12V直流電源穩(wěn)壓分析研究

內(nèi)容摘要直流穩(wěn)壓電源是能夠保證在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出穩(wěn)定的電壓的常用的電子設(shè)備[1]。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當(dāng)交流供電電源的電壓或負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會(huì)保持穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。本設(shè)計(jì)采用三端集成穩(wěn)壓器，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，并實(shí)現(xiàn)12V電壓穩(wěn)定輸出。關(guān)鍵詞：12V，直流電源，穩(wěn)壓目錄內(nèi)容摘要 I引言 3第1章直流穩(wěn)壓電源 42硬件電路 52.1設(shè)計(jì)要求 52.2電路設(shè)計(jì) 52.1電源變壓器 5第3章開(kāi)發(fā)環(huán)境 11第4章總結(jié) 12參考文獻(xiàn) 13引言當(dāng)今社會(huì)人們極大的享受著電子設(shè)備帶來(lái)的便利，但是任何電子設(shè)備都有一個(gè)共同的電路--電源電路。大到超級(jí)計(jì)算機(jī)、小到袖珍計(jì)算器，所有的電子設(shè)備都必須在電源電路的支持下才能正常工作。當(dāng)然這些電源電路的樣式、復(fù)雜程度千差萬(wàn)別。超級(jí)計(jì)算機(jī)的電源電路本身就是一套復(fù)雜的電源系統(tǒng)。通過(guò)這套電源系統(tǒng)，超級(jí)計(jì)算機(jī)各部分都能夠得到持續(xù)穩(wěn)定、符合各種復(fù)雜規(guī)范的電源供應(yīng)。袖珍計(jì)算器則是簡(jiǎn)單多的電池電源電路。由于電子技術(shù)的特性，電子設(shè)備對(duì)電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿(mǎn)足負(fù)載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地位。穩(wěn)壓電源的分類(lèi)方法繁多，按輸出電源的類(lèi)型分有直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源；按穩(wěn)壓電路與負(fù)載直流穩(wěn)壓電源的連接方式分有串聯(lián)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)穩(wěn)壓電源；按調(diào)整管的工作狀態(tài)分有線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；按電路類(lèi)型分有簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電源和反饋型穩(wěn)壓電源等等[1]。根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)，我們常把直流穩(wěn)壓電源分成兩類(lèi)：線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較??；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低(現(xiàn)在經(jīng)常看的LDO就是為了解決效率問(wèn)題而出現(xiàn)的)；發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。線性電源產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于科研、大專(zhuān)院校、實(shí)驗(yàn)室、工礦企業(yè)、電解、電鍍、充電設(shè)備等。開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程相當(dāng)容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線形電源不同的是，PWM開(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱等領(lǐng)域

第1章直流穩(wěn)壓電源直流穩(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[2]，如圖1所示。圖1直流穩(wěn)壓電源框圖其中：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，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。②整流電路：整流電路將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。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。各濾波電容C滿(mǎn)足RC＝（3~5）T/2，或中T為輸入交流信號(hào)周期，RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。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。常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。