數(shù)碼管直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作

1、鄭州輕院輕工職業(yè)學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 數(shù)碼管直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 09級(jí)電子工藝與管理專業(yè)1班 學(xué) 號(hào) 09111 系 別 機(jī)電工程系 指導(dǎo)教師(職稱) 完成時(shí)間 2012 年 4 月 20 日 摘 要當(dāng)今社會(huì)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(gè)共同的電路-電源電路。大到超級(jí)計(jì)算機(jī)、小到袖珍計(jì)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。常用的穩(wěn)壓電源有交流和直流之分，當(dāng)然這些電源電路的樣式、復(fù)雜程度千差萬別。不可否認(rèn)電源已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于我們生活的方方面面，所以，學(xué)習(xí)并了解電源的制作原理和技術(shù)對(duì)于我們的生產(chǎn)和發(fā)展都具有積極的

2、意義。由于電子技術(shù)的特性，電子設(shè)備對(duì)電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負(fù)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。本文主要設(shè)計(jì)并制作數(shù)字顯示的直流穩(wěn)壓電源。本電源作為一個(gè)微型啟動(dòng)器，具有可調(diào)整電壓，調(diào)壓范圍是1.25V-20V，而且具備輸出電壓可以顯示的功能。本文介紹了直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的總體的設(shè)計(jì)方案，它主要由變壓器部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分、電壓數(shù)字顯示部分和輸出部分組成。電源的穩(wěn)壓部分用三端集成穩(wěn)壓管LM317完成，數(shù)字顯示部分用ICL7107芯片完成。ICL7107是一種市場(chǎng)上應(yīng)用非

3、常廣泛的集成芯片，內(nèi)置程序，可以直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。本設(shè)計(jì)的顯示部分是采用ICL7107芯片制作LED顯示的數(shù)字電壓表，并聯(lián)到輸出端，完成電壓顯示的功能。本電源具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，成本低，效率高，調(diào)整精度高等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上有很好的應(yīng)用前景。Abstract Todays society people greatly enjoy the convenience of electronic equipment, electronic equipment, but any more than there is a common circuit - power supply circuit. Larg

4、e supercomputers, small pocket calculator, all electronic devices must be more support in the power circuit to work properly. Commonly used with AC and DC power supply of the points, of course, the power supply circuit style, complexity vary widely. Undeniable power has been widely used in all aspec

5、ts of our lives, so learn and understand the power of production principles and techniques for our production and development and many have a positive meaning. As characteristic of electronic technology, electronic circuit design equipment for the power requirement is to provide a steady, full of en

6、ergy load requirements, and usually require a stable DC performance. This can provide a stable DC power supply is DC regulated power supply. DC power supply in power supply technology plays a very important position. In this paper, design and production figures show that the DC power supply. The pow

7、er supply as a mini-starter with adjustable voltage regulator range 1.25-20V, and output voltage can be displayed with the function. This article describes the display section and the output DC component. Power supply regulator part of the integrated three-terminal regulator with a LM317 completed,

8、the digital display section complete with TCL7107 chip. TCL7107 is a very broad application on the market integrated chip, built-in program, you can directly drive LED digital tube. The design of the display part of the chip is produced using TCL7107 LED display digital voltmeter, in parallel to the

9、 output voltage display function to complete.目 錄摘要II英文摘要III1前言11.1 穩(wěn)壓直流電源的研究背景11.2 課題的主要內(nèi)容11.2.1 電源的輸出控制11.2.2 穩(wěn)壓直流電源的功能21.2.3 性能指標(biāo)21.2.4 論文的總體結(jié)構(gòu)22 方案的選擇和設(shè)計(jì)思路32.1 方案設(shè)計(jì)與論證32.2 芯片的選擇42.2.1 LM317三端可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器42.2.2 ICL7107三位半LCD/LED顯示A/D轉(zhuǎn)換器53 可調(diào)穩(wěn)壓直流電源的設(shè)計(jì)73.1 可調(diào)穩(wěn)壓直流電源的基本組成73.2 整流濾波電路83.2.1 整流電路83.2.2 濾波電路113

10、.3 穩(wěn)壓電路133.4 過流保護(hù)163.5 顯示電路183.5.1 參數(shù)的計(jì)算193.5.2 元件的選擇203.5.3 ICL7107的校準(zhǔn)213.5.4 ICL7107的供電電源215.1 仿真圖243.7系統(tǒng)總圖266.2 體會(huì)276.1 結(jié)論27參考文獻(xiàn)281 前言1.1 穩(wěn)壓直流電源的研究背景直流穩(wěn)壓電源一般由三大部分組成，它們分別是變壓器部分，整流濾波部分和穩(wěn)壓器部分。通過變壓器把220V的市電變?yōu)殡娫此枰牡蛪航涣麟?，然后?jīng)過整流器，把交流電變成直流電，但是這時(shí)候的直流電并不穩(wěn)定，需要經(jīng)過濾波后，再由穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的直流電。本設(shè)計(jì)采用lm317芯片作為集成穩(wěn)壓電路的芯片，不

