直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)制作人題目直流穩(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。二、要求：1.基本要求1 / 19（1）穩(wěn)壓電源 在輸入電壓 220V、50Hz、電壓變化范圍+ 15%20%條件下：a.輸由電壓可調(diào)范圍為 +9V+12Vb.最大輸由電流為 1.5Ac.電壓調(diào)整率 W0.2%（輸入電壓220V變化范圍+ 15% 20%下，空載到滿載）d.負(fù)載調(diào)整率W1% （最低輸入電壓下，滿載）e.紋波電壓（峰-峰值）mV （最低輸入電壓下，滿 載）f.效率A40%（輸由電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）g.具有過流及短路保護(hù)功能（2）穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為+ 12V的條

2、件下：a.輸由電流：420mA可調(diào)b.負(fù)載調(diào)整率 1% （輸入電壓+ 12V、負(fù)載電阻由200 Q300 Q變化時(shí)，輸由電流為 20mA時(shí)的相對(duì)變化率）（3） DC-DC變換器 在輸入電壓為+9V+12V條件下：a.輸由電壓為+100V,輸由電流為10mAb.電壓調(diào)整率1% （輸入電壓變化范圍 +9V+12V）c.負(fù)載調(diào)整率W1% （輸入電壓+12V下，空載到滿載）d.紋波電壓（峰-峰值） 100mV （輸入電壓+9V下，滿載）2.發(fā)揮部分2 / 19(1)擴(kuò)充功能a.排除短路故障后，自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)b.過熱保護(hù)c.防止開、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)

3、載調(diào)整率b.擴(kuò)大輸由電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸由電流值(3)改善DC-DC變換器a.提高效率(在 100V、100mA下)b.提高輸由電壓(4)用數(shù)字顯示輸由電壓和輸由電流 . 三，穩(wěn)壓電源的研究背景本電源在市場(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

4、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3 / 19 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，用于濾去整流輸由電壓中的 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)輸由電壓在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。U1LM317LR1220RRV1POT圖1 lm317的電壓調(diào)整原理電路圖如圖1

5、所示，通過調(diào)整可調(diào)電阻RV1的阻值，就可以調(diào)4 / 19整輸由電壓 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。（2）.方案的設(shè)計(jì)思路：a.輸由電壓調(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）o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)壓輸由穩(wěn)定的直流電。再用數(shù)字顯示電壓表頭（內(nèi) 含ICL7107芯片），表頭的供電也是用lm317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 LM317芯片的選擇理由Lm317是可調(diào)節(jié)三端正電穩(wěn)壓器，在輸由電壓的范圍是 1.25V-37V的時(shí)候能夠提供超過 1.5A

6、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)置輸由電壓。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。5 / 19Lm317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(jiǎn)單形式，同時(shí)輸由電壓具有可調(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：輸由電壓：1.25-37V DC ;輸由電流：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；最大輸入輸由電壓差：40V DC;最小輸入輸由電壓差：3V DCb.整流，濾波，穩(wěn)壓，保護(hù)，DC-DC變換，穩(wěn)流，表頭供電等電路的設(shè)計(jì)

7、（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)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、V得通（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、V36 / 19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

8、圖如圖 6所示。RL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VR防口正向電流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：0.01 IoD 5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：U 2U 1 R2 1R1 Iadj 0.01A dmax 2 1.2Ui式中U勸電源變壓器次級(jí)電壓有效值，Ui為整流輸由電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓器 LM317急定運(yùn)行， 輸入電壓Ui與輸由電壓U0之差一般在515V范圍，取 Ui-U0=10V,得：Udma

9、x 1.2Ui 1.2(Uo 10) 12 1.2Uo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。(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(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 釋放由來，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。 / 19圖9電容濾波電路經(jīng)過濾波，電路的電壓、電流波

10、形如圖10所示。濾波電解電容C勺選擇原則是：取其放電時(shí)間常數(shù) RLC：于充電周期 的35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RE整流后的等效 負(fù)載電阻，經(jīng)過考慮，本設(shè)計(jì)取S2200uFo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)，VI、V3導(dǎo) 通，C被 充電，同時(shí)電流經(jīng) VI、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=Ub U2,在u2達(dá)到最大值時(shí)，Uc也達(dá)到最大值，然后 U2下

