直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計.docx

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1、電子技術(shù)課程設(shè)計題目名稱： 直流穩(wěn)壓電源姓 名：指導老師：學 號：班 級：太原科技大學機械工程學院摘要電子設(shè)備中都需要穩(wěn)定的直流電源，功率較小的直流電源大多數(shù)都是將50Hz的交流電經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后獲得。整流電路用來將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。 電子設(shè)備都離不開直流電源。許多電子設(shè)備要由電力網(wǎng)上的交流電所變化的直流電來提供電。根據(jù)電子設(shè)備的不同，對電源的要求也不一樣。比如說，有的電子設(shè)備消耗功率大些，就要求直流電源提供較大的功率；

2、有的電子設(shè)備的工作性能對電壓波動很敏感，就要求電源的輸出電壓要穩(wěn)定、紋波系數(shù)要小；也有的要求直流電源輸出的電壓可調(diào)。關(guān)鍵字：直流穩(wěn)壓電源 輸出電流擴展 目錄一、引言11.設(shè)計任務(wù)12.設(shè)計要求1三、整體構(gòu)思1四、具體實現(xiàn)21.整流電路方案選擇22.濾波電路方案選擇43.穩(wěn)壓電路方案選擇7五、各部分定性說明及定量計算106、 設(shè)計結(jié)果展示11七、問題及排除措施13八、設(shè)計心得體會14九、參考文獻14一、引言當今社會人們極大的享受著電子設(shè)備帶來的便利，但是任何電子設(shè)備都有一個共同的電路-電源電路。而直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣?/p>

3、電。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設(shè)計主要采用直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并實現(xiàn)電壓可調(diào)。對本次課程設(shè)計，原則上指導老師只給出大致的設(shè)計要求，在設(shè)計思路上不框定和約束同學們的思維，所以同學們可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造性，有所發(fā)揮，并力求設(shè)計方案凝練可行、思路獨特、效果良好。但是由于設(shè)計者的水平有限，設(shè)計過程中難免有缺點和錯誤，敬請老師給予批評和指正。2、 設(shè)計任務(wù)及要求1.設(shè)計任務(wù)直流穩(wěn)壓電源2. 設(shè)計要求輸出電壓可以在310v連續(xù)調(diào)節(jié)，且輸出電流可擴展。并且要求適當考慮如何采取短

4、路保護措施。并在實驗過程中切忌由于操作不慎，發(fā)生輸出短路，燒毀變壓器。三、整體構(gòu)思根據(jù)要求設(shè)計穩(wěn)壓直流電源，輸出電壓在3V到10V之間，所以根據(jù)所學模擬電子技術(shù)知識應該先有一個變壓器可將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀冊O(shè)計電源所需要的電壓大小，所以設(shè)計電路的最先一部就應該是變壓器的變壓了。但是變壓器的種類多多，所以首先我們要選擇變壓器了。然后已經(jīng)得到了我們所需的交流電壓，接下來我們叫要考慮怎樣將交流電變換為直流電了，因為我們要做的就是直流穩(wěn)壓電源。下一步就應該是整流部分了，是交流電轉(zhuǎn)換為直流電。整流電路也是種類繁多所以整流電路就應該是我們所考慮的了。通過變壓和整流我們所得到的直流電，但是并不符合最后的

5、要求，根據(jù)所學的知識我們所得到的直流電還是會隨著電網(wǎng)電壓的變換而變化，不是一個穩(wěn)定的直流電，因此緊接著需要做的就是濾波電路和穩(wěn)壓電路。經(jīng)過這幾步我們進行組合我們已經(jīng)能夠得到一個穩(wěn)壓直流電源了。如圖1 圖 14、 具體實現(xiàn) 對直流穩(wěn)壓電路的四部分電路進行方案設(shè)計選擇，四部分電路分別是電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。1、 整流部分的選擇整流電路部分可供選擇的有兩個方案。方案一、單相半波整流電路方案二、單相橋式整流電路方案一單相半波整流電路如圖2工作原理： 圖4-1設(shè)變壓器副邊電壓的有效值為U2。則其瞬時值 在的正半周，A點為正，B點為負，二極管導通，電流從A流出，經(jīng)過二極管D和負載電阻流

