標題: 直流穩壓電源的設計報告 [打印本頁]
作者: yangjisheng 時間: 2018-7-1 00:09
標題: 直流穩壓電源的設計報告
蘭州交通大學博文學院
電子技術課程設計
設計題目：直流穩壓電源的設計
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| 在輸入交流電壓220V，50Hz的交流電壓變換范圍±10%條件下設計一個交流變換為直流的穩壓電源： 1.輸出電壓：VL=12V±2V 2.最大輸出電流：IL MAX=500mA 3.穩壓系數：SV=0.05 4.電源內阻：ro≤0.1Ω 5.輸出紋波電壓：Vop-p≤20mV 利用串聯于電路中的調整管Q1進行動態分壓而使負載得到穩定電壓的電路。 串聯型穩壓電源的工作原理，是在輸入電壓存在波動時，輸出電壓保持恒定的裝置，利用穩壓二極管兩端電壓不變的原理，使輸出電壓保持不變，并用多級三極管組成達令頓復合電路，組成放大器提高穩壓精度。 |
目 錄
一、設計方案 1
1.1設計目的 1
1.2方案選擇 1
1.3設計主要性能指標 3
二、單元電路原理 3
2.1設計方案原理框圖 3
2.2直流穩壓電源的參數設計 4
2.3部分電路設計計算 4
三、單元電路的設計 6
3.1電源變壓器 6
3.2整流濾波電路 7
3.3穩壓電路 9
3.4集成穩壓器的選擇計算 9
3.5選擇電源變壓器 10
3.6整流二極管及濾波電容的選擇 10
四、元器件明細表 11
五、總結 12
六、參考文獻 12
一、設計方案
1.1設計目的
穩壓管穩壓電路輸出電流較小，輸出電壓不可調，不能滿足很多場合下的應用。串聯型穩壓電路以穩壓管穩壓電路為基礎，利用晶體管的電流放大作用，增大負載電流；在電路中引用深度電壓負反饋使輸出電壓穩定；并且，通過改變反饋網絡參數使輸出電壓可調。
通過了解相關分立式元器件的基本結構、工作原理、特性和參數以及由它們構成的串聯型直流穩壓電源的工作原理、原理圖的設計和參數的計算、元器件的選用、計算機軟件實現硬件的仿真、PCB板的設計、電路的安裝和調試，最后完成達到技術指標要求的標準產品串聯穩壓電源，即利用串聯于電路中的調整管Q1進行動態分壓而使負載得到穩定電壓的電路。
1.2方案選擇
方案1：采用7805構成直流電源
采用7805構成直流電源的電路如圖1所示，改變RP阻值使7805的公共端的電壓在0～10V之間可調，則7805的輸出端電壓就可實現-5～+5V之間可調了。這種方案是利用了7805的輸出端與公共端的電壓固定為+5的特性來設計的。
優點：簡單快捷，精確度高
缺點：存在不好數控的問題
圖1 7805構成的直流電源電路圖
方案2：可調式三端穩壓電源設計
三端穩壓電源構成直流可調原理框圖如圖2所示。該方案需使用三端穩壓芯片CW317作為穩壓電路可調部分，其輸出電壓調整范圍寬。
優點：該方案結構簡單，使用方便，干擾和噪音小。
缺點：數字電位器誤差較大，控制精度不夠高。
圖2 三端可調式穩壓器電路原理圖
方案3：晶體管串聯式直流穩壓電路
晶體管串聯式直流穩壓電路。電路框圖如圖3所示，該電路中，輸出電壓UO經取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對調整管的工作狀態進行調整，從而使輸出電壓發生變化，該變化與由于供電電壓UI發生變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓UO為恒定值(穩壓值)。
圖3 晶體管串聯式直流穩壓電路框圖
優點：單純的電路很簡單，易于連接。
缺點：增加輔助電源后電路結構復雜，多采用分立式原件，電路可靠性低。
直流穩壓電源是電子設備能量的提供者，對直流電源要求是：輸出電壓的幅值穩定，平滑，變換頻率高，負載能力強，溫度穩定性好。綜合以上三種方案，得出結論，第2種方案最可行。總體設計應該簡單耐用。
1.3設計主要性能指標
在輸入電壓為220V，50Hz，電壓變化范圍±10%的條件下：
1. 輸出電壓：VL=12V±2V
2. 最大輸出電流：ILmax=500mA
3. 穩壓系數：Sv≤0.05
4. 電源內阻:ro≤0.1Ω
5. 輸出紋波電壓：Vop-p≤20mV
二、單元電路原理
2.1設計方案原理框圖