11、降，此時(shí)，Uc>U2, VI、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)p =RLC一般較大，電容電壓 Uc 按 指數(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，輸由電壓增大，以后重復(fù)上述充放電過9 / 19程。其輸由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.(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。考慮到 整流濾波電路的輸由電壓和理想的

12、直流電源還是有相當(dāng)?shù)?距離，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，所以輸生的 直流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)，整流電路的輸由電壓直 接與變壓器副邊電壓有關(guān)，因此輸由直流電壓也相應(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由端之間。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-射壓降使輸由電壓基本保持不變。放大短路將基準(zhǔn)電壓與從輸由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

13、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)壓電路的輸由電壓和基準(zhǔn)電壓成10 / 19正比，因此，基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路的輸由 電壓的穩(wěn)定性。采樣電路由兩個(gè)分壓電阻組成，它將輸由電 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。D6U1 1N4002LM317LVIVOJA1.AR3200R【D51N4002圖11 穩(wěn)壓電路原理圖穩(wěn)壓電源的輸由

14、電壓可用下式計(jì)算:V。1.25(1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)壓電源的輸由電壓計(jì)算公式，R3和R2的阻值是不能隨11 / 19 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 輸由性能，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)壓塊的輸由電壓變化范圍是Vo = 1.25V37V （高輸由 電壓的317穩(wěn)壓塊如 LM317HVA LM317HV借，其輸由電壓變化范圍是 Vo=1.25V 45V）,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)置輸由電壓。

15、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。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Tj叫當(dāng)T<Tjm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Roi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，Roa表75從結(jié)到散熱片表面的熱阻，則ReA=Re 1 + Re 2。若令Re d表示散熱片到周

16、圍空氣的熱阻，Re'表示加散熱片后結(jié)到空氣的總熱阻，則Re' =Roa+Ro do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：12 / 19P Tjm Tam Tjm TamD R' RA Rd所以器件的最大功耗必須滿足Pdm W lb。(b.4)過流保護(hù)電路的過流保護(hù)原理圖如圖12所示。Q17 R4 R5R61 I-9013C4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)壓器輸由端輸由正 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

17、阻R6, 并經(jīng)R5對(duì)C4充電。通過設(shè)定 R& C4的值，使充電時(shí)間p 大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間 6, 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)壓器的輸由電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25V o電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間p大于啟動(dòng)時(shí)間6, 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13 / 19電流的47倍，可看成不變，設(shè)為 I=5I 0。根據(jù)圖15,可得以下公式:由于R4>R5,所以i r弊i R5因止匕i約等于i R5。此時(shí)為一階零狀態(tài)輸入響應(yīng)，求解得:1R

18、CUR4 iR5(1 e 44)假設(shè)電容C4的電壓達(dá)到0.7V為充電時(shí)間一得:R4C4ln5.'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Is,電容C4開始充電?？紤]一定的設(shè)計(jì)余量，取保護(hù)電流設(shè)定值Ig<Is,式(1)同樣成立此為一階全響應(yīng)方程，初始條件Uc4 (0+)=I 0i R5,強(qiáng)制分量Uc4 (oo)=I gR5,求解得：1Uc4 Ic 及 R5(Io Ic)eR4C4假設(shè)%增大到V2導(dǎo)通電壓0.7的充電時(shí)間為，則必 須小于允許短路時(shí)間t,即：3(肝甯)要使保護(hù)起到作用，Uc4 ( 8)必須大于0.7V,即:14 / 19

19、R 0.7R5 7?（b.5）表頭供電電路用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) 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C極有放電壓為2.4V-2.8V為最好。這樣，在三極管的“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o本電路的穩(wěn)流模塊采用了 LM317集成穩(wěn)壓電源構(gòu)成的可調(diào)式穩(wěn)流電路，將上一級(jí)產(chǎn)生的12V穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)化成輸由端的 420MA的穩(wěn)定電流，有穩(wěn)壓源供電，利用三極管的輸由特15 / 19性設(shè)計(jì)，