5V直流穩(wěn)壓電源設(shè)計課程設(shè)計

1、西安科技大學(xué)高新學(xué)院 機械設(shè)計制造及其自動化 5v直流穩(wěn)壓電源設(shè)計報告機電一體化實訓(xùn)5v直流穩(wěn)壓電源設(shè)計報告 學(xué) 校：西安科技大學(xué)高新學(xué)院 班 級：機械設(shè)計制造及其自動 組 員：田旭元（0901140315） 高志偉（0901140320） 朱小航（0901140326） 雷 毓（0901140327） 指導(dǎo)老師：邵小強設(shè)計時間：2012.7.22012.7.13摘 要直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小、重量輕的特點，近年來獲得了飛速發(fā)展。直流穩(wěn)壓電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使直流穩(wěn)壓電源進入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便

2、化。本文主要以半橋變換電路為開關(guān)電源的主電路，設(shè)計一臺品質(zhì)優(yōu)良的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。直流開關(guān)穩(wěn)壓器中所使用的大功率開關(guān)器件價格較貴,其控制電路亦比較復(fù)雜,另外,開關(guān)穩(wěn)壓器的負載一般都是用大量的集成化程度很高的器件安裝的電子系統(tǒng)。晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。因而開關(guān)穩(wěn)壓器的保護應(yīng)該兼顧穩(wěn)壓器本身和負載的安全。保護電路的種類很多,這里介紹極性保護、程序保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護以及過熱保護等電路。通常選用幾種保護方式加以組合,構(gòu)成完善的保護系統(tǒng)。直流高壓穩(wěn)壓電源的長期穩(wěn)定性主要受溫度的影響，文中分析了直流高壓穩(wěn)壓電源的構(gòu)成原理，建立了溫度穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)模型，給出了精確和可行

3、的定量計算方法，并應(yīng)用到具體的實例中加以驗證，說明了該模型的應(yīng)用價值，對直流高壓穩(wěn)壓電源的設(shè)計具有理論指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓器 半橋變換電路 數(shù)學(xué)模型 應(yīng)用價值目 錄第1章 直流穩(wěn)壓器原理4第2章 直流穩(wěn)壓電源簡介72.1 直流穩(wěn)壓電源的構(gòu)成72.2 直流穩(wěn)壓電源的分類72.3 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標8第3章 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計103.1設(shè)計目的及要求103.2設(shè)計步驟及思路103.2.1直流穩(wěn)壓電源設(shè)計思路103.2.2直流穩(wěn)壓電源原理113.3單元電路設(shè)計與原理說明123.3.1電源變壓器123.3.2整流電路143.3.3濾波電路183.3.4穩(wěn)壓電路203.3.5元器件選擇和電路參數(shù)計

4、算說明22第4章 電路設(shè)計要求以及參數(shù)計算244.1.設(shè)計要求：244.2.各參數(shù)計算：24心得體會（田旭元）25心得體會 (高志偉）26心得體會（朱小航）27心得體會（雷 毓）28參考文獻29致 謝30第1章 直流穩(wěn)壓器原理直流開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入一般都是未穩(wěn)壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關(guān)穩(wěn)壓電源。極性保護的目的,就是使開關(guān)穩(wěn)壓器僅當以正確的極性接上未穩(wěn)壓直流電源時才能工作。利用單向?qū)ǖ钠骷梢詫崿F(xiàn)電源的極性保護。最簡單的極性保護電路如圖1所示。由于二極管d要流過開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入總電流,因這種電路應(yīng)用在小功率的開關(guān)穩(wěn)壓器上比較合適。在較大功率的場合,則把極性保護

5、電路作為程序保護中的一個環(huán)節(jié),可以省去極性保護所需的大功率二極管,功耗也將減小。為了操作方便,便于識別極性正確與否。 一、極性保護直流開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入一般都是未穩(wěn)壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關(guān)穩(wěn)壓電源。極性保護的目的,就是使開關(guān)穩(wěn)壓器僅當以正確的極性接上未穩(wěn)壓直流電源時才能工作。利用單向?qū)ǖ钠骷梢詫崿F(xiàn)電源的極性保護。簡單的極性保護電路如圖1所示。由于二極管d要流過開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入總電流,因此這種電路應(yīng)用在小功率的開關(guān)穩(wěn)壓器上比較合適。在較大功率的場合,則把極性保護電路作為程序保護中的一個環(huán)節(jié),可以省去極性保護所需的大功率二極管,功耗也將減小。為了操作方便,便

