直流穩(wěn)壓電源畢業(yè)設計

1、 畢 業(yè) 設 計 (論 文)題 目：可調(diào)試直流穩(wěn)壓電源畢業(yè)設計 系 部： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣自動化 學生姓名： 劉明輝 班 級： 09213 學 號： 0921305 指導教師： 李芬 題目類型： 理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā)2012年 05月 08 日 摘 要: 直流穩(wěn)定電源按習慣可分為化學電源、線性穩(wěn)定電源和開關型穩(wěn)定電源，它們又分別具有各種不同類型：1.化學電源：平常所用的干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池均屬于這一類，各有其優(yōu)缺點。2.線性穩(wěn)壓電源：線性穩(wěn)定電源有一個共同的特點就是它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來穩(wěn)定輸出。由

2、于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個很大的散熱器給它散熱,而且由于變壓器工作在工頻（50hz)上,所以重量較大。該類電源優(yōu)點是穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路，輸出連續(xù)可調(diào)的成品；缺點是體積大、較笨重、效率相對較低。3.開關型直流穩(wěn)壓電源：電路型式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它變壓器不工作在工頻而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲，功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開關狀態(tài)，開關電源因此而得名。開關電源的優(yōu)點是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠；缺點相對于線性電源來說紋波較大（一般1%vo(pp)，好的可做到十幾mvpp或更小)。它的功率可自幾瓦幾千瓦均有產(chǎn)品

3、。關鍵詞: 直流穩(wěn)定電壓電路電壓key words: dc stabilized voltage circuitvoltage 目 錄引言41. 設計目地及要求4.2. 功能電路整體分析42.1 電路模塊分析.42.1.1電源變壓器.42.1.2整流電路.42.1.3由于輸入電壓u1發(fā)生波動、負載和溫度發(fā)生變化時52.1.4可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器53. 關于重要元件的的選擇及參數(shù)計算63.1 穩(wěn)壓電源的設計步63.1.1選擇集成穩(wěn)壓器，確定電路形式63.1.2選擇電源變壓器63.1.3選用整流二極管和濾波電容73.2 元件清單.73.3元件性能分析.83.3.1.色環(huán)電阻83.3.2橋式整流器8

4、3.3.3電解電容.83.3.4瓷片電容93.3.5lm317三端正電壓穩(wěn)壓器93.4可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源整體電路分析93.4.1整體電路圖93.4.2整流電路103.4.3濾波電路114 仿真效果展示125 穩(wěn)壓電源各項性能指標的測試135.1 輸出電壓與最大輸出電流測量135.2 穩(wěn)壓系數(shù)的測量145.3 輸出電阻的測量145.4 紋波電壓的測試145.5 紋波因數(shù)的測量146 結論157 謝辭168 參考文獻17引言直流穩(wěn)定電源按習慣可分為化學電源、線性穩(wěn)定電源和開關型穩(wěn)定電源，它們又分別具有各種不同類型：1.化學電源2. 線性穩(wěn)壓電源3. 開關型直流穩(wěn)壓電源。1 設計目的與要求1.1 本

5、次設計的題目為“可調(diào)試直流穩(wěn)壓電源”1.2 在設計過程中應實現(xiàn)以下幾點要求：1.輸入電壓為220v ac 輸出為直流電壓2.電壓變化范圍：312v3.連續(xù)可調(diào)1.3 主要技術指標要求：紋波電壓的有效值uo5mv；穩(wěn)壓系數(shù)sv310-2；電壓調(diào)整率ku3%；電流調(diào)整率ki1%；2 功能電路整體分析若實現(xiàn)穩(wěn)壓電源，首先就要就電路進行穩(wěn)壓。在穩(wěn)壓方面可選用變壓器來完成。由輸入交流電壓變?yōu)橹绷鲃t須對電路進行整流。本次設計選用全波橋式整流電路進行整流。然后要對輸入的電壓進行調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)方面?？蛇x用可調(diào)節(jié)三端正電壓穩(wěn)壓器進行調(diào)節(jié)（lm317）。通過整流后得電流幅值變化很大，所以需要用電容對電流進行濾波。然

6、后輸出即可。2.1 電路模塊分析：電路模塊分析：穩(wěn)壓整流調(diào)壓濾波輸出2.1.1電源變壓器小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，如圖。.電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220v交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的次級電壓確定。電源變壓器的效率為：21.2整流電路整流電路：在穩(wěn)壓電源中一般用四個二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓u2變換成脈動的直流電壓u3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流電壓u3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓uioui與交流電壓u2的有效值u2的關系為：ui =(1.1