11、僅電路簡(jiǎn)單，而且電壓可以在1.25V-37V內(nèi)連續(xù)可調(diào)，而且它效率高，性能好，有較高的調(diào)整精度，各方面都適合設(shè)計(jì)的要求。本電源在市場(chǎng)上很有應(yīng)用前景，可以作為收音機(jī)或掌機(jī)的外接電源，也可以用作手機(jī)電池的充電器，功率高點(diǎn)的還作為小型電視或其他家用電器的電源。直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的儀器之一，它現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用在學(xué)校教學(xué)，科學(xué)研究等領(lǐng)域，是電子設(shè)計(jì)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和科學(xué)研究必不可少的電子儀器。在日常的電子電路中，供電電源常常要用到穩(wěn)壓直流電源。所以，穩(wěn)壓直流電源具有非常重要的研究意義。在日常生活中，很多家用電器或者IT產(chǎn)品都要用到穩(wěn)壓直流電源供電。但是在實(shí)際生活中，我們的家庭用電都是用到220V的

12、交流電網(wǎng)。這就需要通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓電路來將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓的直流電，供家用電器使用。變壓器可以將220V的交流電轉(zhuǎn)換成適合用電器的低壓交流電。整流器由二極管組成，用于濾去整流輸出電壓中的紋波。1.2 課題的主要內(nèi)容1.2.1 電源的輸出控制本系統(tǒng)利用lm317的穩(wěn)壓及其電壓可調(diào)的功能，通過旋轉(zhuǎn)接在調(diào)整腳的電位器，實(shí)現(xiàn)輸出電壓在1.25-20V內(nèi)連續(xù)可調(diào)，調(diào)整精度較高。LM317的電壓調(diào)整電路圖如圖1所示。圖1 lm317的電壓調(diào)整原理電路圖如圖1所示，通過調(diào)整可調(diào)電阻RV1的阻值，就可以調(diào)整輸出電壓Vo的大小。所以，如果希望調(diào)整的精度高，可調(diào)電阻RV1的調(diào)整精度也要高。1.2.2 穩(wěn)

13、壓直流電源的功能本設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓直流電源，除了可以輸出穩(wěn)定的直流電壓和實(shí)現(xiàn)電壓的平滑連續(xù)可調(diào)外，還有數(shù)顯功能，能夠用LED數(shù)碼管顯示輸出端的電壓。1.2.3 性能指標(biāo)輸出最大電壓：20V輸出最小電壓：1.25V輸出最大電流：1.5A最大傳送功率：20W1.2.4 論文的總體結(jié)構(gòu)第一部分主要介紹課題的背景，研究意義，介紹本文的主要研究?jī)?nèi)容，包括實(shí)現(xiàn)的功能和性能指標(biāo)等。第二部分提出穩(wěn)壓直流電源的總的設(shè)計(jì)思路和幾種可行的方案，以及各方案實(shí)現(xiàn)的功能，并對(duì)這些不同的方案進(jìn)行分析，最終選擇了本方案，并對(duì)本方案需要用到的元器件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。第三部分對(duì)選擇的方案進(jìn)行分析闡述，把電路分模塊地論述，給出各部分電路圖

14、。第四部分對(duì)穩(wěn)壓直流電源的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估，以及對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行研究。第五部分給出設(shè)計(jì)的實(shí)物圖。第六部分對(duì)本穩(wěn)壓直流電源給出本課題的結(jié)論，作結(jié)束語。2 方案的選擇和設(shè)計(jì)思路2.1 方案設(shè)計(jì)與論證1 輸出電壓范圍1.25V-20V；2 波紋系數(shù)盡量小，輸出穩(wěn)定；3 能數(shù)字顯示電壓。三個(gè)方案的選擇：方案一：開關(guān)電源，采用PWM脈寬調(diào)節(jié)。它的功耗比較小，效率高，穩(wěn)壓范圍寬，電路的形式多樣。但是，PWM占空比的線性變化使相應(yīng)的電流呈非線性變化，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)濾波電容的存在對(duì)占空比很小的PWM波積分效果明顯，導(dǎo)致電壓的非線性變化更顯著，特別是PWM占空比很小的時(shí)候，即希望調(diào)出很小的電壓的時(shí)候。方案二：用

15、單片機(jī)控制輸出電壓的調(diào)整，使用電壓采樣電路，通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。主要由微控制器模塊，穩(wěn)壓控制模塊，電壓采樣模塊，顯示鍵盤模塊，電源模塊五部分組成。方案二系統(tǒng)框圖如圖2所示。輸出電壓控制單元51單片機(jī)掉電貯存單元按鍵電路LCD顯示單元電壓/電流采樣電路電源電路 電壓/電流采樣電路 圖2 方案二系統(tǒng)框圖方案三：利用lm317集成穩(wěn)壓芯片為核心，通過變壓器之后整流濾波再穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的直流電。再用ICL7107芯片制作數(shù)字顯示電壓表頭，芯片的供電也是用lm317制作+5V的穩(wěn)壓電源提供。方案三系統(tǒng)框圖如圖3所示。輸出LM317穩(wěn)壓電路變壓器220AC輸入LED顯示ICL7107圖3 方案三系統(tǒng)

