可調(diào)穩(wěn)壓電源課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)(論文)摘要 本文根據(jù)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)了一個(gè)直流穩(wěn)壓電源的電路，主要采用了LM317、 LM337芯片，該芯片具有輸出電壓可變、內(nèi)藏保護(hù)功能、體積小、性價(jià)比高、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。該電路利用單向交流電源經(jīng)由電源變壓器的降壓后，經(jīng)過整流電路獲得低電壓小功率直流電源。整流濾波后的直流電壓經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)定后再提供給負(fù)載，使負(fù)載上直流電源電壓受上述因素的影響程度達(dá)到最小，再通過滑動(dòng)變阻器使輸出電壓可調(diào)的原理，實(shí)現(xiàn)了把交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為可調(diào)的穩(wěn)定直流電壓的直流電源的功能。最后，通過仿真驗(yàn)證結(jié)果直流穩(wěn)壓電路可以進(jìn)行一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，說明了該電路可行、穩(wěn)定。關(guān)鍵字：電源變壓器；整流電路；濾波；穩(wěn)

2、壓電路 目錄摘要1.概述.1 1.1課題背景.11.2主要設(shè)計(jì)思想.11.3設(shè)計(jì)的研究和意義.11.4設(shè)計(jì)的任務(wù)及其要求.22. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).32.1設(shè)計(jì)思路.32.2系統(tǒng)方案的論證及選擇.33.硬件電路設(shè)計(jì).63.1降壓電路部分.63.2整流電路部分.63.3濾波電路部分.73.4穩(wěn)壓電路部分.94.仿真及其結(jié)果分析.104.1 Proteus仿真電路圖.104.2 仿真結(jié)果及其分析.115.總結(jié).126.參考文獻(xiàn).13 1.概述 1.1課題背景 電源技術(shù)尤其是電子電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。電子穩(wěn)壓電源與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源電路相比，具有操作方便、電壓穩(wěn)定度高的特點(diǎn)。目前，電

3、子式直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于我們生活、工作、科研及各個(gè)領(lǐng)域?？烧{(diào)直流穩(wěn)壓電源是采用當(dāng)前國際先進(jìn)的高頻調(diào)制技術(shù)，其工作原理是將開關(guān)電源的電壓和電流展寬，實(shí)現(xiàn)了電壓和電流的大范圍調(diào)節(jié)，同時(shí)擴(kuò)大了目前直流電源供應(yīng)器的應(yīng)用。直流穩(wěn)壓電源的控制芯片是采用目前比較成熟的進(jìn)口元件，功率部件采用現(xiàn)國際上最新研制的大功率器件，可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案省去了傳統(tǒng)直流電源因工頻變壓器而體積笨重。與傳統(tǒng)電源相比高頻直流電源就較具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也為大功率直流電源減小體積創(chuàng)造了條件，此電源又稱高頻可調(diào)式開關(guān)電源。可調(diào)直流穩(wěn)壓電源保護(hù)功能齊全，過壓、過流點(diǎn)可連續(xù)設(shè)置并可預(yù)視，輸

4、出電壓可通過觸控開關(guān)控制。1.2主要設(shè)計(jì)思想（1）電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。（2）降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動(dòng)大）。（3）脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。（4）濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給電壓表。 1.3設(shè)計(jì)的研究和意義可調(diào)直流穩(wěn)壓電源是采用當(dāng)前國際先進(jìn)的高頻調(diào)制技術(shù)，其工作原理是將開關(guān)電源的電壓和電流展寬，實(shí)現(xiàn)了電壓和電流的大范圍調(diào)節(jié)，同時(shí)擴(kuò)大了

5、目前直流電源供應(yīng)器的應(yīng)用。直流穩(wěn)壓電源的控制芯片是采用目前比較成熟的進(jìn)口元件，功率部件采用現(xiàn)國際上最新研制的大功率器件，可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案省去了傳統(tǒng)直流電源因工頻變壓器而體積笨重。與傳統(tǒng)電源相比高頻直流電源就較具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也為大功率直流電源減小體積創(chuàng)造了條件，此電源又稱高頻可調(diào)式開關(guān)電源?？烧{(diào)直流穩(wěn)壓電源保護(hù)功能齊全，過壓、過流點(diǎn)可連續(xù)設(shè)置并可預(yù)視，輸出電壓可通過觸控開關(guān)控制。1.4設(shè)計(jì)的任務(wù)及其要求 1.輸出電壓連續(xù)可調(diào) 2.電源內(nèi)阻Ro1=Ro210 3.電壓穩(wěn)定系數(shù)Sv1=Sv2=0.5% 4.輸出紋波Vo3mv 5.電路還必須簡單可靠，有過流保護(hù)電路，能

