模擬電子技術(shù)課程設(shè)計直流穩(wěn)壓電源

1、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計說明書直流穩(wěn)壓電源 系 、 部： 電氣與信息工程系 姓名： 王國興 學(xué)號： 10401240414 指導(dǎo)教師： 雷美艷 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣本1004班 完成時間： 2012 .6 .12 目錄一、緒言 -3二、設(shè)計任務(wù)和要求 -7三、設(shè)計原理和主要思路 -9四、電路的安裝和調(diào)試-14五、電路的仿真-15六、硬件系統(tǒng)設(shè)計 -17七、心得體會 -18 第一章 緒 論1.1概論直流穩(wěn)壓系統(tǒng)，即穩(wěn)壓電源，是各種電子電路的動力源，被人們譽為電路的心臟。人所皆知，所有的用電設(shè)備，包括電子儀表、家用電器、工業(yè)用電器設(shè)備等，對供電電壓都有一定的要求。例如，有的電視

2、機要求220v的電網(wǎng)供電電壓變化不能超過10%，即從198v到242v之間。如果超出這個范圍，電視機就不能正常收看，甚至?xí)螂妷哼^高而燒壞電視機。至于精密電子儀器，對供電電壓保持穩(wěn)定不變的要求就更加嚴(yán)格。為解決用電設(shè)備要求供電穩(wěn)定，而是點電網(wǎng)又難以保證的供求矛盾，人們便研制了各種各樣的穩(wěn)定電源。所謂 “穩(wěn)定”是指電壓或電流的變化小到可以允許的程度，并不是絕對不變的。 穩(wěn)壓問題的提出，可追溯到19世紀(jì)，愛迪生發(fā)明電燈時，就曾考慮過穩(wěn)壓器。到20世紀(jì)初，就已經(jīng)出現(xiàn)了鐵磁穩(wěn)壓器及相應(yīng)的技術(shù)文獻。電子管問世不久，就有人設(shè)計了電子管直流穩(wěn)壓器，20世紀(jì)40年代后期，電子器件與磁飽和元件相結(jié)合，構(gòu)成了電子

3、控制的磁飽和交流穩(wěn)壓器，至今還在應(yīng)用中。20世紀(jì)50年代，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，晶體管的誕生使串聯(lián)調(diào)整型晶體管穩(wěn)壓電源成了直流穩(wěn)壓電源的中心，這種局面一直維持到20世紀(jì)60年代中期。這種電源雖然性能優(yōu)良，但它的最大的弱點是由于功率調(diào)整管與負載串聯(lián)，并且晶體管工作在線性區(qū)域。穩(wěn)壓器的輸出電壓調(diào)節(jié)與穩(wěn)定借助于功率調(diào)整管上電壓降的調(diào)整來實現(xiàn)，因而在輸出電壓低、電流大的場合，效率非常低且功率晶體管發(fā)熱也很厲害，散熱變成了很大的問題。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，電子設(shè)備開始從分立元件進入集成電路時代，體積日益減小，裝機密度不斷提高，規(guī)模容量逐漸增大。這種晶體管串聯(lián)型常規(guī)電源難以滿足形勢發(fā)展的問題日益顯露。

4、20世紀(jì)60是年代后期，科技工作者對穩(wěn)定電源技術(shù)進行了一次新的總結(jié)，是開關(guān)電源和可控硅電源得到了快速的發(fā)展。與此同時，將穩(wěn)壓器的大部分元器件都集成在一塊硅基片上的集成穩(wěn)壓器也在不斷發(fā)展。從1967年美國bob widlar發(fā)明了第一塊集成穩(wěn)壓器a723至今，集成穩(wěn)壓器種類之多，系列之全使人們刮目相看。簡述之，以電子計算機為代表的要求供電電壓低，電流大的電源都是由開關(guān)電源擔(dān)任的；要求供電電壓高，電流大的設(shè)備的電源有可控硅電源代之；要求控制電電流小，電壓低的儀器儀表會家用電器都采用集成穩(wěn)壓器。至于一些對電源穩(wěn)定度要求很高的精密測量儀器或在其他高電壓，小電流的供電場合，仍擺脫不了串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電源

5、。 1.2穩(wěn)壓電源的基本知識 當(dāng)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。大到超級計算機、小到袖珍計算器，所有的電子設(shè)備都必須在電源電路的支持下才能正常工作。當(dāng)然這些電源電路的樣式、復(fù)雜程度千差萬別。超級計算機的電源電路本身就是一套復(fù)雜的電源系統(tǒng)。通過這套電源系統(tǒng)，超級計算機各部分都能夠得到持續(xù)穩(wěn)定、符合各種復(fù)雜規(guī)范的電源供應(yīng)。袖珍計算器則是簡單多的電池電源電路。不過你可不要小看了這個電池電源電路，比較新型的電路完全具備電池能量提醒、掉電保護等高級功能?？梢哉f電源電路是一切電子設(shè)備的基礎(chǔ)，沒有電源電路就不會有如此種類繁多的電子設(shè)備。 由于電子技術(shù)的

