多路輸出直流穩(wěn)壓電源的設計仿真與實現(xiàn)

1、武漢理工大學模擬電子技術(shù)課程設計說明書題目：多路輸出直流穩(wěn)壓電源的設計仿真與實現(xiàn)初始條件：可選元件：變壓器/15W/±12V;整流二極管或整流橋若干，電容、電阻、電位器若干；根據(jù)需要選擇若干三端集成穩(wěn)壓器；交流電源220V,或自選元器件?？捎脙x器：示波器，萬用表，毫伏表等要求完成的主要任務：(1)設計任務根據(jù)技術(shù)要求和已知條件，完成對多路輸出直流穩(wěn)壓電源的設計、裝配與調(diào)試。(2)設計要求錯誤！未找到引用源。要求設計制作一個多路輸出直流穩(wěn)壓電源，可將220V/50Hz交流電轉(zhuǎn)換為多路直流穩(wěn)壓電源輸出：±12V/1A,±5V/1A,一組可調(diào)正電壓+3+18V/1A。錯

2、誤！未找到引用源。選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。(用Proteus畫電路原理圖并實現(xiàn)仿真)錯誤！未找到引用源。安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設計報告書。時間安排：1、 2011年1月3日至2011年1月7日，完成仿真設計、制作與調(diào)試；撰寫課程設計報告。2、 2011年1月8日提交課程設計報告，進行課程設計驗收和答辯。指導教師簽名：系主任(或責任教師)簽名:摘要能為負載提供穩(wěn)定直流電通的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當交流供電電源的電壓或負載電阻變化時，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

3、電子設備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對電子設備的供電電源提出了高的要求。武漢理工大學模擬電子技術(shù)課程設計說明書AbstractDcvoltagestabilizerforloadistoprovideastabledcpowerelectronicdevices.Thedirectcurrentvoltage-stabilizedsourceofpowersuppliesaremostlyacpower,whencommunicationofpowersupplyvoltageorloadresistancechanges,stabilizerdcoutputvoltagewill

4、remainstable.Thedirectcurrentvoltage-stabilizedsourceaselectronicdevicetothehighprecision,highstabilityandreliabilityofthedirectionofdevelopment,electronicequipmentofthepowersupply,putforwardhigherrequest.Thispaperwillintroducethedirectcurrentvoltage-stabilizedsourcedesignscheme.目錄第1章多路輸出直流穩(wěn)壓電源的總體設計

5、42武漢理工大學模擬電子技術(shù)課程設計說明書1.1 設計內(nèi)容41.2 設計目的41.3 設計原始資料41.4 方案比較51.5 設計實驗參數(shù)6第2章實驗原理62.1 電源變壓器62.2 整流電路72.3 濾波電路72.4 、穩(wěn)壓電路8第3章仿真結(jié)果顯示9第4章仿真結(jié)果分析12第5章設計總結(jié)13第6章心得體會14第7章主要參考文獻14一、多路輸出直流穩(wěn)壓電源的總體設計1.1 、設計內(nèi)容及要求武漢理工大學模擬電子技術(shù)課程設計說明書設計制作一個多路輸出直流穩(wěn)壓電源，可將220V/50HZ交流電轉(zhuǎn)換為多路直流穩(wěn)壓輸出：+12V/1A,-12V/1A,+5V/1A,-5V/1A,+5V/3A及一組可調(diào)正電

6、壓電源+3-+18V/1A。穩(wěn)壓部分可用分立元件，也可用集成穩(wěn)壓模塊。對設計中所用的電子元器件完成選型，進行原理圖設計，對性能指標進行計算分析。使用相應軟件proteus,繪制相應的電路原理圖，并進一步對電路圖進行仿真。1.2 設計目的1 .學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經(jīng)驗，掌握模擬電路設計的基本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調(diào)試能力。2 .學會直流穩(wěn)壓電源的設計方法和性能指標測試方法。3 .培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。1.3 設計原始資料直流電源是能量轉(zhuǎn)換電路，將220V(或380V)50Hz的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。主要包括變壓器降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等部分，也有集成元件

