直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)方案

/電路設(shè)計(jì)方案培訓(xùn)基地：項(xiàng)目名稱：項(xiàng)目成員所在學(xué)校E

mailXX省信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系20XX制目錄緒論3一、需求分析及方案論證41.1需求分析41.2設(shè)計(jì)方案的選擇與論證4三、電路原理分析6四、直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計(jì)8五、單元電路的設(shè)計(jì)105.1電源變壓器105.2整流電路105.3濾波電路115.4穩(wěn)壓電路115.5過(guò)流保護(hù)電路125.6過(guò)壓保護(hù)電路12六、電路仿真與檢測(cè)136.1Multisim仿真電路繪制136.2Multisim仿真儀器儀表的應(yīng)用136.3穩(wěn)壓電源各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試與分析14七、設(shè)計(jì)總結(jié)17參考文獻(xiàn)：17串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)方案緒論直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用廣泛,幾乎所有電器、電力或電子設(shè)備都毫不例外地需要穩(wěn)定的直流電壓〔電流供電,它是電子電路工作的"能源"和"動(dòng)力"。不同的電路對(duì)電源的要求是不同的。在很多電子設(shè)備和電路中需要一種當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí),輸出電壓仍能基本保持不變的電源。電子設(shè)備中的電源一般由交流電網(wǎng)提供,如何將交流電壓〔電流變?yōu)橹绷麟妷骸搽娏鞴╇姡坑秩绾问怪绷麟妷骸搽娏鞣€(wěn)定？這是電子技術(shù)的一個(gè)基本問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題的方案很多,歸納起來(lái)大致可分為線性電子穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩類,它們又各自可以用集成電路或分立元件構(gòu)成。半導(dǎo)體二極管和晶體管是電子電路中常用的半導(dǎo)體器件,也是構(gòu)成集成電路的基本單元。本次訓(xùn)練主要利用這兩種元器件設(shè)計(jì)制作一個(gè)分立式元器件串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源由交流電網(wǎng)經(jīng)變壓、整流、濾波、和穩(wěn)壓四個(gè)主要部分構(gòu)成。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是圍繞著如何使分立式元器件串聯(lián)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源輸出直流電壓穩(wěn)定、脈動(dòng)成分減小而展開的。學(xué)生通過(guò)實(shí)訓(xùn)了解相關(guān)分立式元器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和參數(shù)以及由它們構(gòu)成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的工作原理、原理圖的設(shè)計(jì)和參數(shù)的計(jì)算、元器件的選用、計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)硬件的仿真、PCB板的設(shè)計(jì)、電路的安裝和調(diào)試,最后完成達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。一、需求分析及方案論證1.1需求分析〔1串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)要求①輸入電源：?jiǎn)蜗唷睞C,220V±10%,50HZ±5%；②輸出電壓：DC：+3～+12V,連續(xù)可調(diào)；③輸出電流：DC：0～800mA；④負(fù)載效應(yīng)：≤5%；⑤輸出紋波噪聲電壓：≤10mV〔有效值；⑥保護(hù)性能：超出最大輸出電流20%時(shí)立即截流保護(hù)；⑦適應(yīng)環(huán)境：溫度：0~40℃,濕度：20%~90%RH；⑧PCB尺寸：不大于120mm*90mm?！?串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)需求分析電子設(shè)備都需要良好穩(wěn)定的電源,而外部提供的能源大多數(shù)為交流電源,電源設(shè)備擔(dān)負(fù)著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流電源的任務(wù),轉(zhuǎn)換后的直流電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性,當(dāng)電網(wǎng)或負(fù)載變化時(shí),它能保持穩(wěn)定的輸出電壓,并具有較低的紋波。我們通常稱這種直流電源為穩(wěn)壓電源。1.2設(shè)計(jì)方案的選擇與論證小功率穩(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(gè)部分組成,如圖1所示。