直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

1、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目名稱(chēng)：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：指導(dǎo)教師：成績(jī)：1課程設(shè)計(jì)任務(wù)和要求22方案設(shè)計(jì)23單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算44總原理圖及元器件清單95安裝與調(diào)試116性能測(cè)試與分析127結(jié)論與心得14148參考文獻(xiàn)課程設(shè)計(jì)題目:直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和要求：1）用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計(jì)固定的正負(fù)直流電源（±12V）。2）輸出可調(diào)直流電壓，范圍：L5S15V：3）輸出電流:I0m21500mA：（要有電流獷展功能）4）穩(wěn)壓系數(shù)SrW0.05；具有過(guò)流保護(hù)功能。二、方案設(shè)計(jì):穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，如

2、下圖1所示，其整流與穩(wěn)壓過(guò)程的電壓輸出波形如圖2所示。圖1穩(wěn)壓電源的組成框圖圖二整流與穩(wěn)壓過(guò)程波形圖電網(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。降壓后的交流電壓，通過(guò)整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動(dòng)大）。脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過(guò)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。濾波后的直流電壓，再通過(guò)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，供給負(fù)載RL。方案一、單相半波整流電路半波單相整流電路簡(jiǎn)單，電路及其電壓輸出波形分別如圖3、圖4所示，使用元件少，它只對(duì)交流電的一半波

3、形整流，其輸出波形只利用了交流電的一半波形則整流效率不高，且輸出波形脈動(dòng)大，其值為：展“2/njtS=、=241.57,直流成分小，%二丁%0.4502,變壓器利用率低。圖3單相半波整流電路八K.III而圖4單相半波整流電路電壓輸出波形圖方案二、單相全波整流電路使用的整流器件是半波電路的兩倍，整流電壓脈動(dòng)較小，是半波的一半，無(wú)濾波電路時(shí)的輸出電壓"。二0.9"2,變壓器的利用率比半波電路的高，整流器件所承受的反向電壓要求較高。方案三、單相橋式整流電路單相橋式整流電路使用的整流器件較多，但其實(shí)現(xiàn)了全波整流電路，它將a的負(fù)半周也利用起來(lái)，所以在變壓器副邊電壓有效值相同的情況下，

4、輸出電壓的平均值是半波整流電路的兩倍，且如果負(fù)載也相同的情況下，輸出電流的平均值也是半波整流電路的兩倍，且其與半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對(duì)二極管的參數(shù)要求一樣，還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。所以綜合三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)決定用方案三。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算整流電路采用單相橋式整流電路，電路如圖5所示,7vdvvd不7Kvd2圖5單相橋式整流電路當(dāng)“2。時(shí)，電流由+流出，經(jīng)°1、勺、°2流入-，即D1、02導(dǎo)通，D3、？截止：當(dāng)"2<0時(shí)，電流由-流出，經(jīng)03、勺、“4流入+,即03、°4導(dǎo)通，01、02截止。電路的

5、愉出波形如圖6所示。0才2、3：4k圖6單相橋式整流電路輸出波形在橋式整流電路中，每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即：0二2/01電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為202（U2是變壓器副邊電壓有效值），在設(shè)計(jì)中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過(guò)電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使愉出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，直流輸出j電壓：“01二（L1.2）”2,直流輸出電流：Zoi=（1.5-2）（4是變壓器副邊電流的有效值），穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路。±12V直流穩(wěn)

6、壓電源電路總體原理電路圖如圖7所示，可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源電路總體原理電路圖如圖8所示，電流擴(kuò)展直流穩(wěn)壓電源電路總體原理電路圖如圖9所示：D5圖8可調(diào)式直流穩(wěn)壓電圖9電流可拓展直流穩(wěn)壓電源電路1.選集成穩(wěn)壓器，確定電路形式（1）、在±12V直流穩(wěn)壓電源電路實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)壓電路，采用固定式三端穩(wěn)壓器，主要使用了集成塊78系列及79系列。78XX系列輸出為正電壓，輸出電流可達(dá)1A,如7812的輸出電流為5mAlA,它的輸出電壓為12V。和78XX系列對(duì)應(yīng)的有79XX系列，它輸出為負(fù)電壓，如7912表示愉出電壓為-12V和輸出電流為5mAiA。故稱(chēng)之為三端式穩(wěn)壓器,典型應(yīng)用電路圖如圖10所示。圖1