第2章硬件電路2.1設(shè)計(jì)要求直流穩(wěn)壓電源的基本功能和要求如下：(1)輸出電壓值能夠在額定輸出電壓值以下任意設(shè)定和正常工作。(2)輸出電流的穩(wěn)流值能在額定輸出電流值以下任意設(shè)定和正常工作。(3)直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓與穩(wěn)流狀態(tài)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換并有相應(yīng)的狀態(tài)指示。(4)對(duì)于輸出的電壓值和電流值要求精確的顯示和識(shí)別。(5)對(duì)于輸出電壓之和電流值有精準(zhǔn)要求的直流穩(wěn)壓電源，一般要用多圈電位器和電壓電流微調(diào)電位器，或者直接數(shù)字輸入。(6)要有完善的保護(hù)電路。直流穩(wěn)壓電源在輸出端發(fā)生短路及異常工作狀態(tài)時(shí)不應(yīng)損壞，在異常情況消除后能立即正常工作。本設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)：①輸入電壓交流220v，輸出直流電壓Uo=12v②輸出電流Io=1A2.2電路設(shè)計(jì)2.1電源變壓器在電容濾波的整流電路中，變壓器次級(jí)線圈除供給負(fù)載電流外，還要向電容充電。由于充電時(shí)的電流瞬時(shí)值很大，因此通過(guò)變壓器次級(jí)線圈的電流平均值雖然等于I=，但通過(guò)變壓器次級(jí)線圈的有效值I2要比I=大，I2和I=的關(guān)系決定于電流脈沖波型的形狀，波型愈小，有效值愈大。一般?。河捎谝话氵@種整流電路后面都要用穩(wěn)壓電路，因此以上估算已能解決實(shí)際問(wèn)題，而沒(méi)有必要再作繁瑣的精確計(jì)算。2.2.1整流電路整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過(guò)程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過(guò)整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習(xí)慣上稱(chēng)單向脈動(dòng)性直流電壓。采用二極管單相全波整流電路如圖2所示。圖2單相全波整流電路在u2的正半周內(nèi)，二極管VD1、VD3導(dǎo)通，VD2、VD4截止；u2的負(fù)半周內(nèi)，VD2、VD4導(dǎo)通，VD1、VD3截止。正負(fù)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。電路的輸出波形如圖3所示。圖3整流電路輸出波形流過(guò)每個(gè)二極管的直流電流有載時(shí)的直流輸出電壓：故變壓器次級(jí)線圈電壓的有效值：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的平均值的一半，即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)?？筛鶕?jù)ID和值選二極管?？蛇x用整流二極管IN4004（標(biāo)準(zhǔn)整流電流為1A，最大反向工作電壓為400V）。2.2.2濾波電路濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波。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，直流輸出電壓：Uo1=(1.1～1.2)U2直流輸出電流：I2是變壓器副邊電流的有效值。RLC(RL為負(fù)載阻值)越大，電容器放電越慢，輸出電壓平均值越大。一般可選放電時(shí)間常數(shù)RLC大于C的充電周期(3~5)倍[3].對(duì)橋式整流來(lái)說(shuō),C的充電周期等于交流電網(wǎng)周期的一半，即，設(shè)計(jì)選取式中，為流電周期，RL為負(fù)載電阻，取所以電容耐壓=1.414*10=14.14V2.2.3穩(wěn)壓電路前面所討論的整流濾波電路，都是不能保證輸出穩(wěn)定的直流電壓。輸出電壓不穩(wěn)定的主要原因有以下幾個(gè)方面：經(jīng)整流濾波后輸出的直流電壓，雖然平滑程度較好，但其穩(wěn)定性仍比較差。其原因主要有以下幾個(gè)方面：1、由于輸入電壓不穩(wěn)定（通常交流電網(wǎng)允許有±10％的波動(dòng)），而導(dǎo)致整流濾波電路輸出直流電壓不穩(wěn)定；2、由于整流濾波電路存在內(nèi)阻，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，引起負(fù)載電流發(fā)生變化，使輸出直流電壓發(fā)生變化；3、由于電子元件（特別是導(dǎo)體器件）的參數(shù)與溫度有關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，引起電路元件參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生變化；4、整流濾波后得到的直流電壓中仍然會(huì)有少量紋波成份，不能直接供給那些對(duì)電源質(zhì)量要求較高的電路。所以，為了得到輸出穩(wěn)定的直流電壓，經(jīng)整流濾波后的直流電壓必須采取一定的穩(wěn)壓措施才能適合電子設(shè)備的需要。本設(shè)計(jì)選用固定式三端穩(wěn)壓器。W78xx/W79xx。其中，78系列輸出正電壓，79系列輸出負(fù)電壓，xx代表所能穩(wěn)定輸出的電壓值。它們有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用非常的廣泛。