交流電網220V的電壓通過電源變壓器將變為需要的電壓值，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。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。但這樣的電壓還是會隨電網電壓波動、負載和溫度等的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還須接穩壓電路，保證輸出的直流電壓穩定。
圖4 直流穩壓電源基本原理框圖
2.2直流穩壓電源的參數設計
穩壓電源的設計，是根據穩壓電源的輸出電壓U0、輸出電流I0、輸出紋波電壓Vop-p等性能指標要求，正確地確定出變壓器、集成穩壓器、整流橋和濾波電路中所用元器件的性能參數，從而合理的選擇這些器件。
直流穩壓電源的參數設計可以分為以下三個步驟：
根據穩壓電源的輸出電壓Uo、最大輸出電流Ilmax，確定穩壓器的型號及電路形式。
根據穩壓器的輸入電壓U1，確定電源變壓器副邊電壓U2的有效值u2；根據穩壓電源的最大輸出電流I0max，確定流過電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓器副邊的功率P2；根據P2，從表1查出變壓器的效率η，從而確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據所確定的參數，選擇電源變壓器。
確定整流橋的正向平均電流ID、整流橋的最大反向電壓RMU和濾波電容的電容值和耐壓值。根據確定的參數選擇整流橋和濾波電容。
2.3部分電路設計計算
⑴選擇分立元件復合管，確定電路形式在此方案中主要選擇兩種類型三極管
1、對于VT1管集電極一發射極反射擊穿電壓UBR(CEO)1應為
UBR(CEO)1>UC1max=23.76V
集電極最大電流
ICM1>(1+20%)800mA=960mA
集電極耗散功率
PCM1>（23.76-3)V800mA=16.6W
對于VT2管UBR(CEO)2應當也有
UBR(CEO)1>UC1max=23.76V
集電極最大電流
ICM2>==13.3mA
VT2集電極耗散功率
PCM1>（23.76-3)V13.3mA=0.28W
⑵選擇電源變壓器
電源變壓器有很多種：有降壓的、有升壓的，在這次的設計中我們用的是降壓變壓器，它的作用是將來自電網的220V交流電壓U1變為整流電路所需要的交流電壓U2。η=，其中：P2是變壓器副邊的功率，P1是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1所示：
表1 小型變壓器的效率
因此，當算出了副邊功率2P后，就可以根據上表算出原邊功率P輸入電壓Vi的范圍為VI max+(Vi-V0)minViV0 min+(Vi-V0)max,Vi max為最大輸出電壓，V0 min為最小輸出電壓，(Vi-V0)min為穩壓器最小輸入、輸出差，(Vi-V0)max為穩壓管最大輸入、輸出差，故Vi12+3=15V,考慮電網電壓10%的波動，最終取Vi=16.7V,由10V2==15.18V,但在實際過程中，由于沒有這種生產標準，所以選購了輸出為24V的。
（3）用整流橋和濾波電容整流橋：實測V2=33V整流輸出電壓平值
Vi =(1.1-1.2)V2=36.3V
二極管平均電流
ID=I0==0.45=0.327A
二極管最大反向壓
URM=U2=23.3V
故整流橋選用1N4001(1A,50V)保護二極管選IN4148(1A,50V)濾波電容
RLC(3-5)T/2,則C1=5T/2RL
式中T為交流電源周期，T=20ms，RL為C1右邊的等效電阻，應取最小值，由于Imax=500mA,因此RL==33,所以C1=C2=1515μF,可見C1的容量較大，應選電解電容，受規格限制，電容的耐壓要25V,故濾波電容C取容量為2200uF，耐壓為25V的電解電容。
穩壓過程。輸出電壓因某種原因變化時，LM317構成的電壓調整器就能夠調整輸出電壓，使其保持恒定。
輸出電壓調整過程。Rw用于調整輸出電壓大小。當Rw滑動端向上滑時，基極電壓Ub就上升，使輸出電壓變小。若當Rp滑動端向下滑時，輸出電壓則會變大。
用317穩壓塊制作穩壓電源時，穩壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。7V輸出電流為0.1～0.5A；工作結溫同樣分為-55～+155℃，-25～+150℃，0～+125℃三類電壓調整率的典型值為0.01％V，負載調整率的典型值為0.1％，內部含有過流、過熱和調整管安全工作區保護電路。
