模電課設(shè)電路設(shè)計(jì)直流穩(wěn)定電源

1、 本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表姓 名xx性別 男專(zhuān)業(yè)、班級(jí)信息工程學(xué)院 通信0805班課程設(shè)計(jì)題目： 直流穩(wěn)定電源課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄：成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)：最終評(píng)定成績(jī)（以?xún)?yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定）指導(dǎo)教師簽字： 2010年 1 月 30 日 目錄一.目錄 1二.課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2三摘要及注意事項(xiàng) 4四直流穩(wěn)壓 51.變壓 52.整流 53.濾波 64.穩(wěn)壓 75.仿真 9五穩(wěn)流電路 111.原理 112.參數(shù)確定 113.仿真 12六DC-DC轉(zhuǎn)換 151.原理圖確定 152.仿真 15七完整電路與仿真 16八電路測(cè)試與分析18九.附錄1.元件列表 19 附錄2. 參考工具書(shū) 20 附錄3. Mu

2、ltisim簡(jiǎn)介21課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： xx 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 通信0805班 指導(dǎo)教師： 劉雪東 工作單位： 信息學(xué)院 題 目: 直流穩(wěn)定電源 初始條件：自己設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的電路。元件自選，不得用成品。參數(shù)自己選擇，但要達(dá)到要規(guī)定中的要求。變壓器220->15、TS_PQ4_10、芯片LM317H *2、二極管1N4001、1N4007若干，三極管TIP31C、2N2222A若干。電解電容、瓷片電容、電阻、電位器各型號(hào)若干。保險(xiǎn)絲、散熱片及焊接用具，耗材若干。調(diào)試用儀表以及仿真器材若干。Multisim要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）

3、必做部分：1基本要求（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0.2%（輸入電壓220V變化范圍15%20%下，空載到滿(mǎn)載）d負(fù)載調(diào)整率1%（最低輸入電壓下，滿(mǎn)載）e紋波電壓（峰-峰值）5mV（最低輸入電壓下，滿(mǎn)載）f效率40%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿(mǎn)載）g具有過(guò)流及短路保護(hù)功能（2）穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為12V的條件下：a輸出電流：420mA可調(diào)b負(fù)載調(diào)整率1%（輸入電壓12V、負(fù)載電阻由200300變化時(shí)，輸出電流為20mA時(shí)的相對(duì)變化率）（3）DC-DC變換器 在輸

4、入電壓為+9V+12V條件下：a輸出電壓為+100V，輸出電流為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1%（輸入電壓+12V下，空載到滿(mǎn)載）d紋波電壓（峰-峰值）100mV （輸入電壓+9V下，滿(mǎn)載）選作部分：（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(guò)熱保護(hù)c防止開(kāi)、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“過(guò)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DC-DC變換器a提高效率（在100V、100mA下）b提高輸出電壓（4）用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流時(shí)間安排：第19周理論講解，時(shí)間：禮拜一5，6，7、8節(jié)

5、地點(diǎn)：鑒三204第20周理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試，地點(diǎn)：鑒主13樓通信工程綜合實(shí)驗(yàn)室、鑒主15樓通信工程實(shí)驗(yàn)室（1）。序號(hào)階段內(nèi)容時(shí)間1安排任務(wù)第19周2電路選擇與繪制第20周3撰寫(xiě)報(bào)告第20周4答辯第20周合 計(jì)2周指導(dǎo)教師簽名： 2010年1 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2010年 1 月 日摘 要隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，各種各樣的電氣、電子設(shè)備已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于日常工作、科研、學(xué)習(xí)等各個(gè)方面。直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器，整流濾波電路級(jí)穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姟Ｕ髌靼山涣麟娮優(yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設(shè)計(jì)分