6、于識別極性正確與否,在圖1中的二極管之后,接指示燈。二、程序保護開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功的開關(guān)部分。開關(guān)晶體管則屬大功率，為保護開關(guān)晶體管在開啟或關(guān)斷電源時的安全,必須先讓調(diào)制器、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機程序。開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器在開機瞬間,濾波電容器會流過。很大的浪涌電流,這個浪涌電流可以為正常輸入電流的數(shù)倍。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關(guān)的觸點或繼電器的觸點熔化,并使輸入保險絲熔斷。另外,浪涌電流也會損害電容器,使之壽命縮短,近年來，隨著微機、中小型計算機的普及和航空航天數(shù)據(jù)通信，交通郵電

7、等事業(yè)的訊速發(fā)展，以及為了各種自動化儀器、儀表和設(shè)備配套的需要，當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、尺寸和可靠性以及諸如程序控制、電源通/斷、遠距離操作和信息保護等功能提出了更高的要求。對于這些要求，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源無法實現(xiàn)，和線性穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)穩(wěn)壓電源具有以下的一些優(yōu)越性:1）效率高開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，截止期間，開關(guān)元件漏電流極小，因此功率消耗小而效率高，通?？蛇_到80%-90%以上。功耗小使得機內(nèi)溫升亦低，周圍元件不會因長期工作在高溫環(huán)境下而損壞，有利于提高整機的可靠性和穩(wěn)定性。而傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源的晶體管一直工作在放大區(qū)，全部負載電流都通

8、過調(diào)整管，因而損耗大，效率低，一般只在50%左右，功率等級也比較低。2）穩(wěn)壓范圍寬從本質(zhì)上說，線性穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整作用是靠調(diào)整管的“變阻”作用實現(xiàn)的，因而調(diào)壓范圍小。開關(guān)穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整作用是通過對直流電壓進行脈寬調(diào)制而實現(xiàn)的，因而線性控制區(qū)域大，調(diào)壓范圍寬，在交流電壓變化較大時，開關(guān)穩(wěn)壓電源仍能達到很好的穩(wěn)壓效果。3）體積小重量輕開關(guān)電源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流再進行pwm控制，這樣可省去笨重的電源變壓器(為了和高頻變壓器相區(qū)別，電源變壓器又稱為工頻變壓器)，使電源的體積大大縮小，重量減輕。在隔離式開關(guān)電源中，高頻隔離變壓器由于頻率高而可以使體積小、重量輕。4）安全可靠開關(guān)穩(wěn)壓電源

9、一般都有輔助電路，以提供自動保護功能。正因為直流穩(wěn)壓電源有著這多方面的優(yōu)點,所以對它的研究有著重要的意義,這不僅是對自己所學(xué)知識的總結(jié)，而且對自己以后從事電力方面的工作有著很大的幫助作用。穩(wěn)壓電源原理圖如圖1.1所示。其中，核心元件是lm338，它是一片大電流可調(diào)穩(wěn)壓集成電路，。該集成電路在采用一般接法時，其輸出電壓范圍是1237v。為了進一步拓寬其輸出電壓的范圍，本電路對其傳統(tǒng)應(yīng)用電路進行了一些改進?，F(xiàn)簡單介紹如下：lm338要求輸入、輸出端最大電壓差不能超過40v，這就限制了它的最高輸出電壓。當電源輸出電壓較低、電流比較大時，功耗全部消耗在lm338上，造成集成電路發(fā)熱嚴重。為了解決這個問

