1、直流穩壓電源電路項目設計方案一、需求分析及方案論證1.1需求分析（1）串聯直流穩壓電源設計要求 輸入電源：單相（AC），220V10%，50HZ5%； 輸出電壓：DC：+3+12V，連續可調；輸出電流：DC：0800mA；負載效應：5%；輸出紋波噪聲電壓：10mV（有效值）；保護性能：超出最大輸出電流20%時立即截流保護；適應環境：溫度：040，濕度：20%90%RH；PCB尺寸：不大于120mm*90mm。（2）串聯直流穩壓電源設計需求分析 電子設備都需要良好穩定的電源，而外部提供的能源大多數為交流電源，電源設備擔負著把交流電源轉換為電子設備所需的各種類別直流電源的任務，轉換后的直流電源應具
2、有良好的穩定性，當電網或負載變化時，它能保持穩定的輸出電壓，并具有較低的紋波。我們通常稱這種直流電源為穩壓電源。1.2設計方案的選擇與論證小功率穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四個部分組成，如圖1所示。負載穩壓電路濾波電路整流電路變壓器（a） U1 U2 Ui UI1 UI2 （b）圖1（a）、（b）穩壓電源的組成框圖及整流與穩壓過程方案一：簡單的并聯型穩壓電源并聯型穩壓電源的調整元件與負載并聯，因而具有極低的輸出電阻，動態特性好，電路簡單，并具有自動保護功能；負載短路時調整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小電流時調整管需承受很大的電流，損耗過大，因此在本實驗中不適合此方
3、案。方案二：由固定式三端穩壓器（LM317,7812,7809,7805）組成由固定式三端穩壓器（LM317,7812,7809,7805）輸出腳V0、輸入腳Vi和接地腳GND組成，LM317是可調電壓穩壓芯片，7805，7809，7812，7905則屬于CW78*,CW79*系列的穩壓器，輸入端接電容可以進一步濾波，輸出端接電容可以改善負載的瞬間影響，此電路比較穩定。但是，在訓練過程中，此電路過于簡單。方案三：簡單的串聯型穩壓電源串聯穩壓電源，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。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
4、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。根據實驗設計要求，本實驗采用方案三。三、電路原理分析直流穩壓電源一般由電源變壓器T、整流、濾波電路及穩壓電路所組成，基本框圖如圖所示。各部分的作用： 圖2 基本框圖（1） 電源變壓器T的作用是將電網220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓U2。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。 （2） 整流濾波電路：整流電路將交流電壓U1變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U0。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等
5、，如圖3所示。 圖3 橋式整流整流橋將交流電壓U2變成脈動的直流電壓，再經濾波電容C濾波紋波，輸出直流電壓U0。U0與交流電壓輸出U2的有效值u2的關系為 U0=（1.1-1.2）u2每只整流二極管承受的最大的方向電壓Vrm=u2通過每只二極管的平均電流I=0.5Ir=0.45u2/R式中,R 為整流電路的負載電阻.它為電容C提供放電回路,RC放電時間常數應滿足RLC(3-5)T/2式中,T為50HZ交流電壓的周期,即20ms.（3）電壓輸出穩壓器由于輸入電壓U1發生波動、負載和溫度發生變化時，濾波電路輸出的直流電壓UI會隨著變化。因此，為了維持輸出電壓UI穩定不變，還需加一級穩壓電路。穩壓電
6、路的作用是當外界因素（電網電壓、負載、環境溫度）發生變化時，能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所組成。采用集成穩壓器設計的穩壓電源具有性能穩定、結構簡單等優點。 四、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Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓Uop-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Iomax，確定穩壓器的型號及電路形式。根據穩壓器的輸入電壓，確定電源變壓器副邊電壓
7、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，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。設計參數如下： 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)1UC1max=23.76VVT1集電極最大電流：ICM1(1+20%)*800mA=960m
8、AVT1集電極耗散功率：PCM1（23.76-3）V*800mA=16.6W對于VT2管：UBR(CEO)2應當也有：UBR(CEO)1UC1max=23.76VVT2集電極最大電流：VT2集電極耗散功率：PCM1（23.76-3）V*13.3mA=0.28W所確定的穩壓電源電路如圖4所示。 圖4 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。，其中：是變壓器副邊的功率，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 副邊功率 效率0.60.70
9、.80.85因此，當算出了副邊功率后，就可以根據上表算出原邊功率。輸入電壓Vi的范圍為Vomax+(Vi-Vo)minViVomin+(Vi-Vo)max, Vomax為最大輸出電壓，Vomin為最小輸出電壓，(Vi-Vo)min為穩壓器最小輸入、輸出差，(Vi-Vo)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 V2=Vi/1.1=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
