直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)方案

1、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)校聯(lián)系電話E mail湖南省信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系2014年制目錄緒論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過流保護(hù)電路125.6過壓保護(hù)電路12六、電路仿真與檢測(cè)136.1 Multisim仿真電路繪制136.2 Multisim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

2、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)橹绷麟妷海娏鳎┕╇?？又如何使直流電壓（電流）穩(wěn)定？這是電子技術(shù)的一個(gè)基本問題。解決這個(gè)問題的方案很多，歸納起來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

3、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 輸入電源：?jiǎn)蜗啵ˋC），2

4、20V±10%，50HZ±5%； 輸出電壓：DC：+3+12V，連續(xù)可調(diào)；輸出電流：DC：0800mA；負(fù)載效應(yīng)：5%；輸出紋波噪聲電壓：10mV（有效值）；保護(hù)性能：超出最大輸出電流20%時(shí)立即截流保護(hù)；適應(yīng)環(huán)境：溫度：040，濕度：20%90%RH；PCB尺寸：不大于120mm*90mm。（2）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

5、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)載穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路變壓器（a） U1 U2 Ui UI1 UI2 （b）圖1（a）、（b）穩(wěn)壓電源的組成框圖及整流與穩(wěn)壓過程方案一：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（

6、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)練過程中，此電路過于簡(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)

7、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（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U2。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

8、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=（1.1-1.2）u2每只整流二極管承受的最大的方向電壓Vrm=u2通過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

9、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Uop-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，確定流過電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓

10、器副邊的功率P2；根據(jù)P2，從表1查出變壓器的效率，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： 1 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：1、 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)1UC1max=23.76VVT1集電極最大電流：ICM1(1+20%)*800mA=960mAVT1集電極耗散功率：PCM1（23.76-3）V*800mA=16.6W對(duì)于VT2管：UB

11、R(CEO)2應(yīng)當(dāng)也有：UBR(CEO)1UC1max=23.76VVT2集電極最大電流：VT2集電極耗散功率：PCM1（23.76-3）V*13.3mA=0.28W所確定的穩(wěn)壓電源電路如圖4所示。 圖4 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Voma

12、x+(Vi-Vo)minViVomin+(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Vi12+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)際過程中，由于沒有這種生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，所以選購(gòu)了輸出為24V的。（3）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

13、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=1515f,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

14、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

15、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 >（35）T/2 （3-3-1）式中T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R

16、3、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過流保護(hù)電路過流保護(hù)電路是當(dāng)輸出電流超過一定數(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過壓保護(hù)電路串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源中的過電壓保護(hù)包括輸入過電壓保護(hù)和輸出過電壓保護(hù)。如果電網(wǎng)的電壓突然過高,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

17、必要使用輸入過電壓保護(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 過壓保護(hù)電路圖六、電路仿真與檢測(cè)6.1 Multisim仿真電路繪制6.2 Multisim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

18、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)?？蓪⑵浞糯蠛螅檬静ㄆ饔^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)

19、態(tài)調(diào)試接通220V的電源，用數(shù)字萬用表對(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、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) =

20、 . 下表為在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得的數(shù)據(jù)并通過計(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Uop-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（mv）9.79.076.62.4131.796 （3）輸入輸出電壓波形（4）過流保護(hù)測(cè)試采用了1A的直流保險(xiǎn)，如果電流超過了1A就會(huì)

21、熔斷，起到電流的過載保護(hù)作用。（5）過壓保護(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)，通過變壓，整流，濾波、穩(wěn)壓等步驟，輸出理論可變范圍為312V，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。這次我們做的直流穩(wěn)壓電源具帶負(fù)載能力強(qiáng)，最大帶負(fù)載能力電流可達(dá)800mA左右，在這次課程設(shè)計(jì)中，我們學(xué)到了很多關(guān)于設(shè)計(jì)的東西，這些在書本中無法學(xué)到。在我們的課程設(shè)置中，需要對(duì)每個(gè)電子元器件十分熟悉，這就要求我們自己要多查資料，自學(xué)他們的相關(guān)特性，知道他們的相關(guān)參數(shù)。雖然有一些元器件我們相對(duì)來說比較熟悉，但是