電工-直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)報(bào)告

1、電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目 簡易直流穩(wěn)壓電源 學(xué)院（部） 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 月 日至 / 月 / 日 共 / 周引言電源是各種電子、電器設(shè)備工作的動(dòng)力，是自動(dòng)化不可或缺的組成部分，直流穩(wěn)壓電源是應(yīng)用極為廣泛的一種電源。 自六十年代起，第一臺(tái)開關(guān)電源問世以來，開關(guān)電源在世界各國迅速發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源也順勢而生，但在初期價(jià)格較高，直到八十年代，隨著元件工藝的成熟，直流穩(wěn)壓電源的價(jià)格也日益下降，應(yīng)用也變的日益廣泛。近幾年隨著科技的發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源的工作頻率有原來的幾十千赫發(fā)展到現(xiàn)在的幾百千赫，甚至更高。現(xiàn)在智能化的直流穩(wěn)壓電源也被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，對此的研究開始向高頻

2、方面發(fā)展。以美國為首的幾個(gè)發(fā)達(dá)國家在這方面的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向高頻下電源的拓?fù)淅碚摗⒐ぷ髟?、建模分析方法和高頻大功率開關(guān)器件，高性能集成控制器和功率模塊的開發(fā)研制方面發(fā)展。 我國在此方面的起步較晚，1973年才開始這方面的研究工作，現(xiàn)在主要在小功率單端變換器方面發(fā)展較為迅速。在功率半導(dǎo)體器件及控制集成化方面，與國外同類產(chǎn)品有這很大的差距。因此，直流穩(wěn)壓電源的研制及應(yīng)用在此方面與之也從在很大的差距。 近年來，隨著微機(jī)，中小型計(jì)算機(jī)的普及和航空航天數(shù)據(jù)通信，交通郵電等事業(yè)的訊速發(fā)展，以及為了各種自動(dòng)化儀器、儀表和設(shè)備配套的需要，當(dāng)代對電源的需要不僅日益增大，而且對電源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以

3、及諸如程序控制、電源通/斷、遠(yuǎn)距離操作和信息保護(hù)等功能提出了更高的要求。目錄<一>課題名稱與技術(shù)要求-4<二>摘要-4<三>設(shè)計(jì)思路-5<四>方案選擇與論證-5<五>單元電路設(shè)計(jì)原理，主要器件選擇及參數(shù)計(jì)算-8<六>結(jié)論與心得體會(huì)-12<七>參考文獻(xiàn)-13<八>元器件明細(xì)表-14<一>課題名稱與技術(shù)要求：設(shè)計(jì)課題：串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電源<1>輸出直流電壓Uo=12V,且連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍±2V；<2>最大輸出電流Ilm200mA;<3>穩(wěn)壓系數(shù)

4、Sr<10%;<4>具有過流保護(hù)功能。<二>摘要：直流穩(wěn)壓電源一般由直流電源變壓器T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如下。各部分的作用：（1）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。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。 （2）整流濾波電路：整流電路將交流電壓Ui變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U0。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。（3）三端集成穩(wěn)壓器：常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。常用可調(diào)式正壓集成穩(wěn)壓

5、器有CW317（LM317）系列，LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如LM317HVH、W317L等。電子愛好者經(jīng)常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算，Vo1.25（1R2/R1）。僅僅從公式本身看，R1、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，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo1.25V37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo1.25V45V），所以R2/R1的比值

6、范圍只能是028.6。<三>設(shè)計(jì)思路：1.1整體思路直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路、及穩(wěn)壓電路組成，其基本原理框圖如下圖所示。（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，通過整流電路整流變成單項(xiàng)脈動(dòng)直流電壓。直流脈動(dòng)電壓經(jīng)過濾波電路變成平滑的、脈動(dòng)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(dòng)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。（3）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的作用適當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時(shí)，能是輸出直流電壓不受影響而維持穩(wěn)定的輸出。 1.2總體方案的設(shè)計(jì)該

7、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)主要在可調(diào)電壓輸出部分，其要求是輸出電壓從0V開始連續(xù)可調(diào)。由于時(shí)間、個(gè)人能力有限，固根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出如下簡單，方便，易懂的設(shè)計(jì)方案。首先將220V交流電壓，通過變壓器，降低電壓值。然后交流電壓經(jīng)過整流濾波后,得到平滑的直流電壓,作為穩(wěn)壓電路的輸入電源從UI輸入。由于平穩(wěn)后的直流電壓達(dá)不到所需12V直流電壓，通過運(yùn)用了比較放大電路,將電壓放大，通過計(jì)算，將其放大至所需值。它的核心是調(diào)整管,輸出電壓的穩(wěn)定是管的壓降相應(yīng)改變,使輸出電壓保持穩(wěn)定<四>方案選擇與論證（1） 整流電路：交流電壓轉(zhuǎn)變成單向脈動(dòng)直流電a、單相半波整流電路（a）電路圖

