直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計(jì)任務(wù)書.doc

直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2009-11-25一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一直流穩(wěn)壓電源，滿足：（1） 當(dāng)輸入電壓在220V交流時(shí)，輸出直流電壓為6V；（2） 輸出紋波電壓不于5mv，穩(wěn)壓系數(shù)=0.01；（3） 具有短路保護(hù)功能；（4） 最大輸出電流為：Imax=0.8A2 要求通過設(shè)計(jì)學(xué)會；（1） 如何選擇變壓器、整流二極管、濾波電容及調(diào)整三極管或集成穩(wěn)壓塊；（2） 合理選擇電路結(jié)構(gòu)，并完成全電路元器件參數(shù)設(shè)計(jì)、繪制電路圖；（3） 短路保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法（4） 掌握直流穩(wěn)壓電源的調(diào)試及主要技術(shù)指標(biāo)的測試方法（5） 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。3 設(shè)計(jì)注意：（1） 電源變壓器、整流二極管、濾波電容、調(diào)整三極管或集成穩(wěn)壓塊等元件只做選擇性設(shè)計(jì)；（2） 完成全電路元器件參數(shù)設(shè)計(jì)、繪制出整體電路圖；（3） 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告要符合下列格式并按時(shí)上交，逾期將延與下屆。二、 書寫要求三、 上交時(shí)間要求上交書面及電子稿發(fā)至郵箱： 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告格式：（僅供參考，不要全部抄龔）見附錄一集成直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作姓名1 緒言 隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。由于集成穩(wěn)壓器具有體積小，外接線路簡單、使用方便、工作可靠和通用性等優(yōu)點(diǎn)，因此在各種電子設(shè)備中應(yīng)用十分普遍，基本上取代了由分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。集成穩(wěn)壓器的種類很多，應(yīng)根據(jù)設(shè)備對直流電源的要求來進(jìn)行選擇。對于大多數(shù)電子儀器、設(shè)備和電子電路來說，通常是選用串聯(lián)線性集成穩(wěn)壓器。而在這種類型的器件中，又以三端式穩(wěn)壓器應(yīng)用最為廣泛。2 設(shè)計(jì)要求1.初始條件：（1） 集成穩(wěn)壓器選用LM317與LM337或其他芯片，性能參數(shù)和引腳排列請查閱集成穩(wěn)壓器手冊。（2） 電源變壓器為雙1525。（3） 其參考電路之一如圖1所示圖1 1.25V-15V連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓器參考電路原理圖2.主要性能指標(biāo)：（1）輸出電壓Vo：1.25 - 12V連續(xù)可調(diào)。 （2）最大輸出電流Iomax=800mA（3）紋波電壓Vop-p5mV （4）穩(wěn)壓系數(shù)Sv3X10-33.設(shè)計(jì)要求：（1）依據(jù)已知設(shè)計(jì)條件確定電路形式。（2）計(jì)算電源變壓器的效率和功率。（3）選擇整流二極管及計(jì)算濾波電容（4）安裝調(diào)試與測量電路性能，畫出實(shí)際電路原理圖。（5）按規(guī)定的格式，寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。3 總體設(shè)計(jì)思路在本次課程設(shè)計(jì)中我準(zhǔn)備采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，集成穩(wěn)壓器選用LM317與LM337，電源變壓器選用雙1525。由于輸入電壓u1發(fā)生波動、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)簡單等優(yōu)點(diǎn)。集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。本課程設(shè)計(jì)中采用三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317與LM337。圖2 LM337外觀圖3.1 LM317與LM337集成穩(wěn)壓器的特性簡介三端可調(diào)穩(wěn)壓器的輸出電壓可調(diào)，穩(wěn)壓精度高，輸出波紋小。其一般的輸出電壓為1.2535V或-1.25-35V。比較典型的產(chǎn)品有LM317和LM337等。其中LM317的輸出電壓范圍是1.2V至37V，LM337的輸出電壓范圍是-1.2V至-37V，負(fù)載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM317/LM337內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。特性簡介 可調(diào)整輸出電壓低到1.2V。 保證1.5A輸出電流。 典型線性調(diào)整率0.01%。 典型負(fù)載調(diào)整率0.1%。 80dB紋波抑制比。 輸出短路保護(hù)。 過流、過熱保護(hù)。 調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)。 標(biāo)準(zhǔn)三端晶體管封裝。電壓范圍 輸入輸出最小壓差降為0.2V LM317/LM3371.25V至37V連續(xù)可調(diào)。LM317與LM337集成穩(wěn)壓器的特性滿足設(shè)計(jì)要求的輸出電壓Vo：1.25 - 12V連續(xù)可調(diào)。