7、1.2)u2在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：urm=u2流過每只二極管的平均電流為：id=其中：r為整流濾波電路的負載電阻，它為電容c提供放電通路，放電時間常數(shù)rc應滿足：rc其中：t=20ms是50hz交流電壓的周期。2.1.3由于輸入電壓u1發(fā)生波動、負載和溫度發(fā)生變化時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)壓電路的作用是當外界因素（電網(wǎng)電壓、負載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，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)壓器設計的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結構簡單等優(yōu)點

8、。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，根據(jù)論文要求，本次選取的是可調(diào)式。2.1.4可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的cw317系列中l(wèi)m317三端穩(wěn)壓器；在可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的三個端是指輸入端、輸出端和調(diào)節(jié)端。穩(wěn)壓器輸出電壓的可調(diào)范圍為uo=1.237v，最大輸出電流iomax=1.5a。輸入電壓與輸出電壓差的允許范圍為：ui-uo=340v。3. 關于重要元件的的選擇及參數(shù)計算穩(wěn)壓電源的設計，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓uo、輸出電流io、輸出紋波電壓uop-p等性

9、能指標要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。3.1 穩(wěn)壓電源的設計步驟根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓uo、最大輸出電流iomax，確定穩(wěn)壓器的型號及電路形式。根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓ui，確定電源變壓器次級電壓u2的有效值u2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流iomax，確定流過電源變壓器副邊的電流i2和電源變壓器副邊的功率p2；根據(jù)p2，計算查出變壓器的效率，從而確定電源變壓器原邊的功率p1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。確定整流二極管的正向平均電流id、整流二極管的最大反向電壓urm和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇

10、整流二極管和濾波電容。按設計，性能指標要求為：uo為312v紋波電壓的有效值穩(wěn)壓系數(shù)uov5mv，穩(wěn)壓系數(shù)sv310-23.1.1選擇集成穩(wěn)壓器，確定電路形式集成穩(wěn)壓器選用cw317，其輸出電壓范圍為：uo1.237v，最大輸出電流iomax為1.2a。3.1.2選擇電源變壓器由于cw317的輸入電壓與輸出電壓差的最小值(ui-uo)min=3v，輸入電壓與輸出電壓差的最大值(ui-uo)max=40v，故cw317的輸入電壓范圍為：uomax+( ui-uo)min)uiuomax+(ui-uo)max12v+3vui3v+40v15vui43vu2=13.6，取u2為15v變壓器副邊電流：

11、i2iomax=1.2a，取i2為1.5a.因此，變壓器副邊輸出功率：p2i2u2=22w由于變壓器的效率h=7，所以變壓器原邊輸入功率為/h =30w，選用功率為30w的變壓器。3.1.3選用整流二極管和濾波電容由于：urmu2=14=19.8v，iomax=1.2a。in4001的反向擊穿電壓urm50v，額定工作電流id=2aiomax，故整流二極管選用in4001。根據(jù)uo為312v紋波電壓的有效值uo5mv穩(wěn)壓i0=常數(shù)t=常數(shù)系數(shù)sv310-2，和公式 可求得：=0.00514/12310-3=1.94v所以，濾波電容：=0.81/500.5/1.94=0.004123即4123f

12、電容的耐壓要大于u2=14=19.7v，故濾電容c取容量為4700f，耐壓為25v的電解電容。3.2 元件清單注：制作實物所需其它設備：電烙鐵 覆銅板 焊錫 漆包線 鉗子等。3.3元件性能分析3.3.1.色環(huán)電阻電阻值計算示意圖下如圖所示：棕紅橙黃綠蘭紫灰白黑金銀12345678905%10%3.3.2橋式整流器原理圖： 橋式整流器是利用二極管的單向?qū)ㄐ赃M行整流的最常用的電路。用來將交流電轉(zhuǎn)變成直流電。橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接。輸入正弦波的正半部分是兩只管導通，得到正的輸出；輸入正弦波的負半部分時，另兩只管導通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。 橋式整流器對

13、輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。 橋式整流器是由多只整流二極管作橋式連接，外用絕緣朔料封裝而成，大功率橋式整流器在絕緣層外添加金屬殼包封，增強散熱。橋式整流器品種多，性能優(yōu)良，整流效率高，穩(wěn)定性好，最大整流電流從0.5a到50a，最高反向峰值電壓從50v到1000v。 3.3.3電解電容電解電容是電容的一種，介質(zhì)有電解液，涂層有極性，分正負，不可接錯。電容(electric capacity)，由兩個金屬極，中間夾有絕緣材料（介質(zhì)）構成有極性電解電容器通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波、退耦、信號耦合及時間常數(shù)設定、隔直流等作用。一般不能用于交流電源電路，在直流電源電路中作濾波電

