直流穩(wěn)壓電源

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：電子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)課目：直流穩(wěn)壓電源 所在系別：電氣自動(dòng)化 2011-6-22設(shè)計(jì)題目：直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一、引言二、設(shè)計(jì)目的三、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求四、設(shè)計(jì)步驟五、總體設(shè)計(jì)思路六、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原器件七、測(cè)試要求八、電路調(diào)試九、注意事項(xiàng)十、此電路的誤差分析十一、心得體會(huì)十三、結(jié)束語(yǔ)一 引言 直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(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?。整流器把交流電變?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)主要采用直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過(guò)變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過(guò)程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，

2、并實(shí)現(xiàn)電壓可在6-13V可調(diào)。 二 設(shè)計(jì)目的1. 學(xué)會(huì)基本理論在實(shí)踐中綜合應(yīng)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握模電設(shè)計(jì)的基本方法，設(shè)計(jì)步驟培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)能力。2. 學(xué)會(huì)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法和性能指標(biāo)的測(cè)試方法。3. 培養(yǎng)實(shí)踐技能，提高分析和解決你實(shí)際問(wèn)題的能力。三、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.設(shè)計(jì)并制作一個(gè)連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，主要技術(shù)指標(biāo)要求：輸出電壓可調(diào)： Uo=+6V+9V最大輸出電流： Iomax=800mA輸出電壓變化量： Uo15mV穩(wěn)壓系數(shù)： Sv0.003 2. 設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)選擇電路元件，計(jì)算確定元件參數(shù)，畫出實(shí)用原理圖。四、設(shè)計(jì)步驟1.電路圖設(shè)計(jì)（1）確定目標(biāo)：設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個(gè)模塊之

3、間的信號(hào)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勢(shì)。（3）參數(shù)選擇：根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)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。2.電路安裝、調(diào)試（1）為提高學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)生自行設(shè)計(jì)印刷電路板，并焊接。（2）在每個(gè)模塊電路的輸入端加一信號(hào)，測(cè)試輸出端信號(hào)，以驗(yàn)證每個(gè)模塊能否達(dá)到所規(guī)定的指標(biāo)。（3）重點(diǎn)測(cè)試穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)。（4）將各模塊電路連接起來(lái)，整機(jī)調(diào)試，并測(cè)量該系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。五、總體設(shè)計(jì)思路1.（1）電網(wǎng)供電電壓交流220V50Hz，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焦?fàn)t電壓。（2）降壓

4、后的交流電壓，通過(guò)整流電路便成單向直流電，但其幅度變化大。（3）脈動(dòng)大的直流須經(jīng)過(guò)濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成分濾掉，保留其直流成分。（4）濾波后的直流電壓，再通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流穩(wěn)壓電壓輸出，供給負(fù)載RL。 2.直流穩(wěn)壓電源原理直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成。見(jiàn)下圖其中：（1） 電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變化有變壓器的副邊電壓確定。（2）整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變

5、換成脈動(dòng)的直流電。（3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。（4）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路。穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成，變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?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。電網(wǎng)交流電壓220V（有效值）50HZ，需獲得低壓直流輸出，首先應(yīng)采用電壓變壓器將電網(wǎng)電壓降低 獲得所需交流電壓。通過(guò)整流電路將降壓后的交流電壓變?yōu)閱雾?xiàng)直流電，但此時(shí)其幅度變化大，（脈動(dòng)大）。利用

6、濾波電路進(jìn)一步將電流變?yōu)槠交}動(dòng)小的直流電。通過(guò)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓，得到基本不要外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出供給負(fù)載。2. 直流穩(wěn)壓電源的原理圖<1>方框圖圖1 直流穩(wěn)壓電源原理圖<2>各模塊電路圖三 單相橋式整流濾波電路圖四在二極管導(dǎo)通期間，e2向負(fù)載電阻Rfz提供電流的同時(shí)，向電容器C充電，一直充到最大值。e2達(dá)到最大值以后逐漸下降；而電容器兩端電壓不能突然變化，仍然保持較高電壓。這時(shí)，D受反向電壓，不能導(dǎo)通，于是Uc便通過(guò)負(fù)載電阻Rfz放電。由于C和Rfz較大，放電速度很慢，在e2下降期間里，電容器C上的電壓降得不多。當(dāng)e2下一個(gè)周期來(lái)到并升高到大于Uc時(shí)，又再次對(duì)電容

