模擬直流穩(wěn)壓源設(shè)計

1、廣西科技大學課程設(shè)計說明書 通信電子系統(tǒng)項目設(shè)計實訓I Guangxi University of Science and Technology通信電子系統(tǒng)項目實訓（一）報告 2015年 07月 08日 19 目錄一、實訓任務2二、實訓目的2三、設(shè)計原理2四、設(shè)計內(nèi)容2五、系統(tǒng)仿真與調(diào)試15六、實驗總結(jié)17七、參考資料181、 實訓任務1.1 設(shè)計要求實驗題目：模擬直流穩(wěn)壓電源設(shè)計；實驗要求：設(shè)計電壓在3-10V可連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓源；1.2 設(shè)計思想（1）電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)頻率為50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。（2）降壓后的交

2、流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動大）。（3）脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。（4）濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負載RL 。1.3 設(shè)計步驟（1）確定目標：設(shè)計整個系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個模塊之間的信號傳輸，并畫出直流穩(wěn)壓電源方框圖。（2）系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。（3）參數(shù)選擇：根據(jù)系統(tǒng)指標的要求，確定各模塊電路中元件的參數(shù)。（4）總電路圖：連接各模塊電路。二、實習目的 通信電子系統(tǒng)項目實訓是通信專業(yè)學生重要的實踐教學環(huán)

3、節(jié)，其目的是鞏固和加深所學電子技術(shù)的知識，了解并初步掌握一般電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制作、調(diào)試與研制開發(fā)的基本技能與方法，全面提高學生的實踐動手能力和分析問題、解決實際問題的能力；使學生對電子產(chǎn)品生產(chǎn)獲得一定感性認識，為今后從事電子產(chǎn)品制作與創(chuàng)新設(shè)計工作奠定初步的實踐基礎(chǔ)。3、 設(shè)計原理小功率穩(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1所示。 + 電 源 + 整 流 + 濾 波 + 穩(wěn) 壓 + u1 u2 u3 uI U0 _ 變壓器 _ 電 路 _ 電 路 _ 電 路 _（a）穩(wěn)壓電源的組成框圖 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t （b）整流

4、與穩(wěn)壓過程圖1穩(wěn)壓電源的組成框圖及整流與穩(wěn)壓過程 3.1 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，當算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。3.2整流和濾波電路在穩(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UI。UI

5、與交流電壓u2的有效值U2的關(guān)系為： 在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為： 流過每只二極管的平均電流為： 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：其中：T = 20ms是50Hz交流電壓的周期。 3.3 穩(wěn)壓電路由于輸入電壓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(shè)計的穩(wěn)壓電源具有性

6、能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。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電壓輸出兩種類型。（1） 固定電壓輸出穩(wěn)壓器常見的有CW78（LM78）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79（LM79）系列三端固定式負電壓輸出集成穩(wěn)壓器。三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個接地端子。型號中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓的穩(wěn)定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。穩(wěn)壓器使用時，要求輸入電壓UI與輸出電壓Uo的電壓差UI - Uo 2V。穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流Io = 8mA。當Uo = 5 18V時，UI的最大值UI

7、max= 35V；當Uo=18 24V時，UI的最大值UImax = 40V。它們的引腳功能及組成的典型穩(wěn)壓電路見附錄圖A所示。 （2）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（LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負電壓的CW337系列（LM337）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=1.2 37V，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 = 3 40V。4、 設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一個直流穩(wěn)壓電源將頻率為50Hz、有效值為220

8、V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定、輸出電壓在3-10V可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓源；4.1 電源變壓器電源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。實際上，理想變壓器滿足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。根據(jù)輸出電壓的范圍，可以令變壓器副邊電壓為22V，即變壓系數(shù)為0.1。4.2 整流電路（1）半波整流圖（2） 半波整流電路圖（3） 半波整流電路的波形圖整流電路如圖（2）所示，其輸出電壓平均值就是負載電阻上電壓的平均值Uo(AV)。從圖（3）所示波形圖可知

9、，當wt=0時，Uo =U2sinwt;當wt=2時，Uo=0。所以，求解Uo的平均值Uo(AV)，就是將0的電壓平均在02時間間隔之中，如圖（3）所示，寫成表達式為: Uo(AV)=1/2U2sinwtd(wt) 解得: Uo(AV)=U2/0.45U2負載電流的平均值: Io(AV)= Uo(AV)/RL半波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電流，即IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RLb）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2單相半波整流電路簡單易行，所用二極管數(shù)量少。但是