6、入B點，。在的負半周，B點為正，A點為負，二極管外加反向電壓，因而處于截止狀態(tài)，。負載電阻電阻的電壓和電流都具有單一方向脈動的特性。主要參數(shù)： S愈大脈動愈大特點：半波整流電路有結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件少等優(yōu)點，但是輸出波形脈動大，直流成分低；變壓器有半個周期不導電，利用率低；變壓器電流含有直流成分，容易飽和，輸出電流小。方案二單向橋式整流如圖3 圖3工作原理：設(shè)變壓器副邊有效值為U2則瞬時值U2sin。當U2位正半周時，電流有A點流出，經(jīng)過D1.RL.D3流入B點，因而負載電阻RL上的電壓等于變壓器副邊電壓即U0=U2，D2、D4管承受的反相電壓為-U2，當U2為負半周時，電流由B點流出經(jīng)D2、

7、RL、D4流入A點，負載電阻RL上的電壓等于-U2，D3、D1承受的反相電壓為U2。由于D1、D3和D2、D4兩隊二極管交替導通，致使負載電阻RL上在U2的整個周期都有電流（反向不變）通過。單向橋式整流帶電路采用了四只二極管組成了電橋電路。四只二極管每兩只輪流工作，完成了對支流電源的整流作用，輸出為全波脈動電壓。橋式整流電路輸出波形脈動較小，輸出電壓高，對二極管的要求低，但是相對于半波整流他的結(jié)構(gòu)相對復雜。 參數(shù)電路S半波整流0.451571001.41橋式整流0.967501.41綜上所述兩種方案，單向橋式整流電路更實用效率高要求低，所以選擇橋式整流電路作為整流部分。2、 濾波電路的選擇根據(jù)

8、所學知識并查文獻一，濾波電路部分主要有五種方案。分別是電容濾波、電感濾波、LC濾波、型濾波、型濾波方案一電容濾波如圖5 圖5工作原理：在U2的正半周，當D1、D2導通時，除了有一個電流i0流向負載外同時還有一個電流ic流向電容充電，電容電壓Uc的極性為上正下負，如果忽略二極管內(nèi)的電阻，則在二極管導通時Uc=U0=U2，當U2達到最大值時開始下降，此時電容上的電壓UC也將由于放電開始下降，當Uc=U2時二極管D1、D2倍反向偏執(zhí)，因而不導電，于是Uc以一定得規(guī)律下降。特點：電容濾波的結(jié)構(gòu)簡單因而常被采用。電容濾波適用于小電流負載，它的外特性比較軟，采用時二極管中將流過較大的沖擊電流。方案二電感濾

9、波如圖6 圖6工作原理：當輸出電流發(fā)生變化時，L中將感應出一個反電動勢，其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。在半波整流中，這個反電動勢將是整流管的導通角大于180度，在橋式整流中在U2極性由正變負后，雖然L上的反電勢有助于D1、D2繼續(xù)導電，但是由于此時D3、D4導電，變壓器二次電壓全部加在D1、D2兩端，是D1、D2反向截止。特點：降低了輸出電壓的脈動成分。外特性比較硬。電流輸出波形比較平滑，避免了產(chǎn)生較大的沖擊電流。缺點：輸出電壓較低，設(shè)備比較笨重。方案三LC濾波電路如圖7工作原理：實際上是電感和電容基本特性的組合利用輸出電壓的交流成分絕大部分降落在電感上，電容C對交流接近于短路，由于整流后先進行電