6、夠輸出足夠大的電流2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路組成，其基本原理框圖如圖2.1所示。穩(wěn)壓電路整流電路波電路圖2.1直流穩(wěn)壓電源基本原理框圖（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

7、而維持穩(wěn)定的輸出。2.2總體方案論證與選擇 該系統(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)。因此，以下主要對三種方案進(jìn)行論證與選擇。方案1： 晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路。交流電壓經(jīng)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。同時(shí)運(yùn)用了比較放大電路,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。穩(wěn)壓電路變壓器變壓整流電路 輸出電壓比較反饋取樣電壓 圖2. 2方案1的框圖方案2：采用三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器電路。它采用輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護(hù)的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調(diào)整范圍寬，此穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓是1.25V，而要求電壓從0

8、V起連續(xù)可調(diào)，因此需要設(shè)計(jì)電壓補(bǔ)償電路才可實(shí)現(xiàn)輸出?？烧{(diào)式集成穩(wěn)壓器電壓補(bǔ)償電路整流濾波電路輸出電壓 圖2. 3 方案2的框圖方案3：此方案的控制部分采用單片機(jī)，輸出部分不再采用調(diào)整管或穩(wěn)壓方式，二十載D/A轉(zhuǎn)換之后，經(jīng)過問低昂的功率放大得到輸出電壓。采用單片機(jī)編程，一定程度上增加了系統(tǒng)的靈活性。該電源穩(wěn)定性好、精度高，且能夠輸出可調(diào)的直流電壓，其性能由于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，此方案框圖如圖2.4所示。顯示鍵盤鍵盤顯示接口RAM 單 片 機(jī)A/DROMD/A功放圖2.4 方案3的框圖分析：方案一電路比較簡單，功能實(shí)現(xiàn)單一；方案二的電路不僅輸出穩(wěn)定而且可以調(diào)節(jié)；方案三電路比較復(fù)雜，成本較高，適

9、用于要求較高的場合。在實(shí)際中，多為對電路要求比較高的情況，故采用第二種設(shè)計(jì)方案。3.系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)3.1降壓電路部分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(jí)電路的設(shè)計(jì)需求而定。變壓器電路原理圖及其波形變換如圖3.1所示，變壓器的功能是交流電壓變換部分，作用將電網(wǎng)電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?，即將直流電源和交流電網(wǎng)隔離。 圖3.1 變壓器及其波形變換變壓器工作原理電路示意框圖如圖3.2 所示。 圖3.2 變壓器工作原理電路示意框圖3.2 整流電路部分整流電路的主要作用是把經(jīng)過變壓器降壓后的交流電通過整流變成單個(gè)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(dǎo)

10、通來實(shí)現(xiàn)的，其電路原理圖及其波形變換如圖3.3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(shè)計(jì)選取單相橋式整流電路實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的整流功能。 圖3.3 整流電路原理圖及其波形變換圖 （1）電路圖：如圖3.4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(dǎo)通，D2、D4截止，通過D1、D3給R提供電流，方向由上向下（圖中虛線)； 圖3.4 橋式整流電路電路圖在V2 的負(fù)半周，D2、D4 導(dǎo)通，D1、D3 截止，通過D2、D4給R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

11、形圖:圖3.5 橋式整流電路波形圖3.3 濾波電路部分盡管整流后的電壓為直流電壓，但波動(dòng)較大，仍然不能直接作為電源使用，還需進(jìn)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(chǔ)能的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，效果較好。而且本電路后級(jí)是穩(wěn)壓電路，因此可以使用電容濾波電路進(jìn)行簡單濾波。 （1）電路組成：電容濾波電路如圖3.6所示。圖3.6 電容濾波電路圖 （2）工作原理： 負(fù)載未接入（開關(guān)S 斷開）時(shí)：設(shè)電容兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)V為正半周時(shí)，V

12、通過D1、D3向電容C 充電；V為負(fù)半周時(shí)，經(jīng)D2、D4向電容C充電。充電時(shí)間常數(shù)為：t=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V的最大值V，由于電容無放電回路，故輸出電壓（電容C 兩端的電壓)保持在V不變。 、接入負(fù)載R（開關(guān)S合上）時(shí)：設(shè)變壓器副邊電壓V從0開始上升時(shí)接入R，由于電容已到V，故剛接入負(fù)載時(shí)，VV，二極管在反向電壓作用下而截止，電容C 經(jīng)R放電，放電時(shí)間常數(shù)為：t=RLC。因t一般較大，故電容兩端電壓V(即V)按指數(shù)規(guī)律慢下降（圖中a,b段）。、當(dāng)V升至V>V時(shí)，二極管D1、D3 在正向電壓

