集成直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)--課程設(shè)計(jì).doc

武漢理工大學(xué)模擬電子課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 劉志雄 專業(yè)班級： 通信0806 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 集成直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 初始條件：20w變壓器lm317 ；lm7805 ；lm7812 ；lm7912 ；三端穩(wěn)壓芯片電阻、電容要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求） 已知條件 集成穩(wěn)壓器cw7812、cw7912及cw317，其性能參數(shù)請查閱集成穩(wěn)壓器手冊。 性能指標(biāo)要求 輸出電壓v。及最大輸出電流iomax (i擋 v。=12v對稱輸出，iomax=100ma；ii擋 v。=+5v，iomax=300ma；iii擋 v。=(+3 +9)v連續(xù)可調(diào)，iomax=200ma)；紋波電壓vop-p5mv，穩(wěn)壓系數(shù)sv510-3。 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備 雙蹤示波器cos5020 1臺 數(shù)字萬用表ut2003(4十位) 1只交流毫伏表da16 1只 自相變壓器 1只滑線電阻器 1臺 設(shè)計(jì)步驟與要求 參考51節(jié)。時(shí)間安排：第19周：理論講解第20周：理論設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試以及完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告第21周：答辯地點(diǎn)：鑒主15樓通信實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日集成直流穩(wěn)壓電源摘 要本課程設(shè)計(jì)是關(guān)于集成穩(wěn)壓直流電源的設(shè)計(jì)，主要采用了三端集成穩(wěn)壓芯片lm317、lm7812、lm7912、lm7805、進(jìn)行穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，通過變壓器將220v市電降壓后，經(jīng)過整流橋整流，將變壓后的交流電壓整流為直流脈沖波電壓輸出，經(jīng)過電容濾波，使輸入的電壓能夠在三端穩(wěn)壓芯片的輸入電壓范圍內(nèi)。經(jīng)過三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，在輸出端進(jìn)一步使用電容濾波方式進(jìn)行濾波，完成穩(wěn)壓輸出的要求。可以輸出三檔直流電壓，即 +5v、12v 、+3v +9v 連續(xù)可調(diào)。設(shè)計(jì)內(nèi)容中，主要包括了變壓模塊、整流模塊、濾波模塊、穩(wěn)壓模塊，而難于實(shí)現(xiàn)的是濾波與穩(wěn)壓，電容濾波效果不是很理想，但是在理論值上，可以達(dá)到，經(jīng)過調(diào)試，基本能達(dá)到要求。關(guān)鍵字直流電源 方案的選擇 仿真 收獲abstract this course is designed on the integration of regulated dc power supply design, the main uses an integrated three-terminal regulator chip, lm317, lm7812, lm7912, lm7805, for regulator design, by the step-down transformer to 220v electricity, after a rectifier bridge rectifier, after the transformer rectified ac voltage to dc voltage output pulse after filtering capacitor, the input voltage can be three-terminal regulator chip input voltage range. after a three-terminal voltage regulator voltage regulator, the further use of the output filter capacitor filter the way to complete the regulated output requirements. third gear can output dc voltage, that is, +5 v, 12v, +3 v +9 v continuously adjustable.design content that includes a transformer module, rectifier module, filter module, voltage regulator module, and difficult to achieve the filtering and voltage regulator, capacitive filtering effect is not very satisfactory, but the theoretical value, it can be achieved through the commissioning, can basically meet the requirements.