小功率直流穩(wěn)壓電源的課程設(shè)計

1、1西安科技大學高新學院機機電電一一體體化化課課程程設(shè)設(shè)計計報報告告 名稱名稱 小功率可調(diào)直流穩(wěn)壓電源小功率可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及自動化班 級：機單 0902 組 號：第十組 組 員：涂杉杉 查歡 杜照金 胡宇晨指導教師 ：紹小強 實習時間：2012 年 7 月 2 日至 13 日 2目錄目錄第一章第一章 緒論緒論.21.11.1 電電路路基本知識基本知識.21.21.2 電源變壓器電源變壓器.21.2.1 電源變壓器概述 .21.2.2 電源變壓器功能.21.2.3 電源變壓器的分類.21.2.4 變壓器的型式.21.31.3 整流電路的基本知識整流電路的基本知識.31.3.

2、1 單相橋式整流電路的工作原理.31.41.4 直流穩(wěn)壓電路工作的原理直流穩(wěn)壓電路工作的原理.41.4.1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理.41.4.2 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路.5第一章第一章 緒論緒論1.1 電路基本知識在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源供電，小功率的穩(wěn)壓電源是由電3源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成。在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源供電，小功率的穩(wěn)壓電源是由電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成。1.2 電源變壓器功率較小的直流電源大多數(shù)都是將 50Hz 的交流電經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后獲得。整流電路用來將交流電壓變換為單

3、向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。1.2.1 電源變壓器概述過整流電路將交流變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。電源變壓器的作用是將交流220V 的電壓變?yōu)樗璧碾妷褐担缓笸瑯拥碾妷哼€隨電網(wǎng)電壓波動、負載何溫度的變化而變化。1.2.2 電源變壓器功能電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，作為一種主要的軟磁電磁元件，在電源技術(shù)中和電力電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。變壓器的功能主要有

4、：電壓變換；阻抗變換；隔離；穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等。1.2.3 電源變壓器的分類根據(jù)傳送功率的大小，電源變壓器可以分為幾檔：10kVA 以上為大功率，10kVA0.5kVA 為中功率，0.5kVA25VA 為小功率，25VA 以下為微功率。 1.2.4 變壓器的型式變壓器的最基本型式，包括兩組繞有導線之線圈，并且彼此以電感方式稱合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時，于另一組線圈中將感應(yīng)出具有相同頻率之交流電壓，而感應(yīng)的電壓大小取決于兩線圈耦合及磁交鏈之程度。4一般指連接交流電源的線圈稱之為一次線圈(Primary coil);而跨于此線圈的電壓稱之為一次電壓. 。在二次

5、線圈的感應(yīng)電壓可能大于或小于一次電壓，是由一次線圈與二次線圈問的匝數(shù)比所決定的。因此，變壓器區(qū)分為升壓與降壓變壓器兩種。1.3 整流電路的基本知識1.3.1 單相橋式整流電路的工作原理單相橋式整流電路如圖 1.3.1(a)所示，圖中 Tr 為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓 vI 變成整流電路要求的交流電壓 ，RL 是要求直流供電的負載電阻，四只整流二極管 D1D4 接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。單相橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡單起見，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。在 v2 的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管 D1 流

6、向 RL，再由二極管 D3 流回變壓器，所以 D1、D3 正向?qū)?，D2、D4 反偏截止。在負載上產(chǎn)生一個極性為上正下負的輸出電壓。其電流通路可用圖 1.3.1(a)中實線箭頭表示。在 v2 的負半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管 D2 流向 RL，再由二極管 D4 流回變壓器，所以 D1、D3 反偏截止，D2、D4 正向?qū)?。電流流過 RL 時產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負，與正半周時相同。其電流通路如圖1.3.1(a)中虛線箭頭所示。1.3.2單相半波整流單相半波整流電路電路：單相半波整流簡單，使用器件少，它只對交流電的一半波形整流，只要橫軸上面的半波或者只

