課程設計-可調直流穩(wěn)壓電源

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、設計目的作用 1\o"CurrentDocument"二、設計要求 1\o"CurrentDocument"2.1直流穩(wěn)壓電源的種類及選用 1\o"CurrentDocument"2。2穩(wěn)壓電源的技術指標及對穩(wěn)壓電源的要求 2\o"CurrentDocument"2。 3串聯型直流穩(wěn)壓電源的設計要求 2三、設計的具體實現 23。 1系統(tǒng)概述 2TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"3。2單元電路設計與分析 43。2.1降壓電路 53.2。2整流電路 5\o"CurrentDocument"3.2.3濾波電路 7\o"CurrentDocument"3.2.4穩(wěn)壓電路 9\o"CurrentDocument"3。3元件電路參數計算 10\o"CurrentDocument"3。4改進方案 113.5電路主要測試數據 12\o"CurrentDocument"四、 總結 12\o"CurrentDocument"五、 附錄 12\o"CurrentDocument"六、 參考文獻 14一、 設計目的作用當今社會人們極大的享受著電子設備帶來的便利，但是任何電子設備都有一個共同的電路一一電源電路.大到超級計算機、小到袖珍計算器，所有的電子設備都必須在電源電路的支持下才能正常工作，當然這些電源電路的樣式、復雜程度千差萬別.超級計算機的電源電路本身就是一套復雜的電源系統(tǒng)，通過這套電源系統(tǒng)，超級計算機各部分都能夠得到持續(xù)穩(wěn)定、符合各種復雜規(guī)范的電源供應.袖珍計算器則是簡單多的電池電源電路，不過你可不要小看了這個電池電源電路，比較新型的電路完全具備電池能量提醒、掉電保護等高級功能?？梢哉f電源電路是一切電子設備的基礎,沒有電源電路就不會有如此種類繁多的電子設備，我們的生活也就不會這么豐富多彩了?二、 由于電子技術的特性，電子設備對電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)壓電源在電源技術中占有十分重要的地位.三、 設計要求2。1直流穩(wěn)壓電源的種類及選用直流穩(wěn)定電源按習慣可分為化學電源、線性穩(wěn)定電源和開關型穩(wěn)定電源，它們又分別具有各種不同類型：化學電源：平常所用的干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池均屬于這一類，各有其優(yōu)缺點.隨著科學技術的發(fā)展，又產生了智能化電池；在充電電池材料方面，美國研制員發(fā)現錳的一種碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放電時間，多次充電后仍保持性能良好的環(huán)保型充電電池.(2)線性穩(wěn)壓電源:線性穩(wěn)定電源有一個共同的特點就是它的功率器件調整管工作在線性區(qū),靠調整管之間的電壓降來穩(wěn)定輸出。由于調整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個很大的散熱器給它散熱，而且由于變壓器工作在工頻(50Hz)上,所以重量較大.該類電源優(yōu)點是穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路，輸出連續(xù)可調的成品;缺點是體積大、較笨重、效率相對較低。(3)開關型直流穩(wěn)壓電源：電路型式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它變壓器不工作在工頻而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲，功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開關狀態(tài)，開關電源因此而得名.開關電源的優(yōu)點是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠；缺點相對于線性電源來說紋波較大(一般W1%V ，好的可做到十幾mVo(P-P) P-P3/17或更?。?它的功率可自幾瓦一幾千瓦均有產品.2.2穩(wěn)壓電源的技術指標及對穩(wěn)壓電源的要求（1） 穩(wěn)定性好當輸入電壓Usr（整流、濾波的輸出電壓）在規(guī)定范圍內變動時，輸出電壓Usc的變化應該很小一般要求.由輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標，常用穩(wěn)壓系數S來表示：S的大小，反映一個穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，，越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高.通常S約為10-2~10-4。（2） 輸出電阻小負載變化時（從空載到滿載）,輸出電壓Usc，應基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征.輸出電阻（又叫等效內阻）用rn表示，它等于輸出電壓變化量和負載電流變化量之比。rn反映負載變動時，輸出電壓維持恒定的能力,rn越小，則Ifz變化時輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到1Q，甚至0。01Q。（3） 輸出電壓紋波小所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50Hz或100Hz交流分量，通常用有效值或峰峰值表示.經過穩(wěn)壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，而降低的倍數反比于穩(wěn)壓系數S。2.3串聯型直流穩(wěn)壓電源的設計要求⑴輸出電壓從1.25V開始連續(xù)可調；⑵所選器件和電路必須達到在較寬范圍內輸出電壓可調；（3） 輸出電壓應能夠適應所帶負載的啟動性能；（4） 電路還必須簡單可靠，有過流保護電路，能夠輸出足夠大的電流。三、設計的具體實現3.1系統(tǒng)概述符合上述要求的電源電路的設計方法有很多種，比較簡單的有3種：（1）晶體管串聯式直流穩(wěn)壓電路