7、來完成穩(wěn)壓功能。硬件制作部分核心元器件：變壓器、整流橋、調(diào)整管、7805、7812、7905,7912,電阻電容不限。1.4 方案比較(1)整流電路的選擇：當負載僅需要幾十瓦或幾百瓦的功率時，常常采用單向整流電路，二當負載需千瓦以上的功率時，則需要采用三相整流電路。因此，本次課程設計，采用單向整流電路。半波整流電路：圖1.4.1半波整流電路利用二極管的單向?qū)щ娦?、將大小和方向都隨時間變化的工頻交流電變換成單方向的脈動直流電的過程稱為整流。利用二極管的單向?qū)щ娦裕挥邪雮€周期內(nèi)有電流流過負載，另半個周期被二管所阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動成分

8、太大，對濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。武漢理工大學模擬電子技術(shù)課程設計說明書它由電源變壓器Tr整流二極管D和負載電阻RL組成,變壓器的初級接交流電源，次級所感應的交流電壓為其中U2m為次級電壓的峰值,U2為有效值。電路的工作過程是：在u2的正半周（cot=0施，二極管因加正向偏壓而導通，有電流iL流過負載電阻RL。由于將二極管看作理想器件，故RL上的電壓uL與u2的正半周電壓基本相同。橋式全波整流電路：圖1.4.2橋式全波整流電路在u2的正半周，D1、D3導通，D2、D4截止，電流由TR次級上端經(jīng)D1一RL一D3回到TR次級下端，在負載RL上得到一半波整流電壓（正弦波的正半周）。在

9、u2的負半周，D1、D3截止，D2、D4導通，電流由Tr次級的下端經(jīng)D2-RL-D4回到Tr次級上端，在負載RL上得到另一半波整流電壓（正弦波的負半周）。這樣，在負載電阻RL上正、負半周經(jīng)過合成，得到一個與全波整流相同的電壓波形。半波整說是以"犧牲”一半交流為代價而換取整流效果的，電流利用率很低橋式整流器品種多，性能優(yōu)良，整流效率高，穩(wěn)定性好，最大整流電流從0.5A到50A,最高反向峰值電壓從50V到1000V0因此，整流電路選著橋式全波整流電路。（2）濾波電路的選擇：電容濾波：圖1.4.3電容濾波電路接通交流電源后，二極管導通，整流電源同時向電容充電和向負載提供電流，電壓的波形是正

10、弦形。在時刻，即達到u290°峰值時，u2開始以正弦規(guī)律下降，極管是斷，武漢理工大學模擬電子按術(shù)課程設計說明書取決于二極圖1.4.4電容充放電電路管承受的是正向電壓還是反向電壓。先設達到90°后，二極管關(guān)斷，那么只有濾波電容以指數(shù)規(guī)律向負載放電，從而維持一定的負載電流。但是90。后指數(shù)規(guī)律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超過90°以后有一段時間二極管仍然承受正向電壓，二極管導通。隨著u2的下降，正弦波的下降速率越來越快，Uc的下降速率越來越慢。所以在超過90°后的某一點，例如圖2.4.4中的t2時亥L二極管開始承受反向電壓，二極管關(guān)斷。此后只有電

11、容器C向負載以指數(shù)規(guī)律放電的形式提供電流，直至下一個半周的正弦波來到u2再次超過Uc,如圖圖1.4.4中的t3時刻，二極管重又導電。L-C電感濾波:圖1.4.5電感濾波根據(jù)電抗性元件對交、直流阻抗的不同，由電容C及電感L所組成的濾波電路的基本形式如圖1所示。因為電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C并聯(lián)在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應與負載并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時，給電容器充電，可把部分能量存儲在電容器中。而當輸入電壓降低時，電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電，就可以把存儲的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負載放電，負載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了平波作用。若采用電感

12、濾波，當輸入電壓增高時，與負載串聯(lián)的電感L中的電流增加，因此電感L將存儲部分磁場能量，當電流減小時，又將能量釋放出來，使負載電流變得平滑，因此，電感L也有平波作用。利用儲能元件電感器L的電流不能突變的特點，在整流電路的負載回路中串聯(lián)一個電感，使輸出電流波形較為平滑。因為電感對直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。電感濾波缺點是體積大，成本高.橋式整流電感濾波電路如圖1.4.5所示。電感濾波的波形圖如圖2.4.6所示。根據(jù)電感的特點，當在橋式整流電路中，當u2正半周時，D1、D3導電，電感中的武漢理工大學模擬電子技術(shù)課程設計說明書電流將滯后u2不到90°。