7、要下面的半波。但由于只利用了交流電的一半波形，所以整流效率不高，而且整流電壓的脈動較大，無濾波電路時，整流電壓的直流分量較小，Vo=0.45Vi，變壓器的利用率低。1.3.3單相全波整流電路：單相全波整流電路：使用的整流器件較半波整流時多一倍，整流電壓脈動較小，比半波整流小一半。無濾波電路時的輸出電壓Vo=0.9Vi，變壓器的利用率比半波整流時高。變壓器二次繞組需中心抽頭。整流器件所承受的反向電壓較高。5綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負載電阻的上端相連，負極性端與負載電阻的下端相連，使負

8、載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如 1.3.1(c)。由圖可見，通過負載 RL的電流 iL 以及電壓 vL 的波形都是單方向的全波脈動波形。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。電路的缺點是二極管用得較多，但目前市場上已有整流橋堆出售，如 QL51AG、QL62AL 等，其中QL62AL 的額定電流為 2A，最大反向電壓為 25V1000V。故單相橋式整流電路常畫成圖 1.

9、3.1(b)所示的簡化形式。 圖 1.3.1(a) 圖 1.3.1(b)圖 1.3.1(c)61.4 直流穩(wěn)壓電路工作的原理實用的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源至少包含調(diào)整管、基準電壓電路、取樣電路和比較放大電路四個部分組成。此外，為使電路安全工作，還常在電路中加保護電路，如圖所示。圖 1.4 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖1.4.1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理基本調(diào)整管電路：如下圖 1.4.1（a）所示為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，負載電流最大變化范圍等于穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流和最小穩(wěn)定電流之差，即（IZM-IZ） 。擴大負載電流的最簡單方法是：利用晶體管的電流放大作用，將穩(wěn)壓管穩(wěn)定電路的輸出電流放大后，再作為負載電流。電路采用射極

10、輸出形式，因而引入了電壓負反饋，可以穩(wěn)定輸出電壓，如圖 1.4.1（b）所示，常見畫法如圖 1.4.1（c）所示。(a)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 （b）加晶體管擴大負載電流的變化范圍 （c）常見畫法 圖 1.4.1 基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路擴大負載電流的最簡單方法是：利用晶體管的電流放大作用，將穩(wěn)壓管穩(wěn)定電路的輸出電流放大后，再作為負載電流。電路采用射極輸出形式，因而引入了電壓負反饋，可以穩(wěn)定輸出電壓，如圖（b）所示，常見畫法如圖（c）所示。7調(diào)整管：晶體管的調(diào)節(jié)作用使 UO 穩(wěn)定，晶體管稱為調(diào)整管。要使調(diào)整管起到調(diào)整作用，必須使它工作在放大狀態(tài)。串聯(lián)穩(wěn)壓電源：由于調(diào)整管與負載相串聯(lián)，故稱這類電路為串聯(lián)型穩(wěn)壓

11、電源。線性穩(wěn)壓電源：由于調(diào)整管工作在線性區(qū)，故稱這類電路為線性穩(wěn)壓電源。1.4.2 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路電路構(gòu)成基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路的輸出電壓不可調(diào)，且輸出電壓因 UBE 的變化而變，穩(wěn)定性較差。為了使輸出電壓可調(diào)，加深電壓負反饋，可在基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)上引入放大環(huán)節(jié)。電路如下圖所示，由調(diào)整管、基準電壓電路、取樣電路和比較放大電路組成。圖 1.4.2 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理當電網(wǎng)電壓波動（或負載電阻的變化）使輸出電壓 UO 上升時，取樣電壓 UN 增大，由于穩(wěn)壓管的電壓 UZ 不變，運放的輸入電壓 UNP(=UN-UP=UN-UZ)增大，使 A 的輸出減?。凑{(diào)整管的基極

