直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)制作題目直流穩(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:*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根本要求1穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化圍15%20%條件下：a輸出電壓可調(diào)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變化圍15%20%下，空載到滿載d負(fù)載調(diào)整率1%最低輸入電壓下，滿載e紋波電壓峰-峰值5mV最低輸入電壓下，滿載f效率40%輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載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

2、時(shí)，輸出電流為20mA時(shí)的相對(duì)變化率3DC-DC變換器 在輸入電壓為+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%輸入電壓變化圍+9V+12Vc負(fù)載調(diào)整率1%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)揮局部1擴(kuò)大功能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)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.三，穩(wěn)壓電源的研究背景本電源在市場(chǎng)上很

3、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)展實(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用到220V的交流電網(wǎng)。這就需要通過(guò)變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓電路來(lái)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

4、器的低壓交流電。整流器由二極管組成，用于濾去整流輸出電壓中的紋波。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(guò)旋轉(zhuǎn)接在調(diào)整腳的電位器，實(shí)現(xiàn)輸出電壓在1.25-20V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。圖1 lm317的電壓調(diào)整原理電路圖如圖1所示，通過(guò)調(diào)整可調(diào)電阻RV1的阻值，就可以調(diào)整輸出電壓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輸出電壓調(diào)節(jié)圍的制定經(jīng)小組協(xié)商確定其調(diào)節(jié)圍為1.25至20v。利用lm317集成穩(wěn)壓芯片為核心，通過(guò)變壓器之后整流濾波再穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的直流電。再用

5、數(shù)字顯示電壓表頭含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。輸出LM317穩(wěn)壓電路變壓器220AC輸入電壓表頭圖3 方案三系統(tǒng)框圖a1 LM317芯片的選擇理由Lm317是可調(diào)節(jié)三端正電穩(wěn)壓器，在輸出電壓的圍是1.25V-37V的時(shí)候能夠提供超過(guò)1.5A的電流，此穩(wěn)壓器非常容易使用，只要兩個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。此外，還使用部限流，熱關(guān)斷和平安工作區(qū)補(bǔ)償從而使之能防止燒斷保險(xiǎn)絲。Lm317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)輸出電壓具有可調(diào)的功能。此外，它還有眾多的優(yōu)點(diǎn)，例如，調(diào)壓圍寬，穩(wěn)壓性能好，噪聲低

6、，紋波抑制比高。它的主要性能參數(shù)如下：輸出電壓：1.25-37V DC；輸出電流：5mA-1.5A；保護(hù)電路：芯片部有過(guò)熱，過(guò)流，短路保護(hù)電路；最大輸入輸出電壓差：40V DC；最小輸入輸出電壓差：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)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?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中，常見(jiàn)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(kāi)關(guān)運(yùn)用

7、，當(dāng)正半周時(shí)，二極管V1、V3導(dǎo)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、V3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(guò)合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。橋式整流電路原理圖如圖6所示。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VRM和正向電流IF。由于濾波電容的容量愈大，二極管導(dǎo)通角愈小，通過(guò)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(guò)整流管的平均電流：式中Ii 為穩(wěn)壓器的輸入電流，IR1、IR2、Iadj 分別為流過(guò)R1、R2，以及調(diào)整端的電流，則：考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流

8、一般取平均電流的23 倍。二極管最大反向電壓：式中U2為電源變壓器次級(jí)電壓有效值，Ui為整流輸出電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓器LM317穩(wěn)定運(yùn)行，輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在515V圍，取Ui-U0=10V，得：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)的電容器在電源供應(yīng)的電壓升高時(shí)，能夠把局部能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，而當(dāng)電源電壓減低的時(shí)候，就能把能量釋放出來(lái)，是負(fù)載電壓比擬平滑穩(wěn)定，也就是電容也有平波的作用。電容濾波電路比擬簡(jiǎn)單，而且負(fù)載直流電壓比擬高，紋波也比擬少，

9、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。圖9 電容濾波電路經(jīng)過(guò)濾波，電路的電壓、電流波形如圖10所示。濾波電解電容C的選擇原則是：取其放電時(shí)間常數(shù)RLC大于充電周期的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(lái)說(shuō)，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RL為整流后的等效負(fù)載電阻，經(jīng)過(guò)考慮，本設(shè)計(jì)取C為2200uF。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)，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

10、極管正向壓降和變壓器阻，電容充電時(shí)間常數(shù)近似為零，因此Uo=UcU2，在u2到達(dá)最大值時(shí)，Uc也到達(dá)最大值，然后U2下降，此時(shí)，UcU2，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，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)很重要的組成局部，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