每種類(lèi)型由于內(nèi)部電流的限制，以及過(guò)熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本上不會(huì)損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，它們就能夠提供大于1.5A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來(lái)設(shè)定的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷?，就能獲得各種不同的電壓和電流。文中選用W7812三端正電源\o"穩(wěn)壓電路"穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定+12v電壓；選用W7912三端負(fù)電源\o"穩(wěn)壓電路"穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定的-12v電壓。具有如下特點(diǎn)：（1）短路電流230mA,峰值電流2.2A，但是當(dāng)輸出電流超過(guò)1.5A時(shí)，就需要提供足夠的散熱片；（2）輸入電壓極限值35v，輸出電壓典型值為12V，最大值12.6V；（3）熱過(guò)載保護(hù)；（4）短路保護(hù)；（5）輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)；78xx/79xx系列在降壓電路中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1）輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞；（2）輸出電流不能太大，1.5A是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會(huì)導(dǎo)致高溫保護(hù)或熱擊穿；（3）輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。其封裝電路如圖4所示。圖4W7812/W7912引腳圖其中，對(duì)于W7812：1端為輸入端，2端為公共端，3端為輸出端。對(duì)于W7912：1端為公共端，2端為輸入端，3端為輸出端。輸出+12V和-12V電壓的穩(wěn)壓電路圖如圖5所示。圖5穩(wěn)壓器電路其中，正常時(shí)，輸入與輸出之間的電壓不得低于2v。Ci、Co用于實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激和抑制電路引入的高頻干擾。2.2.4直流穩(wěn)壓電路整體圖直流穩(wěn)壓電路圖如圖6所示。圖6直流穩(wěn)壓電路圖電壓觀察電路如圖7所示。圖7電壓測(cè)量電路通過(guò)電壓測(cè)量接口來(lái)測(cè)量穩(wěn)壓電路輸出電壓值。第3章開(kāi)發(fā)環(huán)境PROTEL系列軟件是澳大利亞Altium公司（原名Protel公司）的產(chǎn)品，早期版本用于設(shè)計(jì)PCB,后來(lái)增加了繪制電路原理圖的功能，再后來(lái)又增加了電路仿真功能和可編程器功能[4]。PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當(dāng)之無(wú)愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計(jì)者的首選軟件，它較早就在國(guó)內(nèi)開(kāi)始使用，在國(guó)內(nèi)的普及率也最高，有些高校的電子專(zhuān)業(yè)還專(zhuān)門(mén)開(kāi)設(shè)了課程來(lái)學(xué)習(xí)它，幾乎所有的電子公司都要用到它，許多大公司在招聘電子設(shè)計(jì)人才時(shí)在其條件欄上常會(huì)寫(xiě)著要求會(huì)使用PROTEL。Protel99SE軟件沿襲了Protel以前版本方便易學(xué)的特點(diǎn)，內(nèi)部界面與Protel98大體相同，新增加了一些功能模塊。采用全新的管理方式，即數(shù)據(jù)庫(kù)的管理方式。Protel99SE是在桌面環(huán)境下第一個(gè)以獨(dú)特的設(shè)計(jì)管理和團(tuán)隊(duì)合作技術(shù)為核心的全方位的印制板設(shè)計(jì)系統(tǒng)。所有Protel99SE設(shè)計(jì)文件都被存儲(chǔ)在唯一的綜合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并顯示在唯一的綜合設(shè)計(jì)編輯窗口。Protel99SE的界面如圖9所示。圖9Protel99SE界面第4章總結(jié)通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì),我用自己所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)合同學(xué)意見(jiàn)完成了實(shí)物，并且達(dá)到滿(mǎn)意的效果。更深入的了解了模擬電路、數(shù)字電路、Protel99SE等課程學(xué)到的知識(shí)，進(jìn)一步了解了PCB板的制作，更能熟練的應(yīng)用Protel99SE軟件彌補(bǔ)很多以前沒(méi)注意到的地方，通過(guò)本次學(xué)習(xí)收獲不少；進(jìn)一步提高了硬件軟件結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力。在指導(dǎo)老師們的辛勤指導(dǎo)下,在同學(xué)的幫助下,通過(guò)近一段時(shí)間的努力,終于將直流穩(wěn)壓電源制作完成了。讓我感覺(jué)到所學(xué)的知識(shí)能得到很好的