目錄1 總體電路設(shè)計(jì)51.1 設(shè)計(jì)要求和整體電路圖51.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析51.1.2 整體電路圖51.2電路方案選擇61.2.1 采用分立元件與集成穩(wěn)壓器件的比較61.2.2 用三端穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)方案選擇61.3電路模塊設(shè)計(jì)和元器件參數(shù)選擇71.3.1 變壓器模塊71.3.3 濾波模塊101.3.4 穩(wěn)壓模塊122 仿真結(jié)果及分析153 實(shí)物測試過程及結(jié)果分析174 數(shù)據(jù)分析及性能評價(jià)185 模擬電子技術(shù)課設(shè)的收獲和體驗(yàn)196 元器件清單207 參考文獻(xiàn)資料211 總體電路設(shè)計(jì) 1.1 設(shè)計(jì)要求和整體電路圖 1.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 該設(shè)計(jì)課題要求有三檔直流電源輸出，分別為12v、+5v、+3 +9v三種不同的電壓值。并且采用220v交流供電，初步設(shè)想需要變壓器，使220v交流轉(zhuǎn)換成低電壓交流信號。再經(jīng)過整流電路，將交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?，最后?jīng)過濾波與穩(wěn)壓，最終輸出三檔直流信號，達(dá)到設(shè)計(jì)的初步要求。在設(shè)計(jì)過程中，紋波電壓vop-p5mv是十分難辦到的， 需要在濾波過程中注意。1.1.2 整體電路圖 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，電路流程圖如下：220v交流電u1變壓器u2輸出uo整流電路u3穩(wěn)壓電路濾波電路u4圖1.1 1各流程模塊輸出電壓波形：圖1.1 2流程圖模塊說明：電源變壓器: 將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路: 將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路: 將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4穩(wěn)壓電路: 清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。1.2電路方案選擇 1.2.1 采用分立元件與集成穩(wěn)壓器件的比較集成穩(wěn)壓電源中，集成電壓調(diào)整器和開關(guān)電源集成控制器的電路形式與分立元件電路路大體相同，例如，串聯(lián)線性集成電壓調(diào)整器基本上也是由取樣、比較放大、基準(zhǔn)源、調(diào)整電路等部分所組成，但作為集成電路還有一些使串聯(lián)線性集成電壓調(diào)整器在電路形式上與分立元件電路有所不同的特點(diǎn)： 一、在集成電壓調(diào)整器的電路中，比較放大部分均采用對稱性好、溫漂小的差動放大電路，以利于提高其質(zhì)量。 二、集成電壓調(diào)整器的輸出功率大都超過1w，所以，它是一種功率集成電路。要使它具有良好的技術(shù)性能，熱效應(yīng)是一個(gè)必須考慮的重要因素。這就要求在基準(zhǔn)電壓源(參考電壓源)設(shè)計(jì)時(shí)，必須設(shè)置零溫度系數(shù)的輸出基準(zhǔn)電壓(或參考電壓)。 三、集成電壓調(diào)整器的電路小，除限流、短路、安全工作區(qū)等保護(hù)外，為防止熱破壞，還應(yīng)有熱保護(hù)電路，即熱關(guān)斷電路。 四、因?yàn)榫图呻娐范?，多增加幾只晶體管并不難，因此，為了提高其電性能，往往把集成電壓調(diào)整器的電路設(shè)計(jì)得比分立元件電路稍微復(fù)雜一些。 五、為了擴(kuò)大應(yīng)用范因，在集成電壓調(diào)整器的電路設(shè)計(jì)中，必須考慮使其具有外接元件的靈活性。 六、由于集成電路自身的特點(diǎn)，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，一方面應(yīng)盡量采用晶體管，少用電阻、電容，避免電感；另一方面，其性能應(yīng)僅僅同電阻相對值有關(guān)即電阻比值有關(guān)，避免與電阻絕對值有關(guān)。