11、供更加穩(wěn)定的直流帶能源?？紤]到整流濾波電路的輸出電壓和理想的直流電源還是有相當(dāng)?shù)木嚯x，主要是存在兩方面的問(wèn)題：第一方面，但負(fù)載電流變化的時(shí)候，因?yàn)檎鳛V波電路存在一定的阻，所以輸出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)，整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓有關(guān)，因此輸出直流電壓也相應(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(lái)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出端之間。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-射壓降使輸出電壓根本保持不變。放大短路將基準(zhǔn)電壓與從輸出端得到的采樣電壓進(jìn)展比擬，然后再放大并送到調(diào)整管的基極。

12、放大倍數(shù)越大，則穩(wěn)定性能越好。由于三端集成穩(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)壓電路的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓成正比，因此，基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路的輸出電壓的穩(wěn)定性。采樣電路由兩個(gè)分壓電阻組成，它將輸出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(kāi)，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(guò)熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)的作用。穩(wěn)壓局部的電路原理圖如圖11所示。 圖11 穩(wěn)壓電路原理圖穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算： QUOTE 僅僅從公式本身看，R3、R2的電

13、阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R3和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。1，2腳之間為1.25V電壓基準(zhǔn)。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，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)壓塊的輸出電壓變化圍是Vo1.25V37V高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化圍是Vo1.25V45V，所以R2/R3的比值圍只能是028.6。它的使用非常簡(jiǎn)單，僅需兩個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。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置有過(guò)載保護(hù)、平安區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。LM317屬于深度

14、負(fù)反應(yīng)的穩(wěn)壓電路，其功耗比擬大，所以有必要討論一下LM317穩(wěn)壓模塊的散熱問(wèn)題。穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫TJM,當(dāng)TTJM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。假設(shè)令R1表示從結(jié)到器件外殼的熱阻，R2表示從器件外殼到散熱片外表的熱阻，RA表示從結(jié)到散熱片外表的熱阻，則RA=R1+R2。假設(shè)令Rd 表示散熱片到周圍空氣的熱阻，R表示加散熱片后結(jié)到空氣的總熱阻，則R=RA+Rd。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

15、關(guān)系式：所以器件的最大功耗必須滿足PDMPD。(b.4)過(guò)流保護(hù)電路的過(guò)流保護(hù)原理圖如圖12所示。 圖12 過(guò)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)壓器輸出端輸出正向直流電壓，電機(jī)開(kāi)場(chǎng)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(guò)小電阻R6，并經(jīng)R5對(duì)C4充電。通過(guò)設(shè)定R6、C4的值，使充電時(shí)間大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，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C4兩端電壓到達(dá)Q1的導(dǎo)通電壓，則Q1導(dǎo)通，強(qiáng)制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25V。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間大于啟動(dòng)時(shí)間，Q1不導(dǎo)

16、通，電機(jī)才能正常啟動(dòng)。由于啟動(dòng)電流很大，一般是額定電流的47倍，可看成不變，設(shè)為I=5I0。根據(jù)圖15，可得以下公式：由于R4 QUOTE R5，所以iR5 QUOTE iR5因此i約等于iR5。此時(shí)為一階零狀態(tài)輸入響應(yīng)，求解得：假設(shè)電容C4的電壓到達(dá)0.7V為充電時(shí)間 QUOTE ，得：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(kāi)場(chǎng)充電。考慮一定的設(shè)計(jì)余量，取保護(hù)電流設(shè)定值IGIS，式(1)同樣成立此為一階全響應(yīng)方程，初始條件uc4 (0+)=I0iR5, 強(qiáng)制分量uc4 ()=IGR5, 求解得：假設(shè) QUOTE 增大到V2導(dǎo)通

17、電壓0.7的充電時(shí)間為 QUOTE ,則 QUOTE 必須小于允許短路時(shí)間t,即：要使保護(hù)起到作用，uc4 ()必須大于0.7V，即： 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(lái)進(jìn)展信號(hào)放大，把芯片38腳的振蕩信號(hào)串接一個(gè)20K56K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極電壓為2.4V2.8V為最好。這樣，在三極管的“C極有放大的交流信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)通過(guò)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)電壓供應(yīng)ICL7107的26腳使用。 表頭正負(fù)5v供電電路b.6穩(wěn)流電路本電路的穩(wěn)流模塊采