6、別用LM317三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓電路，LM317三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)流電路和反饋式逆變電路設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)流電源和DC-DC變換器。通過(guò)相關(guān)知識(shí)計(jì)算出各電路中各個(gè)器件的參數(shù)，使電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求中的電壓調(diào)整率，電流調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，紋波電壓等各項(xiàng)指標(biāo)。注意事項(xiàng)1 焊接時(shí)要對(duì)各個(gè)功能模塊電路進(jìn)行單個(gè)測(cè)試，需要時(shí)可設(shè)計(jì)一些臨時(shí)電路用于調(diào)試。 2 測(cè)試電路時(shí)，必須要保證焊接正確，才能打開(kāi)電源，以防元器件燒壞。 3 3.按照原理圖焊接時(shí)必須要保證可靠接地必做部分*首先設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電路*直流穩(wěn)壓電源是將交流電變換成功率較小的直流電，一般由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等幾部分組成。整流電路用來(lái)將交流電壓變換

7、為單向脈動(dòng)的直流電壓；濾波電路用來(lái)濾除整流后單向脈動(dòng)電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是輸入交流電源電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。1 變壓：從市電轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)用點(diǎn)。電源變壓器的作用是將交流電網(wǎng)提供的220V、50Hz市電變成所需的交流電壓。本實(shí)驗(yàn)中選用了將220V轉(zhuǎn)換為15V的變壓器。2 整流：整流電路常用有半波整流電路和橋式整流電路。1.半波2.橋式整流電路為了克服半波整流的缺點(diǎn)，常采用橋式整流電路，如右圖所示，圖中V1、V2、V3、V4四只整流 二極管接成電橋形式，故稱(chēng)為橋式整流。工作原理和輸出波形：設(shè)變壓器二次電壓u2=21/2U2sint，波形

8、如電壓、電流波形圖(a)所示。在u2的正半周，即a點(diǎn)為正，b點(diǎn)為負(fù)時(shí)，V1、V3承受正向電壓而導(dǎo)通，此時(shí)有電流流過(guò)RL，電流路徑為aV1RLV3b，此時(shí)V2、V4因反偏而截止，負(fù)載RL上得到一個(gè)半波電壓，如電壓、電流波形圖(b)中的0段所示。若略去二極管的正向壓降，則uOu2。電壓、電流波形在u2的負(fù)半周，即a點(diǎn)為負(fù)b點(diǎn)為正時(shí)，V1、V3因反偏而截止，V2、V4正偏而導(dǎo)通，此時(shí)有電流流過(guò)RL，電流路徑為bV2RLV4a。這時(shí)RL上得到一個(gè)與0段相同的半波電壓如電壓、電流波形圖(b)中的2段所示，若略去二極管的正向壓降，uu2。由此可見(jiàn)，在交流電壓u2的整個(gè)周期始終有同方向的電流流過(guò)負(fù)載電阻RL

9、，故RL上得到單方向全波脈動(dòng)的直流電壓。可見(jiàn)，橋式整流電路輸出電壓為半波整流電路輸出電壓的兩倍，所以橋式整流電路輸出電壓平均值為u=2×0.45U2=0.9U2。橋式整流電路中，由于每?jī)芍欢O管只導(dǎo)通半個(gè)周期，故流過(guò)每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半，這樣V2、V4就并聯(lián)在u2上，其承受的反向峰值電壓為UR=21/2U2。同理，V2、V4導(dǎo)通時(shí)，V1、V3截止，其承受的反向峰值電壓也為UR=21/2U2。二極管承受電壓的波形如電壓、電流波形圖(d)所示。由上圖可見(jiàn)，在交流電壓u2的整個(gè)周期始終有同方向的電流流過(guò)負(fù)載電阻RL，故RL上得到單方 向全波脈動(dòng)的直流電壓?？梢?jiàn)，橋式整流電

10、路輸出電壓為半波整流電路輸出電壓的兩倍。 濾波：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(chēng)為紋波電壓）。應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路，濾去交流成分。1.電容濾波.電路和工作原理設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時(shí)接通電路，u2為正半周，當(dāng)u2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)，uc>u2，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 指數(shù)規(guī)律緩慢下

