集成直流穩(wěn)壓電源 課程設(shè)計(jì)說明書

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 通信 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 集成直流穩(wěn)壓電源 初始條件：Multisim10要求完成的主要任務(wù): 繪制具有一定規(guī)模、一定復(fù)雜程度的電路原理圖*.sch自選?？梢陨婕澳M、數(shù)字、高頻、單片機(jī)、或者一個(gè)具有完備功能的電路系統(tǒng)。繪制相應(yīng)電路原理圖的雙面印刷幅員*.pcb對(duì)電路原理圖進(jìn)行仿真，給出仿真結(jié)果如波形*.sdf、數(shù)據(jù)并說明是否到達(dá)設(shè)計(jì)意圖。時(shí)間安排：序號(hào)階段內(nèi)容時(shí)間1安排任務(wù)第20周2電路選擇與繪制第20周3撰寫報(bào)告第20周4辯論第21周合 計(jì)2周指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任或責(zé)任教師簽名： 年 月 日集成直流穩(wěn)壓電源摘

2、要直流穩(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牡蛪航涣麟姟Ｕ髌靼呀涣麟娮優(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)主要采用多路輸出直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將 220V 交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并實(shí)現(xiàn)電壓可在+3+9V 可調(diào)和實(shí)現(xiàn)固定輸出電壓比方 12v,+5v。關(guān)鍵詞：直流；穩(wěn)壓；變壓目錄 TOC o 1-3 h z u 一、緒論現(xiàn)代工業(yè)和自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，會(huì)涉及大量的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和控制問題，其中振動(dòng)和沖擊的精確測(cè)量顯得尤其重要。對(duì)于振動(dòng)和沖擊信號(hào)的獲取，最常見的是用壓電加速度傳感

3、器，它將力學(xué)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。但是，這個(gè)輸出信號(hào)必須要做適當(dāng)?shù)奶幚聿拍軕?yīng)用。因此，壓電加速度傳感器的后續(xù)適調(diào)電路，即電荷放大器的研究就顯得非常重要。我們用TL081 芯片來取代傳統(tǒng)電荷放大器所用的大量別離元件，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)。但是，由于TL081 芯片需12V 的直流供電，而其它芯片需+5V 電源驅(qū)動(dòng)，因此，需要設(shè)計(jì)適宜的多輸出直流穩(wěn)定電源。直流穩(wěn)壓電源一般分為線性和開關(guān)電源兩類。對(duì)于單片機(jī)數(shù)字控制的電路系統(tǒng)，通常采用基于PWM 控制的開關(guān)電源；而對(duì)于放大器的模擬控制系統(tǒng)，采用線性直流穩(wěn)壓電 3 源那么更具有優(yōu)勢(shì)。線性直流穩(wěn)壓電源具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用，產(chǎn)生的干擾很小，隨著集成電路技術(shù)

4、的開展，較高輸出電流和數(shù)值可調(diào)的集成穩(wěn)壓器相繼出現(xiàn)，由此而構(gòu)成的線性直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，功率200W 以下時(shí)，整機(jī)的體積也不大。一般來講，線性直流穩(wěn)壓電源的紋波抑制比，電壓調(diào)整率和噪聲抑制等性能比開關(guān)直流穩(wěn)壓電源要好。更重要的是工作可靠，故障率低，更適合于放大器的模擬控制系統(tǒng)。因此，針對(duì)電荷放大器的需要，本文提出了一種基于集成穩(wěn)壓器的多輸出線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。二、多路直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)2.1、設(shè)計(jì)目的(1).學(xué)習(xí)根本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握模擬電路設(shè)計(jì)的根本方法、設(shè)計(jì)步驟，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)與調(diào)試能力。(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)測(cè)試方法。(3).培養(yǎng)實(shí)踐

5、技能，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。2.2、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Vo 及最大輸出電流Iomax; I 檔Vo=12 V 對(duì)稱輸出，Iomax=100mA; II 檔Vo=+5V, Iomax=300mA; III 檔Vo=+3+9V 連續(xù)可調(diào)，Iomax=200mA 紋波電壓：Vop-p5mA; 穩(wěn)壓系數(shù)：SV0.005； (1).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)用原理電路圖。 (2).自擬實(shí)驗(yàn)方法、步驟及數(shù)據(jù)表格，提出測(cè)試所需儀器及元器件的規(guī)格、數(shù)量，交指導(dǎo)教師審核。 (3).批準(zhǔn)后，進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行組裝、調(diào)試，并