直流穩壓電源基本原理電路圖
圖5 直流穩壓電源基本原理電路圖
三、單元電路的設計
3.1電源變壓器
電源變壓器將來自電網的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。如果不考慮變壓器的損耗，可以認為一個理想的變壓器次級負載消耗的功率也就是初級從電源取得的電功率。變壓器能根據需要通過改變次級線圈的圈數而改變次級電壓，由于變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠小于輸入功率。
實際電路中選擇一個中間帶抽頭的多路輸出穩壓器，其輸出電壓分別是（交流）12V、18V、20V。分別對應LM78XX、79XX系列和LM317穩壓器。
3.2整流濾波電路
單相橋式整流電路如圖6所示，四只整流二極管D1～D4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為簡單起見，二極管用理想模型來處理，即正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。
圖6 單相橋式整流電路
在v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經過二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向導通，D2、D4反偏截止。在負載上產生一個極性為上正下負的輸出電壓。其電流通路可用圖中實線箭頭表示。
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正向導通。電流流過RL時產生的電壓極性仍是上正下負，與正半周時相同。其電流通路如圖中虛線箭頭所示。
綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向導電性，將四個二極管分為兩組，根據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，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。
單相橋式整流電路如圖7所示。由圖可見，U2正半周時D1、D4導通，D3、D2截止，在負載電阻RL上形成上正下負的脈動電壓；而在U2負半周時，D2、D3導通，D1、D4截止，在RL上仍形成上正下負的脈動電壓。如果忽略二極管內阻，有Uo≈U2。
圖7 單相橋式整流電路簡化圖
橋式整流電路波形如圖8所示。正負半周均有電流流過負載，而且電路方向是一致的，因而輸出電壓的直流成分提高，脈動成分降低。單相橋式整流電路主要參數：輸出直流電壓UO(AV) ,脈動系數S，二極管正向平均電流 ID(AV),二極管最大反向峰值電壓URM。橋式整流電路解決了單相整流電路存在的缺點，用一次級線圈的變壓器，達到了全波整流的目的。
圖8 橋式整流電路的工作波形
由圖可見，通過負載橋式整流電路的優點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向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。電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。
3.3穩壓電路
由于穩壓電路發生波動、負載和溫度發生變化，濾波電路輸出的直流電壓會隨著變化。因此，為了維持輸出電壓穩定不變，還需加一級穩壓電路。穩壓電路的作用是當外界因素（電網電壓、負載、環境溫度）等發生變化時，使輸出直流電壓不受影響，而維持穩定的輸出。穩壓電路一般采用集成穩壓器和一些外圍元件組成。采用集成穩壓器設計的電源具有性能穩定、結構簡單等優點。
集成穩壓器的種類很多，在小功率穩壓電源中，普遍使用的是三端穩壓器。按照輸出電壓類型可分為固定式和可調式，此外又可以分為正電壓輸出和負電壓輸出兩種類型。按照設計要求本設計要用到可調式三端穩壓器。其常見產品有CW317、CW337、LM317、LM337。其中317系列穩壓器輸出連續可調的正電壓，337系列穩壓器輸出連續可調的負電壓，可調范圍為1.2～37V，最大輸出電流為1.5A。圖9 LM317三端式穩壓器及穩壓電路
3.4集成穩壓器的選擇計算
