電力電子技術(shù)課設(shè)設(shè)計-直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計_第1頁
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課程設(shè)計名稱:電力電子技術(shù)題目:直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計專業(yè):班級:姓名:學(xué)號:課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)1)了解整流電路的工作原理。2)掌握電力電子器件電路的設(shè)計方法。3)通過課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和分析問題、解決問題的能力。4)通過設(shè)計使學(xué)生具有一定的計算能力、制圖能力以及查閱手冊、使用國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的能力和一定的文字表達能力。三、設(shè)計計劃1)復(fù)習(xí)課本,收集查閱資料,選定設(shè)計方案;2)主電路、保護電路選擇與計算;3)控制電路選擇與計算;四、設(shè)計要求用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計固定的正負(fù)直流電源(±12V);輸出可調(diào)直流電壓,范圍1.5~5V;輸出電流IOm≥1500mA;(要有電流擴展功能)穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤0.05;具有過流保護功能。指導(dǎo)教師:時間:

摘要電子設(shè)備中需要直流電源,它們可以采用干電池供電(例如大多數(shù)半導(dǎo)體收機)或其他直流能源供電(例如太陽能電池等)。但是相對地說,這些電源每“瓦時”所需的費用較高。因此,在有交流網(wǎng)的地方,一般采用將交流電變?yōu)橹绷麟姷姆€(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源是先把交流電變成脈動的交流電,再通過濾波電路、穩(wěn)壓電路,使輸出的直流電壓維持穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源一般包括以下幾部分:(1)電源變壓器將電網(wǎng)供給的交流電壓變換為符合整流電路需要的交流電壓;(2)整流電路將變壓器次級交流電壓變換為單向脈動的直流電壓;(3)濾波電路將脈動的直流電壓變換為平滑的直流電壓;(4)穩(wěn)壓電路使直流輸出電壓穩(wěn)定。關(guān)鍵字:直流電源;整流;變壓;濾波;穩(wěn)壓

目錄引言…………………1……………………22電源變壓器的設(shè)計……………32.1源變壓器的原理……………………32.2選擇電源變壓器…………………43單相橋式整流電路………53.1單相橋式整流電路原理……………53.2選擇整流二極管………64穩(wěn)壓電路的設(shè)計…………………74.1穩(wěn)壓電路的原理………74.2穩(wěn)壓電路參數(shù)的計算……………………85濾波電路設(shè)計………106總原理圖及元器件清單……………116.1總原理圖……………116.2元件清單…………127安裝與調(diào)試………148性能測試與分析………………158.112V直流穩(wěn)壓電源的性能測試…………………158.2可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的性能測試……158.3電流擴展直流穩(wěn)壓電源的性能測試………………168.4穩(wěn)壓系數(shù)的測試…………168.5產(chǎn)生誤差的原因…………179結(jié)論……………………1810本設(shè)計的體會…………19參考文獻……………………20直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計PAGEPAGE33引言當(dāng)今社會人們極大的享受著電子設(shè)備帶來的便利,但是任何電子設(shè)備都有一個共同的電路--電源電路。大到超級計算機、小到袖珍計算器,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。可以說電源電路是一切電子設(shè)備的基礎(chǔ),沒有電源電路就不會有如此種類繁多的電子設(shè)備。由于電子技術(shù)的特性,電子設(shè)備對電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負(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。