電路框圖如圖1所示，該電路中輸出電壓Uo經取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對調整管的工作狀態(tài)進行調整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓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1.25V起實現連續(xù)可調，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1.25V開始調節(jié)。J可調式集成穩(wěn)壓器7…軟啟動電路.J可調式集成穩(wěn)壓器7…軟啟動電路.圖2電路結構框圖(3)用單片機制作的可調直流穩(wěn)壓電該電路采用可控硅作為第一級調壓元件，用穩(wěn)壓電源芯片LM317、LM337作為第二級調壓元件，通過AT89CS51單片機控制繼電器改變電阻網絡的阻值，從而改變調壓元件的外圍參數，并加上軟啟動電路，獲得1.25?24V，0.1V步長，驅動能力可達1A，同時可以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。其硬件電路主要包括變壓器、整流濾波電路、壓差控制電路、穩(wěn)壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數據存儲電路、單片機、鍵盤顯示等幾部分,硬件部分原理圖如圖3所示。錯誤!未指定書簽。方案論證與比較方案一：結構簡單，可用常用分立元器件，容易實現，技術成熟完全能夠達到技術參數的要求，造價成本低,精確度不是太高。方案二：穩(wěn)壓部分需采用一塊三端穩(wěn)壓器其他分立元器件，元器件先進，技術成熟，完全能達到題目要求，性能較方案一需優(yōu)越一些，但成本較高。方案三:電源穩(wěn)定性好、精度高，并且能夠輸出±24V范圍內的可調直流電壓，且其性能于傳統(tǒng)的可調直流穩(wěn)壓電源，但是電路比較復雜，成本很高使用于要求較高的場合.在實際中，如果對電路的要求不太高，多采用第二種設計方案。綜合考慮,采用方案二來實現。3。2單元電路設計與分析本電路采用三端集成穩(wěn)壓器電路方案，電路分為降壓電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四大部分組成。電路原理圖如圖4所示,其中IC為三端集成穩(wěn)壓器LM317，電阻R1和電容C3組成軟啟動電路。圖4輸出電壓可調的直流穩(wěn)壓電源電路原理圖3.2。1降壓電路本電路使用的降壓電路是單相交流變壓器，選用電壓和功率依照后級電路的設計需求而定.變壓器電路原理圖及其波形變換如圖5所示，變壓器的功能是交流電壓變換部分，作用將電網電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?，即將直流電源和?變壓器工作原理電路示意框圖本電路使用的降壓電路是單相交流變壓器，選用電壓和功率依照后級電路的設計需求而定.變壓器電路原理圖及其波形變換如圖5所示，變壓器的功能是交流電壓變換部分，作用將電網電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?，即將直流電源和?變壓器工作原理電路示意框圖仿真一：電源變壓器的基本特性仿真一：電源變壓器的基本特性(1)要求：電源變壓器(10:1，220V50Hz)，負載電阻:100。仿真電路：ower_ioMW::-圖7電源變壓器仿真電路圖ower_ioMW::-圖7電源變壓器仿真電路圖3。2.2整流電路整流電路的主要作用是把經過變壓器降壓后的交流電通過整流變成單個方向的直流電，但是這種直流電的幅值變化很大。它主要是通過二極管的截止和導通來實現的，其電路原理圖及其波形變換如圖8所示。常見的整流電路主要有全波整流電路、橋式整流電路、倍壓整流電路，而本設計選取單相橋式整流電路實現設計中的整流功能。圖8整流電路原理圖及其波形變換圖（1） 電路圖：如圖9所示，二極管D1、D2、D3、D4四只二極管接成電橋的形式，名稱由此而來。（2） 工作原理:在V2的正半周,D1、D3導通，D2、D4截止，通過D1、D3給R提L供電流，方向由上向下（圖中虛線）；圖9橋式整流電路電路圖在V2的負半周，D2、D4導通，D1、D3截止，通過D2、D4給R乙提供電流，方向仍然是由上向下（圖中虛線）由此得到圖示的整流波形。（3）波形圖：圖10橋式整流電路波形圖