負(fù)載負(fù)載穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路變壓器〔aU1U2UiUI1UI2〔b圖1〔a、〔b穩(wěn)壓電源的組成框圖及整流與穩(wěn)壓過(guò)程方案一：簡(jiǎn)單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電源并聯(lián)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整元件與負(fù)載并聯(lián),因而具有極低的輸出電阻,動(dòng)態(tài)特性好,電路簡(jiǎn)單,并具有自動(dòng)保護(hù)功能；負(fù)載短路時(shí)調(diào)整管截止,可靠性高,但效率低,尤其是在小電流時(shí)調(diào)整管需承受很大的電流,損耗過(guò)大,因此在本實(shí)驗(yàn)中不適合此方案。方案二：由固定式三端穩(wěn)壓器〔LM317,7812,7809,7805組成由固定式三端穩(wěn)壓器〔LM317,7812,7809,7805輸出腳V0、輸入腳Vi和接地腳GND組成,LM317是可調(diào)電壓穩(wěn)壓芯片,7805,7809,7812,7905則屬于CW78**,CW79**系列的穩(wěn)壓器,輸入端接電容可以進(jìn)一步濾波,輸出端接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響,此電路比較穩(wěn)定。但是,在訓(xùn)練過(guò)程中,此電路過(guò)于簡(jiǎn)單。方案三：簡(jiǎn)單的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源串聯(lián)穩(wěn)壓電源,即利用串聯(lián)于電路中的調(diào)整管Q1進(jìn)行動(dòng)態(tài)分壓而使負(fù)載得到穩(wěn)定電壓的電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理,是在輸入電壓存在波動(dòng)時(shí),輸出電壓保持恒定的裝置,利用穩(wěn)壓二極管兩端電壓不變的原理,使輸出電壓保持不變,并用多級(jí)三極管組成達(dá)令頓復(fù)合電路,組成放大器提高穩(wěn)壓精度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求,本實(shí)驗(yàn)采用方案三。三、電路原理分析直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流、濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成,基本框圖如圖所示。各部分的作用：圖2基本框圖電源變壓器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U2。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=η,式中η是變壓器的效率。整流濾波電路：整流電路將交流電壓U1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,如圖3所示。圖3橋式整流整流橋?qū)⒔涣麟妷篣2變成脈動(dòng)的直流電壓,再經(jīng)濾波電容C濾波紋波,輸出直流電壓U0。U0與交流電壓輸出U2的有效值u2的關(guān)系為U0=〔1.1-1.2u2每只整流二極管承受的最大的方向電壓Vrm=u2通過(guò)每只二極管的平均電流I=0.5Ir=0.45u2/R式中,R為整流電路的負(fù)載電阻.它為電容C提供放電回路,RC放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足RLC≥<3-5>T/2式中,T為50HZ交流電壓的周期,即20ms.〔3電壓輸出穩(wěn)壓器由于輸入電壓U1發(fā)生波動(dòng)、負(fù)載和溫度發(fā)生變化時(shí),濾波電路輸出的直流電壓UI會(huì)隨著變化。因此,為了維持輸出電壓UI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)境溫度發(fā)生變化時(shí),能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所組成。采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。四、直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì),是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓ΔUop-p等性能指標(biāo)要求,正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流橋和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù),從而合理的選擇這些器件。直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計(jì)可以分為以下三個(gè)步驟：根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、最大輸出電流Iomax,確定穩(wěn)壓器的型號(hào)及電路形式。根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓,確定電源變壓器副邊電壓U2的有效值u2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流I0max,確定流過(guò)電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓器副邊的功率P2；根據(jù)P2,從表1查出變壓器的效率η,從而確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據(jù)所確定的參數(shù),選擇電源變壓器。確定整流橋的正向平均電流ID、整流橋的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)確定的參數(shù)選擇整流橋和濾波電容。