6、測(cè)試其主要性能參數(shù)。 2.3、設(shè)計(jì)步驟 (1).電路圖設(shè)計(jì) 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)模塊之間的信號(hào)傳輸，并畫出直流穩(wěn)壓電源方框圖。 系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。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)。 總電路圖：連接各模塊電路。 (2)電路安裝、調(diào)試 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。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)模塊能否到達(dá)所規(guī)定的指標(biāo)。 重點(diǎn)測(cè)試穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)。將各模塊電路連起來，整機(jī)調(diào)試，并測(cè)量該系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。 2.4、總體設(shè)計(jì)思路和總體電路圖 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路 電網(wǎng)供電電

7、壓交流220V(有效值)50Hz，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交流電壓。降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大即脈動(dòng)大。 脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保存其直流成份。 濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到根本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供應(yīng)負(fù)載RL。 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，見圖1。 圖1直流穩(wěn)壓電源方框圖 其中： 電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng) 220V 交流電

8、壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。 整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz 的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電 濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大局部加以濾除，從而得到比擬平滑的直流電壓。 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。 總體電路圖見附錄A2.5、單元電路設(shè)計(jì)與原理說明 電源變壓器 電源變壓器是將交流電網(wǎng) 220V 的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。 整流電路 整流電路常采用二極管單相全波整流電路，電路如圖2 所示。在u2 的正半周內(nèi)，二極管D

9、1、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。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過的負(fù)載電阻 RL，且方向是一致的。電路的輸出波形如下圖在橋式整流電路中，每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半 。電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為 (U2 是變壓器副邊電壓有效值)。 、濾波電路 濾波電路選用一個(gè)3300 F 的大容量電解電容C1 和一個(gè)0.33 F 的小容量滌綸 CL11 型電容C2 并聯(lián)濾波，如圖3 所示。理論上，在同一頻率下容量大的電容其容抗小，這樣一大一小電容相并聯(lián)后其容量小的電容C2 不起作用。但是，由于

10、大容量的電容器存在感抗特性，等效為一個(gè)電容與一個(gè)電感串聯(lián)。在高頻情況下的阻抗反而大于低頻時(shí)的阻抗，小電容的容量小，在制造時(shí)可以克服電感特性，幾乎不存在電感。在大電容C1 上并聯(lián)一個(gè)小電容C2 可以補(bǔ)償其在高頻下的缺乏。當(dāng)電路的工作頻率比擬低時(shí)，小電容不工作容抗大相當(dāng)于開路。大電容的容量越大濾波效果越好。當(dāng)電路的工作頻率比擬高時(shí)輸入信號(hào)的高頻干擾成分，大電容由于感抗大而處于開路狀態(tài)。這時(shí)高頻干擾成分通過小電容流到地線，濾除各種高頻干擾成分。電路的輸出波形如下圖 、穩(wěn)壓電路 1、穩(wěn)壓電路選用三端集成直流穩(wěn)壓器，其電路連接方式一般如圖4 所示。性能上，常用的集成穩(wěn)壓器有三端固定式、三端可調(diào)式和開關(guān)式

11、。以三端固定式為例，其正輸出為7800后兩位代表輸出的額定穩(wěn)壓值，00 是統(tǒng)稱系列，負(fù)輸出為7900 系列，常見的有05、06、08、09、12、15、18、24 八種。一般要求最小的輸入、輸出電壓差UI-U0為2 V 3 V；輸出穩(wěn)壓的容差約為5%；最大輸出電流IOmax有0.1 A 如78L12，0.3 A 如78M12和1.5 A如7812等多種，局部器件的最大輸出電流可達(dá)2.2 A；其最大輸入電壓UImax 一般是7818 檔以下為35 V，7824 檔為40 V；電壓調(diào)整率SU 一般為0.01%/V；輸出電阻R0小于0.1 ；紋波抑制比SVP 一般為50dB；溫度系數(shù)ST 一般為每度

12、1mV 2.4 mV。圖4 中，引腳1 為電壓變換的輸入端，引腳2 為電壓變換后的輸出端，引腳3為接地端。電容Ci 作用是改善紋波和抑制輸入的過電壓，一般取值為0.33 F。 C0 作用是改善負(fù)載的順態(tài)響應(yīng)，一般可選取0.1 F 的電容，當(dāng)采用大容量的電解電容時(shí)效果更好。穩(wěn)壓電源的輸入輸出端要跨接一個(gè)二極管，以防止集成穩(wěn) 8 壓器輸出調(diào)整管損壞。 2、穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是把幾個(gè)供電模塊集成到一個(gè)供電電源上，能夠同時(shí)提供固定輸出+5 V 最大輸出電流0.3 A 和固定輸出12 V 最大輸出電流0.1 A的直流電輸出，此外，還有一路+3 V 到+9 V最大輸出電流連續(xù)可調(diào)的電壓輸出。 (1)輸