10、題，在本電源的設(shè)計中，將lm338輸入端電壓改為分段可調(diào)型。由開關(guān)k1-2控制jij9這九個繼電器，將不同的交流電壓切換到整流橋的輸入端，整流后得到高低不同的直流電壓輸入到lm338中，這樣就降低了穩(wěn)壓塊的輸入電壓，同時開關(guān)k11同步切換lm338調(diào)整端的分壓電阻，使調(diào)整端的基準電壓不斷改變，輸出端電壓就以每檔5v的規(guī)律變化。這樣一來lm338的輸入、輸出電壓差就被限制在一個較小的范圍內(nèi)。不但降低了穩(wěn)壓集成電路的損耗，而且提高了最大輸出電壓。 第2章 直流穩(wěn)壓電源簡介2.1 直流穩(wěn)壓電源的構(gòu)成許多電子產(chǎn)品如電視機、電子計算機、音響設(shè)備等都需要直流電源，電子儀器也需要直流電源，實驗室更需要獨立的

11、直流電源。為了提高電子設(shè)備的精度及穩(wěn)定性，在直流電源中還要加入穩(wěn)壓電路，因此稱為直流穩(wěn)壓電源。典型的直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等幾部分構(gòu)成。電源變壓器把50hz的交流電網(wǎng)電壓變成所需要的交流電壓；整流電路用來將交流電變換為單向脈動直流電；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電流中的交流成分（即波紋電壓），是指成為平滑的直流電；穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電網(wǎng)電壓波動、負載及溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。2.2 直流穩(wěn)壓電源的分類 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展已有幾十年的歷史，已從分立器件發(fā)展到集成電路。集成穩(wěn)壓電路具有體積小、重量輕、耗電少、壽命長等優(yōu)點，隨著功率集成電路的

12、發(fā)展，集成穩(wěn)壓電路已有多個品種、多種型號問世，按輸出電壓、輸出電流形成系列產(chǎn)品，已成為直流穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品，特別適用于小型電子設(shè)備使用。目前生產(chǎn)直流穩(wěn)壓電源種類很多，可以從不同的角度分類：1、按穩(wěn)定方式分，有參數(shù)型穩(wěn)壓器和反饋調(diào)整型穩(wěn)壓器。參數(shù)型穩(wěn)壓器電路簡單，主要是利用電子組件的非線性實現(xiàn)穩(wěn)壓，例如，1只電阻和1只穩(wěn)壓管即可構(gòu)成參數(shù)型穩(wěn)壓器。反饋調(diào)整型穩(wěn)壓器具有負反饋，是閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)，利用輸出電壓的變化，經(jīng)取樣、比較、放大得到控制電壓，去控制調(diào)整元件，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。2、按調(diào)整元件和負載連接方式分，有并聯(lián)式穩(wěn)壓器和串聯(lián)式穩(wěn)壓器。調(diào)整元件與負載并聯(lián)的稱為并聯(lián)式穩(wěn)壓器，調(diào)整元件與負

13、載串聯(lián)的稱為串聯(lián)式穩(wěn)壓器。3、按作用器件分，有電子管穩(wěn)壓器、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓器、晶體管穩(wěn)壓器、可控硅穩(wěn)壓器等。4、按調(diào)整器件的工作狀態(tài)分，有線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。調(diào)整器件工作在線性放大狀態(tài)的為線性穩(wěn)壓器，調(diào)整器件工作在開關(guān)狀態(tài)的稱為串聯(lián)式穩(wěn)壓器。5、按電路的主要部分是集成電路還是分立元件分，有集成線性穩(wěn)壓器、集成開關(guān)穩(wěn)壓器和分立元器件組成的穩(wěn)壓器。2.3 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標包括特性指標和質(zhì)量指標，前者標識穩(wěn)壓電源的功能又稱試用指標，后者反映了穩(wěn)壓電源質(zhì)量的優(yōu)劣。1、特性指標2、輸入電壓及適用范圍。3、輸出電壓及輸出電壓調(diào)整范圍4、額定輸出電流（指電源正常工作時的最大輸出電