封裝形式 TO-220塑料封裝，TO-3鋁殼封裝，TO-202塑料封裝，TO-39金屬封裝圖3 TO-220塑料封裝圖圖4 TO-3鋁殼封裝圖圖5 TO-39金屬封裝圖一般應(yīng)用電路 圖6是三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的一般應(yīng)用電路。電路中的R1、R2組成可調(diào)輸出的電阻網(wǎng)絡(luò)。為了能使電路中的偏置電流和調(diào)整管的漏電流被吸收，所以設(shè)定R1為120240歐姆。通過R1瀉放的電流為510mA。輸入電容器C1用于抑制紋波電壓，輸出電容器C2用于消震，緩沖沖擊性負(fù)載，保證電路工作穩(wěn)定。由于加外接保護(hù)電路C2的存在，容易發(fā)生電容器發(fā)電而損壞穩(wěn)壓器。若有外接保護(hù)二極管D2，電容器C2放電時(shí)，D1導(dǎo)通鉗位，使穩(wěn)壓器得到保護(hù)。D1是為了防止調(diào)節(jié)端旁路電容器C3放電時(shí)而損壞穩(wěn)壓器的保護(hù)二極管。旁路電容器C3也是為了抑制波紋電壓而設(shè)置的。當(dāng)C3為10uF時(shí)，能提高紋波抑制比15dB。LM317圖6 LM317應(yīng)用電路圖LM337圖7 LM337應(yīng)用電路圖 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R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。D1，D2用于保護(hù)LM317/337。這類穩(wěn)壓器是依靠外接電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓的,為保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，要選擇精度高的電阻,同時(shí)電阻要緊靠穩(wěn)壓器，防止輸出電流在連線上產(chǎn)生誤差電壓。三端可調(diào)式穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路的輸出電壓為:LM317的VREF=1.2V，Iadj=50mA，由于IadjI1，所以3.2 穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類：一類是特性指標(biāo)，如輸出電壓、輸出電濾及電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類是質(zhì)量指標(biāo)，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內(nèi)阻（輸出電阻）、紋波電壓及溫度系數(shù)等。3.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的主要特點(diǎn)1穩(wěn)定性好 當(dāng)輸入電壓Usr （整流、濾波的輸出電壓）在規(guī)定范圍內(nèi)變動時(shí)，輸出電壓Usc 的變化應(yīng)該很小一般要求 。由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標(biāo)，常用穩(wěn)壓系數(shù)S 來表示：S的大小，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，S越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高。通常S約為。2.輸出電阻小負(fù)載變化時(shí)（從空載到滿載），輸出電壓Usc ，應(yīng)基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。輸出電阻（又叫等效內(nèi)阻）用rn 表示，它等于輸出電壓變化量和負(fù)載電流變化量之比。rn 反映負(fù)載變動時(shí)，輸出電壓維持恒定的能力，rn 越小，則Ifz 變化時(shí)輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到1歐，甚至001歐。3.電壓溫度系數(shù)小當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，會引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源，應(yīng)在環(huán)境溫度變化時(shí)，有效地抑制輸出電壓的漂移，保持輸出電壓穩(wěn)定，輸出電壓的漂移用溫度系數(shù)KT來表示.4.輸出電壓紋波小所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。經(jīng)過穩(wěn)壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù)S 。3.4 設(shè)計(jì)的主要思路上一小節(jié)介紹的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，用做一種簡單的穩(wěn)壓電源，可以滿足一般無線電愛好者的需要。但是，這種電源還有許多“天生的”缺陷，要提高對性能的要求，就必須再做一些改進(jìn)。從以下四個(gè)方面對它的性能加以改善，便可做成一臺有實(shí)用價(jià)值的穩(wěn)壓電源了。這就是：增加放大環(huán)節(jié)，提高穩(wěn)定性，使輸出電壓可調(diào)；用復(fù)合管做調(diào)整管，使輸出電流增大；增加保護(hù)電路，使電源工作安全可靠。 直流穩(wěn)壓電源主要由四部分組成：電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。如圖8所示：1電源變壓器：將電網(wǎng)交流電壓變?yōu)檎麟娐匪璧慕涣麟妷海话愦渭夒妷簎2較小。2整流電路：將變壓器次級交流電壓u2變成單向的直流電壓u3，它包含直流成份和許多諧波分量。3濾波電路：濾除脈動電壓u3中的諧波分量，輸出比較平滑的直流電壓u4。該電壓往往隨電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流的變化而變化。4穩(wěn)壓電路：它能在電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流的變化時(shí)，保持輸出直流電壓的穩(wěn)定。它是直流穩(wěn)壓電源的重要組成部分，決定著直流電源的重要性能指標(biāo)。