仿真二:橋式整流電路(1)要求：整流橋(理想)1只。(2)仿真電路:311VrmsTSFOWER10Ti3N247g100TSFOWER10Ti3N247g100o②流過負載平均電流：ID②流過負載平均電流：ID0o=V/Rl=0.9V2/Rl；③流過整流二極管的平均電流:If=y=0.45V2/Rl；圖11橋式整流電路仿真電路圖⑷參數計算：①輸出的直流電壓值為：V--1n^2Vsin(①t)d(①t)-2—V牝0.9V；O兀0 2 兀2 2④整流二極管的最大反向電壓：Vdr=sqr⑵匕。3.2。3濾波電路盡管整流后的電壓為直流電壓，但波動較大，仍然不能直接作為電源使用，還需進一步濾波，將其中的交流成份濾掉。在小功率整流濾波電路中，電容濾波是最常用的一種。電容在電路中有儲能的作用，并聯的電容器在電源供給的電壓升高時，能把部分能量存儲起來，而當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，效果較好。而且本電路后級是穩(wěn)壓電路，因此可以使用電容濾波電路進行簡單濾波。(1)電路組成：電容濾波電路如圖12所示。

圖12電容濾波電路圖（2）工作原理：負載未接入（開關，斷開）時：設電容兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當V2為正半周時，V2通過D1、D3向電容C充電；V2為負半周時，經D2、D4向電容C充電。充電時間常數為：tc=RintC。其中Rint包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管的正向電阻。由于Rint一般很小，電容器很快就充電到交流電壓V2的最大值V2疽由于電容無放電回路，故輸出電壓（電莓兩端的電壓）保持在V不變。2m1、接入負載Rl（開關S合上）時：設變壓器副邊電壓V2從0開始上升時接入R乙，由于電容已到V2,故剛接入負載時，V2VV疽二極管在反向電壓作用下而截止，電容C經RL放電，放電時間常數為：td=RLC。因td一般較大，故電容兩端電壓Vc（即匕）按指數規(guī)律慢下降（圖中a,b段）?II、當V2升至V2〉V°時,二極管D1、D3在正向電壓作用下而導通，此時V2經D1、D3—方面向Rl提供電流，一方面向C充電（接入日l后充電時間常數變?yōu)閠=RL/RintC2RintC）。V將如圖中b、c段所示.m、當v2又降至v2vvc時，二極管又截止，電容c又向rl

放電，如圖中5d段所示。電容如此周而復始充放電，就得到了一個如圖所示的鋸齒波電壓V/V°，由此可見輸出電壓的波動大大減小?？?、為了得到平滑的負載電壓，一般取t廣RLCN（3~5）T/2（T為交流電周期20ms）此時：V=（1.1?1。2）V2。濾波電路波形圖濾波電路波形圖仿真三:電容濾波（1）要求：電容2200UF1只（2）仿真電路：XIH'11i—Jxi-n-12波仿真電路圖圖14電容濾