13、作用下而導(dǎo)通，此時(shí)V經(jīng)D1、D3 一方面向R提供電流，一方面向C充電（接入R后充電時(shí)間常數(shù)變?yōu)閠=R/RintCRintC ）。V將如圖中b、c 段所示。、當(dāng)V又降至VV時(shí)，二極管又截止，電容C又向R放電，如圖中c、d段所示。電容如此周而復(fù)始充放電，就得到了一個(gè)如圖所示的鋸齒波電壓V= V，由此可見輸出電壓的波動(dòng)大大減小。、為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取t=RLC(3 5)T/2 (T 為交流電周期20ms)此時(shí)：V = (1.1 1.2)V。圖3.7 電容濾波電路波形圖3.4 穩(wěn)壓電路部分因?yàn)橐筝敵鲭妷嚎烧{(diào)，所以選擇三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。LM317系列三端集成穩(wěn)壓器，其輸出電壓調(diào)節(jié)范圍可達(dá)

14、1.2537 V，輸出電流可達(dá)1.5 A，內(nèi)部帶有過載保護(hù)電路，具有穩(wěn)壓精度高、工作可靠等特點(diǎn)。其輸出電壓的調(diào)節(jié)原理如圖3.8所示。圖3.8 輸出電壓調(diào)節(jié)原理 由于LM317的2、3腳之間的電壓U為一穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓(1.25V)，故有：式中，1.25V是集成穩(wěn)壓器輸出端與調(diào)整端之間的固定參考電壓U；R取值120240（此值保證穩(wěn)壓器在空載時(shí)也能正常工作），調(diào)節(jié)Rp可改變輸出電壓的大?。≧p取值視R和輸出電壓的大小而確定）。4.仿真及其結(jié)果4.1仿真電路圖 圖4.1 仿真圖4.2仿真結(jié)果及其分析 圖4.2 仿真結(jié)果 圖4.3 仿真結(jié)果 仿真結(jié)果分析：圖4.2為負(fù)端仿真結(jié)果，圖4.3為正端仿真結(jié)果

15、，交流電壓通過整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定的直流電壓，然后通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，使電路達(dá)到可以在一定范圍內(nèi)可調(diào)的功能，通過仿真結(jié)果可以看出設(shè)計(jì)的電路基本上是成功的，但是仍有誤差存在，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。5.總結(jié)經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)我收獲了很多，也學(xué)習(xí)到了很多有關(guān)專業(yè)方面的知識(shí)！通過自己預(yù)先設(shè)計(jì)的電路，然后再參考一些書籍上的電路并經(jīng)過修改和創(chuàng)造，設(shè)計(jì)成了最終符合要求的電路原理圖，并進(jìn)一步了解和學(xué)習(xí)了整個(gè)電路的各個(gè)部分的具體工作原理，達(dá)到了理想的要求，最后我用Proteus軟件對電路圖進(jìn)行了部分仿真，經(jīng)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

16、的結(jié)果還是比較滿意。在電路設(shè)計(jì)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(shí)際的調(diào)試、測試，掌握了各級(jí)輸出級(jí)的電壓值的具體測量方法和誤差分析。學(xué)會(huì)了電路各部分元件參數(shù)的計(jì)算和確定，以及通過對實(shí)驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)的要求和各部分電路各個(gè)元件之間的關(guān)系來準(zhǔn)確的確定具體的電路和元件的實(shí)際參數(shù)。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(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和確定正確與否，也通過實(shí)際的操作和對各元件的實(shí)際參數(shù)與理論值之間的差別了解了各影響因素對電路和試驗(yàn)結(jié)果的影響。以及采取怎樣的措施來有效的減小以致消除外界不穩(wěn)定因素對試驗(yàn)參數(shù)的影響，從而使測量的結(jié)果盡量準(zhǔn)確，盡量與理論值之間的差別縮小到最小。 雖然在這次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和參數(shù)的確定以及試驗(yàn)結(jié)果的測試的過程當(dāng)中也遇到了一些困難和迷惑，但是通過查閱相關(guān)的資料和書籍，并且跟同學(xué)互相探討和研究，基本上解決了所遇到的問題。在設(shè)計(jì)電路過程中難免會(huì)存在一定的差錯(cuò)，而且由于自己目前對很多電子器件的實(shí)際性能和型號(hào)的了解