16、框圖根據(jù)課題的要求最終選擇方案三，雖然方案三電壓調(diào)節(jié)精度不及方案二，但是連續(xù)可調(diào)的直流電壓比較符合課題，方案二中的數(shù)控直流電源是步進(jìn)調(diào)壓的。而且方案三具有電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于操作等優(yōu)點(diǎn)，而且經(jīng)過調(diào)試，其電壓輸出穩(wěn)定，調(diào)壓精度高，效率高，完全符合課題的要求。2.2 芯片的選擇2.2.1 LM317三端可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器Lm317是可調(diào)節(jié)三端正電穩(wěn)壓器，在輸出電壓的范圍是1.25V-37V的時(shí)候能夠提供超過1.5A的電流，此穩(wěn)壓器非常容易使用，只要兩個(gè)外部電阻來設(shè)置輸出電壓。此外，還使用內(nèi)部限流，熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償從而使之能防止燒斷保險(xiǎn)絲。Lm317是應(yīng)用很廣泛的集成電路之一。它不僅能構(gòu)成三端穩(wěn)

17、壓電路的最簡(jiǎn)單形式，同時(shí)輸出電壓具有可調(diào)的功能。此外，它還有眾多的優(yōu)點(diǎn)，例如，調(diào)壓范圍寬，穩(wěn)壓性能好，噪聲低，紋波抑制比高。它的主要性能參數(shù)如下：輸出電壓：1.25-37V DC；輸出電流：5mA-1.5A；保護(hù)電路：芯片內(nèi)部有過熱，過流，短路保護(hù)電路；最大輸入輸出電壓差：40V DC；最小輸入輸出電壓差：3V DC 集成穩(wěn)壓器有多種型號(hào)供選擇，每種型號(hào)有著不同的性能指標(biāo)，可用于功能要求不一樣的各種電路。表1為幾種集成穩(wěn)壓器的型號(hào)與性能指標(biāo)：表1 幾種集成穩(wěn)壓器的型號(hào)與性能指標(biāo)類型三段固定三端可調(diào)大電流可調(diào)參數(shù)符號(hào)單位78Mxx、79Lxxlm317、LM337LM138輸入電壓V1V+-（8

18、-40）+-（3-40）35輸出電壓V0V+-（5-24）+-（1.2-37）1.2-32最小電壓差（Vi-Vo）minV+-(2.0-2.5)2.8電壓調(diào)整率Sv%V3-180.010.01電流調(diào)整率Si%12-150.10.03溫度系數(shù)S/300(0-75) 紋波抑制比RRdB53-62、6065、77-8060-75調(diào)整端電流IduA50、65-100輸出阻抗Zo最小負(fù)載電流IominmA3.5輸出電流IoA空擋（1.5）M（0.5）L（0.1）0.01-1.50.1-1.5最大功耗PmaxW0.6-20輸出噪聲電壓VnuV(峰-峰值)4-70、125-600502.2.2 ICL710

19、7三位半LCD/LED顯示A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是現(xiàn)時(shí)一種在數(shù)字儀表領(lǐng)域上應(yīng)用非常廣泛的三位半A/D轉(zhuǎn)換器，它的用途非常廣泛，不僅可以用于制作數(shù)字顯示電壓表，電路稍加改造，還可以用于制作數(shù)字電流表和數(shù)字溫度計(jì)等實(shí)用的電路或儀表。ICL7107是一種高性能，高效率，低功耗的三位半A/D轉(zhuǎn)換器電路。它集成了七段譯碼器，顯示驅(qū)動(dòng)器，參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)，并且可以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。ICL7107芯片將高精度，低成本和通用性非常好地集于一身，而且極性誤差小于一個(gè)字。真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考源在各種各樣的系統(tǒng)中都發(fā)揮了非常大的作用。而且，只要用十來個(gè)作用的無源電子元件和LED發(fā)光管就可以與ICL7107

20、構(gòu)成一個(gè)具有高性能的儀表面板，充分表現(xiàn)出ICL7107芯片的低成本還有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。ICL7107芯片共有40個(gè)引腳，芯片的第一腳，是將芯片正放，眼睛面對(duì)芯片的型號(hào)字符，在芯片的左下方就是它的第一腳。當(dāng)知道了那個(gè)腳是第一腳，按照逆時(shí)針方向排列，依次是第二引腳到第四十引腳。芯片的第一引腳是供電，需要接入DC5V的電壓。第36引腳是基準(zhǔn)電壓，正確數(shù)值時(shí)100mv，第26引腳是負(fù)電源引腳，它的電壓數(shù)值是負(fù)的，最好是-3.2v到-4.2v左右，不能夠是正電壓或者零電壓。芯片第31引腳是信號(hào)輸入引腳。芯片的電源地是21腳，模擬地是32腳，信號(hào)地是30腳，基準(zhǔn)地是35腳，在通常的情況下，這四個(gè)引腳都