13、當u2超過90°后開始下降，電感上的反電勢有助于D1、D3繼續(xù)導電。當u2處于負半周時，D2、D4導電，變壓器副邊電壓全部加到D1、D3兩端，致D1、D3反偏而截止，此時，圖1.4.6電感濾波波形電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。由于橋式電路的對稱性和電感中電流的連續(xù)性，四個二極管D1、D3;D2、D4的導電角0都是180,這一點與電容濾波電路不同。輸出電流發(fā)生變化時，L中將感應出一個反電勢，使整流管的導電角增大，其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。由以上分析可知，電容濾波電路簡單，輸出直流電壓較高，諧波也小，適用于輸出電壓較高.負載變動較小的場合。而電感濾波在一般直流穩(wěn)壓電源，特別是小功率電

14、源中很少使用，在負載電流較大的情況下，通常采用電感濾波.本次課程設計，負載變動小，且負載電流不大，因此采用電容濾波。(3)穩(wěn)壓電路的選擇：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路：武漢理工大學模擬電子擅術(shù)課程設計說明書圖1.4.7穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖1.4.8穩(wěn)壓管擊穿穩(wěn)壓原理很簡單，利用穩(wěn)壓管的反向擊穿性，將電壓穩(wěn)定在一定范圍集成穩(wěn)壓電路：OQQHIM圖1.4.9集成穩(wěn)壓器三端穩(wěn)壓集成電路也稱三端穩(wěn)壓管,它的樣子就像是普通的三極管，電子產(chǎn)品中常見到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78XX系列和負電壓輸出的79XX系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、輸出端和接地端。將元件有標識的

15、一面朝向自己，若是78系列，三條引腳分別為輸入端、接地端和輸出端；若是79系列，三條引腳分別為接地端、輸入端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V,7909表示輸出電壓為負9V。有時在數(shù)字78或79后面還有一個M或L,如78M12或79L24,這是用來區(qū)別輸出電流和封裝形式等，其中78L系列最的大輸出電流為100mA,78M系列最大輸出電武漢理工大學模擬電子技術(shù)課程設計說明書流

16、為1A,78系列最大輸出電流為1.5A。它們的封裝也有多種，根據(jù)元件的安置情況會有所不同。在實際應用中，應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將會變差，甚至損壞。集成穩(wěn)壓具有體積小，總量輕，安裝和調(diào)試方便，可靠性和穩(wěn)定性高等優(yōu)點。因此本次課程設計選擇LM317集成穩(wěn)壓器。2.5+-5V、+-12V設計原理圖圖1.5.1+-5V、+-12V設計原理圖武漢理工大學模擬電子函術(shù)課程設計說明書+3-+18V可調(diào)直流電源原理圖THAH-i.fJI403*1caZ41JF圖1.5.2+-3V、+-18V設計原理圖本設計是把幾個供電模塊集成到一個供電

17、電源上，能夠同時提供固定輸出+12V、-12V（最大輸出電流1A）和固定輸出、+5V+5V（最大輸出電流1A）的直流電輸出。（1）輸出+/-12V:核心器件選用穩(wěn)壓器7812和7912,組合應用這兩個穩(wěn)壓器件與一個硅整流橋相接，按下圖連好電路就能輸出+/-12V的電壓。組合用7812和7912時，公共輸出接地端用的是變壓器輸出端口的+12V并分別接入7812的接地引腳（GND和7912的電壓輸入引腳（Vin）;硅整流橋的正、負輸出端口則分別接入7812的電壓輸入端（Vin）和7912的接地端；濾波電容用了兩個1000uF首尾相接，連接處接公共輸出接（2）輸出+5V:核心器件選用7805三端集成