7、器充電。如此重復(fù)，電容器C兩端（即負(fù)載電阻Rfz：兩端）便保持了一個(gè)較平穩(wěn)的電壓，在波形圖上呈現(xiàn)出比較平滑的波形。圖5-10（a）（b）中分別示出半波整流和全波整流時(shí)電容濾波前后的輸出波形。顯然，電容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量達(dá)到一定值以后，再加大電容量對(duì)提高濾波效果已無(wú)明顯作用。通常應(yīng)根據(jù)負(fù)載電用和輸出電說(shuō)的大小選擇最佳電容量。電容器的耐壓值一般取的15倍。表5-3中列出帶有濾波器的整流電路中各電壓的關(guān)系。表一、輸出電流2A左右1A左右0.5-1A左右0.1-0.5A100-50mA50mA以下濾波電容4000u2000u1000u500u200u

8、-500u200u表二、輸入交流電壓（有效值）負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸出電壓帶負(fù)載時(shí)的輸出電壓每管承受的最大反向電壓半 波 整 流全 波 整 流橋 式 整 流E2E2+E2E2約0.6E2約1.2E2約1.2E2采用電容濾波的整流電路，輸出電壓隨輸出電流變化較大，這對(duì)于變化負(fù)載（如乙類推挽電路）來(lái)說(shuō)是很不利的。 直流穩(wěn)壓電源電路 交流電經(jīng)過(guò)整流可以變成直流電，但是它的電壓是不穩(wěn)定的：供電電壓的變化或用電電流的變化，都能引起電源電壓的波動(dòng)。要獲得穩(wěn)定不變的直流電源，還必須再增加穩(wěn)壓電路。要了解穩(wěn)壓電路的工作，得從穩(wěn)壓管說(shuō)起。有“特異功能”的二極管穩(wěn)壓管一般三極管都是正向?qū)?，反向截止；加在二極管上的反向電

9、壓、如果超過(guò)二極管的承受能力，二極管就要擊穿損毀。但是有一種二極管，它的正向特性與普通二極管相同，而反向特性卻比較特殊：當(dāng)反向電壓加到一定程度時(shí)，雖然管子呈現(xiàn)擊穿狀態(tài)，通過(guò)較大電流，卻不損毀，并且這種現(xiàn)象的重復(fù)性很好；反過(guò)來(lái)著，只要管子處在擊穿狀態(tài)，盡管流過(guò)管子的電在變化很大，而管子兩端的電壓卻變化極小起到穩(wěn)壓作用。這種特殊的二極管叫穩(wěn)壓管。 穩(wěn)壓管的型號(hào)有2CW、2DW 等系列，它的電路符號(hào)如圖517所示。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性，可用圖5一18所示伏安特性曲線很清楚地表示出來(lái)。穩(wěn)壓管是利用反向擊多區(qū)的穩(wěn)壓特性進(jìn)行工作的，因此、穩(wěn)壓管在電路中要反向連接。穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓稱為穩(wěn)定電壓、不同類型穩(wěn)壓

10、管的穩(wěn)定電壓也不一樣，某一型號(hào)的穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值固定在口定范圍。例如：2CW11的穩(wěn)壓值是3.2伏到45伏，其中某一只管子的穩(wěn)壓值可能是35伏，另一只管子則可能是4，2伏。 在實(shí)際應(yīng)用中，如果選擇不到穩(wěn)壓值符合需要的穩(wěn)壓管，可以選用穩(wěn)壓值較低的穩(wěn)壓管，然后串聯(lián)一辦或幾只硅二極管“枕墊”，把穩(wěn)定電壓提高到所需數(shù)值。這是利用硅二極管的正向壓降為0607伏的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓的。因此，二極管在電路中必須正向連接，這是與穩(wěn)壓管不同的。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能的好壞，可以用它的動(dòng)態(tài)電阻r來(lái)表示：顯然，對(duì)于同樣的電流變化量I，穩(wěn)壓管兩端的電壓變化量U越小，動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓管性能就越好。穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻是隨工作電流變化的

11、，工作電流越大。動(dòng)態(tài)電阻越小。因此，為使穩(wěn)壓效果好，工作電流要選得合。工作電流選得大些，可以減小動(dòng)態(tài)電阻，但不能超過(guò)管子的最大允許電流（或最大耗散功率）。各種型號(hào)管子的工作電流和最大允許電流，可以從手冊(cè)中查到。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定性能受溫度影響，當(dāng)溫度變化時(shí)，它的穩(wěn)定電壓也要發(fā)生變化，常用穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)來(lái)表示這種性能例如2CW19型穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uw= 12伏，溫度系數(shù)為0.095% ，說(shuō)明溫度每升高1，其穩(wěn)定電壓升高11.4毫伏。為提高電路的穩(wěn)定性能，往往采用適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施。在穩(wěn)定性能要求很高時(shí)，需使用具有溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓，如2DW7A、2DW7W、2DW7C 等。穩(wěn)壓管選用:3V18V穩(wěn)壓