12、電位降低） ，而使調(diào)整管 T 的 c-e 壓降低增大，從而調(diào)節(jié)輸出電壓UO（=UI-Uce）減小。使輸出電壓得到穩(wěn)定。可見，電路是靠引入深度電壓負反饋來穩(wěn)定輸出電壓輸出電壓的可調(diào)范圍當電位器 R2 的滑動端在最上端時，輸出電壓最小為當電位器 R2 的滑動端在最下端時，輸出電壓最大為8若 R1=R2=R3=300，UZ=6V，則輸出電壓 9VUO18V。2.1.5 集成穩(wěn)壓器選用時的注意事項在選擇集成穩(wěn)壓器時，應(yīng)該兼顧性能、使用和價格幾個方面。性能指標主要根據(jù)負載電壓電流的大小、調(diào)整率的高低以及工作穩(wěn)定范圍的寬窄來選。對電源精度要求較高的電子產(chǎn)品（例如通信設(shè)備、航空設(shè)備、高檔儀器儀表等）的穩(wěn)壓電

13、源電路及使用電池供電的穩(wěn)壓電路，可選用低壓差、低功耗的集成穩(wěn)壓器。對輸出電壓需要關(guān)斷控制的穩(wěn)壓電源電路，應(yīng)選用多端可控式集成穩(wěn)壓器，五端集成穩(wěn)壓器。對需要同時生產(chǎn)+5V 輸出電壓和復位電壓的電源電路，可選用L78LR05、L78MR05 等集成穩(wěn)壓器。對需要多組不同輸出電壓的電源電路，可選用八端集成穩(wěn)壓器。選擇集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù) 確定集成穩(wěn)壓器的類型后，還應(yīng)根據(jù)負載電路選擇集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù)，包括輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、壓差、電壓調(diào)整率、電流調(diào)整率等。所選集成穩(wěn)壓器的輸入電壓應(yīng)與整流濾波電路的輸出電壓（或電池的電壓）相適應(yīng)，其輸出電壓應(yīng)與負載電路的工作電壓值相同，其輸出電流應(yīng)大于負載

14、電路的最大工作電流（要留有一定的功率余量） 。要根據(jù)應(yīng)用電路的電壓極性選擇正確的輸出電壓，即集成穩(wěn)壓器的輸出電壓極性應(yīng)與應(yīng)用電路的的電壓極性相同。第二章第二章 設(shè)計方案設(shè)計方案一設(shè)計目的一設(shè)計目的91學習小功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與調(diào)試方法。2掌握小功率直流穩(wěn)壓電源有關(guān)參數(shù)的測試方法。二設(shè)計任務(wù)及要求二設(shè)計任務(wù)及要求 1. 性能指標要求：V0=+5v 2. 技術(shù)指標：波紋電壓5mv 3. 電壓調(diào)整率 ku3% 電流調(diào)整率：Ki1%1.2.2、相關(guān)技術(shù)的介紹集成穩(wěn)壓器的原理與分立晶體管穩(wěn)壓器基本相同，也是由調(diào)整元件、誤差放大器、基準電壓、比較取樣等幾個主要部分組成。但是集成穩(wěn)壓器充分利用了集成技術(shù)

15、的優(yōu)點，在線路結(jié)構(gòu)和制造工藝上都采用了很多基本的模擬集成電路的方法。諸如偏置電路、電流源電路、基準電壓源電路、各種形式的誤差放大器和集成穩(wěn)壓器所特有的啟動電路、保護電路等。與分立元件穩(wěn)壓器相比，集成穩(wěn)壓器具有體積小，成本低，使用方便，性能指標高的優(yōu)點，這使得它的應(yīng)用日趨廣泛。1.3 方案選擇方案選擇方案一：方案一：運用基于 LM317K 可調(diào)式的穩(wěn)壓器電源使用 LM317K 可調(diào)式穩(wěn)壓器，可連續(xù)輸出可調(diào)的直流正電壓。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流，過熱保護電路，該電路由電阻 R 和可變電位10器 RP 組成輸出調(diào)節(jié)電壓電路，其特點是輸出電壓連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍較寬，可達到 1.2V37V，其負載調(diào)整率電壓調(diào)

