，變壓器二次側電壓大約要高出10，即13*1.1=14.3V取15V。電流值I=200*1.1=220mA穩(wěn)壓器輸入輸出電流基本保持不變Ii200mA,則變壓器二次側的電流有效值為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。2.2整流電路 在整流部分我們選用單相橋式整流電路圖如圖9所示： + a+ D1 D2 RL D4 D3 - b-圖9 變壓器

12、二次側電壓u的正半周時電路，其極性上正下負，即a點電位高于b點電位，此時電路圖如圖所示，可以看出，D2,D4導通，D1，D3截止，負載電阻RL上得到一個半波電壓。與 此 情 況 相 反 時，即在電壓u的負半周時，變壓器二次側則是上負下正D1和D3導通D2和D4截止，負載電阻RL上又得到另一個半波電壓，這樣，在負載電阻上又得到另一半的電壓整流后的電壓電流的波形如圖10所示 U O t圖10整流電路中二極管的參數(shù)計算：變壓器二次側電壓有效值為U=15于是URM=1.414*1522V。ID=I0/2=100mA管分立元件參數(shù)表，二查二極極管選用2CZ55B（IOM=1000mA；URWM=50V）

13、滿足電路需求。2.3濾波器 如圖11所示與負載并聯(lián)的電容濾波電路就是一個最簡單的濾波器。圖11下面分析該電路的工作情況：如果電路不接電容濾波器，輸出電壓波形如圖12-（a）所示，加電容濾波器后如12-（b）所示： U UO t O t（a） （b）圖12由于電容器的端電壓在電路狀態(tài)改變時不能躍變，濾波器以此為基本原理制成。在二極管導通時，一方面供電給負載，同時對電容器C充電。二極管導通后，一方面給負載供電，另一方面給電容充電，在忽略二極管，正向壓降的情況下，充電電壓uc與上升的正弦電壓u一致，電源電壓u達到最大值時Uc也達到最大值，而后u和uc都開始下降，u安正弦規(guī)律下降，當u<uc時，

14、二極管承受反向電壓而截止，電容器對負載放電，負載中仍有電流，而uc按放電曲線下降。在u的下個周期內(nèi)，當uuc時，二極管再行導通，電容器再被充電，重復上述過程。整流電路輸出電壓與輸出電流的外特性曲線如圖所示。 Uo 1.4U 0.45UO t圖13有無電容濾波時比較輸出電壓隨負載電阻的變換有較大的變化，即外特性較差或者說帶載能力較差通常取U0=U（半波）U0=1.2U（全波）采用電容濾波時輸出電壓的脈動程度與電容放電時間常數(shù)RLC有關系。RLC大一些脈動就小一些。為了得到比較平直的輸出電壓一般要求RL（1015）1/wC，即RLC（35）T/2，式中T為電源交流電的周期。濾波電容參數(shù)計算：Ui=

15、15V,Iimax=200mA,可得RL=15/0.2=75又RLC（35）T/2，T=0.02S；電容C=（5*T）/（2R）=667F。應取電容常數(shù)為C=1000F。2.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路如圖14所示，穩(wěn)壓部分采用三端集成穩(wěn)壓器W117，輸出的基準電壓為1.25V，根據(jù)要求要使輸出電壓為3-12V可調(diào)，可與電位器Rp串聯(lián)一個電阻R2，加入只有電位器，輸出電壓只能從1.25V調(diào)起當Rp調(diào)至0時，輸出電壓為最小值，當Rp調(diào)至最大時，輸出電壓為最大值，因此只要合理選擇Rp與R2的電阻值即可以實現(xiàn)該電路的設計。在集成穩(wěn)壓器離濾波電容較遠時，應在W117靠近輸入端處接上一只0.33F的旁路電容C2，

16、接在調(diào)整端和地之間的電容C3是用來旁路RP兩端的波紋電壓，當C3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C3，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)整管和基準放大器而損壞穩(wěn)壓器。為了防止在這種情況下C3的放電電流通過穩(wěn)壓器，在R1兩端并接一只二極管D5。W117集成穩(wěn)壓器在沒有容性負載的情況下可以穩(wěn)定工作，但當輸出端有500-5000pF的容性負載時，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C4。該電容還可以改善電源的瞬態(tài)響應。但是接上接地容以后，集成穩(wěn)壓器的輸入端一旦發(fā)生短路，C4將

17、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，接一只保護二極管D6。+- -圖14穩(wěn)壓電路中各元件參數(shù)的計算：輸出電壓與各個電阻存在關系：Uo=1+(Rp+R2)/R1X1.25 V通常情況下R1取240當Rp為0時易知輸出有最小值3V,于是可以求出R2=336;當Rp為最大值時,輸出電壓有最大值,可求得Rp=1728故可取固定電阻R2為336,取繞組變壓器Rp=2KD5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W117損壞，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，另外取C2=0

18、.33F、C3=10F、C4=1F。第三章 電路的安裝與調(diào)試至此，簡易直流穩(wěn)壓電源就設計完成了，接下來就需要根據(jù)設計對電路進行安裝與調(diào)試，該電路主要可以實現(xiàn)以下四個方面的功能：（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)Sr10%;（4）具有過流保護作用。為保證電路安裝與調(diào)試的順利進行，在接線時不能只看著電路原理圖去接，應該先把電路圖中的每個元件的原理和用途搞清楚，明白每個元件的各個管腳與它哪里相對應，最主要的是搞清楚元件與元件之間的聯(lián)系，它們在一起有怎樣的作用，它們接在一起可以實現(xiàn)那些功能，它們之間有什么相互的影響，好幾個元件在

19、一起又能有怎樣的功能，弄明白了這些過后，就可以接電路了。在接電路的過程中要仔細并且得有耐心，在檢查錯誤時要更耐心，當出現(xiàn)錯誤時，首先檢查線接對了沒有，如果沒有錯誤就看是不是元件存在問題，遇見錯誤要一步一步的來。第四章 結束語經(jīng)過幾天的努力，在老師的細心地指導下及在同學的幫助下，我們順利地完成了本次課程設計。通過本次電工與電子技術課程設計，我掌握了簡易直流穩(wěn)壓電源的電子電路的設計與制作，鍛煉了我的動手能力，在課程設計中遇到了許多問題，我學會了獨立思考，查閱資料解決問題，大大鍛煉了我解決問題分析問題的能力。 在設計電路時，深深體會到設計電路時一定要細心仔細，負責會浪費大量的時間卻不能取得較好的效果

20、。除此之外，在設計電路時，我發(fā)現(xiàn)，只是單純地學習理論知識還遠遠不夠，即使對理論知識很熟悉在實際運用的時候也會遇到許多意想不到的問題，而且這些問題甚至會使設計工作難以進行下去，所以，在以后的學習中應該注重理論聯(lián)系實際，把所學知識運用到實際中來，不斷增強自己運用所學知識的能力。在設計電路時，不僅會用到本課程的知識，我在設計電路時查閱了大量的資料，運用了CAD設計，對自己綜合運用所學知識的能力是一個極大的考驗。發(fā)現(xiàn)自己在許多方面都存在不足，很多知識都沒有學習到，因此，這對以后的學習是一個很好的啟發(fā)，大學中很多東西都是要靠自己去學的，當然，我們不能盲目的去學一，應該有針對性地學習，自學是我們學習，學習好一門課、一門專業(yè)重要的一種能力。一個擁有很強自學能力的人，他在某種程度上可以比那些自學能力相對弱的人更容易成功。因為一個自學能力強的人，可以很快地掌握一項從來