21、接地。下面給出ICL7107芯片的管腳排列圖，如圖4所示：圖4 ICL7107的管腳排列圖表2為ICL7107芯片的各種極限參數(shù)的表格，包括工作溫度、儲(chǔ)存溫度、熱阻和最大結(jié)溫等。表2 ICL7107的極限參數(shù)參數(shù)類型型號(hào)符號(hào)參數(shù)范圍單位電源電壓ICL7106V+V-15V電源電壓ICL7107V+GND6V電源電壓ICL7107V-GND-9V模擬輸入電壓ICL7106/ICL7107V+V-參考源輸入ICL7106/ICL7107V+V-時(shí)鐘輸入ICL7106TESTV+時(shí)鐘輸入ICL7107GNDV+工作溫度ICL7106/ICL7107Topr070貯存溫度ICL7106/ICL7107

22、Tstg-65150熱阻ICL7106/ICL710750/W最大結(jié)溫ICL7106/ICL71071503 可調(diào)穩(wěn)壓直流電源的設(shè)計(jì)3.1 可調(diào)穩(wěn)壓直流電源的基本組成穩(wěn)壓電源一般分為五部分，由變壓器降壓電路，全橋整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路組成。穩(wěn)壓電源電路圖如圖5所示。圖5 穩(wěn)壓電源電路原理圖Lm317可調(diào)式集成穩(wěn)壓電源的原理圖如圖5所示，只要接線正確，一般能良好地實(shí)現(xiàn)它的功能。交流220V電壓經(jīng)過電源變壓器降壓整流后得到直流電壓Vin，電壓Vin經(jīng)過濾波電路輸入到集成穩(wěn)壓器的輸入端，在集成穩(wěn)壓器輸出端課調(diào)出1.25V-20V（可調(diào)范圍取決于R2和R3的取值，最大范圍可以從1.25

23、V調(diào)到37V。）的電壓。為獲得較高的輸出電壓值，LM317穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)端與地之間的電阻R2值及其壓降往往較大，在R2兩端并接一個(gè)不小于10uF的電容C3，可有效地抑制輸出端的紋波。由于穩(wěn)壓器在11的深度負(fù)反饋下工作，當(dāng)輸出端負(fù)載為容性的某一值時(shí)，穩(wěn)壓器有可能出現(xiàn)自激現(xiàn)象。因此，在穩(wěn)壓器的輸入端接入0.1uF的電容C2，輸出端接入10uF的電解電容C5，提供足夠的電流供給，同時(shí)可以防止可能發(fā)生的自激振蕩以及減小高頻噪聲和改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入端發(fā)生短路時(shí)，C5通過穩(wěn)壓器的調(diào)整管放電，C5值較大，則放電時(shí)的沖擊電流很大，電壓會(huì)通過穩(wěn)壓器內(nèi)部的輸出晶體管放電，可能造成輸出晶體管發(fā)射結(jié)反向擊穿。為

24、此，在穩(wěn)壓器兩端并接二極管D6，輸入端短路時(shí)C5通過D6放電，保護(hù)LM317穩(wěn)壓器。3.2 整流濾波電路 因?yàn)檎n題需要5V-12V的穩(wěn)壓直流電，所以需要用到220V轉(zhuǎn)18V的變壓器把高壓的交流電轉(zhuǎn)成低壓交流電。因?yàn)檎n題不需要用到20V以上的電壓，所以應(yīng)該選用18V-24V的變壓器，這樣可以降低LM317集成芯片的功耗，達(dá)到低功耗，高效率的要求。 3.2.1 整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫虼硕O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中，常見的集中整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路。單相橋式整流

25、電路是工程上最常用的單相整流電路。在工作時(shí)，電路中的四只二極管都是作為開關(guān)運(yùn)用，當(dāng)正半周時(shí)，二極管V1、V3導(dǎo)通（V2、V4截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周；當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極管V2、V4導(dǎo)通（V1、V3截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。橋式整流電路原理圖如圖6所示。 圖6 橋式整流電路原理圖 選擇二極管要依據(jù)二極管的反向耐壓VRM和正向電流IF。由于濾波電容的容量愈大，二極管導(dǎo)通角愈小，通過二極管脈沖電流的幅度愈大，因此，整流管的幅值電流必須加以考慮。流過整流管的平均電流：式中Ii 為穩(wěn)壓器的輸入電流，IR1、IR2