14、流）以及過流保護電流值。（1）電壓調(diào)整率負載電流0 及溫度t不變而輸入電壓u1變化時，輸出電壓u0的相對變化量u0/u0與輸入電壓變化量u1之比值，稱為電壓調(diào)整率，即一般直流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整率su為1%、0.1%、0.01%不等，其值越小，穩(wěn)壓性能越好。電壓調(diào)整率也可定義為：在負載電流和溫度不變時，輸入電壓變化時，輸出電壓的變化量u0，單位為毫伏。（2）穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù)定義為負載不變時，輸出電壓相對變化量和輸入電壓相對變化量之比，即式中，u1為穩(wěn)壓電路輸入直流電壓，即整流電路的輸出電壓。一般情況下s在10-210-4數(shù)量級。顯然，s越小穩(wěn)壓電路輸出電壓的穩(wěn)定性越好。（3）負載調(diào)整率（亦稱電流

15、調(diào)整率）在交流電源額定電壓條件下，負載電流從零變化到最大時，輸出電壓的最大相對變化量用百分數(shù)表示（4）輸出電阻（內(nèi)阻）當輸入電壓固定時，輸出電壓變化量與負載電流變化量之比，稱為輸出電阻r0，亦稱內(nèi)阻，即r0=其單位為歐。r0的大小反映了當負載變動時，穩(wěn)壓電路保持輸出電壓穩(wěn)壓的能力。r0越小負載能力越強，一般r0i2*u2=4.8w2、選擇整流電路中的二極管變壓器的副邊電壓u2=16v橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為：16橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為：0.3查手冊選整流二極管in4001，其參數(shù)為：反向擊穿電壓ubr=50v16v,最大整流電流if=ia0.3a3、濾波電路

16、中濾波電容的選擇濾波電容的大小可用式c=ui/(t*i) 求得。（1）求ui： 根據(jù)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)的定義：設(shè)計要求u05mv，sr0.005，u0= -12v +12v，ui=16v代入上式，則可求得ui=u0/（u0*sr）；（2）濾波電容c，t=0.01s設(shè)定i0=i0max=1.2a則可求得c。注意：因為大容量電解電容由一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常并入瓷介質(zhì)小容量電容用來抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾。第4章 電路設(shè)計要求以及參數(shù)計算4.1.設(shè)計要求：性能指標要求：vo=+5v技術(shù)指標要求：紋波電壓：5mv電壓調(diào)整率：ku3%電流調(diào)整率

17、：ki1%4.2.各參數(shù)計算：（1）確定穩(wěn)壓電路的最低輸入直流電壓uimin uiminuomax+(ui-u0)min/0.9代入各指標,計算得: uimin(5+3)/0.9=8.89v取值為9 v.（2）確定電源變壓器副邊電壓、電流及功率 uiuomax/1.1. i1iimax所以我們?nèi)1為1.5a. ui5/1.1=4.6v 變壓器副邊功率p27w變壓器的效率q=0.7，則原邊功率p110 w.由上分析,可選購副邊電壓為9 v,輸出1.5a,功率12w的變壓器.（3）選整流二極管及濾波電容整流二極管1n4007通用參數(shù)：電流參數(shù)：io=1a/ifsm=30a/ir=10a電壓參數(shù)：

18、urrm=urwm=ur=1000v/ursm=1200v/uf=1.1v/ur(rms)=700v功 率：pd=3w波電容計算：c(35)tiimax/2u1min 電解電容作濾波電容。心得體會（田旭元）本次的課程設(shè)計，培養(yǎng)了我們綜合應(yīng)用課本理論解決實際問題的能力；我覺得課程設(shè)計對我們的幫助是很大的，它需要我們將學(xué)過的理論知識與實際系統(tǒng)地聯(lián)系起來，加強我們對學(xué)過的知識的實際應(yīng)用能力！在設(shè)計的過程中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，同學(xué)們共同協(xié)作，解決了許多個人無法解決的問題；在今后的學(xué)習(xí)過程中我們會更加努力和團結(jié)。 在這次課程設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一

19、起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 我的心得也就這么多了，總之，不管學(xué)會的還是學(xué)不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學(xué)會了。在此要感謝我的指導(dǎo)老師邵老師對我悉心的指導(dǎo)，感謝老師給我的幫助。在設(shè)計過程中，我通過查閱有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了