1主回路設(shè)計~220V電網(wǎng)電壓~220V電網(wǎng)電壓U1電源變壓器U2整流電路U3濾波電路Ui穩(wěn)壓電路Uo負(fù)載RL圖1-1穩(wěn)壓電源的組成框圖圖1-2整流與穩(wěn)壓過程波形圖電網(wǎng)供電電壓交流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(即脈動大)。脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑,脈動小的直流電,即將交流成份濾掉,保留其直流成份。濾波后的直流電壓,再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓,便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出,供給負(fù)載RL。

電源變壓器的設(shè)計2.1電源變壓器的原理電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓,通常根據(jù)變壓器副邊輸出的功率來選購(或自繞)變壓器。變壓器副邊與原邊的功率比為(2-1)式中,為變壓器的效率。一般小型變壓器的效率如表2-1所示。圖2-1LM317引腳圖圖2-2TIP41C三極管的管腳圖圖2-3電源變壓器原理圖2.2選擇電源變壓器表2-1小型變壓器的效率功率<101030308080200效率0.85由LM317輸入電壓與輸出電壓的最小壓差(2-2)最大壓差為(2-3)可得到LM317的輸入電壓范圍為:(2-4)15V+3V1.5V+40V(2-5)18V41.5V(2-6)副邊電壓V,取=17V(2-7)副邊電流A,取=1A(2-8)通過電流擴展可達到1.5A則變壓器副邊輸出功率W(2-9)由表2-1可得到變壓器的效率=0.7原邊輸入功率W(2-10)為留有余地,選功率為50W的電源變壓器。單相橋式整流電路3.1單相橋式整流電路原理單相橋式整流電路使用的整流器件較多,其實現(xiàn)了全波整流電路,它將的負(fù)半周也利用起來,所以在變壓器副邊電壓有效值相同的情況下,輸出電壓的平均值是半波整流電路的兩倍,且如果負(fù)載也相同的情況下,輸出電流的平均值也是半波整流電路的兩倍,且其與半波整流電路相比,在相同的變壓器副邊電壓下,對二極管的參數(shù)要求一樣,還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動小等優(yōu)點。整流電路采用單相橋式整流電路,電路如圖3-1所示。圖3-1單相橋式整流電路當(dāng)u2>0時,電流由+流出,經(jīng)VD1、RL、VD2流入-,即VD1、VD2導(dǎo)通,VD3、VD4截止;當(dāng)u2<0時,電流由-流出,經(jīng)VD3、RL、VD4流入+,即VD3、VD4導(dǎo)通,VD1、VD2截止。電路的輸出波形如圖3-2所示。圖3-2單相橋式整流電路輸出波形3.2選擇整流二極管(1)在12V直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計中整流二極管D選1N4007即可,其極限參數(shù)為V,=1A,滿足。(2)在可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源電路及電流擴展直流穩(wěn)壓電源電路中整流二極管D選1N4007,其極限參數(shù)為V,=1A。滿足,=的條件。

4穩(wěn)壓電路的設(shè)計4.1穩(wěn)壓電路的原理在橋式整流電路中,每個二極管都只在半個周期內(nèi)導(dǎo)電,所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半,即(4-1)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)。在設(shè)計中,常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點,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:=(1.1~1.2)(4-2)直流輸出電流:(4-3)(I2是變壓器副邊電流的有效值)穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路。