10、由于它只是利用了交流電壓的半個周期，所以輸出電壓低，交流分量大，效率低。因此，這種電路僅適用于整流電流較小，對脈動要求不高的場合。（2）全波橋式整流電路為了克服單相半波整流電路的特點，在使用電路中多采用單相全波整流電路，最常用的是單相橋式整流電路。如圖（4）所示圖（4） 全波橋式整流電路設(shè)變壓器次級電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m為其幅值，U2為有效值，負載電阻為100。在電壓U2的正半周期時，二極管D1、D3因受正向偏壓而導通，D2、D4因承受反向電壓而截止；在電壓U2的負半周期時，二極管因受D2、D4正向偏壓而導通，D1、D3因承受反向電壓而截止。U2和UL的波形如圖

11、（5）所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是全波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為圖（5） 全波整流電路的波形UOL=2U2m/p=U20.9U2=0.9×2220V 全波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電。由于4個二極管是兩兩輪流導通的，因此有IFIDO=0.5ULO/RL =0.45U2/RL=0.45×20/10090mAb）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2=1.4×

12、;20=28V單相橋式整流電路與半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對二極管的參數(shù)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用高、脈動小等優(yōu)點，因此得到廣泛的應用。它的主要缺點是所需二極管的數(shù)量比較多，由于實際上二極管的正向電阻不為零，必然使得整流電路內(nèi)阻較大，當然損耗也就比較大。4.3 濾波電路電容濾波電路是最常見的也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個電容即構(gòu)成電容濾波電路，如圖（6）所示：圖（6） 單相橋式整流電容濾波電路該電路工作原理：設(shè)U2= U2msinwt=U2sinwt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期還是在負半周期，電源電壓U2一方面向RL供電，另一方

13、面對電容C進行充電，由于充電時間常數(shù)很?。ǘO管導通電阻和變壓器內(nèi)阻很?。?，很快充滿電荷，使電容兩端電壓UC基本接近U2m，而電容上的電壓是不會突變的?，F(xiàn)假設(shè)某一時刻U2的正半周期由零開始上升，因為此時電容上電壓UC基本接近U2m，因此U2UC，D1、D2、D3、D4管均截止，電容C通過RL放電，由于放電時常數(shù)td=RLC很大（RL較大時），因此放電速度很慢，UC下降很少。與此同時，U2仍按 U2sinwt的規(guī)律上升，一旦當U2UC 時，D1、D3導通，U2對C充電。然后，U2又按 U2sinwt的規(guī)律下降，當U2UC 時，二極管均截止，故C又經(jīng)RL放電。同樣，在U2的負半周期也會出現(xiàn)與

14、上述基本相同的結(jié)果。這樣在U2的不斷作用下，電容上的電壓不斷進行充放電，周而復始，從而得到一近似于鋸齒波的電壓UL= UC，使負載電壓的紋波大為減小。由以上分析可知，電容濾波電路有如下特點：a）RLC越大，電容放電速度越慢，負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取 RLC(35)T/2 式中，T為交流電源電壓的周期。由上式可以解得 C =(35)T/2 RL400Fb）RL越小輸出電壓越小。若C值一定，當RL®，即空載時有ULO= U21.4 U2。當C=0，即無電容時有ULO0.9 U2。當整流電路的內(nèi)阻不太大（幾W）和電阻RL電容C取值滿足上式時

15、，有ULO(1.11.2) U2 總之，電容濾波適用于負載電壓較高、負載變化不大的場合4.4 穩(wěn)壓電路 雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換為較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當電網(wǎng)電壓波動時，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應的波動；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當負載變化時，內(nèi)阻上的電壓將產(chǎn)生相反的變化，于是輸出電壓平均值也將隨之產(chǎn)生相反的變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會隨著電網(wǎng)電壓的波動而波動，隨著負載電阻的變化而變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。（1）簡單穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路如圖（7）所示：圖（7） 穩(wěn)

