多路輸出的直流電源設計

1、電子制作1 多路輸出的直流電源設計電子方舟 0設計任務和要求大多數(shù)放大電路需要+12v，單片機需要+5v，有些單片機和cpld需要3.3v。可是我們電網(wǎng)供電為交流220v。為此需要設計一個將交流電轉(zhuǎn)換為多路直流電的裝置。構(gòu)如圖1所示，交流220v電壓經(jīng)過變壓器隔離后降到交流12v，然后經(jīng)過整流濾波和多路穩(wěn)壓電路輸出12v、5v和3.3v的直流電壓。要求輸出最大電流為1a。紋波電壓小于50mv，有紅色的電源指示燈。 圖1 多路電源結(jié)構(gòu)方框圖1.基本原理分析如圖2所示，一般直流電源由 降壓 、 整流 、 濾波 、 穩(wěn)壓 四部分組成。圖2 簡易直流電源的方框圖變壓器可以將輸入的交流電壓從220v降低

2、到12v，并且隔離電網(wǎng)。整流電路的作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動直流電。濾波電路的作用是將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，保留直流成分。穩(wěn)壓電路的作用是對整流后的直流電壓進一步進行穩(wěn)定。2.方案論證利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂稍O計半波、全波和橋式整流電路。b220vrldin4001b220vrld1d2d4b220vrld1d2d3 a) 半波整流 b)全波整流 c)橋式整流圖3 三種整流電路方案1半波整流如圖a)所示，半波整流電路由一個二極管構(gòu)成。使用元件少。輸出波形脈動大；直流成分??；變壓器利用率低。 方案2 全波整流電路如圖b所示，全波整流電路采用有中心抽頭的變壓器和兩個二極管配

3、合，使得在整個周期內(nèi)都有直流電輸出。輸出電壓平均值是半波整流的2倍，兩個二極管輪流工作，正向電流等于負載電流平均值的一半。二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊兩個繞組的峰值電壓。方案3 橋式整流電路橋式整流電路有4個二極管構(gòu)成，當正半周時，二極管d1、d3導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。當負半周時，二極管d2、d4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。對比三種整流電路可知：單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應用于直流電源之中。我們選擇方案3。對于穩(wěn)壓電路，我們選擇lm7812、lm7805

4、和1117分別輸出三種電壓。3.元件選擇和參數(shù)計算3.1 變壓器的參數(shù)計算變壓器的輸出電壓= = 如果已知輸出電壓和電流，變壓器的輸出功率= 計算出功率后，還要考慮留有20%的富余量，p= = 實際選購的變壓器為 12 v, 10 w .圖4 電源變壓器3.2二極管的參數(shù)計算對比幾種方案，建議選擇型lc濾波器因為簡易電源要求不高，不需要加穩(wěn)壓電路。因此采用橋式整流和型lc濾波電路構(gòu)成。電路圖如下圖所示：圖5 簡易直流電源的電路圖3.參數(shù)計算設計一個電子電路，其元件參數(shù)一定要通過計算獲得。在工程實踐中，不需按準確的計算結(jié)果去采購元件，一般是一個范圍，然后在范圍內(nèi)選購元件。有經(jīng)驗的工程師甚至會估算

5、出元件的參數(shù)。對于一些涉及安全的極限參數(shù)（如二極管和電容的耐壓值等），為了確保安全，實際采用的參數(shù)一般要比計算值高20%-100%,甚至數(shù)倍。如計算出的二極管反向耐壓值約為15v，實際采用的可能是600v。3.1變壓器的參數(shù)計算根據(jù)電容濾波的基本原理，變壓器的輸出電壓為變壓器的功率 實際選用，應留1020的富余量。防止變壓器過熱燒毀。3.2計算二極管的參數(shù)因為采用了電容濾波，輸出電壓為變壓器次級電壓的1.2倍。每只二極管只在變壓器副邊電壓的半個周期通過電流。所以：每只二極管的平均電流只有負載電阻上電流平均值的一半= 二極管所承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓= 實際選用二極管最大整流平

6、均電流和最高反向工作電壓均應留富余量1020的富余量，以保證二極管安全工作。本項目選擇 1n4007 貼片二極管，其工作電流為 1 a，反向電壓為 200 v。3.3濾波電容的參數(shù)計算3.3計算電容的參數(shù)假設采用單獨的電容濾波就可以滿足基本條件，然后型lc濾波只不過使得電容濾波的效果更好?？筛鶕?jù)電容濾波的基本條件來計算電容的容量:則電容的取值范圍是： 電容的反向耐壓值應為輸出電壓的1.2倍。uc= ，實際選擇的濾波電容為 。電解電容適合過濾低頻信號，另外還需要配套一個104的貼片小電容用于過濾高頻。 （a） 整流二極管1n4007 （a） 貼片電解電容 （b）無極電容（1206）圖 5 整流管

7、和濾波電容3.4 穩(wěn)壓芯片 選擇貼片的lm7812、7805和1117三種三端穩(wěn)壓芯片分別輸出12v、5v和3.3v。 （a）貼片lm7812 （b）貼片lm7805 （c）貼片1117-3.3v圖6 三端穩(wěn)壓集成電路3.5指示燈選擇及其限流電阻的參數(shù)計算led指示燈選擇封裝為1206的紅色貼片指示燈，其工作電壓約為1.5v，工作電流范圍為5-15ma。根據(jù)歐姆定律，限流電阻的阻值:，根據(jù)發(fā)光二極管的電流范圍，可計算出限流電阻的取值范圍。電阻的下限為 = = 電阻的上限為 = = 實際選擇的電阻為 ，功率為0.25w。 圖7 led指示燈和貼片電阻（1206封裝）4元件測試4.1 測量變壓器的

