可調(diào)溫壓直流電源

1、成績課程設計說明書題 目： 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設計 課程名稱： 模擬電子技術基礎 學 院： 電子信息與電氣工程學院 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 指導教師： 2013年6月7日課 程 設 計 任 務 書設計題目 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設計學生姓名所在學院電子信息與電氣工程學院專業(yè)、年級、班自動化2011級1班設計要求： 1、設計制作一個可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路； 2、輸入電壓為220V的交流電壓，頻率為50Hz； 3、輸出直流電壓為1.25V15V可調(diào)； 4、最大輸出電流為Iomax=1A； 5、紋波電壓小于10mA，穩(wěn)壓系數(shù)Sr小于5。學生應完成的任務： 設計一個可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路，并利用Mult

2、isim軟件進行電路仿真。利用DXP軟件繪制電路原理圖，并設計制作電路的PCB板。根據(jù)設計原理對電路進行安裝調(diào)試，完成課程設計工作，并提交課程設計報告。參考文獻：1 童詩白.模擬電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，2005.2 秦長海，張?zhí)禊i，翟亞芳.數(shù)字電子技術M.北京：北京大學出版社，2012.3 邱關源，羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 閻 石.數(shù)字電子技術（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.工作計劃： 5月27日29日完成原理圖的設計； 5月29日31日進行PCB設計； 6月3日4日制作PCB板； 6月5日7日電路板安裝與調(diào)試，提交課程設計報告。

3、任務下達日期：2013年5月27日任務完成日期：2013年6月 7日 指導教師（簽名）： 學生（簽名）：可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設計摘 要：首先介紹變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路的原理。再由變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩(wěn)壓器來設計直流穩(wěn)壓電源。已知輸入電壓為220V的交流電壓，頻率為50Hz，要求穩(wěn)壓電源輸出直流電壓為1.25V15V并且可調(diào)，此外最大輸出電流為Iomax=1A，紋波電壓小于10mA，穩(wěn)壓系數(shù)Sr小于5。在這個過程我們通過使用Multisim軟件仿真，再經(jīng)過Altium Dsigner設計出電路板。最后焊接，調(diào)試，給出實驗結果。關鍵詞：可調(diào)直流穩(wěn)壓電源；變壓器；二極管單相橋

4、式整流；電解電容濾波目 錄1.設計背景11.1設計需求11.2設計目的12.設計方案12.1直流穩(wěn)壓電源的基本組成12.2電源變壓器22.3整流電路22.4濾波電路42.5穩(wěn)壓電路63.方案實施93.1 設計步驟93.2實際采用電路圖93.3 Altium Designer 設計結果104.結果與結論104.1 Multisim仿真結果104.2 Altium Designer 設計結果114.3結論115.收獲與致謝125.1收獲125.2致謝126.參考文獻 127.附件127.1所需原清單137.2實物拍攝131. 設計背景1.1設計需求 直流穩(wěn)壓電源是指能為負載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝

5、置。它的供電電源大都是交流電源，當交流供電電源的電壓或負載電阻變化時，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會保持穩(wěn)定。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對電子設備的供電電源提出了高的要求。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。1.2設計目的 在電子電路及設備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。這里所介紹的直流電源為單相小功率電源，是將頻率為50Hz.有效值為220V的單相交流電源電壓轉(zhuǎn)換成幅值穩(wěn)定.2.

