直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)制作人某某題目直流穩(wěn)定電源的設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)

1、直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)制作人 :某某題目：直流穩(wěn)定電源的設(shè)計(jì)一、任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源。,ii:、二、要求：1 基本要求（1 ）穩(wěn)壓電源 在輸入電壓 220V、50、電壓變化范圍+ 15%一20% 條件下：a .輸出電壓可調(diào)范圍為 +9V+12Vb .最大輸出電流為 1.5Ac.電壓調(diào)整率冬0.2輸入電壓220V變化范圍+ 15%一20%下，空載到滿載）d .負(fù)載調(diào)整率冬1% （最低輸入電壓下，滿載）e .紋波電壓（峰-峰值）冬 5 （最低輸入電壓下，滿載）f .效率 40% （輸出電尿V、輸入電壓220V下，滿載）g 具有過流與短路保護(hù)功能（2）穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為 12V

2、 的條件下：a .輸出電流：420可調(diào)b .負(fù)載調(diào)整率冬1% （輸入電壓I2V、負(fù)載電阻由 200 Q300 Q變化時(shí)，輸出電流為 20 時(shí)的相對變化率）（3）變換器 在輸入電壓為 +9V +12V 條件下：a .輸出電壓為+100V，輸出電流為10b .電壓調(diào)整率冬1% （輸入電壓變化范圍V+12V ）c.負(fù)載調(diào)整率冬1% （輸入電腿V下，空載到滿載）d .紋波電壓（峰-峰值）冬 100（輸入電壓+9V下，滿載）2 .發(fā)揮部分（ 1 ）擴(kuò)充功能a .排除短路故障后，自動恢復(fù)為正常狀態(tài)b 過熱保護(hù)C.防止幵、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“過沖”（ 2）提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)a .提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率b

3、.擴(kuò)大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值（ 3）改善變換器a .提高效率（在 100V 、 100 下）b .提高輸出電壓（ 4 ）用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流 .三，穩(wěn)壓電源的研究背景本電源在市場上很有應(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，很多家用電器或者產(chǎn)品都

4、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。四、課題的設(shè)計(jì)（1）.電源的輸出控制本系統(tǒng)利用317的穩(wěn)壓與其電壓可調(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。317的 電壓調(diào)整電路圖如圖1所示。VIVO23U1LM317LRV1POTR1220R圖1317的電壓調(diào)整原理電路圖如圖1所示，通過調(diào)整可調(diào)

5、電阻1的阻值，就可以調(diào)整輸出電壓的大小。所以，如果希望調(diào)整的精度高，可調(diào)電阻1的調(diào)整精度也要高。（2） 方案的設(shè)計(jì)思路：a .輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的制定（經(jīng)小組協(xié)商確定其調(diào)節(jié)范圍為1.25至20v ）。利用317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。再用數(shù)字顯示電壓表頭（內(nèi)含7107芯片），表頭的供電也是用317制作+5V的穩(wěn)壓電源提供。方案系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖3 方案三系統(tǒng)框圖a. 1 317芯片的選擇理由317是可調(diào)節(jié)三端正電穩(wěn)壓器，在輸出電壓的范圍是1.2537V 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

6、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。317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)壓電路的最 簡單形式，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;輸出電流：51.5A ;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 ;最小輸入輸出電壓差： 3Vb .整流，濾波，穩(wěn)壓，保護(hù)，變換，穩(wěn)流，表頭供電等電路的設(shè)計(jì)（b.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)

7、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)二極管的反向耐壓和正向電流。由于濾波電容的 容量愈大，二極

8、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：Ii1 R2I。1 R21 R11 adj0.01A式中 為穩(wěn)壓器的輸入電流，1、2、分別為流過R1、R2，以與調(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：U2U2-d max2 1.2Ui式中U2為電源變壓器次級電壓有效值，為整流輸出電壓（即穩(wěn)壓器輸入電壓）。為了保證穩(wěn)壓器317穩(wěn)定運(yùn)行，輸入電壓與輸出電壓 U0之差一 般在515V范圍，取0=10V，得：Udmax 1.2Ui 1.2(Uo 10)121.2Uo設(shè)計(jì)時(shí)可考慮一定的余量。根

9、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。(b.2 )濾波電路采用電容濾波電路。由于電容在電路中也是起到儲存能量的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時(shí)，能夠把部分能量儲存起來，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)載變動不大的場合，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)大于充電周期的35倍，其耐壓