6、特性，電子設(shè)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(shù)中占有十分重要的地位。另外，很多電子愛好者初學(xué)階段首先遇到的就是要解決電源問題，否則電路無法工作、電子制作無法進行，學(xué)習(xí)就無從談起.1.3分類 穩(wěn)壓電源的分類方法繁多，按輸出電源的類型分有直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源；按穩(wěn)壓電路與負載的連接方式分有串聯(lián)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)穩(wěn)壓電源；按調(diào)整管的工作狀態(tài)分有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源；按電路類型分有簡單穩(wěn)壓電源和反饋型穩(wěn)壓電源，等等。如此繁多的分類方式往往讓初學(xué)者摸不著頭腦，不知

7、道從哪里入手。其實應(yīng)該說這些看似繁多的分類方法之間有著一定的層次關(guān)系，只要理清了這個層次自然可以分清楚電源的種類了。既然我們談的是穩(wěn)壓電源的分類，那么首先就應(yīng)該清楚電源的輸出是什么，是輸出直流電還是輸出交流電。這樣第一個層次就出來了，首先應(yīng)該根據(jù)電源的輸出類型來分類。接下來的分類就要麻煩一些，是按穩(wěn)壓電路與負載的連接方式分類還是按調(diào)整管的工作狀態(tài)分類呢？其實了解一下我們身邊的電子設(shè)備會發(fā)現(xiàn)實際應(yīng)用中穩(wěn)壓電源有兩個區(qū)別很大的種類，一種是各種比較簡單的電子設(shè)備中廣泛使用的線性穩(wěn)壓電源，比如收音機、小型音響等；一種是各種復(fù)雜電子設(shè)備中廣泛使用的開關(guān)穩(wěn)壓電源，比如大屏幕彩電、微型計算機等。這樣看來第二

8、個層次的分類我們可以根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)來分類。接下來的第三個層次的分類就是根據(jù)穩(wěn)壓電路與負載的連接方式來分類。再往下面細分由于各種不同的電路特性相差太大，就不好一概而論，應(yīng)該根據(jù)每一個具體類別的特性進行分類區(qū)分了。當(dāng)然這里所談的分類只是根據(jù)直流穩(wěn)壓電源的特點給出一個大致的分類思路.1.4技術(shù)指標(biāo) 直流穩(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)，反映直流穩(wěn)壓電源的固有特性，如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類是質(zhì)量指標(biāo)，反映直流穩(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。1、特性指標(biāo)（1）輸出電壓范圍符合直流穩(wěn)壓電源工作條件情況下，能夠正常

9、工作的輸出電壓范圍。該指標(biāo)的上限是由最大輸入電壓和最小輸入輸出電壓差所規(guī)定，而其下限由直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓值決定。（2）最大輸入輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所允許的最大輸入輸出之間的電壓差值，其值主要取決于直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部調(diào)整晶體管的耐壓指標(biāo)。（3）最小輸入輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。（4）輸出負載電流范圍輸出負載電流范圍又稱為輸出電流范圍，在這一電流范圍內(nèi)，直流穩(wěn)壓電源應(yīng)能保證符合指標(biāo)規(guī)范所給出的指標(biāo)。2、質(zhì)量指標(biāo)（1）電壓調(diào)整率sv電壓調(diào)整率是表征直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)，又稱為穩(wěn)壓系數(shù)

10、或穩(wěn)定系數(shù)，它表征當(dāng)輸入電壓vi變化時直流穩(wěn)壓電源輸出電壓vo穩(wěn)定的程度，通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比表示。（2）電流調(diào)整率si電流調(diào)整率是反映直流穩(wěn)壓電源負載能力的一項主要自指標(biāo)，又稱為電流穩(wěn)定系數(shù)。它表征當(dāng)輸入電壓不變時，直流穩(wěn)壓電源對由于負載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力，在規(guī)定的負載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流穩(wěn)壓電源的電流調(diào)整率。（3）紋波抑制比sr紋波抑制比反映了直流穩(wěn)壓電源對輸入端引入的市電電壓的抑制能力，當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸入和輸出條件保持不變時，紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰峰值與輸出紋波電