7、0應(yīng)用電路圖（2）、在可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源電路中要求輸出電壓可調(diào)，所以選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器LM317,其特性參數(shù)%二+1.2V+37V,Z0i.5A,最小輸入、輸出壓差（匕-%）”面=3%最大輸入、輸出壓差'匕-V。）ms=40V,能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，故選用LM317組成的穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構(gòu)成的可調(diào)電壓穩(wěn)壓電源。電路系列的引腳功能相同，典型電路如圖12所示與“Pl組成電壓R.輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓與*125（1+內(nèi)叫）式中1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間的固有參考電壓

8、VREF,此電壓加于給定電阻用兩端，將產(chǎn)生一個(gè)恒定電流通過(guò)輸出電壓調(diào)方電位器“P1,電阻s常取值120240Q,取片=240。，則m匚48C,Rpi*=2.64kQ,故取Rpi為5k。的精密線(xiàn)繞可調(diào)電位器，與其并聯(lián)的電容器C可進(jìn)一步減小輸出電壓的紋波。圖中加入了二極管D,用于防止輸出端短路時(shí)10nF大電容放電倒灌入三端穩(wěn)壓器而被損壞。o圖12（3）、在電流擴(kuò)展中用大功率三極管TIP41c和LM7812穩(wěn)壓器，TIP41c三極管為NPN管，主要參數(shù)為：最大工作電壓100V,最大工作電流6A,最大耗散功率65孔設(shè)三端穩(wěn)壓器的最大輸出電流為，0加"，則晶體管的最大基極電流"皿Jo

9、mu-R,因而負(fù)載電流的最大值為knaq（1+b）（%，皿H）,故其負(fù)載采用大功率的電阻，取&L=3.9Q,為10W的電阻。圖中二極管用于消除“BE對(duì)輸出電壓的影響。2.選擇電源變壓器電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓火變換成整流濾波電路所需要的交流電壓“2,通常根據(jù)£1變壓器副邊輸出的功率2來(lái)選用變壓器。變壓器副邊與原邊的功率比為：弓二n,式中，n為變壓器的效率。一般小型變壓器的效率如表1所示。功率P?心<10103030x8080200功率n0.60.70.80.85由LM317愉入電壓與輸出電壓最小壓差：（*-V。）mi23V,最大壓差為：（匕-%）*=4

10、0V,可得到LX317的輸入電壓范圍為:-丫0）收公乙而+（卜-v0）_15V+3VW匕Wl.5V+40V18VW匕W4L5V副邊電壓匕取1，2=17V,副邊電流/2>/omc21.5A,取2二1A,通過(guò)電流擴(kuò)展可達(dá)到21.5A,則變壓器副邊輸出功率P2，12V2=25.5W。由表1可得到變壓器的效率20.7,則原邊輸入功率力:36.43孔為留有余地，選功率為50W的電源變壓器。3.選整流二極管及濾波電容(1)、在±12V直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)中整流二極管D選N4007即可，其極限參數(shù)為喙M'lOOOV,ZF=1A,滿(mǎn)足喙嚓。濾波電容容量較大，一般采用電解電容器，選用33

11、00uF/50V即可。電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。(2)、在可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源電路及電流擴(kuò)展直流穩(wěn)壓電源電路中整流二極管D選1N4007,其極限參數(shù)為喙M21000V,k1A。滿(mǎn)足“W*%的條件。濾波電容C可由紋波電壓和穩(wěn)壓系數(shù)來(lái)確定，濾波電路的電路圖如圖14(a)所示，其輸出電壓波形如圖14(b)、(c)所示，將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸Ｒ阎?15V,匕二18V,取A'oP-PKmV,$,二().005V0.05,符合要求，則穩(wěn)壓器的輸入電壓的變化量：匕二九£2.2V濾波電容：O%二匕二3636H電容的耐壓應(yīng)大于72%二23。故取2只33