8、好壞，1）測量初級繞組的電阻。初級繞組的線圈比較細，圈數(shù)比較多，所以阻值 較大 ；2） 測量次級繞組的電阻。 次級繞組的線圈比較粗， 圈數(shù)比較少，所以阻值 較小 ；3）測量絕緣電阻。初級線圈、次級線圈和鐵心三者之間的絕緣電阻值為 無窮大 。4.2 測量整流二極管的好壞，并分辨正極和負極用萬用表的電阻檔正反測量兩次。正向電阻小，約為 。反向基本不通。4.3 測量電解電容的好壞數(shù)字萬用表的電容檔可以測量電容的大小。也可以采用充電法測量。4.4 測量發(fā)光二極管的好壞，并分辨正極和負極用萬用表的電阻檔正反各測量一次，無需讀數(shù)，當發(fā)光管被點亮時， 紅表筆 接正極。5 制作pcb板5.1 建立自己的原理圖

9、庫和封裝庫繪制原理圖之前，應充分考慮每個元件的封裝，最好是先測量元件的大小，然后繪制封裝庫和原理圖庫，并且將原理圖庫與封裝庫綁定，需要添加貼片封裝元件有in4007、貼片電容、貼片7812、貼片7805、貼片1117、貼片指示燈、貼片電阻和插座等。采用復制原理圖并修改封裝的方法，步驟如下：步驟1 新建一個原理圖庫，命名為“姓名“+“原理圖庫”，如”莫言的原理圖庫“。步驟2 復制元件到自己的原理圖庫。 打開“miscellaneous devices.schlib“庫，從中復制以下元件到自己的原理圖庫：diode 1n4007、cap、cap pol、inductor、volt reg、res3

10、、led3。將volt reg復制三次，分別改名為lm7812、lm7805和1117。打開“miscellaneous connectors.schlib“庫，復制heard2 到自己的原理圖庫，修改名稱為”head2sm”。步驟3 新建一個封裝庫，命名為“我的pcb封裝庫“。打開“miscellaneous devices.pcblib“庫，復制名為425、d2pak和sot23的封裝到自己的pcb庫。然后，利用元件向?qū)ё詣由蒬o214和1206的封裝,具體參數(shù)如下：復制connectorpcb庫中的hdr1x2封裝到自己的封裝庫，改變名稱為“hdr2-sm“，將多層焊盤改為頂層焊盤、將

11、焊盤的y方向長度加倍（100mil），然后拉大邊框。保存即可。步驟4 回到原理圖庫，修改封裝名稱，元件名1n4007cap pocaplm7812lm78051117resledhead2sm封裝名do214？1206d2pakd2paksot22312061206hdr2_sm5.2 繪制原理圖繪圖的時候，一定要用自己設計的原理圖庫，因為自己的庫對應的封裝都是自己測量過的元件，可以跟實際尺寸一一對應。繪制好的原理圖如下：5.3 繪制pcb 5.4 制作pcb板，6安裝調(diào)試6.1 焊接如果采用直插工藝，需要在電路板上打很多的孔，而且電路板的面積很大，增加了成本。建議采用貼片工藝。千萬注意：不要

12、一下子將所有的元件全都安裝上去。要走一步看一步。第1步，焊接變壓器引線。焊接引線，插上電源，測量變壓器輸出的交流電壓。第2步，安裝整流電路先安裝1個二極管，測量輸出電壓，應為 v，用虛擬示波器觀測半波整流的波形，然后安裝4個二極管，測量輸出電壓, 應為 v，用虛擬示波器觀測全波整流的波形。第3步，安裝濾波電路安裝1個電容濾波，測量輸出電壓，應為 v，用虛擬示波器觀測紋波，安裝lc濾波，測量輸出電壓, 應為 v，用虛擬示波器觀測紋波。第3步，安裝lm7805三端穩(wěn)壓電路。測量輸出電壓，應為 v第4步，安裝指示燈電路。正常通電，指示燈應發(fā)光。6.2電路檢修先大體檢測一下工作電壓，初步確定故障范圍。

13、 測量變壓器的輸出電壓，應為 v。 測量整流后的電壓, 應為 v左右。 測量濾波后的電壓， 應為 v左右。測量穩(wěn)壓后的電壓， 應為 v如果發(fā)現(xiàn)故障，要分析故障可能的原因是什么。如指示燈不亮，可能的原因有 、 、 、 等變壓器過熱，可能的原因有 、 、 、 等7. 測試性能指標7.1所需的儀器設備 1)數(shù)字萬用表。數(shù)字萬用表用于測量交流電壓、直流電壓和紋波電壓等2)大功率電阻。選擇合適的負載電阻可以讓電路工作在額定電流下。3）示波器?？梢杂^測紋波電壓的波形和幅度。7.2測量的步驟和方法 第1步：測量電壓。直接用數(shù)字萬用表測量。 第2步：測量功率。帶上負載電阻，測量電壓和電流，計算功率p= 第3步：測量效率。同時測量輸出功率和輸入功率，計算效率= 8結(jié)論與討論8.1結(jié)論簡易直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、橋式整理電路