i—Jxi-n-12波仿真電路圖圖14電容濾3.2。4穩(wěn)壓電路因為要求輸出電壓可調，所以選擇三端可調式集成穩(wěn)壓器。LM317系列三端集

成穩(wěn)壓器,其輸出電壓調節(jié)范圍可達1°25~37V,輸出電流可達1.5A,內部帶有

過載保護電路，具有穩(wěn)壓精度高、工作可靠等特點。其輸出電壓的調節(jié)原理如

圖15所示。圖5輸出電壓調節(jié)席衛(wèi)圖圖5輸出電壓調節(jié)席衛(wèi)圖由瑚電壓的、節(jié)原理間的電壓U為一穩(wěn)定的32基準電壓（1.25V），故有：U°w（1+R）x1.25V式中，1.25V是集成穩(wěn)壓器輸出端與調整端之間的固定參考電壓U赫R1取值120?240Q（此值保證穩(wěn)壓器在空載時也能正常工作），調節(jié)Rp可改變輸出電壓的大?。≧p取值視Rl和輸出電壓的大小而確定）。3.3元件電路參數計算（一） 根據設計所要求的性能指標，選擇集成三端穩(wěn)壓器選可調式三端穩(wěn)壓器LM317，其特性參數Vo=1.25V—37V，Iomax=1.5A，最小輸入、輸出壓差（V-Vo）屈=3立最大輸入、輸出壓差（V-Vo）ma「40V。由計算得Voe1.25（1+Rp/R1），取R1=200。，貝眼p=3.64KQ，故取Rp為5K。的精密線繞可調電位器。（二） 選電源變壓器輸入電壓V.的范圍為：Vomax+(V.-V)minWV.WVomin+(V.—V)maxn24V+3VWV.W1.25V+40Vn27VWV.W41。25V副邊電壓V2NV浦/1。1=27/1。IV,取V2=27V,副邊電流I「Iomax=0.3A,取12=0。5A,則變壓器副邊輸出功率P2NI2xV2=13。5W.變壓器的效率n=0.6，則原邊輸入功率P1NP2/n=22。5W,為留有余地，選功率為30W的電源變壓器。選整流二極管及濾波電容整流二極管耐壓VD>VOM=J2V2，ID>IOmax=0.3An匕^/'2[V +(V-V)]=27很=38.2V為了焊接便利，選擇整流橋KBP307(1000V6。0A)作為整流部分。濾波電容：C=(3-5)￡￡=(825—1375)|iFi 2Vimln為了留有余地，取2200uF/50V作濾波電容.保護管VD1，VD2集成穩(wěn)壓器如果離濾波電容C1較遠，應在靠近LM317輸入端接0。1^F旁路電容C2,接在調整端和地之間的電容C3用來旁路電位器兩端的紋波電壓。當C3容量為10叩時,紋波抑制比可提高20dB,減小到原來的十分之一。另一方面，由于C3的接入，一旦輸入或輸出端發(fā)生短路,C3中儲存的電荷會通過穩(wěn)壓器內部的調整管和基準放大管而損壞穩(wěn)壓器,故在日兩端并接二極管VD2.1在沒有容性負載的情況下，穩(wěn)壓器可以穩(wěn)定地工作，但當輸出端有500—5000pF的容性負載時，容易發(fā)生自激。為抑制自激，在輸出端接一只25誠的鋁電解電容C4，它還可以發(fā)送電源的瞬態(tài)響應。但當輸入端發(fā)生短路時，C4中儲存的電荷將對穩(wěn)壓器輸出端放電，放電電流可能損壞穩(wěn)壓器，故在穩(wěn)壓器兩端并接保護二極管VD2。VD1和VD2都選用IN4007:額定電流以,最大反向電壓100V.3.4改進方案由于該電路的輸出電壓的調整完全依賴電電位器R2的改變，因此R2的改變范圍較大，這樣在輸出電壓的調整過程中,容易調過頭或調不足，要準確地實現1。25?24V寬范圍的電壓任一電壓有些調整比較麻煩，必須反復調整，只依賴R2是比較困難的，如果將電位器R2用一個電位器R2'和電阻日檔串聯實現，通過一個開關實現電阻日檔的改變從而改變輸出電壓的范圍，并在所選擇的輸出電壓范圍內通過改變電位器R2'的阻值得到所需要的準確的直流電壓輸出，電路如圖1、變壓器次級輸出：、=18.4U;2、 整流輸出：V疽23.5V；3、 Rp阻值變化時，測電路的輸出電壓Rp(K。)Vo(V)RpS^值（K。）誤差0.01。220.00。00。625。00.63.33%1。4310。01。40.21%2.1915.02.20。45%3。0520。03。01。67%4。4622。15。010.8%由以上數據分析可見，本次設計基本滿足各項要求指標，說明設計合理，制作正確。四、 總結經過這次的課程設計我收獲了很多，也學習到了很多有關專業(yè)方面的知識!通過自己預先設計的電路，然后再參考一些書籍上的電路并經過修改和創(chuàng)造，設計成了最終符合要求的電路原理圖，并進一步了解和學習了整個電路的各個部分的具體工作原理，達到了理想的要求，最后我用Multisim軟件對電路圖進行了部分仿真，經過對前面部分電路的仿真我掌握了仿真的具體方法，總的來說我對仿真的結果還是比較滿意。在電路設計過程中，我了解了穩(wěn)壓直流電源的組成部分和各部分的具體的作用,并且通過專研和實際的調試、測試,掌握了各級輸出級的電壓值的具體測量方法和誤差分析。學會了電路各部分元件參數的計算和確定，以及通過對實驗參數指標的要求和各部分電路各個元件之間的關系來準確的確定具體的電路和元件的實際參數?通過對電路的理論分析從而在一定程度上大致分析所得的試驗結果進行分析和確定正確與否，也通過實際的操作和對各元件的實際參數與理論值之間