26、、Iadj 分別為流過R1、R2，以及調(diào)整端的電流，則：考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的23 倍。二極管最大反向電壓：式中U2為電源變壓器次級(jí)電壓有效值，Ui為整流輸出電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓器LM317穩(wěn)定運(yùn)行，輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在515V范圍，取Ui-U0=10V，得：設(shè)計(jì)時(shí)可考慮一定的余量。根據(jù)計(jì)算，1N4007的二極管符合設(shè)計(jì)要求，可以用作整流橋。橋式整流電路電壓和電流波形如圖7所示。 圖7 橋式整流電路電壓和電流波形如圖7所示，在交流電壓u2的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載Rl都有同方向的電流通過，故Rl上得到單方向全波脈動(dòng)的直流電壓。這樣，四個(gè)二極

27、管組成的整流橋就完成了整流的功能。3.2.2 濾波電路整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，但其中含有大量的交流成分（稱為紋波電壓）。所以我們需要在整流電路之后加入濾波電路進(jìn)行濾波，才能得到穩(wěn)定的直流電壓。對(duì)于濾波電路的選擇有兩種方案：方案一：采用電感濾波電路。由于電感在電路中有儲(chǔ)能的作用，所以在電路中可以串聯(lián)電感，當(dāng)電源供給的電流增加時(shí)，它能夠把能量?jī)?chǔ)存起來，當(dāng)電流減小時(shí)，它有可以把能量釋放出來，是負(fù)載電流比較平滑，有平波的作用。在電感濾波電路中，整流管的導(dǎo)電角度比較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，但是由于鐵芯的存在，比較笨重，體積比較大，而且容易引起電磁干擾。一般的情況下只適用于低電壓，大電

28、流的場(chǎng)合。電感濾波電路圖如圖8所示：圖8 電感濾波電路方案二：采用電容濾波電路。由于電容在電路中也是起到儲(chǔ)存能量的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時(shí)，能夠把部分能量?jī)?chǔ)存起來，而當(dāng)電源電壓減低的時(shí)候，就能把能量釋放出來，是負(fù)載電壓比較平滑穩(wěn)定，也就是電容也有平波的作用。電容濾波電路比較簡(jiǎn)單，而且負(fù)載直流電壓比較高，紋波也比較少，適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合，也減輕了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。電容濾波電路原理圖如圖9所示。圖9 電容濾波電路經(jīng)過分析，最終決定采用方案二。經(jīng)過濾波，電路的電壓、電流波形如圖10所示。濾波電解電容C的選擇原則是：取其放電時(shí)間常數(shù)RLC大于充電周期的35

29、倍，其耐壓值必須大于脈動(dòng)電壓峰值。對(duì)于橋式整流電路來說，脈動(dòng)電壓峰值為2U2，C的充電周期等于交流電源周期T的一半，即C(35) T2RL，式中RL為整流后的等效負(fù)載電阻，經(jīng)過考慮，本設(shè)計(jì)取C為2200uF。設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時(shí)接通電路，輸入電壓U2為正半周，當(dāng)U由零上升時(shí)，V1、V3導(dǎo) 通，C被充電，同時(shí)電流經(jīng)V1、V3向負(fù)載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時(shí)間常數(shù)近似為零，因此Uo=UcU2，在u2達(dá)到最大值時(shí)，Uc也達(dá)到最大值，然后U2下降，此時(shí)，UcU2，V1、V3截止，電容 C向負(fù)載電阻RL放電，由于放電時(shí)間常數(shù)=RLC一般較大，電容電壓Uc按 指

30、數(shù)規(guī)律緩慢下降，當(dāng)下降到|U2|Uc時(shí)，V2、V4導(dǎo)通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充放電 過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓，使負(fù)載電壓的波動(dòng)大為減小。圖10 橋式整流、電容濾波時(shí)的電壓、電流波形3.3 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路是整個(gè)設(shè)計(jì)之中一個(gè)很重要的組成部分，幾乎所有的電子設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作。所以，研究和熟悉穩(wěn)壓電路的組成和設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。穩(wěn)壓電路主要用于提供更加穩(wěn)定的直流帶能源?？紤]到整流濾波電路的輸出電壓和理想的直流電源還是有相當(dāng)?shù)木嚯x，主要是存在兩方面的問題：第一方面，但負(fù)載電流變化的時(shí)候，因?yàn)檎鳛V波電路存在一定的內(nèi)阻，所以輸出的直流

31、電壓將有可能隨之發(fā)生變化。第二方面，由于電網(wǎng)電壓并不穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓有關(guān)，因此輸出直流電壓也相應(yīng)的發(fā)生變化。因此，在設(shè)計(jì)中，采用三端集成穩(wěn)壓器lm317來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的功能。其中，調(diào)整管接在輸入端和輸出端之間。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流波動(dòng)時(shí)，調(diào)整自身的集-射壓降使輸出電壓基本保持不變。放大短路將基準(zhǔn)電壓與從輸出端得到的采樣電壓進(jìn)行比較，然后再放大并送到調(diào)整管的基極。放大倍數(shù)越大，則穩(wěn)定性能越好。由于三端集成穩(wěn)壓器是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的一種，而串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓成正比，因此，基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路的輸出電壓的穩(wěn)定性。采