七、分立元件結(jié)構(gòu)簡單，可用常用分立元器件，容易實(shí)現(xiàn)，技術(shù)成熟，完全能夠達(dá)到技術(shù)參數(shù)的要求，造價(jià)成本低，精確度不是太高；八、集成穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓部分需采用一塊三端穩(wěn)壓器其他分立元器件，元器件先進(jìn)，技術(shù)成熟，完全能達(dá)到題目要求，性能較方案一需優(yōu)越一些，但成本高。綜上分析，按照本設(shè)計(jì)課程的要求，采用分立元件設(shè)計(jì)電路成本低，易于購置。但是設(shè)計(jì)、調(diào)試難度太大，周期很長，尤其是短時(shí)間內(nèi)手工制作難以保證可以實(shí)現(xiàn)，且難得達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故采用集成穩(wěn)壓器件設(shè)計(jì)電路。1.2.2 用三端穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)方案選擇1 電路工作原理由電源變壓器將電網(wǎng)220v的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓，整流二極管組成單相橋式整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓，再經(jīng)濾波電容濾除紋波。經(jīng)過穩(wěn)壓器件，可調(diào)式三端穩(wěn)壓器能輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓，lm7805輸出+5v直流電壓，lm7912和lm7812組成雙12v電源輸出。2 電路整體原理圖根據(jù)方案，選擇圖 1.2 1 的電路原理進(jìn)行設(shè)計(jì)制作：圖1.2 - 11.3電路模塊設(shè)計(jì)和元器件參數(shù)選擇1.3.1 變壓器模塊由一擋的性能指標(biāo)要求得令副邊電壓為18v，副邊電流i2100ma則令其為0.5a所以副邊功率p29w,又n=0.7,所以原邊功率要大于12.9w. 由二擋的性能指標(biāo)要求得令副邊電壓為15v，復(fù)變電流i2300ma,則令其為0.5a，所以復(fù)變功率p28w,又n=0.7,所以元變功率要大于11.4w. 由三擋的性能指標(biāo)要求得由公式可得輸入電壓ui的范圍為 uomax+(ui-uo)minuiuomin+(ui-uo)max 9v+3vui3v+40v 12vui43v 副邊電壓u2uimin/1.1=12/1.1v,取u2=15v，副邊電流i2iomax=0.2a，取i2=0.5a，則變壓器副邊輸出功率p2i2u2=8w。 由變壓器的效率為0.7，則原邊輸入功率p1p2/n=11.4w。為留有余地，選功率為20w的電源變壓器。以上三擋的要求選擇功率為20w的電源變壓器。在滿足以上三檔功率后，為能同時(shí)滿足三檔輸出，且12v輸出需要雙端電源輸出，則采用雙18v輸出變壓器。根據(jù)lm7805和lm317的輸入要求，需要采用lm7815穩(wěn)壓后，再進(jìn)行穩(wěn)壓，可以使集成穩(wěn)壓器正常工作。綜上所述，采用雙18v輸出20w變壓器能過勝任實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)。變壓之前的電壓輸入圖圖1.3 - 1變壓之后的電壓圖1.3 - 2 1.3.2 整流模塊半波整流電路的輸出電壓相對較低，且脈動大。兩管全波整流電路則需要變壓器的副邊繞組具有中心抽頭，且兩個(gè)整流二極管承受的最高反向電壓相對較大，所以這兩種電路應(yīng)用較少。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，電壓脈動較小，整流二極管所承受的最高反向電壓較低，同時(shí)因整流變壓器在正負(fù)半周內(nèi)部有電流供給負(fù)載，整流變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此本電路采用橋式整流電路。單相橋式整流電路是由四個(gè)整流二極管接成電橋的形式構(gòu)成的，如圖(a)所示。圖 (b)所示為單相橋式整流電路的一種簡便畫法。 無論電壓u2是在正半周還是在負(fù)半周，負(fù)載電阻rl上都有相同方向的電流流過。因此在負(fù)載電阻rl得到的是單向脈動電壓和電流，忽略二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，則單相橋式整流電路的波形如圖所示。圖1.3 3（a）單相橋式整流電路圖； (b) 單相橋式整流電路的簡化圖圖1.3 4 圖1.3 - 5參數(shù)計(jì)算(1)負(fù)載上電壓平均值和電流平均值。(2)整流二極管的電流平均值和承受的最高反向電壓。（3）整流變壓器副邊電壓有效值和電流有效值。整流二極管選1n4007，其極限參數(shù)為urm100v，而2u2=15.4v，則urm滿足要求。if=1a，而i0max=0.5a，則if亦滿足要求。