12V直流穩(wěn)壓電源電路總體原理電路圖如圖4-1所示,可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源電路總體原理電路圖如圖4-2所示,電流擴展直流穩(wěn)壓電源電路總體原理電路圖如圖4-3所示:圖4-112V直流穩(wěn)壓電源圖4-2可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源圖4-3電流可擴展直流穩(wěn)壓電源電路4.2穩(wěn)壓電路參數(shù)的計算(1)在12V直流穩(wěn)壓電源電路實驗中的穩(wěn)壓電路,采用固定式三端穩(wěn)壓器,主要使用了集成塊78系列及79系列。78××系列輸出為正電壓,輸出電流可達1A,如7812的輸出電流為5mA~1A,它的輸出電壓為12V。和78××系列對應(yīng)的有79××系列,它輸出為負(fù)電壓,如7912表示輸出電壓為–12V和輸出電流為5mA~1A。故稱之為三端式穩(wěn)壓器。這類集成穩(wěn)壓器的外形圖及典型應(yīng)用電路圖如圖4-4所示。(2)在可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源電路因為要求輸出電壓可調(diào),所以選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器LM317,其特性參數(shù)(4-4)(4-5)最小輸入、輸出壓差(4-6)最大輸入、輸出壓差(4-7)能滿足設(shè)計要求,故選用LM317組成的穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護電路,具有安全可靠,性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點。其電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構(gòu)成的可調(diào)電壓穩(wěn)壓電源。電路系列的引腳功能相同,管腳圖如圖2-1和典型電路如圖2-3所示.。與組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路,輸出電壓(4-8)式中,1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間的固有參考電壓,此電壓加于給定電阻兩端,將產(chǎn)生一個恒定電流通過輸出電壓調(diào)節(jié)電位器,電阻常取值120~240,取=240,則=48,=2.64k,圖4-4三端穩(wěn)壓器7812、7912管腳圖及典型應(yīng)用電路圖故取為5k的精密線繞可調(diào)電位器,與其并聯(lián)的電容器C可進一步減小輸出電壓的紋波。圖中加入了二極管VD,用于防止輸出端短路時10μF大電容放電倒灌入三端穩(wěn)壓器而被損壞。(3)、在電流擴展中用大功率三極管TIP41C和LM7812穩(wěn)壓器,TIP41C三極管的管腳如圖2-2所示,其為NPN管,主要參數(shù)為:最大工作電壓100V,最大工作電流6A,最大耗散率65W。設(shè)三端穩(wěn)壓器的最大輸出電流為,則晶體管的最大基極電流(4-9)因而負(fù)載電流的最大值,故其負(fù)載采用大功率的電阻,取=3.9,為10W的電阻。圖中二極管用于消除對輸出電壓的影響。

5濾波電路設(shè)計(1)在12V直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計中,濾波電容容量較大,一般采用電解電容器,選用3300/50V即可。電容濾波電路利用電容的充放電作用,使輸出電壓趨于平滑。(2)在可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源電路及電流擴展直流穩(wěn)壓電源電路中,濾波電容C可由紋波電壓和穩(wěn)壓系數(shù)來確定,濾波電路的電路圖如圖5-1(a)所示,其輸出電壓波形如圖5-1(b)、(c)所示,將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸R阎?15V,=18V,取=9mv,=0.005<0.05,符合要求,則穩(wěn)壓器的輸入電壓的變化量(5-1)濾波電容(5-2)電容的耐壓應(yīng)大于V。故取2只3300V的電容相并聯(lián)。