10、值必須大于脈動電壓峰值。對于橋式整流電路來說，脈動電壓峰值為2U2 , C的充電周期等于交流電源周期T的一半，即C>(35) T2 ，式中為整流后的等效 負(fù)載電阻，經(jīng)過考慮，本設(shè)計(jì)取 C為2200。設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定 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"U2，在u2達(dá)到最大值時(shí)，也達(dá)到最大值，然后 U2下降，此時(shí)，U2，V1、V3截止，電容 C向負(fù)載電阻放電，由于放 電時(shí)間常數(shù)t 一般較大，電容電壓按 指數(shù)規(guī)

11、律緩慢下降，當(dāng)下降到2|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)載電壓的波動大為 減小.（b.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，所以輸出的直流電壓將有可能隨之發(fā)生變化。

12、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 317 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。采樣電路由 兩

13、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電路 被斷幵，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。D6U11N4002LM317LVIVOR3200RZS D51N4002C310uPOT圖11 穩(wěn)壓電路原理圖穩(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1.2

14、5V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)317。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是= 1.25V 37V (高輸出電壓 的317穩(wěn)壓塊如317、317等，其輸出電壓變化范圍是=1.25V 45V )， 所以R23的比值范圍只能是 0 28.6。它的使用非常簡單，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。317內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。 317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 317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

15、高結(jié)溫，當(dāng)Tv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Re1表示從結(jié)到器件外殼的熱阻，Re2表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻，R eA表示從結(jié)到散熱片表面的熱阻，則R ee e2。若令Red表示散熱片到周圍空氣的熱阻，Re'表示加散熱片后結(jié)到空氣的總熱阻，則R e'e陽。設(shè)集成穩(wěn)壓器的最高允許結(jié)溫為，最高環(huán)境溫度為，加散 熱器后器件的功耗為，則有關(guān)系式：pTjm Tam Tjm TamD R' Ra Rd所以器件的最大功耗必須滿足冬。(b.4)過流保護(hù)電

16、路的過流保護(hù)原理圖如圖12所示Q19013丄R6C4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)幵始啟動。由于直流電機(jī)啟動瞬時(shí)電流較大(約為額定電流的 810倍)，流過小電阻R6，并經(jīng)R5對C4充電。通過設(shè)定 R6、C4的值，使 充電時(shí)間t大于電機(jī)啟動時(shí)間01(9013)處于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)啟動到穩(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)啟動時(shí)必須滿足充電時(shí)間t大于啟動時(shí)間3,01不導(dǎo)通，電機(jī)才能正常啟動。由于啟動電流很大，一般是額

17、定電流的47倍，可看成不變，設(shè)為5Io。根據(jù)圖15，可得以下公式: i iR5 iR4由于R4 R5，所以5 :5因此i約等于5 o此時(shí)為一階零狀態(tài)輸入響應(yīng),求解得:1UR4 *R5（1 e 4 4）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，電流突然增大到短路電流，電容C4幵始充電。考慮一定的設(shè)計(jì)余量，取保護(hù)電流設(shè)定值 ，式 同樣成立此為一階全響應(yīng)方程，初始條件4 (0+)05,強(qiáng)制分量4 ( 8 )5,求解得:1Uc4 IcR 足（1。lc）e 證假設(shè)增大到V2導(dǎo)通電壓0.7的充電時(shí)間為-，貝必須小于允許 短路時(shí)間t,即

18、:R4c4in（RR5H570）要使保護(hù)起到作用，4 (必須大于0.7V，即:(b.5 )表頭供電電路用317集成穩(wěn)壓模塊制作一個(gè)+5V的電源，然后用一只三極管，兩只電阻，一個(gè)電感來進(jìn)行信號放大，把芯片 38腳的振蕩信號串接一個(gè) 20K 56K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))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2.4V 2.8V為最好。這樣，在三極管的“C”極有放大的交流信號，把這個(gè)信號通過 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7107的26腳使用。表頭正負(fù)5v供電電路(b.6 )穩(wěn)流電路本電路的穩(wěn)流模塊采用了 317集成穩(wěn)壓電源構(gòu)成的可調(diào)式穩(wěn)流電路，將上一級產(chǎn)生的12v穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)化成輸出端的 4 20的穩(wěn)定電流，有穩(wěn)壓 源供電，利用三極管的輸出特性設(shè)計(jì)，R4，D6，D7組成三極管T的偏置穩(wěn)壓電路，利用二極管的穩(wěn)壓作用，三極管T可得到穩(wěn)定偏置電流，T就有穩(wěn)定的集電極電流B，的大小不受輸入電壓和負(fù)載電阻變化的影響， 實(shí)現(xiàn)