11、壓峰峰值之比表示，一般用分貝數(shù)表示，但是有時也可以用百分?jǐn)?shù)表示，或直接用兩者的比值表示。（4）溫度穩(wěn)定性k集成直流穩(wěn)壓電源的溫度穩(wěn)定性是以在所規(guī)定的直流穩(wěn)壓電源工作溫度ti最大變化范圍內(nèi)（tmintitmax）直流穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化的百分比值。3、極限指標(biāo)（1）最大輸入電壓是保證直流穩(wěn)壓電源安全工作的最大輸入電壓。（2）最大輸出電流是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。1.5 選擇合適的電源 穩(wěn)壓電源的分類并沒有明確的含義和界限，我們還可以根據(jù)電源穩(wěn)壓器的其他特點對電源進行分類。面對種類繁多的電源產(chǎn)品，如何選擇一款合適的穩(wěn)壓電源十分重要。 我們選擇穩(wěn)壓電源，除了要確定電源的型號、種

12、類，還要考慮所選穩(wěn)壓電源的電氣特性是否可以滿足工作的需要。一塊理想的穩(wěn)壓電源，除了電源的功率和輸出電壓等基本指標(biāo)符合工作需要以外，對于交流穩(wěn)壓電源，我們還要確定穩(wěn)壓電源相數(shù)、穩(wěn)壓范圍和穩(wěn)壓精度，也需要滿足工作需要。對于直流穩(wěn)壓電源來講，需要考慮穩(wěn)壓電源的電源調(diào)整率、輸出功率、負載調(diào)整率和紋波等指標(biāo)。第二章 設(shè)計任務(wù)和要求2.1設(shè)計目的1、學(xué)習(xí)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法；2、研究直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方案；3、掌握直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和內(nèi)阻測試方法；2.2設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)1、技術(shù)指標(biāo)：要求電源輸出電壓為12v（或9v /5v），輸入電壓為交流220v，最大輸出電流為iomax=500ma，紋波電壓v

13、op-p5mv，穩(wěn)壓系數(shù)sr5%。2、 設(shè)計基本要求（1） 設(shè)計一個能輸出12v/9v/5v的直流穩(wěn)壓電源；（2） 擬定設(shè)計步驟和測試方案； （3） 根據(jù)設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計好電路，選好元件及參數(shù)；（4） 要求繪出原理圖，并用protel畫出印制板圖； （5） 在萬能板或面包板或pcb板上制作一臺直流穩(wěn)壓電源；（6） 測量直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻；（7） 測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)、紋波電壓；（8） 撰寫設(shè)計報告。2.3設(shè)計提示1、設(shè)計電路框圖如圖所示穩(wěn)壓電路若使用分離元件要有取樣、放大、比較和調(diào)整四個環(huán)節(jié)，晶體管選用3dd或3dg等型號；若用集成電路選78xx和79xx穩(wěn)壓器。測量穩(wěn)壓系數(shù)：在負

14、載電流為最大時，分別測得輸入交流比220v增大和減小10%的輸出vo，并將其中最大一個代入公式計算sr，當(dāng)負載不變時，sr=vovi/vivo。測量內(nèi)阻：在輸入交流為220v，分別測得負載電流為0及最大值時的vo，ro=vo/il。紋波電壓測量：疊加在輸出電壓上的交流分量，一般為mv級。可將其放大后，用示波器觀測其峰峰值vop-p；用可用交流毫伏表測量其有效值vo，由于紋波電壓不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定誤差。2、實驗儀器設(shè)備自耦變壓器一臺、數(shù)字萬用表、交流毫伏表、面包板或萬能板、智能電工實驗臺、示波器3、設(shè)計用主要器件變壓器、整流二極管、集成穩(wěn)壓器（7812/7912/7809/79

15、09/7805/7905）、電容、電阻若干元器件清單編號名稱型號數(shù)量r1電阻240歐1rp可調(diào)電阻2.7k1c1電解電容2200u/50v1c2絳綸電容0.33u1c3電解電容10u/50v1c4電解電容100u/50v1vd1、vd2整流二極管in40022u整流全橋kbpc6101ic可調(diào)三端穩(wěn)壓cw3171t電源變壓器tda202612.4設(shè)計報告要求1、選定設(shè)計方案；2、擬出設(shè)計步驟，畫出電路，分析并計算主要元件參數(shù)值；3、列出測試數(shù)據(jù)表格。4、調(diào)試總結(jié)。2.5設(shè)計總結(jié)1、總結(jié)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法和運用到的主要知識點，對設(shè)計方案進行比較。2、總結(jié)直流穩(wěn)壓電源主要參數(shù)的測試方法第三章設(shè)