16、整率等指標顯然均優(yōu)于固定式三點穩(wěn)壓器。但由于本次設(shè)計指標要求輸出電壓為+5V 的直流穩(wěn)定電壓，故此可調(diào)式穩(wěn)壓器不宜采用。方案二：方案二：運用基于 LM7805 固定式三端穩(wěn)壓器使用 LM7805 三端穩(wěn)壓器，輸入端接電容可以進一步濾波，而輸出端接電容還可以改善負載的瞬間影響。此電路的穩(wěn)定性比可調(diào)式三端穩(wěn)壓器要好。不僅如此，該固定式三端穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓值為+5V，恰好合適我們本次設(shè)計輸出電壓的要求。因此，綜合考慮起來，應(yīng)該選擇方案二比較合適。三實驗原理實驗原理 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 +

17、 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11電源變壓器：將交流電網(wǎng)所提供的 50Hz 220V 電壓變換成符合整流需要的交流電壓；整流電路：利用具有單向?qū)щ娦缘脑缍O管，將正負交替的正弦交流電壓變換成單方向脈動的直流電壓；濾波電路：利用電感電容等儲能元件，盡可能地將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，使之輸出比較平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路：采用某種措施，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負載電流波動是保持穩(wěn)

18、定。本次設(shè)計采用 LM7805 三端固定式集成穩(wěn)壓器。1.3.2 詳細原理設(shè)計詳細原理設(shè)計.1 原理圖2 LM7805 固定式三端穩(wěn)壓器應(yīng)用電路圖為 LM7805 基本應(yīng)用電路。圖中 C2 用于抑制芯片的自激振蕩，應(yīng)盡量靠近穩(wěn)壓器的管腳。C3 用于限制芯片高頻帶寬，減少高頻噪聲。如果對輸出要求高，還應(yīng)接 10uF 以上的電解電容起濾波作用。12229 . 022UUUo229 . 022UUUo229 . 022UUUo3 橋式整流應(yīng)用電路橋式整流電路由四只二極管組成的一個單橋，單橋的兩組相對節(jié)點分別接變壓器二次繞組和負載。工作時，D1、D2、和 D3、D4 兩兩輪流導通。在 u2 正半周，二

19、極管 D1 與 D2 正向?qū)?，?D3 與 D4 反向截止，形成負載電流 i0,i0 導通的路徑為：bD3RLD4ab,u0=-u2。由此可見，不論哪兩個二極管導通，負載電流的方向始終保持不變。本設(shè)計原理圖中，在單相橋式整流電路的后面接上了一個濾波電容 C1,如右圖。根據(jù)模電公式，整流后的輸出電壓 u0=(1.11.2)u2 。1.4 整流整流1.4.1 整流電路的作用整流電路的作用電路中用了四個二極管，接成電橋形式，利用二極管的單向?qū)щ娦?，將正負交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓1.4.2 主要參數(shù)計算主要參數(shù)計算a直流電壓 Uo13b直流電源 Ioc波動系數(shù)1.5 電容濾波工作原

20、理電容濾波工作原理1.5.1 電容濾波電路作用電容濾波電路作用利用電容元件儲能的特性，將整流后輸出的電壓的能量儲存起來，然后緩慢的釋放給負載。盡可能地將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。1.5.2 主要參數(shù)計算主要參數(shù)計算a. 耐壓電流b放電時間常數(shù)范圍c輸入輸出關(guān)系d波動系數(shù)1.5.3 電容濾波電路的特點電容濾波電路的特點（1）電容濾波電路適用于小電流負載。LLooRURUI29 . 0LLooRURUI29 . 067. 01omoUUSLoFRUI21)32( 2)53(TCRL22 . 1 UUo1411TCRUUSLomo14（2）電容濾波電路的外特性比