11、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(guò)程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓。.波形及輸出電壓 2其他形式濾波電路.電感濾波電路: 電路如下圖所示，電感L起著阻止負(fù)載電流變化使之趨于平直的作用。直流分量被電感 L 短路，交流分 量主要降在L 上  ，電感越大，濾波效果越好 。一般電感濾波電路只使用于低電壓、大電流的場(chǎng)合。.p 型濾波: 為了進(jìn)一步減小負(fù)載電壓中的紋波可采用p 型LC濾波電路。由于C1、C2 對(duì)交流容抗小，而電 感對(duì)交流阻抗很大，因此，負(fù)載RL上的紋波電壓很小。為了更好的控制電路，本實(shí)驗(yàn)中選

12、擇最常用的橋式整流電路。. 穩(wěn)壓1.引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因引起輸出電壓變化的原因是負(fù)載電流的變化和輸入電壓的變化，參見(jiàn)下圖。負(fù)載電流的變化會(huì)在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，從而使輸入電壓發(fā)生變化。*輸出電壓變化原因示意圖*2.穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)用穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)去衡量穩(wěn)壓電路性能的高低。 DVI和D IO引起的D VO可用下式表示1)穩(wěn)壓系數(shù)Sr 有時(shí)穩(wěn)壓系數(shù)也用下式定義2)電壓調(diào)整率SV（一般特指Vi/Vi=±10%時(shí)的Sr）3)輸出電阻Ro4）電流調(diào)整率SI 當(dāng)輸出電流從零變化到最大額定值時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化值。為了更穩(wěn)定的輸出+12V的直流電壓。我們采用LM317芯片來(lái)控制

13、電壓。擬采用下圖電路為原型。加設(shè)電位器，制作可調(diào)穩(wěn)定電源。使用“MULTISIM”軟件進(jìn)行仿真，仿真電路圖如下。輸入電壓240V輸入電壓220V輸入電壓200V輸入電壓200V輸入電壓240V輸入電壓220V測(cè)量紋波電壓負(fù)載1兆歐負(fù)載1毫歐小結(jié)：* 當(dāng)負(fù)載在滿(mǎn)載和空載之間變化時(shí)，輸出電壓調(diào)整大小不超過(guò)0.2%。* 通過(guò)調(diào)整R4的值來(lái)測(cè)量通過(guò)負(fù)載的電流，當(dāng)RL=1兆歐時(shí)，Io=12.67mA； 當(dāng)RL=1毫歐時(shí)，Io=241.25mA。最大輸出電流小于1.5A。* 紋波電壓5.826uV。* 過(guò)流保護(hù)可以在變壓器前面加上一個(gè)保險(xiǎn)絲。* 短路保護(hù)體現(xiàn)在D7,D2上，當(dāng)輸入短路時(shí)，這兩個(gè)二極管可以防

14、止電容放 電擊穿芯片。*設(shè)計(jì)穩(wěn)流電路*一、原理：穩(wěn)流指的是電流沒(méi)有大的波動(dòng)，輸出穩(wěn)定平滑，并不是指電流大小不變。穩(wěn)流電源的設(shè)計(jì)一般有以下要求。1穩(wěn)流電源的主要技術(shù)指標(biāo)(1)輸出電流范圍 本項(xiàng)指標(biāo)是指在不穩(wěn)流情況下，輸出電流可以調(diào)節(jié)的范圍，例如輸出額定電流Io=2A,Io=1A，則其可調(diào)范圍為1.52.5A。當(dāng)然，相對(duì)于IO來(lái)說(shuō)，偏離量也可能不是上下對(duì)稱(chēng)的，即不是±0.5A，可能上限值大于下限值，也可能相反。(2)輸出電壓范圍 交流穩(wěn)流電源所提供的輸出電壓要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)及其阻抗、電流值等而變化，所以必須確定一個(gè)輸出電壓范圍來(lái)衡量其性能。(3)輸出電流穩(wěn)流精度它表示輸出電流在額定精度內(nèi)允