32、樣電路由兩個(gè)分壓電阻組成，它將輸出電壓變化量的一步份送到放大電路的輸入端。啟動(dòng)電路的作用是在剛接通電流輸入電壓的時(shí)候，是調(diào)整管、放大電路和基準(zhǔn)電源等建立各自的工作電路，而當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作是啟動(dòng)電路被斷開，影響穩(wěn)壓電路的性能。保護(hù)電路主要起到限流保護(hù)，過熱保護(hù)和過壓保護(hù)的作用。穩(wěn)壓部分的電路原理圖如圖11所示。 圖11 穩(wěn)壓電路原理圖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(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如LM317HVH、W317L等。電子愛好者經(jīng)常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。 穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算：僅僅從公式本身看，R3、R2

33、的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R3和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。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，R3應(yīng)小于240歐姆。改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。D5，D6用于保護(hù)LM317。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/R3的比值范圍只能是028.6。它的使用非常簡(jiǎn)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內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。其

34、次是317穩(wěn)壓塊都有一個(gè)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(hào)不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5mA。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，LM317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用LM 317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時(shí)，沒有注意LM317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(huì)出現(xiàn)下述不正常現(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。在使用317穩(wěn)壓塊的輸出電壓計(jì)算公

35、式計(jì)算其輸出電壓時(shí),必須保證R10.83K和R223.74K兩個(gè)不等式同時(shí)成立,才能保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作。當(dāng)然在317穩(wěn)壓塊的輸出端并聯(lián)泄流電阻R(如圖所示),也可以為317穩(wěn)壓塊提供最小穩(wěn)定工作電流。但是,由于并聯(lián)的泄流電阻不能隨輸出電壓的變化而變化,如果要保證317穩(wěn)壓塊在輸出電壓為1.25V時(shí),其輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流,則在317穩(wěn)壓塊的輸出電壓為37V時(shí),流過泄流電阻的電流就太大了,這樣不僅浪費(fèi)了電能,而且增加了317穩(wěn)壓塊的負(fù)擔(dān),不是一種妥當(dāng)?shù)霓k法。通常LM117/LM317不需要外接電容，除非輸入濾波電容到LM117/LM317輸入端的連線超過6英寸（約1

36、5厘米）。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應(yīng)。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。輸入至少要比輸出高2V，否則不能調(diào)壓。輸入電要最高不能超過40V。輸出電流不超過1A。輸入12V的話，輸出最高就是10V左右。由于它內(nèi)部還是線性穩(wěn)壓，因此功耗比較大。當(dāng)輸入輸入電壓差比較大且輸出電流也比較大時(shí)，注意317的功耗不要過大。一般加散熱片后功耗也不超過20W。LM317屬于深度負(fù)反饋的穩(wěn)壓電路，其功耗比較大，所以有必要討論一下LM317穩(wěn)壓模塊的散熱問題。穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫TJM,當(dāng)TTJM時(shí)穩(wěn)壓器才能正常工作。因此，穩(wěn)壓器的散熱能力愈強(qiáng), 結(jié)溫就愈低，它所能承受的

37、功率也愈大。穩(wěn)壓器的散熱能力取決于它的熱阻給半導(dǎo)體器件加散熱片后可減小總熱阻。若令R1 表示從結(jié)到器件外殼的熱阻，R2 表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻，RA 表示從結(jié)到散熱片表面的熱阻，則RA=R1+R2。若令Rd 表示散熱片到周圍空氣的熱阻，R表示加散熱片后結(jié)到空氣的總熱阻，則R=RA+Rd。設(shè)集成穩(wěn)壓器的最高允許結(jié)溫為TJM，最高環(huán)境溫度為TAM，加散熱器后器件的功耗為PD，則有關(guān)系式：所以器件的最大功耗必須滿足PDMPD。3.4 過流保護(hù)在目前，各種直流電源產(chǎn)品的應(yīng)用非常廣泛，電源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是，基于成本的考慮，對(duì)于電源性能要求不是很高的場(chǎng)合，可采用帶有過流保護(hù)的集成穩(wěn)壓電路，

38、同樣能滿足產(chǎn)品的要求。過流保護(hù)電路作為電源電路中不可缺少的一個(gè)組成部分，能夠有效地保護(hù)電子元件，根據(jù)其控制方法大致可以分為關(guān)斷方式和限流方式，而直流電機(jī)電源較宜采用關(guān)斷方式。過流保護(hù)電路首先要有一個(gè)電流取樣環(huán)節(jié)，常用做法是串聯(lián)一個(gè)小電阻或者是霍爾元件來獲得電流信號(hào)。由于霍爾元件體積比較大，價(jià)格昂貴，因而考慮采用串聯(lián)一個(gè)小電阻的方法。電路的過流保護(hù)原理圖如圖12所示。 圖12 過流保護(hù)電路原理圖R6為取樣小電阻。當(dāng)電源工作時(shí)，穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓，電機(jī)開始啟動(dòng)。由于直流電機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)電流iout較大(約為額定電流的810倍)，iout流過小電阻R6，并經(jīng)R5對(duì)C4充電。通過設(shè)定R6、C4的