14、容使用時，其陽極（正極）應與電源電壓的正極端相連接，陰極（負極）與電源電壓的負極端相連接，不能接反，否則會損壞電容器。3.3.4瓷片電容陶瓷電容無極性。陶瓷電容的容量一般較小，用于信號源濾波，可用于消除高頻干擾3.3.5lm317三端正電壓穩(wěn)壓器lm317是可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍1.2伏到37伏時能夠提供超過1.5安的電流，此穩(wěn)壓器非常易于使用。lm317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算，vo1.25（1r2/r1）。僅僅從公式本身看，r1、r2的電阻值可以隨意設定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，r1和

15、r2的阻值是不能隨意設定的。 首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是vo1.25v37v（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如lm317hva、lm317hvk等，其輸出電壓變化范圍是vo1.25v45v），所以r2/r1的比值范圍只能是028.6。 其次是317穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5ma。由于317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5ma。當317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時，317

16、穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時（如圖所示），沒有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。 在應用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護電路，防止電路中的電容放電時的高壓把317燒壞。 3.4可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源整體電路分析3.4.1整體電路圖原理圖pcb原理圖3.4.2整流電路本設計采用單相橋式整流電路(橋堆kbp307)。其由四只二極管組成，其構成原則就是保證在變壓器副邊電壓u：的整個周期內(nèi)，負載上的電壓和電流方向始終不變。為達到這一目的，需要在uz的正、

17、負半周內(nèi)正確引導流向負載的電流，使其方向不變，設變壓器副邊兩端分別為a和b，則a為“+”b為“一”時應有電流流出a點，a為“一”b為“+”時應有電流流入a點；相反，a為“+”b為“一”時應有電流流入b點，因而a和b點均應接兩只二極管，以引導電流，單相橋式整流電路+uok如果橋式整流電路變壓器副邊中點接地，就應將兩個負載電阻相連接且連接中點接地。根據(jù)橋式整流電路的工作原理，當a點為“+”b點為“一”時，dl、d3導通，d2、d4截止，u01一l12，u02一一u2；而當b點為“+”a點為“一”時，d2、d4導通，d1、d3截止，u01一一u2，u02一u2，這樣兩個負載上就分別獲得正、負電壓。3

18、.4.3濾波電路經(jīng)過整流后的直流電幅值變化很大，會影響電萬方數(shù)據(jù)路的工作性能?？衫秒娙莸摹巴ń涣?，隔直流”的特性，在電路中并人兩個并聯(lián)電容作為電容濾波器，濾去其中的交流成分。電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端(即負載電阻兩端)并聯(lián)一個電容即構成電容濾波電路。濾波電容容量較大，因此一般均采用電解電容，在接線時要注意電解電容的正負極。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。如果將兩個濾波電容相連接，且連接點接地，就可同時得到輸出電壓平滑的正負電源。在理想情況下，變壓器副邊無損耗，二極管導通電壓為零，所以電容兩端電壓相等。而當其上升到峰值后開始下降，電容便

19、通過負載電阻放電，其電壓也開始下降，趨勢與電容兩端電壓基本相同。4 仿真效果展示4.1關于示波器的原理和仿真說明 1.示波器介紹 示波器是一種多用途的現(xiàn)代測量工具，它可直接觀察電型號的波形也能測定電壓型號的幅度和周期及頻率等參數(shù)。雙蹤示波器不僅能獨立觀察兩種信號的波形，以便對他們進行對比和分析，還能測量兩個信號之間的時間差和相位差。一切可以轉(zhuǎn)化為電壓的其他電學量和非電學量都可用示波器來進行觀察。用示波器研究物理現(xiàn)象和規(guī)律已經(jīng)成為一種物理試驗方法。 4.2 仿真試驗操縱方法 4.2.1 系統(tǒng)的啟動 在系統(tǒng)主界面上選擇“示波器”并單擊，即可進入示波器仿真實驗平臺，顯示平臺主窗口實驗室場景（圖1）。