20、我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。 但是由于水平有限，我們的課程設(shè)計難免會有一些錯誤和誤差，還望老師批評指正。 田旭元 2012年7月11日心得體會 (高志偉） 過這次電路設(shè)計，我從中了解了直流穩(wěn)壓電源和貫通了書上的知識，同時也了解到了自己對于理論和實際應(yīng)用的統(tǒng)一和對于器件在實際中的使用還有很大的不足，不能在使用器件時選擇合適的參數(shù)的器件，不能根據(jù)器件的編號知道

21、器件的基本功能。在這方面需要很大的提高。根據(jù)老師給的電路圖，我把各個組件裝在電路板上，經(jīng)檢查以后就開始焊接，我們組決定用焊錫連接電路，我們就認真的把各個組件練好之后就開始檢查，接通電源以后，副邊的電壓是9.4v，而穩(wěn)壓電路輸出端是10.24，怎么檢查都不對，后來把電容都燒了才察覺到電容接反了。這讓我們深刻體會到了，不管干什么事，都要細心，認真，稍不留神就會造成組件損壞，尤其是電學(xué)部分。而且要有安全意識，焊錫過程中，我還被焊鉗殘殺過.等等一系列的問題都的引起我們的注意。終于，在老師的悉心指導(dǎo)下，我們完成了電路的連接，算是完成老老師給安排的任務(wù)，我也懂得了，不管干任何東西，就算再難，只要你認真去研

22、究了，好好弄了，就算結(jié)果不盡人意，但我相信只要有第一次的努力，第二次一定會弄出令人滿意的結(jié)果通過這次實習(xí)，我們收獲了很多，不僅是知識上，還有動手能力上都得到了提高。 高志偉 2012年7月11日心得體會（朱小航） 通過這兩周的機電一體化課程設(shè)計，老師細致的講解和自己課間查資料，了解直流穩(wěn)壓電路的基本構(gòu)成部分，即變壓部分、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，以及5v直流穩(wěn)壓電源的制作。自己選擇方案，計算有關(guān)數(shù)據(jù)，自己設(shè)計排版，最后制作電路板。這樣使我們能夠主動自覺的去獨立思考，主動學(xué)習(xí)相關(guān)的知識，能夠很好的達到實習(xí)的效果，再動手的過程中也動了腦。在這次實習(xí)過程中我主要負責(zé)濾波電路的選擇和設(shè)計并焊接電路

23、板，在這過程中也出現(xiàn)了一些問題，比如電容接反了、虛焊和7085的接地端怎么接等，最后自己查資料和通過同學(xué)指導(dǎo)解決了全部的問題。本次的課程設(shè)計，培養(yǎng)了我們綜合應(yīng)用課本理論解決實際問題的能力；我覺得課程設(shè)計對我們的幫助是很大的，它需要我們將學(xué)過的理論知識與實際系統(tǒng)地聯(lián)系起來，加強我們對學(xué)過的知識的實際應(yīng)用能力！在設(shè)計的過程中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，同學(xué)們共同協(xié)作，解決了許多個人無法解決的問題；在今后的學(xué)習(xí)過程中我們會更加努力和團結(jié)。這次機電一體化課程設(shè)計使我收獲很多，在此感謝學(xué)校提供的這次機會和老師辛勤的指導(dǎo)和同學(xué)熱情的幫助，謝謝！ 朱小航 2012年7月13日心得體會（雷 毓） 本設(shè)計主要利用電源變壓器、整流二極管、濾波電容及穩(wěn)壓二極管來設(shè)計輸出可調(diào)電壓直流穩(wěn)壓電源。其結(jié)構(gòu)簡單，使用元器件較少；系統(tǒng)的可靠性好，其精度高，成本低，便于維修，且可作為一個獨立的模塊為其他電子設(shè)備提供電能。 在設(shè)計的過程中，遇到了不少的問題，通過翻閱資料得到解決。我們在設(shè)計了電路以后中，發(fā)現(xiàn)電路板焊接后，不方便調(diào)試，于是加了兩個插槽。調(diào)試時，有發(fā)現(xiàn)負電壓的輸出為零，通過用萬用表檢查發(fā)現(xiàn)原來焊接做的不好，有些焊點之間根本就沒連接起來。起先為了焊接方便，我們沒有將元件的管腳剪掉，而是互相搭接焊在一起，以至于造成了后來