圖8 直流穩(wěn)壓電源4 單元電路的設(shè)計(jì)串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路所組成，各部分電路的形式與作用如下。4.1 電源變壓器電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。電源變壓器的效率為：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。設(shè)計(jì)要求的電源變壓器為雙1525。原邊輸入功率為。副邊輸出功率為因?yàn)樗x電源變壓器為雙1525，由表中數(shù)據(jù)可知，則，所選25W符合要求。電源變壓器的實(shí)際效率為4.2 橋式整流電路橋式整流屬于全波整流，它不是利用副邊帶有中心抽頭的變壓器,而是用四個(gè)二極管接成電橋形式，使在電壓V2的正負(fù)半周均有電流流過負(fù)載，在負(fù)載形成單方向的全波脈動電壓。圖9 橋式整流電路主要參數(shù)：4.3 濾波電路整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，與所要求的波形相去甚遠(yuǎn)。所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。濾波電路常有電容濾波，電感濾波和RC濾波等。本設(shè)計(jì)中采用電容濾波電路 圖10 電容濾波電路圖10分別是橋式整流電容濾波電路和它的部分波形。這里假設(shè)t0時(shí)，電容器C已經(jīng)充電到交流電壓V2的最大值（如波形圖所示）。整流二極管VL1VL4組成單相橋式整流電路，將交流電壓U2變成脈動的直流電壓。再經(jīng)濾波電容濾除波紋Ui.Ui與交流電壓U2的關(guān)系為Ui=(1.11.2)U2每支整流二極管的最大反向電壓Urm=U2。通過每支整流二極管的平均電流。式中R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，為電容提供放電回路，RC放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)該滿足RC.式中T=20ms。 4.4 電路參數(shù)設(shè)計(jì)（1）確定R1、R2的阻值。以LM317為例說明。電路圖如下所示：圖11 LM317電路圖輸出電壓計(jì)算公式 帶入數(shù)據(jù)可得 （1） （2）有（1）（2）可得： 取滑動變阻器： ， 則的阻值不是標(biāo)稱值，取標(biāo)稱阻值。（2）整流二極管及濾波電容的選擇整流二極管選1N4001,其極限參數(shù)為,而, 因?yàn)?而所以濾波電容為,電容C的耐壓應(yīng)大于故取2只/25V的電解電容相并聯(lián)作為濾波電容 。同理LM337的參數(shù)為、。5 總體電路圖與工作原理5.1 總體電路圖圖12 總體電路原理圖5.2 電路工作原理LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器的工作原理如下。輸出電壓取決于外接電阻R1、可調(diào)電阻R2的分壓比。LM317輸出端與調(diào)整端之間的電位差恒等于1.25V，調(diào)整端1的電流極小，所以流過R1、R2的電流幾乎相等（約幾毫安電流），通過改變電位器的阻值就能改變輸出電壓。LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器為了保持輸出電壓的穩(wěn)定性，要求流經(jīng)R1的電流要小于5mA，這就限制了電阻R1的取值。此外，還應(yīng)注意：LM317在不加散熱片時(shí)的最大允許功耗為2W。在加200mm200mm4mm散熱板后，其最大允許功耗可達(dá)15W。6 電路的安裝與調(diào)試6.1 整流濾波電路的安裝首先應(yīng)在變壓器的副邊電壓接入保險(xiǎn)絲FU，以防電源輸出端短路損壞變壓器或其他元件，整流濾波電路主要檢查整流二極管是否接反，否則會損壞變壓器。檢查無誤后，通電測試（可用調(diào)壓器逐漸將輸入交流電壓升到220V），用滑線變阻器作等效負(fù)載，用示波器觀察輸出是否正常。6.2 穩(wěn)壓部分的安裝集成穩(wěn)壓器要安裝適當(dāng)?shù)纳崞?，根?jù)散熱器的安裝的位置決定是否需要集成穩(wěn)壓器與散熱器之間絕緣，輸入端加直流電壓（可用直流電源作輸入，也可用調(diào)試好的整流濾波電路作輸入），滑線變阻器作等效負(fù)載，調(diào)節(jié)電位器，輸出電壓隨之變化，說明穩(wěn)壓電路正常工作。注意檢查在額定負(fù)載電流下的穩(wěn)壓器的發(fā)熱情況。6.3 組裝及指標(biāo)測試將整流濾波電路和穩(wěn)壓電路相連接并接上等效負(fù)載，測量下列各值是否滿足設(shè)計(jì)要求：（1） Ui為最高值，Uo為最小值，測穩(wěn)壓器輸入、輸出端壓差是否小于額定值，并檢查散熱器的溫升是否滿足要求（此時(shí)應(yīng)使輸出電流為最大負(fù)載電流）。（2） Ui為最小值，Uo為最大值，測穩(wěn)壓器輸入、輸出端壓差是否大于3V，并檢查輸出穩(wěn)壓情況。如果上述結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，便可以進(jìn)行質(zhì)量指標(biāo)測試。7 元器件列表表2元器件列表元器件名稱型號數(shù)量電阻120 2滑動變阻器1K 2電容 2200uF4電容0.1uF2電容10uF2電容1.0uF2集成穩(wěn)壓器LM3171集成穩(wěn)壓器LM3371二極管1N400188 課程設(shè)計(jì)體會 在這次模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)中，我在收獲知識的同時(shí)，還收獲了閱歷，收獲了成熟，在此過程中，我通過查找大量資料，請教老師，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、設(shè)計(jì)的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在設(shè)計(jì)，我還學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法以及相關(guān)軟件的使用,如protel 99se。本設(shè)計(jì)使用protel 99se來