18、穩(wěn)壓器，其輸出電壓為+5V,額定電流1A。當變壓器變壓后輸出6.3V交流電，經(jīng)KBPC810硅整流橋，整流后輸出約6V電壓，濾波后由7805三端集成穩(wěn)壓電源處理，輸出+5V電壓，電流最大輸出為1AoU1LM317AH圖1.5.3LM317穩(wěn)壓10武漢理工大學模擬電子掖術(shù)課程設計說明書圖1.5.4LM7805穩(wěn)壓(3)輸出+5V/1A:核心器件選用7805三端集成穩(wěn)壓器，其輸出電壓為3V,額定電流最大輸出5A。電容C組成濾波網(wǎng)絡，以減小輸出的紋波電壓。(4)輸出可調(diào)3V-18V/1A可調(diào)直流電壓：核心器件選用317三端集成穩(wěn)壓器，其輸出電壓為V=1.25(1+RP/R),額定電流5mA-10mA

19、RP為精密可調(diào)電位器，電容C與RP并聯(lián)組成濾波網(wǎng)絡，以減小輸出的紋波電壓。二級管D的作用是防止輸出端與地短接，損壞穩(wěn)壓器。1.4設計實驗參數(shù) 輸出電壓Vo及最大輸出電流lomax;I檔Vo=±12V對稱輸出，Iomax=100mA;II檔Vo=+5V,Iomax=300mA;Ill檔Vo=(+3+18)V連續(xù)可調(diào)，Iomax=200mA 紋波電壓：Vop-p<5mA;穩(wěn)壓系數(shù)：SVC0.005二實驗原理2.1 電源變壓器電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V50HZ勺電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担⑺徒o整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。選擇電源變壓器1)確定副邊電壓U2:根據(jù)性能

20、指標要求：Uomin=3VUomax=9V又;Ui-Uomax5s(Ui-Uo)minUi-Uoin<(Ui-Uo)max11武漢理工大學模擬電子施術(shù)課程設計說明書其中：(Ui-Uoin)min=3V,(Ui-Uo)max=40V12V<Ui<43V此范圍中可任選：Ui=14V=Uo1根據(jù)Uo1=(1.11.2)U2可得變壓的副邊電壓：2)確定變壓器副邊電流I2Io1=Io又副邊電流I2=(1.52)101取IO=IOmax=800mA則I2=1.5*0.8A=1.2A3)選擇變壓器的功率變壓器的輸出功率：Po>I2U2=14.4W圖2.1.1電源變壓器3.2、 流電路

21、整流電路常采用二極管單相全波整流電路，電路如圖2所示。在u2的正半周內(nèi),二極管D1、D2導通，D3D4截止；u2的負半周內(nèi)，D3D4導通，D1、D2截止,正負半周內(nèi)部都有電流流過的負載電阻RL,且方向是一致的。電路的輸出波形如圖所示圖2.2.1整流橋輸出直流電壓V1與交流電壓有效值V2關(guān)系為V1=1.1V2通過每只二級管的平均電流0.45V2/R在橋式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內(nèi)導電，所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半。電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為(U2是變壓器副邊電壓有效值)。3.3、 濾波電路濾波電路選用一個3300仙F的大容量電解電容C1和一個0.

22、33pF的小容量滌綸CL11型電容C2并聯(lián)濾波，如圖3所示。理論上，在同一頻率下容量大的電容其容抗小，這樣一大一小電容相并聯(lián)后其容量小的電容C2不起作用。但是，由于大容量的電容器存在感抗特性，等效為一個電容與一個電感串聯(lián)。在高頻情12武漢理工大學模擬電子病術(shù)課程設計說明書況下的阻抗反而大于低頻時的阻抗，小電容的容量小，在制造時可以克服電感特性，幾乎不存在電感。在大電容C1上并聯(lián)一個小電容C2可以補償其在高頻下的不足。當電路的工作頻率比較低時，小電容不工作（容抗大相當于開路）。大電容的容量越大濾波效果越好。當電路的工作頻率比較高時（輸入信號的高頻干擾成分），大電容由于感抗大而處于開路狀態(tài)。這時高

23、頻干擾成分通過小電容流到地線，濾除各種高頻干擾成分。電路的輸出波形如圖所示。3.4、 穩(wěn)壓電路1、穩(wěn)壓電路選用三端集成直流穩(wěn)壓器，其電路連接方式一般如下圖所示LM7805CTLINE-VREGVOLTAGE.COWIONU2LM7812CTU1一LM317AH:LINE-VREGVOLTAGE:'.所啟X圖2.4.1穩(wěn)壓集成器LINE-VREGVOLTAGE.性能上，常用的集成穩(wěn)壓器有三端固定式、三端可調(diào)式和開關(guān)式。以三端固定式為例，其正輸出為7800（后兩位代表輸出的額定穩(wěn)壓值，00是統(tǒng)稱）系列，負輸出為7900系列，常見的有05、06、08、09、12、15、18、24八種。一般要