6、 設計方案2.1直流穩(wěn)壓電源的基本組成 單相交流電經(jīng)過電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓的直流電壓，其方框圖及各電路的輸出電壓波形如圖所示，下面就各部分的作用加以介紹。T整流濾波穩(wěn)壓負載圖1 直流穩(wěn)壓電源的方框圖 直流穩(wěn)壓電源的輸入為220V的電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對交流電壓進行處理。變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的需要。變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動電壓，半波整流電路和全波整流電路的輸出波形如圖所示?？梢钥闯?，他們均含有較大的交流分量，會影響負載電路的正常

7、工作。為了減小電壓的脈動，需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。理想情況下，應將交流分量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。然而，由于濾波電路為無源電路，所以接入負載后勢必影響其濾波效果。對于穩(wěn)定性要求不高的電子電路，整流、濾波后的直流電壓可以作為供電電源。交流電壓通過整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是當電網(wǎng)電壓波動或者負載變化時，其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。2.2電源變壓器電源變壓器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Ui。實際上，理想變壓器滿足I

8、1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。根據(jù)輸出電壓的范圍，可以令變壓器副邊電壓為22V，即變壓系數(shù)為0.1。2.3整流電路 分析整流電路，就是弄清電路的整流原理，求出主要參數(shù)，并確定整流電路二極管的極限參數(shù)。先以下圖所示的單項半波整流電路為例說明整流電路的分析方法及其基本參數(shù)。 （a） （b） 圖2半波整流 （a）半波整流電路（b）半波整流波形圖 1.半波整流 整流電路如圖2所示，其輸出電壓平均值就是負載電阻上電壓的平均值Uo(AV)。從圖3所示波形圖可知，當wt=0時，Uo =U2sinw

9、t;當wt=2時，Uo=0。所以，求解Uo的平均值Uo(AV)，就是將0的電壓平均在02時間間隔之中，如圖3所示，負載電流的平均值:Io(AV)= Uo(AV)/RL （1）二極管的選擇a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電流，即IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RLb）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2 單相半波整流電路簡單易行，所用二極管數(shù)量少。但是由于它只是利用了交流電壓的半個周期，所以輸出電壓低，交流分量大，效率低。因此，這種電路僅適用于整流電流較小，對脈動要求不高的場合。 2.全波橋式整流電路為了克服

10、單相半波整流電路的特點，在使用電路中多采用單相全波整流電路，最常用的是單相橋式整流電路。如圖3所示 圖3 全波橋式整流電路設變壓器次級電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m為其幅值，U2為有效值，負載電阻為100。在電壓U2的正半周期時，二極管D1、D3因受正向偏壓而導通，D2、D4因承受反向電壓而截止；在電壓U2的負半周期時，二極管因受D2、D4正向偏壓而導通，D1、D3因承受反向電壓而截止。U2和UL的波形如圖4所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是全波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為 圖4 全

11、波整流電路的波形UOL=2U2m/p=U20.9U2=0.92220V （1）全波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電。由于4個二極管是兩兩輪流導通的，因此有IFIDO=0.5ULO/RL =0.45U2/RL=0.4520/10090mAb）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2=1.420=28V單相橋式整流電路與半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對二極管的參數(shù)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用高、脈動小等優(yōu)點，因此得到廣泛的應用。它的主要缺點是所需二極管的數(shù)

12、量比較多，由于實際上二極管的正向電阻不為零，必然使得整流電路內(nèi)阻較大，當然損耗也就比較大。2.4濾波電路電容濾波電路是最常見的也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個電容即構成電容濾波電路，如圖5所示：(a)(b) (c) 圖5 單相橋式整流電容濾波電路 (a)Multisim仿真電路圖，（b）實際電路圖（c）波形圖該電路工作原理：設U2= U2msinwt=U2sinwt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期還是在負半周期，電源電壓U2一方面向RL供電，另一方面對電容C進行充電，由于充電時間常數(shù)很小（二極管導通電阻和變壓器內(nèi)阻很?。?，所以，很快充滿電荷，使電容兩端電壓UC基本接近U2