16、計的主要思路做一種簡單的穩(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。從以下四個方面對它的性能加以改善，便可做成一臺有實用價值的穩(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；增加保護電路，使電源工作安全可靠。3.1設(shè)計原理： 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。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?，一般次級電壓u2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

17、：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)電壓和負載電流的變化時，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)。3.2單元電路的設(shè)計直流穩(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。3.2.1 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0.6

18、0.70.80.85 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。副邊輸出功率為因為所選電源變壓器為雙1525，由表中數(shù)據(jù)可知，則，所選25w符合要求。電源變壓器的實際效率為3.2.2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,而是用四個二極管接成電橋形式，使在電壓v2的正負半周均有電流流過負載，在負載形成單方向的全波脈動電壓。 橋式整流電路主要參數(shù)：3.2.3 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。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，

19、電感濾波和rc濾波等。本設(shè)計中采用電容濾波電路 電容濾波電路上圖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，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載電阻，為電容提供放電回路，rc放電時間常數(shù)應(yīng)該滿足rc.式中t=20ms。 一 3.2.4 穩(wěn)壓電路a. 穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)：1.特性指標(biāo)：輸入電源、

20、輸出電壓及輸出調(diào)節(jié)范圍，2.質(zhì)量指標(biāo)：穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)及紋波電壓輸出電壓,輸出電壓的變化表示為：因此：輸入調(diào)整因數(shù)：反映輸入電壓波動對輸出電壓的影響電壓調(diào)整率：, 輸入電壓變化時引起輸出電壓的相對變化。穩(wěn)壓系數(shù)：，在溫度和負載恒定的條件下，輸入電壓變化10%,輸出電壓的變化，單位mv.輸出電阻：, 反映負載電流變化io對vo的影響溫度系數(shù)：紋波電壓：是穩(wěn)壓電路輸出端交流分量的有效值，它表示輸出電源的微小波動。上述指標(biāo)愈小，輸出電源愈穩(wěn)定。b. 穩(wěn)壓管整流電路 圖5穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路設(shè)計要求： , , , , , 對于電阻r的選擇：（理論書p533）: 得r的最大值：，下限值：第四章

21、 電路的安裝與調(diào)試4.1 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載，用示波器觀察輸出是否正常。4.2 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。注意檢查在額定負載電流下的穩(wěn)壓器的發(fā)熱情

22、況。4.3 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載，測量下列各值是否滿足設(shè)計要求：（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（此時應(yīng)使輸出電流為最大負載電流）。（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)計要求，便可以進行質(zhì)量指標(biāo)測試。第五章電路的仿真用protel99軟件制作原理圖2.1 仿真調(diào)試調(diào)試。用proteus 經(jīng)行仿真（如圖1.6），變壓器的輸出端用正弦的交流電代替。總輸出端接一個電壓表一個電流表，電流表與一個滑動變阻器（充當(dāng)負載r

23、l）串聯(lián)進行調(diào)試電路仿真圖:當(dāng)電位器rv1向上調(diào)到最大時當(dāng)電位器rv1向下調(diào)至最小時仿真結(jié)果顯示1.253uo12.599，uo =11.346 基本符合設(shè)計要求。第六章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計6.1 硬件系統(tǒng)各模塊功能簡要介紹6.1.1 降壓電路由單相交流變壓器把220v交流電降壓為12v的小電壓。6.1.2 整流電路 主要由整流橋構(gòu)成，變壓器副邊輸出正弦交流電經(jīng)整流橋整流 變成方向一致的半波型脈動直流電。直流電路的任務(wù)是將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔谩Ｒ虼硕O管是整流電路的關(guān)鍵元件。本設(shè)計采用單相橋式整流電路，我們采用的是1n4001整流二集管。6.1.3 濾波電

24、路 由c1 c2和整流電路構(gòu)成，其作用主要是用于濾去輸出電壓中的紋波。c1為電極電容，主要是濾去整流后的脈動直流電的低頻交流信號并起到過流保護的作用，c2作用主要是濾去脈動直流電的高頻交流信號。6.1.4 穩(wěn)壓電路 此電路中l(wèi)m317芯片輸出可調(diào)電壓， d5是為了防止輸入短路時c5上的存儲的電荷產(chǎn)生很大的電流反向流入穩(wěn)壓器蝕之損壞，d6為防止輸出短路時c3通過調(diào)整端放電而損壞穩(wěn)壓器，c3用于減少輸出紋波電壓。c4用于消除輸出電壓中的高頻噪音。c5為極性電容起到穩(wěn)壓的作用 第七章 課程設(shè)計體會 課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)提出分析和解決實際問題鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)