12、電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類：一類是特性指標(biāo)，如輸出電壓、輸出電濾及電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類是質(zhì)量指標(biāo)，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內(nèi)阻（輸出電阻）、紋波電壓及溫度系數(shù)等。對(duì)穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個(gè)萬(wàn)面的要求1 穩(wěn)定性好2.輸出電阻小3.電壓溫度系數(shù)小4.輸出電壓紋波小整流電路廠采用二極管單相全波整流電路，電路圖如下所示。在U2的正半周內(nèi)，二極管D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止；U2的負(fù)半周內(nèi)，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。正半周內(nèi)部都有電流流過(guò)的負(fù)載電阻RL，且方向是一致的。在橋式整流電路中，每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流平均值的一半。

13、在設(shè)計(jì)中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過(guò)電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，直流輸出電壓：Uo1=（1.11.2）U2，穩(wěn)壓電路可選集成三段穩(wěn)壓器電路。三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的引腳及其應(yīng)用見(jiàn)圖四。.LM3171 2 3 圖5（a） 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器圖5（b） 穩(wěn)壓部分電路 在圖三中，R與RV組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，RV為精密可調(diào)電位器。電容C可以進(jìn)一步消除紋波，電容C 還能起到相位補(bǔ)償作用，以防止電路產(chǎn)生自激振蕩。電容C與RV并聯(lián)組成濾波電路，電位器RV兩端的紋波電壓通過(guò)電容C2 旁路掉，以減小輸出電壓

14、中的紋波。34 數(shù)字顯示部分本次設(shè)計(jì)的數(shù)字顯示部分主要是以數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的實(shí)時(shí)顯示，由于輸出的電壓是模擬量，而驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示電壓需要的是數(shù)字量，這就涉及到從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，然的再利用外部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過(guò)譯碼器將其顯示出來(lái)。如果采用分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些，電路就變得非常復(fù)雜為實(shí)現(xiàn)，而且可靠性低，我們這里采用將AD轉(zhuǎn)換與數(shù)碼顯示集成一起的芯片TC7107，它將模擬的數(shù)字電路集成在一個(gè)有40個(gè)功能端的電路內(nèi)，只須少量的外部元件就可以構(gòu)成數(shù)字顯示電路，其引腳圖見(jiàn)圖五。圖6TC7107引腳圖TC7107是一個(gè)廣泛應(yīng)用的集成電路，它包含3又2分之1轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參

15、考電壓，獨(dú)立模擬開(kāi)關(guān)，邏輯控制，自動(dòng)調(diào)零等。其引腳功能為：第一腳是供電，正確電壓是 DC5V 。第 36 腳是基準(zhǔn)電壓，正確數(shù)值是 100mV，第 26 引腳是負(fù)電源引腳，正確電壓數(shù)值是負(fù)的，在 3V 至 5V 都認(rèn)為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。芯片第 31 引腳是信號(hào)輸入引腳，可以輸入 ±199.9mV 的電壓。在一開(kāi)始，可以把它接地，造成“0”信號(hào)輸入，以方便測(cè)試。它們是 0.22uF,47K,0.47uF阻容網(wǎng)絡(luò)，這三個(gè)元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡(luò)，不能使用磁片電容。芯片的 33 和 34 腳接的104 電容也不能使用磁片電容。芯片的電源地是 21 腳，模擬地是 32

16、 腳，信號(hào)地是 30 腳，基準(zhǔn)地是 35 腳，通常使用情況下，這 4 個(gè)引腳都接地。 輸出電壓可調(diào)范圍：1.2V37V輸出負(fù)載電流：1.5A輸入與輸出工作壓差U=UiUo：340V能滿足設(shè)計(jì)要求，故選用穩(wěn)壓電路。（2）選擇電源變壓器1）確定副邊電壓U2：根據(jù)性能指標(biāo)要求：Uomin=3V Uomax=9V又UiUomax（UiUo）min UiUoin（UiUo）max其中：（UiUo）min=3V ，（UiUo）max=4V12VUi43V此范圍中可任選：Ui=14V=Uo1根據(jù) Uo1=(1.11.2)U2可得變壓的副邊電壓：2）確定變壓器副邊電流I2Io1=Io又副邊電流I2=（1.52