21、較軟。（3）采用電容濾波時，整流二極管中將流過較大的沖擊電流。必須選用較大容量的整流二極管。（4）電容濾波后，輸出直流電壓提高了，同時輸出電壓的脈動成分也降低了，而且輸出直流電壓與放電時間常數(shù)有關(guān)RLC，Uo=1.4U2，S=0。1.5.4 選電容原則選電容原則電容放電的時間常數(shù) =RLC 愈大，放電過程愈慢，則輸出電壓愈高，同時脈動成分也愈少，即濾波效果愈好。故應(yīng)該選擇一個1.6 穩(wěn)壓電路工作原理穩(wěn)壓電路工作原理圖 4 直流穩(wěn)壓電路1.6.1 直流穩(wěn)壓電路作用直流穩(wěn)壓電路作用使輸出的直流電壓，在電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。本次課程設(shè)計中，穩(wěn)壓電路選擇用三段集成穩(wěn)壓器 W7815 和

22、 W7915 以及電容組成1.6.2 三端集成穩(wěn)壓器介紹三端集成穩(wěn)壓器介紹15隨著半導體工藝的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。由于集成穩(wěn)壓器具有體積小，外接線路簡單、使用方便、工作可靠和通用性等優(yōu)點，因此在各種電子設(shè)備中應(yīng)用十分普遍，基本上取代了由分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。W7800、W7900 系列三端式集成穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的，在使用中不能進行調(diào)整。W7800 系列固定輸出正電壓，W7900 固定輸出負電壓，檔位一般有 5V、6V、9V、12V、15V、18V 、24V。（1）W7815 和 W7915 外形及連接圖 圖 5 W7815 外形及連接圖 圖 6 W7915 外形圖及連接圖

23、（2）以 W7812 為例說明電路組成 圖 7 由 W7815 構(gòu)成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源16圖 7 是用三端式穩(wěn)壓器 W7812 構(gòu)成的單電源電壓輸出串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的實驗電路圖。濾波電容 C1、C2 一般選取幾百幾千微法。當穩(wěn)壓器距離整流濾波電路比較遠時，在輸入端必須接入電容器 C3（數(shù)值為 0.33F ） ，以抵消線路的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。輸出端電容 C4(0.1F)用以濾除輸出端的高頻信號，改善電路的暫態(tài)響應(yīng)。2.3 設(shè)計時遇到的問題及其原因1.為什么變壓器輸入電壓不能超過額定電壓？答：，變壓器的額定電壓是變壓器允許輸入的最大電壓，當變壓器的輸入電壓超過額定電壓時時，變壓器的激磁電流增

24、加，磁通密度增大，造成變壓器鐵芯因損耗增加而過熱。同時，由于 激磁電流的增加，變壓器所消耗的無功功率也隨之增加，使變壓器的實際出力降低。另外，由于激磁電流有的增加，磁通密度增大，使磁通飽和，引起副繞組電勢的波形發(fā)生畸變，由原來的正弦波變?yōu)榧忭敳ǎ瑢ψ儔浩鞯慕^緣有一定的危害。因此，變壓器的運行電壓可以較額定值高，但一般不得超過額定值的 5%。2.遠距離輸電為什么采用高壓輸電？ 答：為了降低電流，減少線路損耗。輸送相同的電功率，電壓越高，需要的電流就越小。任何導線都存在一定的電阻，電流通過時導線電阻會白白消耗一部分功率。電流越大，消耗的功率越大，這種消耗和電流的平方成正比；當導線的截面積一定時，導線越長電阻就越大，消耗的功率也就越大。所以遠距離輸電時，我們沒辦法降低導線的電阻，只能想辦法降低電17流，也就是提高電壓，所以只能采用高壓輸電。第三章第三章 課程設(shè)計心得體會課程設(shè)計心得體會杜照金：