15、許“電流變化范圍I”。設(shè)輸出電流Io為2A，精度為±1，則表示當(dāng)用了穩(wěn)流器后輸出電流Io滿(mǎn)足1.98A2. 穩(wěn)流電源實(shí)驗(yàn)參數(shù)在輸入電壓固定為12V的條件下：輸出電流：420mA可調(diào)，所以實(shí)際中采用阻值為500的滑動(dòng)變阻器，和一個(gè)定值電阻串聯(lián)，所以 ，經(jīng)計(jì)算，R3=125，Vi=2.4V。輸入端電壓為12V，可采用電阻分壓的方式讓同相輸入端的電壓Vi=2.4V。分壓電阻阻值為4.7K，1.2K。實(shí)物中運(yùn)放采用NE5532，NE5532是高性能低噪聲運(yùn)放，它具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)與電源帶寬。（1）小信號(hào)帶寬：10MHz；（2）輸出驅(qū)動(dòng)能力：600，10V；

16、（3）輸入噪聲電壓：5nV/HZ（典型值）；（4）DC電壓增益：50000；（5）AC電壓增益：10KHz時(shí)2200；（6）電源帶寬：140KHz；（7）轉(zhuǎn)換速率：9V/S；（8）大電源電壓范圍：±3±20V。二、電路設(shè)計(jì)與仿真負(fù)載200300歐姆負(fù)載200300歐姆本 章 小 結(jié)直流穩(wěn)壓電源由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓，濾波電路可減小脈動(dòng)使直流電壓平滑，穩(wěn)壓電路的作用是在 電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化時(shí)保持輸出電壓基本不變。整流電路有半波和全波兩種，最常用的是單相橋式整流電路。分析整流電路時(shí)，應(yīng)分別判斷在變壓器副邊電壓正、負(fù)半周兩

17、種情況下二極管的工作狀態(tài)，從而得到負(fù)載兩端電壓、二極管端電壓及其電流波形并由此得到輸出電壓和 電流的平均值，以及二極管的最大整流平均電流和所能承受的最高反向電壓。濾波電路通常有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波，本實(shí)驗(yàn)介紹了電容濾波電路。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出電壓不可調(diào)，僅適用于負(fù)載電流較小且其變化范圍也較小的情況。在串聯(lián)型穩(wěn)壓電源中，調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓電路、輸出電壓取樣電路和比較放大電路是基本組成部分。電路中引入了深度電壓負(fù)反饋，從而使輸出電壓穩(wěn)定。 集成穩(wěn)壓器僅有輸入端、輸出端和公共端三個(gè)引出端，使用方便，穩(wěn)壓性較好。*設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換*選擇 DC-AC-DC轉(zhuǎn)換升壓電路如圖所示，這一電

18、路依靠自激震蕩電路，將直流電源輸入的電能轉(zhuǎn)化為交流電壓，經(jīng)變壓器升壓后再恢復(fù)為直流。此種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，且升壓范圍比較大，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。缺點(diǎn)在于輸出的電壓不穩(wěn)定，有較大波動(dòng)，而且交流紋波電壓比較大。 電路測(cè)試與分析1穩(wěn)壓模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍15%20%條件下：a輸出電壓可調(diào)范圍為+8.978V+15.252Vb最大輸出電流為1.25Ac電壓調(diào)整率為0.15%（輸入電壓220V變化范圍15%20%下，空載到滿(mǎn)載）d負(fù)載調(diào)整率0.20%（最低輸入電壓下，滿(mǎn)載）e紋波電壓（峰-峰值）5.826uV（最低輸入電壓下，滿(mǎn)載）f效率44.46%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿(mǎn)載）2穩(wěn)流模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為12V的條件下：a輸出電流：3.09619.334mA可調(diào)b負(fù)載調(diào)整率為<1%（輸入電壓12V、負(fù)載電阻由200300變化時(shí)，輸出電流為20mA時(shí)的相對(duì)變化率）3 DC-DC變換器的數(shù)據(jù)結(jié)果：DC-DC變換器 在輸入電壓為+9V+12V條件下：a輸出電壓為+99.502V，輸出電流為36mAb電壓調(diào)整率<0.1%（輸入電壓變化范圍+9V+12V）c負(fù)載調(diào)整率0.1%（輸入電壓+12V下，空載到滿(mǎn)載）d紋波電壓（峰-峰值），2.4mV （輸入電壓+