39、值，使充電時(shí)間大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，Q1(9013)處于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)后，電流恢復(fù)到工作電流。一旦電機(jī)發(fā)生短路或堵轉(zhuǎn)，使電容C4兩端電壓達(dá)到Q1的導(dǎo)通電壓，則Q1導(dǎo)通，強(qiáng)制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25V。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間大于啟動(dòng)時(shí)間，Q1不導(dǎo)通，電機(jī)才能正常啟動(dòng)。由于啟動(dòng)電流很大，一般是額定電流的47倍，可看成不變，設(shè)為I=5I0。根據(jù)圖15，可得以下公式： 由于R4R5，所以iR5iR5因此i約等于iR5。此時(shí)為一階零狀態(tài)輸入響應(yīng)，求解得：假設(shè)電容C4的電壓達(dá)到0.7V為充電時(shí)間，得：設(shè)電機(jī)負(fù)荷在額定狀態(tài)下運(yùn)行，電機(jī)電流I0已經(jīng)穩(wěn)定。電機(jī)短路或堵轉(zhuǎn)后，電流突然增大

40、到短路電流IS，電容C4開始充電。考慮一定的設(shè)計(jì)余量，取保護(hù)電流設(shè)定值IG 50pF Rosc 50Kfosc = 48K Hz (典型值)振蕩周期：Tosc = RC/0.45 所以，38腳的C4取100pF，39腳的R5取100K。積分電路由IC的27、28腳決定。 積分時(shí)鐘頻率：Fclock = Fosc / 4 積分周期：Tint = 1000 (4/Fosc) = 1000 (4/48K) = 83.3ms 滿量程模擬輸入電壓：Vinfs = 200mV (典型值) 最佳積分電流：Iint = 4uA 積分電壓：Vint = 2V 積分電阻：Rint = Vinfs / Iint =

41、 200 mV/ 4uA = 50K 積分電容：Cint = (Tint)(Iint) / Vint = 83.3ms 4uA / 2 = 0.166 uF 所以，27腳C3取0.22uF， 28的R4取47K。C2用于防止系統(tǒng)噪音的影響以及過載輸入時(shí)電路的恢復(fù)，29腳的C2取0.47uF。 參考電容：0.1uF Cref 1uF C1為參考電容，我們?nèi)?.1Uf。電阻R2用于調(diào)整參考電壓，參考電源為0200mV可調(diào)。R3用于電壓校準(zhǔn)。 參考電壓與輸入電壓的關(guān)系為：Vin = 2Vref 如果要求電壓表的量程0199.9mV，參考電壓應(yīng)設(shè)置為100mV。 如果需要需要測(cè)量的電壓大于200mV，

42、就要通過分壓電路來實(shí)現(xiàn)。由于我們電源的指標(biāo)是512V，所以要求電壓表的量程為020V。 下面以20V來進(jìn)行分壓電阻（Rx）的計(jì)算，這里我們?cè)O(shè)定R4形成的參考電壓為100mV，R2為1K，落在R2上的電壓降為2100mV = 0.2V，Rx計(jì)算如下： 為了方便電阻選擇，選用100 K電阻，其誤差可通過調(diào)整R2來彌補(bǔ)。3.5.2 元件的選擇制作時(shí)，顯示用的數(shù)碼管為共陽型，2 K可調(diào)電阻最好選用多圈可調(diào)精密電阻，分壓電阻選用誤差較小的金屬膜電阻，其他器件選用正品即可。R1選用100K的金屬膜電阻，R2選用2K的多圈可調(diào)精密電阻，R3選用24K的金屬膜電阻，R4選用1K的多圈可調(diào)精密電阻，R5選用47

43、K的金屬膜電阻，R6選用100K的金屬膜電阻。C1選用0.22uF的CCB電容，C2選用0.47uF的CCB電容，C3選用0.1uF的陶瓷電容，C4選用100 pF的CCB電容。3.5.3 ICL7107的校準(zhǔn)首先，先校準(zhǔn)參考電壓，用萬用表測(cè)IC的35和36之間的電壓，是否為100mV，如不是，則需要調(diào)節(jié)電位器R4使兩端電壓為100mV。然后，用萬用表測(cè)電源的輸出，如9.50V，然后通過調(diào)節(jié)電位器R2，使LED上的數(shù)值與萬用表上的一致。這樣，校準(zhǔn)工作就算完成了。經(jīng)過校準(zhǔn)后，ICL7107和萬用表的絕對(duì)誤差只有0.01V。3.5.4 ICL7107的供電電源如圖18所示，ICL7107芯片需要+