17、）Io1 取Io=Iomax=800mA則I2=1.5×0.8A=1.A3）選擇變壓器的功率變壓器的輸出功率：PoI2U2=14.4W（3）選擇整流電路中的二極管變壓器的副邊電壓U2=12V橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為：50V17V橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為：1A0.4A（4）濾波電路中濾波電容的選擇1）求Ui：根據(jù)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)的定義：設(shè)計(jì)要求Uo15mV，Sv0.003 Uo=+3V+9VUi=14V代入上式，則可求得Ui2）濾波電容C設(shè)定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S則可求得C電路中濾波電容承受的最高電壓為，所以所選電容器的耐壓應(yīng)大于

18、17V。注意：因?yàn)榇笕萘侩娊怆娙萦幸欢ǖ臄_之電感分布電感，易引起自己震蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常并入瓷介小電容用來(lái)抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾。六、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及元器件1. 萬(wàn)用表 2. 示波器 3. 交流毫伏表 4. 三端可調(diào)的穩(wěn)壓器電子元件清單序號(hào)名稱型號(hào)/規(guī)格數(shù)量備注1 變壓器 TRSAT2P3S1只2 二極管IN40016只3 三端穩(wěn)壓器LM317L1只4七段顯示譯碼器7SEG-MPX2-CC4只5滑動(dòng)變阻器POT-LOG1只6電阻1k 1只7電阻9k1只8電阻90k1只9電阻2402只10電阻900k1只11電阻9000k1只12電阻1000k4只13電阻56k1只14電

19、阻120k1只15電阻14k1只16電阻600 1只17電阻5551只18電容2000uF1只19電容10uF1只20電容100uF1只21電容100nF2只22電容47uF1只23電容0.22uF1只24二極管IN40071只25芯片TC71071只26直流電源9V1只27邏輯門（異或門）3只28邏輯門（非門）3只七、測(cè)試要求1.測(cè)試并記錄電路中各環(huán)節(jié)的輸出波形。2.測(cè)試穩(wěn)壓電源輸出電壓的調(diào)整范圍及最大輸出電流。3.測(cè)量輸出電阻Ro.4.測(cè)試穩(wěn)壓系數(shù)。用改變輸入交流電壓的方法，模擬Ui的變化，測(cè)出對(duì)應(yīng)的輸出直流電壓的變化，則可算出穩(wěn)壓系數(shù)Sv。5.用毫伏表可測(cè)量輸出直流電壓中的交流紋波電壓大

20、小，并用示波器觀察、記錄其波形。6.分析測(cè)量結(jié)果，并塔倫提出改進(jìn)意見(jiàn)。八、電路調(diào)試（一）在通電前認(rèn)真檢查安裝電路，必須對(duì)電路進(jìn)行以下事項(xiàng)的檢查： （1）、二極管的引腳和濾波電容器的極性不能接反，否則會(huì)影響元器件 （2）、電源變壓器的一次和二次繞組不能搞錯(cuò)，否則將會(huì)造成故障（3）、電源變壓器的絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)，以防止變壓器漏電?？捎萌f(wàn)用表（二）質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試 （1）、穩(wěn)壓系數(shù)的測(cè)試，先調(diào)節(jié)變壓器，是輸入電壓增加%10，測(cè)量此時(shí) 對(duì)應(yīng)的輸出電壓，再次調(diào)節(jié)變壓器使輸入電壓減小%10，測(cè)量輸出電壓 在測(cè)量V1=220V時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓Vo。 （2）波紋電壓的測(cè)試，使U=220V 保持不變，在額定輸出電

21、壓或額定輸出電流的情況下，用示波器測(cè)出輸出電壓中波紋電壓的峰值。 九、注意事項(xiàng) 1. 焊接時(shí)要對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行單個(gè)測(cè)試，需要時(shí)刻設(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，以防止元器件燒壞。 3. 按照原理圖焊接時(shí)必須要保證可靠接地。十、此電路的誤差分析綜合分析可以知道在測(cè)試電路的過(guò)程中可能帶來(lái)誤差的因素有： 測(cè)得輸出電流時(shí)接觸點(diǎn)之間微小電阻造成的誤差； 電流表內(nèi)阻串入賄賂造成的誤差； 測(cè)得紋波電壓時(shí)示波器造成的誤差； 示波器，萬(wàn)用表本身的準(zhǔn)確度而造成的系統(tǒng)誤差；可以通過(guò)以下的方法去改進(jìn)此電路： 減小接觸點(diǎn)的微小電阻； 根據(jù)電流表的內(nèi)阻對(duì)測(cè)量結(jié)果可以進(jìn)行修改； 測(cè)得紋波時(shí)示波器采用手動(dòng)同步； 采用更高精確度的儀器去檢測(cè)。11、 心得體會(huì) 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我獲得了很多，首先我明白我們以前所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)并沒(méi)有很好的理解，電橋?yàn)V波等學(xué)過(guò)，但在實(shí)際