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：選擇分立元件復(fù)合管,確定電路形式在此方案中主要選擇兩種類型三極管：對(duì)于VT1管：集電極一發(fā)射極反射擊穿電壓UBR<CEO>1應(yīng)為：UBR<CEO>1＞UC1max=23.76VVT1集電極最大電流：ICM1＞<1+20%>*800mA=960mAVT1集電極耗散功率：PCM1＞〔23.76-3V*800mA=16.6W對(duì)于VT2管：UBR<CEO>2應(yīng)當(dāng)也有：UBR<CEO>1＞UC1max=23.76VVT2集電極最大電流：VT2集電極耗散功率：PCM1＞〔23.76-3V*13.3mA=0.28W所確定的穩(wěn)壓電源電路如圖4所示。圖4⑵選擇電源變壓器電源變壓器有很多種：有降壓的、有升壓的,在這次的設(shè)計(jì)中我們用的是降壓變壓器,它的作用是將來(lái)自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變?yōu)檎麟娐匪枰慕涣麟妷簎2。,其中：是變壓器副邊的功率,是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1所示：表1小型變壓器的效率副邊功率效率0.60.70.80.85因此,當(dāng)算出了副邊功率后,就可以根據(jù)上表算出原邊功率。輸入電壓Vi的范圍為Vomax+<Vi-Vo>min≤Vi≤Vomin+<Vi-Vo>max,Vomax為最大輸出電壓,Vomin為最小輸出電壓,<Vi-Vo>min為穩(wěn)壓器最小輸入、輸出差,<Vi-Vo>max為穩(wěn)壓管最大輸入、輸出差,故Vi≥12+3=15V,考慮電網(wǎng)電壓10%的波動(dòng),最終取Vi=16.7V,由V2=Vi/1.1=15.18V,但在實(shí)際過(guò)程中,由于沒(méi)有這種生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),所以選購(gòu)了輸出為24V的?！?用整流橋和濾波電容整流橋：實(shí)測(cè)V2=33V整流輸出電壓平值Vi=<1.1-1.2>V2=36.3V二極管平均電流=0.327A二極管最大反向壓=23.3V故整流橋選用1N4001<1A,50V>保護(hù)二極管選IN4148<1A,50V>濾波電容：RLC≥<3-5>T/2,則C1=5T/2RL,式中T為交流電源周期,T=20ms,RL為C1右邊的等效電阻,應(yīng)取最小值,由于Imax=500mA,因此RL=U1/Imax=33,所以C1=C2=1515μf,可見C1的容量較大,應(yīng)選電解電容,受規(guī)格限制,電容的耐壓要≥25V,故濾波電容C取容量為2200uF,耐壓為25V的電解電容。五、單元電路的設(shè)計(jì)5.1電源變壓器電源變壓器的作用是將交流電網(wǎng)220V的交流電壓變換為所需的交流電壓。變壓器的副邊與原邊的功率比定義為變壓器的效率。5.2整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變?yōu)橹绷麟?完成這一任務(wù)主要靠二極管的單向?qū)щ娮饔?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,常見的幾種整流電路有單相半波,全波,橋式和被壓整流電路。本設(shè)計(jì)中采用的是單相橋式整流電路。在橋式整流電路中,二極管D1,D3和D2,D4是兩兩輪流導(dǎo)通的,所以流經(jīng)每個(gè)二極管的平均電流為:〔3-2-1每只整流二極管承受的最大反向電壓為：〔3-2-2一般電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為±10%。實(shí)際上選用的二極管的最大整流電流和最高反向電壓應(yīng)留有大于10%的余量。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高,紋波電壓小,管子所承受的最大反向電壓較低,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濾波電路濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波,一般由電抗元件組成。濾波電路的形式很多,為了掌握它的分析規(guī)律,把它分為電容輸入式和電感輸入式。前一種濾波電路多用于小功率電源中,而后一種濾波電路多用于較大功率電源中。所以本設(shè)計(jì)中采用電容輸入式濾波電路。在表達(dá)式〔3-2-2中電阻R為整流濾波電路的負(fù)載電阻,它為電容C提供放電回路,RC放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足RC>〔3～5Tˊ/2〔3-3-1式中Tˊ為50HZ交流電壓的周期,及20ms。5.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng),負(fù)載和溫度變化時(shí),維持輸出直流電壓穩(wěn)定。電路采用誤差放大電路方案,電路原理圖如圖5所示。其中R3、R4及可調(diào)為取樣電路,Q3為誤差放大管,R2與D5構(gòu)成基準(zhǔn)電路。當(dāng)輸出電壓升高時(shí),B點(diǎn)電壓上升,C點(diǎn)電壓升高,而D點(diǎn)電壓下降,使Q1、Q2電流減少,分壓增加,從而使輸出降低。圖55.5過(guò)流保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)電路是當(dāng)輸出電流超過(guò)一定數(shù)值時(shí),則保護(hù)電路開始工作,使調(diào)整管處于不完全截止?fàn)顟B(tài),輸出電流和輸出電壓都相應(yīng)下降,達(dá)到保護(hù)電源的目的。這種保護(hù)電路比較簡(jiǎn)單,而且當(dāng)輸出過(guò)載或短路被排除后,穩(wěn)壓電路便自動(dòng)地恢復(fù)工作。5.6過(guò)壓保護(hù)電路串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源中的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓保護(hù)和輸出過(guò)電壓保護(hù)。