10、感濾波，總特性與電感濾波電路相近。LC濾波電路外特性比較好，輸出電壓對負載影響小，電感元件限制了電流的脈動峰值，減小了對整流二極管的沖擊。方案四LC-型濾波電路如圖8 圖8 工作原理：輸出電壓經(jīng)過電容C1，濾除了交流成分后，在經(jīng)過電感濾波，電容C2上的交流成分減少，因此濾波電路的輸出波形更加平滑， 優(yōu)點：輸出電壓的脈動系數(shù)比僅有LC濾波時更小，波動更加平滑。 缺點：鐵芯電感體積大，笨重，成本高，使用不便。整流管沖擊電流較大，外特性比較軟。 方案五RC-型濾波電路如圖9 圖9 工作原理：電阻對交流和直流成分均產(chǎn)生壓降，所以會使輸出電壓下降，電容C1濾波后的輸出電壓絕大部分降在電阻RL上，RL越大

11、，C2越大，濾波效果越好。 缺點：適用于負載電流較小而又要求電壓脈動成分小的場合。序號 性能類型適合場合整流管的沖擊電流外特性1電容濾波小電流大軟2電感濾波0.9大電流小硬3LC濾波0.9適應性較強小硬4型濾波小電流大軟5型濾波小電流大更軟 綜上五種方案選用方案一電容濾波比較好。3、 穩(wěn)壓電路的選擇 根據(jù)所學知識及查閱文獻一，主要的穩(wěn)壓電路方案有兩種。 方案一：串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 方案二：三端穩(wěn)壓電路方案一串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖10 圖10工作原理：1、采樣電阻 有電阻R1、R2、R3組成。當輸出電壓發(fā)生變是，采樣電阻對變化量進行采樣，并傳送到放大電路的反相輸入端。2、放大電路 放大電路A的作用是將采

12、樣電阻送來的變化量進行放大，然后傳送到調(diào)整管的基極。3、基準電壓 基準電壓由穩(wěn)壓管VDz提供，接在放大電路的同相輸入端。采樣電壓與基準電壓進行比較，得到的差值再由放大電路進行放大。4、調(diào)整管 調(diào)整管接在輸入直流電壓U1與輸出端的負載電阻Rl之間，當輸出電壓Uo發(fā)生被動時，調(diào)整管的集電極電壓產(chǎn)生相應的變化，使輸出電壓基本上保持穩(wěn)定。當UI增大或IL減小而導致輸出電壓UO增大，則通過采樣以后反饋到放大電路反相輸入端的電壓UF也按比例的增加，但同相輸入端的基準電壓UZ保持不變，放大電路的差模輸入電壓UID=UZ-UF將減小，于是放大電路的輸出電壓減小，使調(diào)整管的基極輸出電壓UBE減小，則調(diào)整管的集電

13、極電流IC隨之減小，同時集電極電壓UCE增大，最后使輸出電壓UO保持基本不變。以上穩(wěn)壓過程可簡明表示：UI或ILUOUFUIDUBEICUCEUO優(yōu)點：輸出電壓在一定范圍內(nèi)可以調(diào)整。缺點：所用元器件比較多，比較復雜。方案二利用三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的輸出電壓可調(diào)的的穩(wěn)壓電路三端集成穩(wěn)壓器W78XX系列介紹如圖11 1 W78XX 2 3 圖11最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。W7800系列三端固定電壓穩(wěn)壓器、W117可調(diào)電壓型三端穩(wěn)壓器其內(nèi)部是采用串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，內(nèi)部集成有短路和過熱自我保護電路。W7800系列三端固