24、求最小的輸入、輸出電壓差（UI-U0）為2V3V;輸出穩(wěn)壓白勺容差約為5%最大輸出電流IOmax有0.1A（如78L12）,0.3A（如78M12和1.5A（如7812）等多種，部分器件的最大輸出電流可達2.2A;其最大輸入電壓UImax一般是7818檔以下為35V,7824檔為40V;電壓調(diào)整率SU一股為0.01%/V;輸出電阻R0小于0.1Q;紋波抑制比SVP一般為50dB;溫度系數(shù)ST一般為每度1mV2.4mV圖4中，引腳1為電壓變換的輸入端，引腳2為電壓變換后的輸出端，引腳3為接地端。電容Ci作用是改善紋波和抑制輸入的過電壓，一般取值為0.33pF。C0作用是改善負載的順態(tài)響應，一般可

25、選取0.1仙F的電容，當采用大容量的電解電容時效果更好。穩(wěn)壓電源的輸入輸出端要跨接一個二極管，以防止集成穩(wěn)壓器輸出調(diào)整管損壞。三、仿真結(jié)果展示3.1+5V波形圖13武漢理工大學模擬電子題術(shù)課程設計說明書ChannelAChannelBChannelCChannelD2.00V5.00V6.D0V5.00VOffset24.00V20.00V-20.00V-&D00VInvertNormai2砌NormalNormal圖3.1仿真結(jié)果圖14武漢理工大學模擬電子15術(shù)課程設計說明書圖3.2仿真結(jié)果圖15武漢理工大學模擬電子描術(shù)課程設計說明書HihPcurfiMAulaOne-ShctCur

26、sorsSourceTrnrr圖3.3仿真結(jié)果圖16武漢理工大學模擬電子物術(shù)課程設計說明書圖3.43V-18V可調(diào)直流電壓輸出圖17武漢理工大學模擬電子18術(shù)課程設計說明書四、仿真結(jié)果分析5.1 +-5V仿真結(jié)果分析如上圖可知，220V、50Hz交流電經(jīng)過變壓器(U2=，L2/L1U1,即U2=1/15U1),輸出10V的波動電壓，經(jīng)過整流橋后，呈現(xiàn)的是示波器中黃線的半波波形，接著,經(jīng)過500nF的濾波電容后，變?yōu)楹休^小諧波的直流電壓，波形如示波器中藍線所示，趨向于直線，接近直流，最后，電壓通過7805穩(wěn)壓器，諧波被去除，成為較為穩(wěn)定的直流電，如示波器中紅線波形所示，達到實驗要求。而-5V電

27、壓由于采用7905穩(wěn)壓器，輸出類似于+5V,輸出波形一致。5.2 +-12V仿真結(jié)果分析如上面第三個圖所示，220V、50Hz交流電經(jīng)過變壓器(U2=VL2/L1U1即U2=1/15U1)之后，也是輸出10V的波動電壓。但是經(jīng)過整流橋和濾波電容的整流和濾波作用之后，輸出如圖所示中第二條黃色波形，之后再經(jīng)過7812和7912穩(wěn)壓器穩(wěn)壓之后，就出現(xiàn)較穩(wěn)定的的+-12V,如圖中電壓表所示，滿足設計要求。5.3 318V仿真結(jié)果分析同樣，220V、50Hz交流電經(jīng)過變壓器之后，在經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓之后，再利用滑動變阻器進行調(diào)節(jié)，使之產(chǎn)生可變的輸出電壓。核心器件選用317三端集成穩(wěn)壓器，其輸出電壓為V=1.25(1+RP/R),額定電流1A。RP為精密可調(diào)電位器，電容C與RP并聯(lián)組成濾波網(wǎng)絡，以減小輸出的紋波電壓。二級管D的作用是防止輸出端與地短接，損壞穩(wěn)壓器。五、實驗總結(jié)經(jīng)過三個小時的設計原理的分析，電子元件