圖5-1濾波電路及其輸出波形6總原理圖及元器件清單6.1總原理圖12V直流穩(wěn)壓電源總原理圖如圖6-1所示,可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源總原理圖如圖6-2所示,電流擴展直流穩(wěn)壓電源電路總原理圖如圖6-3所示:圖6-112V直流穩(wěn)壓電源總原理圖圖6-2可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源總原理圖圖6-3電流可擴展直流穩(wěn)壓電源電路6.1元件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注(單價)U1保險管1A10.2T1變壓器15V15.0D1、D2、D3、D4、D5、D6二極管1N4007V,1A90.1D6二極管1N414875V,25nA10.1Q1三極管TIP41C100V,6A,65W13.0LED1、LED2發(fā)光二極管3紫0.5、綠0.5、紅0.1C1、C2電解電容3300/50V21.5C3、C4電解電容0.22/50V20.2C5、C6電解電容0.47/50V20.2C7、C8電解電容220/50V20.4C3、C4電解電容10/50V20.2C4電解電容1/50V10.2U3三端穩(wěn)壓器LM7912-12V11.0U2三端穩(wěn)壓器LM7812+12V21.0U2三端穩(wěn)壓器LM3171.25~37V11.0R1、R2、R4電阻1K30.1R1大功率水泥電阻10W,3.910.5R2電阻12040.1R5單聯(lián)電位器5K10.8說明:以上各幅圖中的240的電阻R2因市場中沒有,用的是各兩個120的電阻串聯(lián);以上電路中因市場沒有2.64K的電位器,所以只能用最接近的5K電位器代替,所以硬件安裝時用的是5K電位器。7安裝與調(diào)試因以上各電路非常相似,很接近,只是在小范圍有點點差別,所以在安裝和調(diào)試時是類似的,安裝調(diào)試如下:1.首先在變壓器的原邊接入保險絲FU,以防電路短路損壞變壓器或其他元器件,其額定電流要略大于I,選FU的熔斷電流為1A,各元器件按理論電路圖正確焊接,注意布局緊密,不出現(xiàn)虛焊或漏焊。2.先選好適當(dāng)大小的電路板,再合理布局。3.安裝時先安裝較小的元器件,先安裝集成穩(wěn)壓電路,再安裝整流電路,最后安裝濾波電路,有三極管時因三極管對溫度很敏感,所以要最后安裝,但在安裝的過程中要特別注意電容、二極管和三極管TIP41C的極性,并且要注意LM7812、LM7912和LM317管腳的接法。注意安裝要一級測試一級,檢查電路安裝無誤后,再連接安裝變壓器。4.接通電源后,靜置一會待電路穩(wěn)定后沒出現(xiàn)任何故障(如芯片被燒等)再進行測量,若出現(xiàn)類似狀況應(yīng)立即斷開直流電源,檢查問題所在并及時排除故障再進行測量。用萬用表分別測量變壓器原、副邊線圈的輸出電壓,濾波后的輸出電壓,7812,7912的輸入和輸出電壓。對于穩(wěn)壓電路則主要測試集成穩(wěn)壓器是否能正常工作。其輸入端加直流電壓V≤18V,調(diào)節(jié)RP,輸出電壓V隨之變化,說明穩(wěn)壓電路正常工作。整流濾波電路主要是檢查整流二極管是否接反,安裝前用萬用表測量其正、反向電阻。接入電源變壓器,整流輸出電壓V應(yīng)為正。斷開交流電源,將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路相連接,再接通電源,輸出電壓V為規(guī)定值,說明各級電路均正常工作,可以進行各項性能指標(biāo)的測試。8性能測試與分析8.112V直流穩(wěn)壓電源的性能測試依次用萬用表的250V的交流檔測量變壓器的原邊電壓,25V的交流檔測量變壓器的副邊電壓,25V直流檔測量濾波后的輸出電壓、穩(wěn)壓器的輸入電壓和電路的最后輸出電壓,并記錄測試結(jié)果如下表8-1:表8-1變壓器原邊電壓變壓器副邊電壓濾波后的輸出電壓穩(wěn)壓器的輸入電壓輸出電壓220V50HZ+15V-15V+18.1V-18.1V+18.1V-18.1V+12.05V-11.95V相對誤差計算:其中變壓器的副邊電壓的理論值為15V,濾波后的輸出電壓的理論值為=1.2=1.2*15V=18V(8-1)=1.2=1.2*(-15)V=-18V(8-2)輸出電壓的理論值為=+12V,=-12V,則有:變壓器副邊電壓的相對誤差:=(15-15)15*100%=0%(8-3)=(15-15)15*100%=0%(8-4)濾波后的輸出電壓的相對誤差:=|18-18.1|18.1*100%=0.55%(8-5)=(-18+18.1)18.1*100%=0.55%(8-6)輸出電壓的相對誤差:=|12-12.05|12.05*100%=0.41%(8-7)=|-12+11.95|11.95*100%=0.42%(8-8)8.2可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的性能測試按圖8-1電路的連接方法進行穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)測試,輸出端接負(fù)載電阻,連接好測試電路圖檢查無誤后通電,輸入端接220V的交流電壓,先將萬用表打到25V電壓的直流檔,然后接上萬用表對輸出電壓進行測量,由小到大慢慢地調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中的5K電位器,觀察萬用表的讀數(shù),并記錄測試的結(jié)果為輸出電壓可調(diào)范圍為:1.5V15V,記錄完數(shù)據(jù)后迅速調(diào)節(jié)電位器使輸出端電壓減小,再斷電。