14、定電壓集成穩(wěn)壓器引腳功能。1端是輸入端2端是輸出端3端是公共端。三端集成穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12 圖12利用三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的輸出電壓可調(diào)的的穩(wěn)壓電路如圖13 圖13 由于設(shè)計任務(wù)要求電路可以擴展電流，故采用方案二，并加晶體管擴展電流通過以上各部分電路的選擇，最后設(shè)計的總體電路如下圖所示5、 各部分定量計算以及元件的選擇1、 電源變壓器的計算： 一般調(diào)整管的飽和管壓降在2V3V左右，而輸出最大電壓要求為10V，以飽和管壓降為3V計算，為了使調(diào)整管工作在放大區(qū)，則最小輸出電壓不能小于13V，為了保險起見，可選擇220V15V的變壓器。取最大輸出電流為1A，則功率P=UI=15W，故選取220V15V

15、，功率為20W的變壓器。2、 單橋整流中二極管的計算：由于U=15V，所以最高反向工作電壓=21.21V.最大整流平均電流為=/2=500mA通過查手冊，選擇1N4001，具體參數(shù)如下圖3、 濾波電容C的計算：=15V，=1.2=18V則求得=18，求得C=1670uF至2780uF。選取標準值2200uF4、 穩(wěn)壓電路部分的計算： 三端穩(wěn)壓塊選擇LM117K 其具體參數(shù)為1.2V to 37V三端正可調(diào)穩(wěn)壓器 運算放大器選擇UA741CP，其工作電壓Max. (V):36，工作電壓Min. (V):7，符合本電路要求 電容的選擇，=0.1uF,=1uF 電阻的選擇：由公式 以及任務(wù)要求3V1

16、0V，故選擇分別為240 500 1100。5、總結(jié)以上所需元件，列原件清單如下圖：元件名稱相關(guān)參數(shù)元件數(shù)量備注變壓器自耦變壓器1NLT-PQ-4-20二極管1N40014VD1、VD2、VD3、VD4濾波電容2200uF1C1、C2三端集成穩(wěn)壓器LM117K1三極管TIP41A1VT1電阻240歐1R1500歐1R21.1千歐1R3其余電容的選用0.1uF1C21uF1集成運放UA741CP16、 設(shè)計結(jié)果展示： 1、總電路圖：2、 最小電流輸出：3、 最大電壓輸出：因此本設(shè)計符合設(shè)計任務(wù)要求3V10V的調(diào)節(jié)，且輸出電流可擴展。七、遇到的問題及排除措施1、起初穩(wěn)壓電路的選擇上出現(xiàn)問題，剛開始

17、選擇的是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，雖然輸出電壓可以在3V10V進行調(diào)節(jié)，但是輸出電流不可擴展。原因是考慮方案時沒有全局觀念。2、選擇三端穩(wěn)壓塊時有錯誤，導致輸出電壓不可以在3V10V之間調(diào)節(jié)。因此在選擇芯片前要詳細了解芯片的詳細參數(shù)以及使用條件。八、設(shè)計體會 經(jīng)過本次的課程設(shè)計，我終于理解了理論聯(lián)系實踐的重要性，尤其是在電子技術(shù)方面。這次的課程設(shè)計讓我收獲很多。不僅增強了我們的動手能力而且也使我們對課本知識有了更深入的認識。通過本次的課程設(shè)計，我總結(jié)了一下幾點：第一，在設(shè)計過程中要有耐心，遇到問題時要沉住氣，不能浮躁，要耐心認真找出問題及時改正。第二，設(shè)計過程要有全局觀念，并要有一絲不茍的認真態(tài)度。第三，團隊合作很關(guān)鍵，在一個團隊內(nèi)，分工要明確，遇到問題應該一起討論一起解決，團隊合作是保證設(shè)計完成的關(guān)鍵因素。 此次設(shè)計加強了我們對設(shè)計的興趣。在這中我們認識到做什么都要有一個嚴謹?shù)膽B(tài)度和不畏艱難的心態(tài)才可能成功。同時也為以后的設(shè)計打堅實的基礎(chǔ)。九、參考文獻【1】 畢滿清 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 北京：電子工業(yè)出版社，2008.6【2】 畢滿清 電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計（第3版）.機械工業(yè)出版社，2005.7第 15 頁 共 18 頁