13、出+5 V：核心器件選用78M05 三端集成穩(wěn)壓器，其輸出電壓為+5 V，額定電流0.1 A。當(dāng)變壓器變壓后輸出6.3 V 交流電，經(jīng)KBPC810 硅整流橋，整流后輸出約6 V電壓，濾波后由78M05 三端集成穩(wěn)壓電源處理，輸出+5 V電壓，電流最大輸出 A。 (2)輸出+/-12 V：核心器件選用穩(wěn)壓器78L12 和79L12，組合應(yīng)用這兩個(gè)穩(wěn)壓器件與一個(gè)硅整流橋相接，按圖5 好電路就能輸出+/-12 V 的電壓。組合用78L12 和79L12時(shí)，公共輸出接地端用的是變壓器輸出端口的+12 V 并分別接入78L12 的接地引腳GND和79L12的電壓輸入引腳Vin；硅整流橋的正、負(fù)輸出端口

14、那么分別接入78L12的電壓輸入端Vin和79L12 的接地端；濾波電容用了兩個(gè) 1000 uF 首尾相接，連接處接公共輸出接地端。 3輸出：該局部的核心器件為可調(diào)式三端集成直流穩(wěn)壓器LM317 和滿量程696 的電位器RW。通過添加一些元件可以構(gòu)成電壓從+3V+9 V 連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。并且解決了利用固定式穩(wěn)壓器和電位器進(jìn)行調(diào)壓而引起的精度下降問題。但是要保證其輸入電壓Ui 與輸出電壓Uo 之差小于等于40 V。 主要電路如圖6 所示：輸出電壓【1+Rw+R2/R1】V,R1取120，當(dāng)；Rw=0，R2=168 ，Uo=+3 V。當(dāng)RW 滿量程時(shí)，輸出Uo 為+9 V。其中C13300

15、F，C20.33 F用來抑制高頻干擾；C3用來提高穩(wěn)壓器紋波抑制比，減少輸出電壓中的紋波電壓；C4 用來克服LM317 在深度負(fù)反應(yīng)工作下可能產(chǎn)生的自激振蕩，還可進(jìn)一步減小輸出電壓中的紋波分量。D1 的作用是防止輸入端短路時(shí)，電容C4放電而損壞穩(wěn)壓器；D2 的作用是防止輸出端短路時(shí)C3放電而損壞穩(wěn)壓器。 元器件選擇和電路參數(shù)計(jì)算說明 變壓器的選擇 確定副邊電壓U2: 根據(jù)性能指標(biāo)要求：Uomin=3V Uomax=12V 又 Ui-Uomax(Ui-Uo)min Ui-Uoin(Ui-Uo)max 其中：Ui-Uomin=3V，(Ui-Uo)max=40V 16VUi43V 此范圍中可任選：U

16、i=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I2 Io1=Io 又副邊電流I2=(1.52)Io1 取Io=Iomax=200mA 那么*0.2A=0.3A 選擇變壓器的功率 變壓器的輸出功率：二選擇整流電路中的二極管 變壓器的副邊電壓U2=16V 橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為：16 橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為：0.3 查手冊(cè)選整流二極管IN4001，其參數(shù)為： 反向擊穿電壓UBR=50V16V,最大整流電流IF=1A0.3A 濾波電路中濾波電容的選擇 濾波電容的大小可用式C= Ui/( t*I) 求得： 求 Ui

17、: 根據(jù)穩(wěn)壓電路的的穩(wěn)壓系數(shù)的定義： 設(shè)計(jì)要求 Uo5mV ，SV0.005, Uo=-12V+12V, Ui=16V 代入上式，那么可求得 Ui= Uo/(Uo*Sv); 濾波電容C 設(shè)定 那么可求得C。 注意： 因?yàn)榇笕萘侩娊怆娙萦幸欢ǖ睦@制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常 并入瓷介質(zhì)小容量電容用來抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾。 2.6、電路仿真 測(cè)試要求 測(cè)試并記錄電路中各環(huán)節(jié)的輸出波形。 測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓的調(diào)整范圍及最大輸出電流。測(cè)量輸出電阻Ro。 測(cè)量穩(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，那么可算

18、出穩(wěn)壓系數(shù)SV. 注意： 用調(diào)壓器使220V 交流改變10。即 Ui=44V 用毫伏表可測(cè)量輸出直流電壓中的交流紋波電壓大小，并用示波器觀察、記錄其波形。 分析測(cè)量結(jié)果，并討論提出改良意見。 測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果分析 電壓輸出波形和紋波變化見仿真圖 見附錄B 穩(wěn)定系數(shù)Sr 的理論值計(jì)算 電路的誤差分析與改良 綜合分析可以知道在測(cè)試電路的過程中可能帶來的誤差因素有: 測(cè)得輸出電流時(shí)接觸點(diǎn)之間的微小電阻造成的誤差; 電流表內(nèi)阻串入回路造成的誤差; 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; 可以通過以下的方法去改良此電路: 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