20、單擊鼠標右鍵可彈出實驗主菜單，用鼠標單擊菜單選項，即可進入相應的實驗內(nèi)容（若單擊“退出”，則退出示波器實驗）。圖1 2.系統(tǒng)主菜單（1）示波器原理：單擊主菜單上的“示波器原理”，打開示波器原理窗口。在窗口中單擊鼠標右鍵，可彈出示波器觸發(fā)方式選擇菜單，如圖2所示。分別選擇不同的觸發(fā)方式將顯示示波器的成象原理，選擇“退出”將返回示波器實驗平臺主窗口。（2）示波器方框圖 選擇主菜單的“示波器方框圖”，彈出示波器方框圖窗口，如圖3所示。單擊鼠標，將返回示波器實驗平臺主窗口。圖3圖2（3）實驗內(nèi)容 單擊主菜單中的“實驗內(nèi)容”，將會彈出一個確認是否正式進行示波器實驗的對話窗口。 單擊“正式完成實驗”按鈕，

21、正式完成實驗。實驗中的待測信號為隨機產(chǎn)生，信號真實值將在做完實驗后自動傳入實驗報告。單擊“只做示波器練習”按鈕，只做示波器練習，不記錄數(shù)據(jù)。圖4 在確認完是否正式完成示波器實驗后，對話窗口消失，彈出一個示波器面板（圖4）。面板上的按鈕、開關的作用和真實示波器的旋鈕、開關的作用是相同的。對面板上的旋鈕、開關功能不清楚時，可將鼠標移動到該旋鈕（或開關）的位置上，停留幾秒種不動，系統(tǒng)將會給出該旋鈕（或開關）的名稱，此時按下f1鍵時，會得到相應的功能解釋，如上圖所示（以上操作時，若沒有出現(xiàn)提示，請稍微移動一下鼠標位置）。 【校準示波器】 校準示波器的步驟是： (1) 調(diào)節(jié)示波器聚焦。在示波器使用前必須

22、調(diào)節(jié)好聚焦。必須在校準示波器后，示波器才能用直接法準確測量信號。圖5 (2) 如圖5所示，在通道ch1輸入校準信號。用鼠標點擊校準信號輸入口，則在通道ch1的輸入端出現(xiàn)紅色插頭，表明校準信號已經(jīng)接入ch1（同樣當把垂直方式選擇開關撥到ch2檔處便可把校準信號接入ch2通道，校準通道ch2）。(3) 分別調(diào)節(jié)通道1的 v/div衰減開關，通道1的位移調(diào)整，同步（level）鈕，水水平位移及10擴展，水平時基開關調(diào)節(jié)掃速及細調(diào)開關。 【直接法測量未知信號電壓】 可利用ch1，ch2中任意一路進行測量，現(xiàn)在以ch1為例說明測量過程（如圖6）。 (1) 將鼠標移到ch1的input處單擊，彈出信號選擇

23、菜單，從中選取一個待測信號。當ch1的輸入端出現(xiàn)黑色插頭時，表明已經(jīng)接入信號。 (2) 分別調(diào)節(jié)通道1的 v/div衰減開關，通道1的位移調(diào)整，同步（level）鈕，水平位移及10擴展，水平時基旋鈕調(diào)節(jié)掃速，根據(jù)v/div和波形在示波器的格子數(shù)算出待測波形的電壓。 【測量未知信號頻率】 直接測量法： (1) 利用ch1，ch2中任意一路進行測量，現(xiàn)在以ch1為例說明實驗過程。 (2) 將鼠標移到ch1的input處單擊，彈出信號選擇菜單，從中選取一個待測信號。ch1的輸入端出現(xiàn)黑色插頭時，表明已經(jīng)接入信號。 (3) 分別調(diào)節(jié)通道1的v/div衰減開關，通道1的位移調(diào)整，同步（level）鈕，水

24、平位移及10擴展，水平時基旋鈕調(diào)節(jié)掃速，根據(jù)水平時基刻度和格數(shù)算出待測波的頻率。數(shù)據(jù)處理1整理觀察波形時的記錄，并繪出觀察到的波形。2計算出被測信號的電壓、頻率等。 整體電路仿真效果圖示波器仿真效果圖5. 穩(wěn)壓電源各項性能指標的測試5.1 輸出電壓與最大輸出電流測量一般情況下，穩(wěn)壓器正常工作時，輸出電壓與最大輸出電流的測試測試電路如圖其輸出被測電流io要小于最io大輸出電流iomax，取io=0.5a，可算出rw=18，工作時rw上消耗的功率為：pl=uoio=90.5=4.5w。故rw取額定功率為5w，阻值為18的電位器。測試時，先使rw=18，交流輸入電壓為220v，用數(shù)字電壓表測量的電壓值就是uo。然后慢慢調(diào)小rw，直到uo的值下降5%，此時流經(jīng)rw的電流就是iomax，記下iomax后，要馬上調(diào)大rw的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。5.2 穩(wěn)壓系數(shù)的測量按圖5所示連接電路，在u1=220v時，測出穩(wěn)壓電源的輸出電壓