8、 U2 U0 Ud （b）濾波圖工作原理：在變壓器次級(jí)電壓u2為正的半個(gè)周期內(nèi)（如圖（a）中所示上正下負(fù)），二極管導(dǎo)通，在RL上得到一個(gè)極性為上正下負(fù)的電壓；而在u2為負(fù)的半個(gè)周期內(nèi)，二極管反向偏置，電流基本上等于0。所以在負(fù)載上的電壓的極性是單方向的（如圖（b）所示）。正半周內(nèi)Uo=U2，Ud=0；負(fù)半周內(nèi)Uo=0。Ud=U2。由此可見，由于二極管的單向?qū)щ娮饔?，把變壓器次?jí)的交流電壓變換為單向脈動(dòng)電壓，達(dá)到了整流的目的。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件少，但也有明顯的缺點(diǎn)：輸出電壓脈沖大，直流成分比較低；變壓器有半個(gè)周期不導(dǎo)電，利用率低；變壓器含有直流部分，容易飽和。只能用于輸出功率較小，負(fù)載

9、要求不高的場合。所以不選用它。b、單相橋式整流（a）電路圖U2 Io Uo O 0 0 (b)波形圖工作原理：單相橋式整流電路如圖（a）。由圖可見，U2正半周時(shí)D1、D4導(dǎo)通，D3、D2截止，在負(fù)載電阻RL上形成上正下負(fù)的脈動(dòng)電壓；而在U2負(fù)半周時(shí)，D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止，在RL上仍形成上正下負(fù)的脈動(dòng)電壓。如果忽略二極管內(nèi)阻，有UoU2。橋式整流電路波形如圖（b）所示。正負(fù)半周均有電流流過負(fù)載，而且電路方向是一致的，因而輸出電壓的直流成分提高，脈動(dòng)成分降低。單相橋式整流電路主要參數(shù)：輸出直流電壓,脈動(dòng)系數(shù)S，二極管正向平均電流I,二極管最大反向峰值電壓U。橋式整流電路解決了單相整流電路

10、存在的缺點(diǎn)，用一次級(jí)線圈的變壓器，達(dá)到了全波整流的目的。然而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，對二極管的參數(shù)要求式一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因此在次設(shè)計(jì)中我選用單相橋式整流電路。 在調(diào)整管部分，既可以采用單管調(diào)整也可以采用復(fù)合管調(diào)整，但在此設(shè)計(jì)中要求額定電流lm200mA，因此在此設(shè)計(jì)中我選用單管做調(diào)整管。（2）濾波電路：經(jīng)整流后的電壓仍具有較大的交流分量，必須通過濾波電路將交流分量濾掉。盡量保留其輸出中的直流分量，才能獲得比較平滑的直流分量。可以利用電容兩端電壓不能突變或流經(jīng)電感的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容與負(fù)載并聯(lián)，或?qū)㈦姼信c負(fù)

11、載串聯(lián)就能起來濾波作用。（3）穩(wěn)壓電路： 由于濾波后的直流電壓Ui受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載電流變化的影響（T的影響）很難保證輸出電流電壓的穩(wěn)定。所以必須在濾波電路和負(fù)載一直加上穩(wěn)壓電路，才能保證輸出直流電壓的進(jìn)一步穩(wěn)定。<五>單元電路設(shè)計(jì)原理，主要器件選擇及參數(shù)計(jì)算： 5.1電源變壓器電源變壓器將來自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。如果不考慮變壓器的損耗，可以認(rèn)為一個(gè)理想的變壓器次級(jí)負(fù)載消耗的功率也就是初級(jí)從電源取得的電功率。變壓器能根據(jù)需要通過改變次級(jí)線圈的圈數(shù)而改變次級(jí)電壓，由于變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠(yuǎn)小于輸入功率2。實(shí)際電路中選

12、擇一個(gè)中間帶抽頭的多路輸出穩(wěn)壓器，其輸出電壓分別是（交流）12V、18V、20V。分別對應(yīng)LM78XX、79XX系列和LM317穩(wěn)壓器。5.2 整流濾波電路單相橋式整流電路如圖所示，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為簡單起見，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o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(jīng)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?qū)?，D2、D4反偏截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓。其電流通路可用圖中實(shí)線箭頭表示。在v2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電