相對誤差計算:理論輸出最小電壓為1.5V,輸出最大電壓為15V=(1.5-1.5)1.5*100%=0%(8-9)=(15-15)15*100%=0%(8-10)圖8-1穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)測試電路8.3電流擴展直流穩(wěn)壓電源的性能測試先將萬用表打到5A直流檔,再接通電源,直接將用萬用表串聯(lián)到電路中大功率的電阻的輸出端,然后讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù)后斷電,輸出電流為=1.6A,理論輸出電流為=1.5A(8-11)8.4穩(wěn)壓系數(shù)的測試在本實驗中由于沒有自藕變壓器,不能調(diào)節(jié)輸入交流電的電壓,從而無法測試穩(wěn)壓系數(shù)但穩(wěn)壓系數(shù)的測試方法為:用圖18測試,先調(diào)節(jié)自藕變壓器使輸入電壓增加10%,即=242V,測量此時對應(yīng)的輸出電壓;再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓減少10%,即=198,測量這時的輸出電壓,再測=220V時對應(yīng)的輸出電壓,則穩(wěn)壓系數(shù)為(8-12)8.5產(chǎn)生誤差的原因:綜上數(shù)據(jù)計算與處理和誤差計算分析,本實驗在誤差允許的范圍內(nèi),符合實驗設(shè)計要求,但畢竟存在小小的誤差,主要原因有:(1)實驗測量儀器萬用表本身存在缺陷,不精確,可采用更高精確度的儀器去測量;(2)實驗器材受環(huán)境溫度的影響。如二極管和三極管對溫度比較敏感,易受溫度的影響,使得測量數(shù)據(jù)有所偏差;(3)焊接不緊或者虛焊會使得輸出數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或者說萬用表的指針不易穩(wěn)定,偏轉(zhuǎn)較明顯,從而導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn);(4)各導(dǎo)線接觸不是很好也會導(dǎo)致實驗誤差。(5)測輸出電流時接觸點之間的微小電阻造成的誤差;

9結(jié)論主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路、壓電路等四部分組成的直流穩(wěn)壓電源電路,通過由電網(wǎng)提供的交流220V(有效值)50Hz,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(即脈動大)。脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑,脈動小的直流電,即將交流成份濾掉,保留其直流成份。濾波后的直流電壓,再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓,便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出,供給負(fù)載RL。

10本設(shè)計體會在花費了大量的努力之后,課程設(shè)計終于完成了。實說實話,本次課程設(shè)計比較難做。由于只是學(xué)習(xí)課本上的知識,所以我們的軟肋在做課程設(shè)計時暴露出來——缺乏實踐。由于缺乏實踐,在選擇各種元器件時,兩眼一抹黑,無從下手所以我只能通過大量查詢書籍與網(wǎng)絡(luò)來盡量彌補。但值得慶幸的是,在經(jīng)過不懈努力下,課程設(shè)計完成了,也許我設(shè)計的電路不能符合要求,甚至有許多漏洞,但我已經(jīng)盡力了。又由于在理論基礎(chǔ)知識掌握得不牢固,在設(shè)計中難免會出現(xiàn)這樣那樣的問題,如:在選擇計算標(biāo)準(zhǔn)件的時候可能會出現(xiàn)誤差,如果是聯(lián)系緊密或者循序漸進的計算誤差會更大;這些都暴露出了前期我在這些方面知識的欠缺和經(jīng)驗的不足。在設(shè)計和實驗過程中遇到了很多問題是我很難解決的,其他同學(xué)的幫助建議下,我得到了信心,使我能夠解決它,對于我來說,收獲最大的是方法和能力——那些分析和解決問題的能力,同時也鞏固了我對理論知識的掌握。

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