1.3.3 濾波模塊 濾波電路利用電容或電感在電路中的儲能作用，當(dāng)電源電壓(或電流)增加時(shí)，電容(或電感)把能量儲存在電場(或磁場)個(gè)；當(dāng)電源電壓(或電流)減小時(shí)，又將儲存的能量逐漸釋放出來，從而減小了輸以電壓(或電流)中的脈動成分得到比較平滑的直流電壓。實(shí)用濾波電路的形式很多，如電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波電路(包括倒l型、rc型、lc型濾波)等。電容濾波電路圖1.3 6濾波原理如圖：圖1.3 7電容通過rl放電，在整流電路電壓小于電容電壓時(shí)，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會逐漸下降。圖1.3 8只有整流電路輸出電壓大于uo時(shí)，才有充電電流id 。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。電容濾波電路的特點(diǎn)：(1) 輸出電壓uo與放電時(shí)間常數(shù)rlc有關(guān)。rlc 愈大 電容器放電愈慢 uo(平均值)愈大近似估算:uo=1.2u2。rlc 越大 uo越高 負(fù)載電流的平均值越大 ; 整流管導(dǎo)電時(shí)間越短 id的峰值電流越大2) 流過二極管瞬時(shí)電流很大。故一般選管時(shí)，取 (3) 輸出特性(外特性)，輸出波形隨rl 或 c 的變化而改變, uo 和s 也隨之改變。圖1.3 9結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動不大的場合。濾波電容c可由紋波電壓v0p-p和穩(wěn)壓系數(shù)sv來確定。已知v0=15v，vi=18v,v0p-p=5mv,sv=0.005,則vi=v0p-p*vi/(v0*sv)=1.2v,則c=ict/vi=1500f。電容c的耐壓應(yīng)大于2u2=15.4v。為留有余量，故取一只4700f/50v的電容。1.3.4 穩(wěn)壓模塊三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部原理框圖如圖421所示?？梢娝彩遣捎昧舜?lián)式穩(wěn)壓電源的電路，并增加了啟動電路和保護(hù)電路，使用時(shí)更加可靠。為了使集成穩(wěn)壓器長期正常地工作，應(yīng)保證其良好地散熱條件，金屬殼封裝的一般輸出電流比較大，使用時(shí)要加上足夠面積的散片。圖1.3 101. 集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù)有：（1）最大輸入電壓uimax，當(dāng)整流濾波電路輸出電壓超過uimax時(shí)，可能使穩(wěn)壓器的輸出電壓不能穩(wěn)定在額定值。（2）輸出電壓uo，三端集成穩(wěn)壓器分為固定正輸出和固定負(fù)輸出兩類。（3）最大輸出電流i0max，不同型號的三端集成穩(wěn)壓器iomax為0.22a。第一檔輸出正負(fù)電壓電路如圖：圖1.3 11第二檔輸出+5v電壓電路如圖：圖1.3 12第三檔可調(diào)式集成穩(wěn)壓電路如圖：圖1.3 13uo=39v連續(xù)可調(diào)。iom=1.5a，iomin5ma lw317的uref固定在1.2v，iadj=50a，忽略不計(jì)。 uo=1.2（1+r2/r1）v ?？烧{(diào)式三端穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓。常見產(chǎn)品有cw317、cw337、lm317、lm337。317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，337系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的負(fù)電壓，可調(diào)范圍為1.237v，最大輸出電流i0max為1.5a。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護(hù)電路，具有安全可靠、應(yīng)用方便、性能優(yōu)良等特點(diǎn)。cw317與cw337系列的引腳功能相同。2單元電路的設(shè)計(jì)、元器件的選擇及其參數(shù)值 選集成穩(wěn)壓器，確定電路形式 選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器lm317，其特性參數(shù)v0=+1.2v+37v,i0max=1.5a,最小輸入輸出壓降（vi-v0）min=3v,最大輸入輸出壓降（vi-v0）max=40v,均滿足性能要求其接法如下： 1，2腳之間為1.25v電壓基準(zhǔn)。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，r1應(yīng)小于240歐姆。改變r(jià)p阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。