集成穩壓器選用CW317，其輸出電壓范圍為
VL=1.2～37V
最大輸出電流
I0max=1.5A
集成穩壓器的輸出電壓VL應與穩壓電源要求的輸出電壓的大小及范圍相同。穩壓器的最大允許電流ILm<ILmax，穩壓器的輸入電壓范圍為：
VLmax+（VI-VL)minVIVLmin+（VI-VL)max
式中，VLmax——最大輸出電壓；
VLmin——最小輸出電壓；
（Vi-VL）min——穩壓器的最小輸入電壓差；
（Vi-VL）max——穩壓器的最大輸入電壓差；
在電路中，取C0=1μF,C1=0.01μF,C2=10μF,R1=200Ω，RW=2kΩ二極管用IN4001在電路中，R1和RW組成輸出電壓調節電路，輸出電壓VL=1.25(1+RW/R1)，R1取120～240Ω，流過R1的電流為5～10A。取R1 =200Ω，則由VL=1.25(1+RW/R1)，可求得：
Rwmin=1400歐，Rwmax=2040歐，故取為2500歐的精密線繞電位器。
3.5選擇電源變壓器
VLmax+(VI-VL)minVIVLmax+(VI-VL)max
14V+3VVi10V+40V
17VVi50V
V2Vimin/1.1=17/1.1=15.45V
取V2=20V,變壓器副邊電流
I2ILmax=500mA
取I2=200mA,則變壓器的副邊輸出功率P2為
P2I2U2=3.09W
為留有余地，故選用功率為10W的變壓器,所以變壓器選用20V/10W的即可。
3.6整流二極管及濾波電容的選擇
由于
URM===28.284V,ILmax=500mA
IN4001的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用IN4001。
SV=
式中：V=14V，Vi=20V,Vop-p20mV，Sv=0.05 ,則
△Vi=Vop-p/VLSv=1.67V
則濾波電容C為
C=Ict/△Vi=ILt/△Vi=4800μF
由之前模電實驗可知，在實際制作過程中采用比理論值小的電容同樣能達到很好的濾波效果，因此采用4700μF的電容。
四、元器件明細表
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| | URMfile:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBBFF.tmp.png1000V,1A | | | |
| | URMfile:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBC00.tmp.png75V，25nA | | | |
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表2 元件明細表
五、總結
通過本次課程設計培養了我運用互聯網查找資料和綜合應用課本理論知識解決實際問題的能力。讓我懂得，當下的我們一定要好好努力，好好學習，注重培養自己的能力。在計算和動手方面要有耐心和細心，才能把事情做得更好；在生活和學習中，要和身邊的人團結互助，能幫的就要盡力幫。
相信以后的我會以更加積極地態度對待學習、對待生活，我的激情永遠不會結束。相反，我會更加努力，努力的去彌補自己的缺點，發展自己的優點，去充實自己。只有在了解了自己的長短之后，我們會更加珍惜擁有的，更加努力的去完善它，增進它。只有不斷的測試自己，挑戰自己，才能擁有更多的成功和快樂！認真的對待每一個實驗，珍惜每一分每一秒，從中學到更多的知識和方法，鍛煉自己的能力，這個是我在課程設計中學到的最重要的東西，也是以后都將受益匪淺的！
六、參考文獻
[1] 封民腸．模擬集成電路系統（第二版）[M]，北京：中國鐵道出版社，1998
[2] 常曉玲．電氣控制系統與可編程控制器[M]，北京：機械工程出版社，2004
[3] 趙學泉，張國華．電源電路[M]，北京：電子工業出版社，1995
[4] 晶體管技術編輯部．電子電路設計與制作[M]，北京：科學出版社，2005
[5] 陳大欽．電子技術基礎實驗[M]，高等教育出版社，2005
[6] 康光華．電子技術基礎[M]，高等教育出版社，2006
[7] 張慶雙．實用電子電路200例[J],機械工業出版社,2005
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