13、流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向?qū)āｋ娏髁鬟^RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。其電流通路如圖中虛線箭頭所示。綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。單相橋式整流電路常畫成圖33所示的簡化形式。圖33 單相橋式整流電路簡化圖結(jié)合上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖3-4。圖34 橋式整流電路的工作波

14、形由圖可見，通過負(fù)載橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向RL的電流iL以及電壓vL的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形。電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。5.3穩(wěn)壓電路由于穩(wěn)壓電路發(fā)生波動(dòng)、負(fù)載和溫度發(fā)生變化，濾波電路輸出的直流電壓會(huì)隨著變化。因此，為了維持輸出電壓穩(wěn)定不變，還需加一級(jí)穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）等發(fā)生變化時(shí)，使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件組成。采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。集成穩(wěn)壓

15、器的種類很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按照輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可以分為正電壓輸出和負(fù)電壓輸出兩種類型。按照設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要用到可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。其常見產(chǎn)品有CW317、CW337、LM317、LM337。其中317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，337系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的負(fù)電壓，可調(diào)范圍為1.237V，最大輸出電流為1.5A。5.4集成穩(wěn)壓器的選擇選擇集成穩(wěn)壓器：集成穩(wěn)壓器選用CW317，其輸出電壓范圍為：U0=1.237V，最大輸出電流I0max為1.5A。所確定的穩(wěn)壓電源電路如圖4-1所示。 集成穩(wěn)壓器的輸出電壓應(yīng)與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓的大小及

16、范圍相同。穩(wěn)壓器的最大允許電流，穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍為：式中，最大輸出電壓； 最小輸出電壓；穩(wěn)壓器的最小輸入電壓差；穩(wěn)壓器的最大輸入電壓差；在電路中，取，二極管用IN4001在電路中，R1和Rw組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，輸出電壓 U0=1.25(1+Rw/R1)，R1取，流過R1的電流為510A。取R1 = 200，則由U0=1.25(1+Rw/R1)，可求得：Rwmin=1400歐，Rwmax=2040歐，故取為2500歐的精密線繞電位器。選擇電源變壓器：即 14V+3VUi10V+40V 取 17VUi50VU2Uimin/1.1=17/1.1=15.45V取變壓器副邊電流：I2Iomax=2

17、00mA取I2=200mA則變壓器的副邊輸出功率為P2I2U2=3.09W為留有余地，故選用功率為10W的變壓器所以變壓器選用20V/10W的即可。5.5整流二極管及濾波電容的選擇：由于 ，I0max=200mAIN4001的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用IN4001。式中， 則則濾波電容C為由之前模電實(shí)驗(yàn)可知，在實(shí)際制作過程中采用比理論值小的電容同樣能達(dá)到很好的濾波效果，因此采用4700F的電容。5.6總體電路圖： 總體電路圖 <六>結(jié)論與心得體會(huì)：一星期的課設(shè)終于到了尾聲，通過本次設(shè)計(jì),讓我更進(jìn)一步的了解到直流穩(wěn)壓電源的工作原理以及它的要求和性能指標(biāo).也讓我們認(rèn)識(shí)

18、到在此次設(shè)計(jì)電路中所存在的問題;而通過不斷的努力去解決這些問題.在解決設(shè)計(jì)問題的同時(shí)自己也在其中有所收獲。電路的設(shè)計(jì)要根據(jù)負(fù)載的需要，選取合適的元件，讓其能滿足負(fù)載的需求，而且，不會(huì)對電路和負(fù)載造成損害。所以，原件的參數(shù)值需要仔細(xì)計(jì)算，選取最接近的元件值，讓電路滿足其額定值，尤其是電容的耐壓值更需要注意。這一星期的學(xué)習(xí)讓我受益匪淺，讓我更進(jìn)一步的了解自己的不足之處，更進(jìn)一步的鞏固的所學(xué)過的知識(shí)，更懂得了做任何事情都要自己主動(dòng)努力去做，學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)只有在實(shí)踐中，才會(huì)真正發(fā)揮作用，也只有通過實(shí)踐才能把知識(shí)運(yùn)用的現(xiàn)實(shí)中。3人的合作更讓我意識(shí)到了團(tuán)隊(duì)的重要性。<七>參考文獻(xiàn)：1.電路與模擬電子學(xué)（第二版） 王成華 潘雙來 江愛華編著 科學(xué)出版社（2007）2.MuItisim7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用 熊偉 侯傳教 梁青 孟濤編著 清華大學(xué)出版社（2005）3.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)（第二版）高吉祥 主編 電子工