16、壓二極管組成的穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的原理實際上是利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時電流可在較大范圍內(nèi)變動但擊穿電壓卻基本不變的特點而實現(xiàn)的。當輸入電壓變化時，輸入電流將隨之變化，穩(wěn)壓管中的電流也將隨之同步變化，結(jié)果輸出電壓基本不變；當負載電阻變化時，輸出電流將隨之變化，但穩(wěn)壓管中的電流卻隨之作反向變化，結(jié)果仍是輸出電壓基本不變。顯然，穩(wěn)壓管反向擊穿特性曲線越陡峭，穩(wěn)壓特性越好。下面討論R的取值范圍。參見圖（7），設(shè)為保證穩(wěn)壓作用的所需的流過穩(wěn)壓二極管的最小電流為Izmin，為防止電流過大從而造成損壞所容許的流過穩(wěn)壓二極管的最大電流為Izmax，即要求IzminIzI2max。當UI最大和RL開路時，流過穩(wěn)壓

17、二極管的電流最大，此時應有；當UI最小（不小于Uz）和RL最?。ú辉试S短路）時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時應有。即 一般來說，在穩(wěn)壓二極管安全工作的條件下，R應盡可能小，從而使輸出電流范圍增大。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的優(yōu)點是電路簡單，所用元器件少；但是，因為受穩(wěn)壓管自身參數(shù)的限制，其輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，因此只適用于負載電流較小，負載電壓不變的場合。（2）三端集成穩(wěn)壓器電路集成穩(wěn)壓器與簡單穩(wěn)壓電路相比其電路結(jié)構(gòu)簡單，它可以通過外接元件使輸出電壓得到很寬的調(diào)節(jié)范圍。并且內(nèi)部有過熱保護、過流保護等保護電路，可以很安全的保護電路的正常工作。圖（8）時由LM317組成的基準電壓源電路，電容Co用于

18、消除輸出電壓中的高頻噪音，可取小于1F的電容。輸入端和調(diào)整端之間的電壓時非常穩(wěn)定的電壓，其值為1.25V。輸出電流可達1.5A。圖（8） 由LM317組成的穩(wěn)壓電路由于調(diào)整端的電流可忽略不計，輸出電壓為Uo=(1+R2/R)×1.25V為了減少R2上的紋波電壓，可在其上并聯(lián)一個10F電容C。但是，在輸出開路時，C將向穩(wěn)壓器調(diào)整管發(fā)射結(jié)反偏，為了保護穩(wěn)壓器，可加二極管D2，提供一個放電回路，D1,D2起保護作用。如圖（9）所示：圖（9） LM317的外加保護電路由于設(shè)計要求電壓從3V開始調(diào)起，LM317集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需要增加LM317的1.25V最小輸出電壓，如圖（10）

19、所示，電壓增加電路由R4組成。之后,當調(diào)節(jié)R1逐漸增大時, U0即由3V 開始增大。下圖中輸出電壓的表達式為：Uo =(1+(R2+R4)/R1)×1.25-1.4由于LM317工作時必須大于其最小工作電流，所以一般R1小于240,解方程計算出R1、R2、R4的值:(1+R2/R1)×1.25V=3V(1+(R2+R4)/R1)×1.25-1.4=10VR1<240因為R2是可變電阻所以選擇0-1K解得：R1=250、R4=178.6圖（10） 輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路原理圖4.5 直流穩(wěn)壓電源電路圖由以上分析可以得出整個可調(diào)直流穩(wěn)壓電路圖如下：圖（1

20、0） 輸出電壓可調(diào)（310）的直流穩(wěn)壓電源電路原理圖5、 系統(tǒng)仿真與調(diào)試5.1 通過Multisim仿真軟件經(jīng)行仿真通過調(diào)節(jié)R1進行輸出電壓的調(diào)節(jié)：如圖（11）、圖（12）、圖（13）、圖（14）、圖（15）圖（11）輸出220V,52Hz的交流電壓圖（12）通過變壓器把220V的交流電降到25V圖（13）過調(diào)節(jié)R1到最小值輸出最低電壓3V圖（14）通過調(diào)節(jié)R1到最大值輸出最高電壓10V圖（15）通過調(diào)節(jié)R1的值可輸出3V-10V之間的電壓值5.2 使用Altium Designer Summer原理圖與PCB圖，如圖（16）、圖（17）、圖（18）圖（16）原理圖圖（17）PCB圖圖（18）PCB圖5.3 實際測試結(jié)果：圖（19）實物圖1圖（20）實物圖2圖（21）實物圖3六、實驗總結(jié)通過本次設(shè)計，讓我們更進一步的了解到直流穩(wěn)壓電源的工