12、00uF/50V的電容相并聯(lián)。(b)(a)(c)圖14濾波電路及其輸出波形四、總原理圖及元器件清單1.可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源總原理圖如圖15所示，±12V直流穩(wěn)壓電源總原理圖如圖16所示，電流擴(kuò)展直流穩(wěn)壓電源電路總原理圖如圖17所示：圖15可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源總原理圖D51N4007圖16±12V直流穩(wěn)壓電源總原理圖圖17電流可拓展直流穩(wěn)壓電源電路2.元件清單:元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)%保險(xiǎn)管1A電解電容220fiF/S0V%變壓器±15V°3、%電解電容10F/50HD、%、%。4、。5、。6二極管1N4007URM21000V,1A電解電容

13、1M/50U二極管1N4148力75V,25nAg三端穩(wěn)壓器LM7912-12VQ1三極管TIP41C100V,6A,65W“2三端穩(wěn)壓器LM7812+12VLED1、LED2發(fā)光二極管U2三端穩(wěn)壓器LM3171.2537V的、c2電解電容3300/4F/5017R、J?、3電阻1KQ°3、%電解電容O.22F/5oiz公大功率水泥電阻low,3.9Q。5、C6電解電容0.47/F/50KR2電阻120Q五、安裝與調(diào)試因以上各電路非常相似，很接近，只是在小范圍有點(diǎn)差別，所以在安裝和調(diào)試時(shí)是類(lèi)似的，安裝調(diào)試如下：1 .首先在變壓器的原邊接入保險(xiǎn)絲FU，以防電路短路損壞變壓器或其他元器件

14、，其額定電流要略大于選FU的熔斷電流為1A,各元器件按理論電路圖正確焊接，注意布局緊密，不出現(xiàn)虛焊或漏焊。2 .先選好適當(dāng)大小的電路板，再合理布局。3 .安裝時(shí)先安裝較小的元器件，先安裝集成穩(wěn)壓電路，再安裝整流電路，最后安裝濾波電路，有三極管時(shí)因三極管對(duì)溫度很敏感，所以要最后安裝，但在安裝的過(guò)程中要特別注意電容、二極管和三極管TIP41c的極性，并且要注意LM7812、LM7912和LM317管腳的接法。注意安裝要一級(jí)測(cè)試一級(jí)，檢查電路安裝無(wú)誤后，再連接安裝變壓器。4 .接通電源后，靜置一會(huì)待電路穩(wěn)定后沒(méi)出現(xiàn)任何故障(如芯片被燒等)再進(jìn)行測(cè)量，若出現(xiàn)類(lèi)似狀況應(yīng)立即斷開(kāi)直流電源，檢查問(wèn)題所在并及

15、時(shí)排除故障再進(jìn)行測(cè)量。用萬(wàn)用表分別測(cè)量變壓器原、副邊線(xiàn)圈的輸出電壓，濾波后的輸出電壓，7812,7912的輸入和輸出電壓。對(duì)于穩(wěn)壓電路則主要測(cè)試交成穩(wěn)壓器是否能正常工作。其輸入端加直流電壓oW18V,調(diào)節(jié)RP1,輸出電壓/隨之變化，說(shuō)明穩(wěn)壓電路正常工作。整流濾波電路主要是檢查整流二極管是否接反，安裝前用萬(wàn)用表測(cè)量其正、反向電阻。接入電源變壓器，整流輸出電壓匕應(yīng)為正。斷開(kāi)交流電源，將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路相連接，再接通電源，輸出電壓.為規(guī)定值，說(shuō)明各級(jí)電路均正常工作，可以進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試。六、性能測(cè)試與分析1 .±12V直流穩(wěn)壓電源的性能測(cè)試：依次用萬(wàn)用表的250V的交流檔測(cè)量變