如果電網(wǎng)的電壓突然過(guò)高,將導(dǎo)致此穩(wěn)壓電源不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此該串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源中有必要使用輸入過(guò)電壓保護(hù)電路。圖7晶體管和穩(wěn)壓二極管所組成的保護(hù)電路,在該電路中,當(dāng)輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時(shí),穩(wěn)壓管擊穿,有電流流過(guò)電阻R4,使晶體管Q5導(dǎo)通,三極管Q2、Q1截止,切斷輸入。從而起到保護(hù)電路的作用。圖7過(guò)壓保護(hù)電路圖六、電路仿真與檢測(cè)6.1Multisim仿真電路繪制6.2Multisim仿真儀器儀表的應(yīng)用6.3穩(wěn)壓電源各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試與分析在本次設(shè)計(jì)中,測(cè)試了穩(wěn)壓電源的主要性能指標(biāo),穩(wěn)壓系數(shù),內(nèi)阻,紋波電壓等。其方法如下：測(cè)量穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)載電流為最大時(shí),分別測(cè)得輸入交流比220V增大和減小10%的輸出△Vo,并將其中最大一個(gè)代入公式計(jì)算Sr,當(dāng)負(fù)載不變時(shí),Sr=△VoVi/△ViVo。測(cè)量?jī)?nèi)阻：在輸入交流為220v,分別測(cè)得負(fù)載電流為0及最大值時(shí)的△Vo,則ro=△Vo/△Il測(cè)量紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流分量,一般為mv級(jí)。可將其放大后,用示波器觀察其峰-峰值△Vop-p,也可用交流毫伏表測(cè)量其有效值△Vo,由于紋波電壓不是正弦波,所以用有效值衡量存在一定誤差。6.3.1電路的調(diào)試與檢測(cè)1>靜態(tài)調(diào)試當(dāng)連好電路板的線路時(shí),先不要急著通電,而因該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行檢測(cè)：A、對(duì)照原理圖,用萬(wàn)用表一檢查線路的各個(gè)接口是否接通,是否有短路、斷路或漏接的現(xiàn)象,如果有,因該及時(shí)改好電路連線。B、對(duì)照原理圖,檢查各元件是否接正確。2>動(dòng)態(tài)調(diào)試接通220V的電源,用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)所設(shè)計(jì)的電路實(shí)物進(jìn)行測(cè)試,得到正電源可調(diào)檔的調(diào)節(jié)范圍是：1.26-17.51v,12v端口輸出電壓是12.13V,9v輸出端口電壓是8.97v,5v輸出端口電壓是5.06v,負(fù)電源-5v端口輸出電壓是-4.67V。3>技術(shù)指標(biāo)測(cè)量及誤差分析6.3.2技術(shù)指標(biāo)測(cè)量⑴、測(cè)量穩(wěn)壓系數(shù),先調(diào)節(jié)自藕變壓器使輸入的電壓增加10%,即Vi=242V,測(cè)量此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓Vo1；再調(diào)節(jié)自藕變壓器使輸入減少10%,即Vi=198,測(cè)量此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓Vo2,然后測(cè)量出Vi=220V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓Vo,則穩(wěn)壓系數(shù)Sv=<△Vo/Vi>/<△Vi/Vi>=.下表為在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得的數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算得出的穩(wěn)壓系數(shù)結(jié)果：輸出電壓Vo<220v>Vo1<242v>Vo2<198v>穩(wěn)壓系數(shù)12v12.297v12.767v11.185v0.389v9.008v9.112v8.882v0.1156v6.385v6.463v6.178v0.122〔2．紋波電壓的測(cè)試用示波器觀察Uo的峰峰值,〔此時(shí)Y通道輸入信號(hào)采用交流耦合AC,測(cè)量ΔUop-p的值〔約4mV。下表為在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的紋波電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：輸出電壓〔v紋波電壓〔mv9.79.076.62.4131.796〔3輸入輸出電壓波形〔4過(guò)流保護(hù)測(cè)試采用了1A的直流保險(xiǎn),如果電流超過(guò)了1A就會(huì)熔斷,起到電流的過(guò)載保護(hù)作用。〔5過(guò)壓保護(hù)測(cè)試輸入電壓〔V電位器的調(diào)節(jié)〔%220212421724316七、設(shè)計(jì)總結(jié)本課程設(shè)計(jì)運(yùn)用了模擬電路的基本知識(shí),通過(guò)變壓,整流,濾波、穩(wěn)壓等步驟,輸出理論可變范圍為3—12V,而實(shí)際可調(diào)范圍為的正負(fù)直流穩(wěn)壓電源。這次課程設(shè)計(jì)我們小組做了一個(gè)串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源,不僅在后面的課程實(shí)訓(xùn)中會(huì)用到,而且在平時(shí)也是一個(gè)很好的電源工具。這次我們