c11用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激高頻震蕩和抑制電路引入的高頻干擾，輸出電容c10是電解電容，以減少穩(wěn)壓電源輸入端由輸入電源引入的低頻干擾，d3用于保護(hù)lm317。 組成的穩(wěn)壓電源電路如下圖所示。取r1=240，由式v0=1.25*（1+rp1/r1）可得rp1min=336,rp1max=1.49k，故取rp1為2k的精密線繞可調(diào)電位器。圖1.3 142 仿真結(jié)果及分析如圖1.3 - 15，選擇參數(shù)后，進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)制作，當(dāng)滑動變阻器為25%，輸出電壓如下：圖2 1可調(diào)電壓輸出為8.932v,雙12輸出和+5輸出正常，當(dāng)滑動變阻器為85%，輸出電壓如下：圖2 2可調(diào)輸出為2.567v，雙12v輸出與+5v輸出正常3 實(shí)物測試過程及結(jié)果分析如圖標(biāo)示：正負(fù)12v雙電壓輸出、+5v、+3 +9v輸出分別如下：圖3 1實(shí)物電路采用l7812、l7912、lm317、l7805、l7815，設(shè)計(jì)電路，使用自己搭建的整流橋，整流雙18v輸出變壓器的電壓信號。并安裝了1a的保險(xiǎn)管，防止電路電流過大燒毀電路。 圖3 2 4 數(shù)據(jù)分析及性能評價(jià)穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調(diào)整率）、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。1.輸出電壓u0和最大輸出電流iomix的測量 。穩(wěn)壓電源正常工作時(shí)能輸出的最大工作電流，用iomax表示，一般情況下的工作電流ioiomax時(shí)損壞穩(wěn)壓器。2.輸出電壓同時(shí)測量vo與iomax.測試過程是：輸出端接負(fù)載rl,輸入端接220v的交流電壓 數(shù)字電壓表的測量值為vo;使rl逐漸減小，直到vo的值下降5%，此時(shí)流經(jīng)負(fù)載rl的電流即為iomax.3.紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。 4.穩(wěn)壓系數(shù)s 的測量穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即：sv=(v-vo)/(vi/vi) 3） 電壓調(diào)整率：輸入電壓相對變化為10%時(shí)的輸出電壓相對變化量，穩(wěn)壓系數(shù)和電壓調(diào)整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。 5. 輸出電阻及電流調(diào)整率 輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值.電流調(diào)整率：輸出電流從0變到最大值時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓相對變化值。輸出電阻和電流調(diào)整率均說明負(fù)載電流變化對輸出電壓的影響，因此也只需測試其中之一即可5 模擬電子技術(shù)課設(shè)的收獲和體驗(yàn)經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)我收獲了很多，不僅讓自己學(xué)習(xí)到了很多有關(guān)專業(yè)方面的知識，而其鍛煉了自己的動手能力，進(jìn)一步加強(qiáng)了理論知識的理解！在這次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，我初步掌握了直流穩(wěn)壓電源的調(diào)試方法，學(xué)會了直流穩(wěn)壓電源電路的安裝及使用，同時(shí)也熟悉了電子技術(shù)設(shè)計(jì)的一些基本方法和技巧，并且學(xué)會了multisim軟件的使用，單獨(dú)的設(shè)計(jì)電路，收獲頗大。希望以后能將自己設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中去。 在剛接到該次設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，心里還沒有一點(diǎn)準(zhǔn)備，不知如何下手。不過這個(gè)巨大的挑戰(zhàn)激起了我鉆研的決心，我將模擬電子技術(shù)這本書里關(guān)于各個(gè)集成放大器和穩(wěn)壓電源的知識一一回顧了一遍，大概擬訂了該次設(shè)計(jì)任務(wù)的草案。 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，掌握了各級輸出級的電壓值以及各電壓的輸出波形的具體測量方法和誤差分析。學(xué)會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。但是由于對專業(yè)知識具備的不足，所以在設(shè)計(jì)好的電路中難免會存在一定的差錯(cuò)，而且由于對