13、m，而電容上的電壓是不會突變的?，F(xiàn)假設某一時刻U2的正半周期由零開始上升，因為此時電容上電壓UC基本接近U2m，因此U2UC，D1、D2、D3、D4管均截止，電容C通過RL放電，由于放電時常數(shù)td=RLC很大（RL較大時），因此放電速度很慢，UC下降很少。與此同時，U2仍按 U2sinwt的規(guī)律上升，一旦當U2UC 時，D1、D3導通，U2對C充電。然后，U2又按 U2sinwt的規(guī)律下降，當U2UC 時，二極管均截止，故C又經(jīng)RL放電。同樣，在U2的負半周期也會出現(xiàn)與上述基本相同的結果。這樣在U2的不斷作用下，電容上的電壓不斷進行充放電，周而復始，從而得到一近似于鋸齒波的電壓UL= UC，使

14、負載電壓的紋波大為減小。由以上分析可知，電容濾波電路有如下特點：a）RLC越大，電容放電速度越慢，負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取 RLC(35)T/2 式中，T為交流電源電壓的周期。由上式可以解得 C =(35)T/2 RL400Fb）RL越小輸出電壓越小。若C值一定，當RL，即空載時有ULO= U21.4 U2。當C=0，即無電容時有ULO0.9 U2。當整流電路的內(nèi)阻不太大（幾W）和電阻RL電容C取值滿足上式時，有ULO(1.11.2) U2 總之，電容濾波適用于負載電壓較高、負載變化不大的場合2.5穩(wěn)壓電路 雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換

15、為較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當電網(wǎng)電壓波動時，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應的波動；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當負載變化時，內(nèi)阻上的電壓將產(chǎn)生相反的變化，于是輸出電壓平均值也將隨之產(chǎn)生相反的變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會隨著電網(wǎng)電壓的波動而波動，隨著負載電阻的變化而變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。 1.簡單穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路如圖6所示： 圖6 穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的原理實際上是利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時電流可在較大范圍內(nèi)變動但擊穿電壓卻基本不變的特點而實現(xiàn)的。當輸入電壓變化時，輸

16、入電流將隨之變化，穩(wěn)壓管中的電流也將隨之同步變化，結果輸出電壓基本不變；當負載電阻變化時，輸出電流將隨之變化，但穩(wěn)壓管中的電流卻隨之作反向變化，結果仍是輸出電壓基本不變。顯然，穩(wěn)壓管反向擊穿特性曲線越陡峭，穩(wěn)壓特性越好。下面討論R的取值范圍。參見圖7，設為保證穩(wěn)壓作用的所需的流過穩(wěn)壓二極管的最小電流為Izmin，為防止電流過大從而造成損壞所容許的流過穩(wěn)壓二極管的最大電流為Izmax，即要求IzminIzI2max。當UI最大和RL開路時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時應有；當UI最?。ú恍∮赨z）和RL最小（不允許短路）時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時應有。即 一般來說，在穩(wěn)壓二極管安全工作

17、的條件下，R應盡可能小，從而使輸出電流范圍增大。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的優(yōu)點是電路簡單，所用元器件少；但是，因為受穩(wěn)壓管自身參數(shù)的限制，其輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，因此只適用于負載電流較小，負載電壓不變的場合。 2.三端集成穩(wěn)壓器電路集成穩(wěn)壓器與簡單穩(wěn)壓電路相比其電路結構簡單，它可以通過外接元件使輸出電壓得到很寬的調(diào)節(jié)范圍。并且內(nèi)部有過熱保護、過流保護等保護電路，可以很安全的保護電路的正常工作。圖7時由LM317組成的基準電壓源電路，電容Co用于消除輸出電壓中的高頻噪音，可取小于1F的電容。輸入端和調(diào)整端之間的電壓時非常穩(wěn)定的電壓，其值為1.25V。輸出電流可達1.5A。 圖7 由LM317組成的