16、壓器的原邊電壓，25V的交流檔測(cè)量變壓器的副邊電壓，25V直流檔測(cè)量濾波后的輸出電壓、穩(wěn)壓器的輸入電壓和電路的最后輸出電壓，并記錄測(cè)試結(jié)果如下表：變壓器原邊電壓變壓器副邊電壓濾波后的輸出電壓穩(wěn)樂(lè)器的輸入電壓輸出電壓220V50HZU,U1u1.r+15V-15V-18.IV-18.IV+18.IV-18.IV-12.05V-11.95V相對(duì)誤差計(jì)算：其中變壓器的副邊電壓的理論值為±15V,濾波后的輸出電壓的理論值為I01=1.22=1.2*15V=18V,U01=1.2(/2=1.2*(-15)V=-18V,輸出電壓的理論值為“。2二+12V,“。"-12丫，則有：變壓器副

17、邊電壓的相對(duì)誤差：%二(15-15)+15*100%二0%a2=(15-15)+15*100%二0%；濾波后的輸出電壓的相對(duì)誤差：bi=|18-18.1!+18.1*100%=0.55%b2=(-18+18.1)+18.l*100%=0.55%輸出電壓的相對(duì)誤差：C'l=12-12.051+12.05*100%=0.41%C2=1-12+11.95!+U.95*100%=0.42%2 .可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的性能測(cè)試按圖18電路的連接方法進(jìn)行穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)測(cè)試，輸出端接負(fù)載電阻勺，連接好測(cè)試電路圖檢查無(wú)誤后通電，輸入端接220V的交流電壓，先將萬(wàn)用表打到25V電壓的直流檔，然后接上萬(wàn)用

18、表對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，由小到大慢慢地調(diào)fi穩(wěn)壓電路中的5K電位器，觀(guān)察萬(wàn)用表的讀數(shù)，并記錄測(cè)試的結(jié)果為輸出電壓可調(diào)范圍為：L5V-15V,記錄完數(shù)據(jù)后迅速調(diào)打電位器使輸出端電壓減小，再斷電。di=(l.5-1.5)1.5*100V0%d2=(15-15)+15*100虻0%3 .電流擴(kuò)展直流穩(wěn)壓電源的性能測(cè)試先將萬(wàn)用表打到5A直流檔，再接通電源，直接將用萬(wàn)用表串聯(lián)到電路中大功率的電阻的輸出端，然后讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù)后斷電，輸出電流為。=1.6A,理論輸出電流為。二(1+B)(/o"QR)21.5A,也可按圖18電路連接方法測(cè)量輸出電流。測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合要求"'LSA,

19、所以不存在誤差。4 .穩(wěn)壓系數(shù)的測(cè)試在本實(shí)驗(yàn)中由于沒(méi)有自藕變壓器，不能調(diào)行輸入交流電的電壓，從而無(wú)法測(cè)試穩(wěn)壓系數(shù)但穩(wěn)壓系數(shù)的測(cè)試方法為：用圖18測(cè)試，先調(diào)行自藕變壓器使輸入電壓增加10樂(lè)即匕=242V,測(cè)量此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓與1：再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓減少10%,即=198V,測(cè)量這時(shí)的輸出電壓“02,匕=220V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓,則穩(wěn)壓系數(shù)為：A乙/0iz/0V-VAl"220。2Sy/Vt-242-198,%5 .產(chǎn)生誤差的原因：綜上數(shù)據(jù)計(jì)算與處理和誤差計(jì)算分析，本實(shí)驗(yàn)在誤差允許的范圍內(nèi)，符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，存在誤差的主要原因有：(1) .實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器萬(wàn)用表本身存在缺陷，不精確，可采用更高精確度的儀器去測(cè)量；(2) .實(shí)驗(yàn)器材受環(huán)境溫度的影響。如二極管和三極管對(duì)溫度比較敏感，易受溫度的影響，使得測(cè)量數(shù)據(jù)有所偏差：(3) .焊接不緊或