44、5V和-5V的雙電源供電。所以需要額外做一個(gè)供電電源，以下有三種方案：方案一：用7805和7905三端集成芯片提供+5V和-5V的電壓，正負(fù)5V供電電源電路原理圖如圖14所示。圖14 正負(fù)5V供電電源原理圖這種電路時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的雙電源電路，能夠穩(wěn)定提供正負(fù)5V的直流電壓，但是需要用到7805和7905穩(wěn)壓模塊，增加了電路成本。方案二：利用LM317集成穩(wěn)壓模塊做一個(gè)+5V的電源，再利用ICL7660芯片把+5V電源變成-5V的電源。ICL7660是哈里斯公司采用CMOS工藝制成的高效率、小功率、低壓直流電源變換器，亦稱DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，國(guó) 產(chǎn)型號(hào)為5G7660，它不僅能將單電源轉(zhuǎn)換成對(duì)稱輸出的雙

45、電源，還能通過幾片串聯(lián)方式獲得多倍壓輸出，其空 載時(shí)轉(zhuǎn)換效率高達(dá)99.7%，帶負(fù)載后轉(zhuǎn)換效率仍可達(dá)95%，ICL7660本身耗電小于0.5mA，卻能向負(fù)載提供1020mA 的電流，其外圍電路十分簡(jiǎn)單，只需接兩只電容即可工作。ICL7660+5V轉(zhuǎn)-5V電路原理圖如圖15所示。圖15 ICL7660+5V轉(zhuǎn)-5V電路原理圖這種方案也是比較常用的方案，但是缺點(diǎn)也是增加了電路成本。方案三：用LM317集成穩(wěn)壓模塊制作一個(gè)+5V的電源，然后用一只NPN三極管，兩只電阻，一個(gè)電感來進(jìn)行信號(hào)放大，把芯片38腳的振蕩信號(hào)串接一個(gè)20K56K的電阻連接到三極管“B”極，在三極管“C”極串接一個(gè)電阻（為了保護(hù)）

46、和一個(gè)電感（提高交流放大倍數(shù)），在正常工作時(shí)，三極管的“C”極電壓為2.4V2.8V為最好。這樣，在三極管的“C”極有放大的交流信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)通過2只4u7電容和2支1N4148二極管，構(gòu)成倍壓整流電路，可以得到負(fù)電壓供給ICL7107的26腳使用。完整顯示電路就如圖16所示。圖16 單電源供電的ICL7107電路原理圖經(jīng)過考慮，最終選擇了方案三，因?yàn)檫@樣做既節(jié)省成本，又方便焊接且滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過測(cè)試，數(shù)顯電壓表正常工作。3.6仿真圖3.7系統(tǒng)總圖3.8 體會(huì)經(jīng)過幾個(gè)月的奮斗，終于把我的畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了。在高興之余，也有很多感觸。在此次數(shù)字顯示可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中，充分的體現(xiàn)出大學(xué)的知識(shí)

47、是綜合性的，是一個(gè)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力靈活運(yùn)用個(gè)方面知識(shí)的具有挑戰(zhàn)性的課題。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我發(fā)現(xiàn)了自己存在著很多的不足，對(duì)書本的知識(shí)運(yùn)用的也不是很熟練。但是，經(jīng)過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)我對(duì)知識(shí)的掌握程度有了很大的提高，更是很好地培養(yǎng)了我的動(dòng)手能力，使我獲益良多。在本次設(shè)計(jì)的過程中，因?yàn)閷?duì)電壓的紋波沒有特殊的要求，普通的穩(wěn)壓集成電路就基本可以滿足要求了。本設(shè)計(jì)的輸出電壓精度比較高，而且輸出可調(diào)，可以作實(shí)驗(yàn)電源使用。在做設(shè)計(jì)的過程中，我遇到了很多難題和挫折，看似原理比較簡(jiǎn)單的電路，要自己動(dòng)手設(shè)計(jì)并且做出實(shí)物，其實(shí)是很難的一件事。主要的原因是我們平常大多數(shù)時(shí)間是學(xué)習(xí)理論知識(shí)，很少機(jī)會(huì)自己動(dòng)手設(shè)計(jì)電路。查找資料也花了比較多的時(shí)間，這提醒我們一定要學(xué)會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際，把書本上的知識(shí)和實(shí)際的電路設(shè)計(jì)聯(lián)系起來，這無論對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)或者工作都是有很大幫助的。通過本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我學(xué)過的專業(yè)知識(shí)得到了很大的鞏固，也使我學(xué)習(xí)的各種知識(shí)得到了有機(jī)的整合，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際的真正意義的結(jié)合。不僅如此，還大大地提高了我的動(dòng)手能力，考驗(yàn)了我們借助互聯(lián)網(wǎng)搜索相關(guān)文獻(xiàn)，還有組織材料的綜合能力。從中能夠加強(qiáng)自我認(rèn)知