18、穩(wěn)壓電路 由于調(diào)整端的電流可忽略不計，輸出電壓為Uo=(1+R2/R)1.25V為了減少R2上的紋波電壓，可在其上并聯(lián)一個10F電容C。但是，在輸出開路時，C將向穩(wěn)壓器調(diào)整管發(fā)射結反偏，為了保護穩(wěn)壓器，可加二極管D2，提供一個放電回路，D1,D2起保護作用。如圖8所示： 圖8 加保護二極管的電路由于設計要求電壓從零開始調(diào)起，LM317集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需要設計一個電壓補償電路來抵消LM317的1.25V最小輸出電壓，如圖9所示， 圖9 電壓補償電路 電壓補償電路由R3和二極管D組成，其輸出電壓Uo=U-UD,其中，U為LM317的輸出端電壓，UD為二極管D的正向壓降。UD即為補償電壓

19、。其值略大于LM317的基準電壓（1.25V），這里用兩只串聯(lián)的硅材料整流二極管的導通壓降來實現(xiàn)。當調(diào)節(jié)R2 減少,使U3達到與UD 相等時,輸出電壓即為0V。之后,當調(diào)節(jié)R2逐漸增大時, U0即由0V 開始增大。由于負載電流流過D ,故D 的最大工作電流應能適應負載電流的要求。上圖中輸出電壓的表達式為：Uo =(1+R2/R1)1.25-1.4。 由于LM317工作時必須大于其最小工作電流，所以一般R1小于240,在此令R1=100，根據(jù)上式可以求出R2max1.5K。3. 方案實施 3.1 設計步驟 1.電路圖設計（1）確定目標：設計整個系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個模塊之間的信號傳輸，并畫出

20、直流穩(wěn)壓電源方框圖。（2）系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。2.電路安裝、調(diào)試（1）在每個模塊電路的輸入端加一信號，測試輸出端信號，以驗證每個模塊能否達到所規(guī)定的指標。（2）重點測試穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)。（3）將各模塊電路連起來，整機調(diào)試，并測量該系統(tǒng)的各項指標。3.2 實際采用電路圖圖10 Multisim仿真圖3.3 Altium Designer原理圖圖11 Altim Designer原理圖4. 結果與結論4.1 Multisim仿真結果圖12 是當P1開關閉合，電路是固定直流電壓源，輸出電壓理論值為5V。圖12 P1閉合固定電源輸出圖13是當P2開關閉合，電路是固定直流電

21、壓源，輸出電壓的理論值為12V。圖13 P2閉合固定電源輸出圖14是當P3開關閉合，電路是連續(xù)可調(diào)直流輸出電壓源，輸出范圍理論值為1.2515V （a） （b）圖14 連續(xù)可調(diào)電路（a）輸出電壓最大值（b）輸出電壓最小值4.2 Altium Designer 設計結果圖15 pcb圖4.3結論 直流電源為單相小功率電源，是將頻率為50Hz.有效值為220V的單相交流電源電壓轉(zhuǎn)換成幅值穩(wěn)定的直流源。穩(wěn)定值分別為5.04V.11.99V。以及連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓直流源，其輸出電壓最大為15.50輸出最小電壓為1.27V。電流為幾十的直流電流。5.收獲與致謝 5.1收獲 鑒于是第一次設計做板，所以作品也不是非常的好，以后有時間還是會多做，盡量的做出最好的。這一次的課程設計是一次理論與實際相結合的具體體現(xiàn)。它使我受益非淺：1、它鍛煉及培養(yǎng)了我的耐性，將會讓我做每一件事情都會耐心地對待；2、經(jīng)過這次課程設計，我學會了如何使用Protel 繪制原理圖以及導入PCB圖，增強了我自學的信心；它培養(yǎng)了我的動手能力（在這次設計之前我都是很少自己動手做設計的），讓我對動手產(chǎn)生了更大的興趣；4、它讓我認識到了：成功地制板的嚴格工序，它的每一步都必須嚴格地按要求實際操作；5、它也讓我懂得了仔細檢查的重要性，也增強了我的細心度；6、從中我深深地體會到動手能力對于我們專業(yè)的重要性，也驗證了實踐才是