10、均電流 =0.327A二極管最大反向壓 =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 =U1/Imax=33,所以C1=C2=1515f,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。 五、單元電路的設計5.1電源變壓器電源變壓器的作用是將交流電網220V的交流電壓變換為所需的交流電壓。變壓器的副邊與
11、原邊的功率比定義為變壓器的效率。5.2整流電路 整流電路的任務是將交流電變為直流電，完成這一任務主要靠二極管的單向導電作用，因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波，全波，橋式和被壓整流電路。本設計中采用的是單相橋式整流電路。 在橋式整流電路中，二極管D1，D3和D2，D4是兩兩輪流導通的，所以流經每個二極管的平均電流為: （3-2-1）每只整流二極管承受的最大反向電壓為： （3-2-2）一般電網電壓波動范圍為10%。實際上選用的二極管的最大整流電流和最高反向電壓應留有大于10%的余量。橋式整流電路的優點是輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向
12、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。5.3濾波電路濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成。濾波電路的形式很多，為了掌握它的分析規律，把它分為電容輸入式和電感輸入式。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中。所以本設計中采用電容輸入式濾波電路。在表達式（3-2-2）中電阻R為整流濾波電路的負載電阻，它為電容C提供放電回路，RC放電時間常數應滿足 RC （35）T/2 （3-3-1）式中T為50HZ交流電壓的周期，及20ms。5.4穩壓電路穩壓電路的作用是當電網電壓波動，負載和溫度變化時，維
13、持輸出直流電壓穩定。電路采用誤差放大電路方案，電路原理圖如圖5所示。其中R3、R4及可調為取樣電路，Q3為誤差放大管，R2與D5構成基準電路。當輸出電壓升高時，B點電壓上升，C點電壓升高，而D點電壓下降，使Q1、Q2電流減少，分壓增加，從而使輸出降低。 圖55.5過流保護電路過流保護電路是當輸出電流超過一定數值時，則保護電路開始工作，使調整管處于不完全截止狀態，輸出電流和輸出電壓都相應下降，達到保護電源的目的。這種保護電路比較簡單，而且當輸出過載或短路被排除后，穩壓電路便自動地恢復工作。5.6過壓保護電路串聯直流穩壓電源中的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保護。如果電網的電壓突然過高,
14、將導致此穩壓電源不能正常工作,甚至損壞內部器件,因此該串聯直流穩壓電源中有必要使用輸入過電壓保護電路。圖 7晶體管和穩壓二極管所組成的保護電路,在該電路中,當輸入直流電源的電壓高于穩壓二極管的擊穿電壓值時,穩壓管擊穿,有電流流過電阻 R4 ,使晶體管 Q5 導通,三極管Q2、Q1截止,切斷輸入。從而起到保護電路的作用。圖7 過壓保護電路圖六、電路仿真與檢測6.1 Multisim仿真電路繪制6.2 Multisim仿真儀器儀表的應用 6.3 穩壓電源各項性能指標的測試與分析在本次設計中，測試了穩壓電源的主要性能指標，穩壓系數，內阻，紋波電壓等。其方法如下：測量穩壓系數：在負載電流為最大時，分別
15、測得輸入交流比220V增大和減小10%的輸出Vo，并將其中最大一個代入公式計算Sr，當負載不變時，Sr=VoVi/ViVo。測量內阻：在輸入交流為220v,分別測得負載電流為0及最大值時的Vo，則ro=Vo/Il測量紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流分量，一般為mv級。可將其放大后，用示波器觀察其峰-峰值Vop-p，也可用交流毫伏表測量其有效值Vo,由于紋波電壓不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定誤差。6.3.1電路的調試與檢測1) 靜態調試 當連好電路板的線路時，先不要急著通電，而因該從以下幾個方面進行檢測：A、對照原理圖，用萬用表一檢查線路的各個接口是否接通，是否有短路、斷路或漏接的現象，如
16、果有，因該及時改好電路連線。B、對照原理圖，檢查各元件是否接正確。2) 動態調試接通220V的電源，用數字萬用表對所設計的電路實物進行測試，得到正電源可調檔的調節范圍是：1.26-17.51v，12v端口輸出電壓是12.13V，9v輸出端口電壓是8.97v，5v輸出端口電壓是5.06v，負電源-5v端口輸出電壓是-4.67V 。3) 技術指標測量及誤差分析6.3.2 技術指標測量、測量穩壓系數，先調節自藕變壓器使輸入的電壓增加10%，即Vi=242V, 測量此時對應的輸出電壓Vo1；再調節自藕變壓器使輸入減少10%，即Vi=198, 測量此時對應的輸出電壓Vo2, 然后測量出Vi=220V時對
17、應的輸出電壓Vo, 則穩壓系數 Sv= (Vo/Vi)/(Vi/Vi) = . 下表為在實驗室中測得的數據并通過計算得出的穩壓系數結果：輸出電壓Vo(220v)Vo1(242v)Vo2(198v)穩壓系數12v12.297v12.767v11.185v0.389v9.008v9.112v8.882v0.1156v6.385v6.463v6.178v0.122（2）紋波電壓的測試 用示波器觀察Uo的峰峰值，（此時Y通道輸入信號采用交流耦合AC），測量Uop-p的值（約4mV）。下表為在實驗室測得的紋波電壓實驗數據：輸出電壓（v）紋波電壓（mv）9.79.076.62.4131.796 （3）輸入
18、輸出電壓波形（4）過流保護測試采用了1A的直流保險，如果電流超過了1A就會熔斷，起到電流的過載保護作用。（5）過壓保護測試輸入電壓（V）電位器的調節（%）220212421724316七、設計總結本課程設計運用了模擬電路的基本知識，通過變壓，整流，濾波、穩壓等步驟，輸出理論可變范圍為312V，而實際可調范圍為 的正負直流穩壓電源。這次課程設計我們小組做了一個串聯直流穩壓電源，不僅在后面的課程實訓中會用到，而且在平時也是一個很好的電源工具。這次我們做的直流穩壓電源具帶負載能力強，最大帶負載能力電流可達800mA左右，在這次課程設計中，我們學到了很多關于設計的東西，這些在書本中無法學到。在我們的課
19、程設置中，需要對每個電子元器件十分熟悉，這就要求我們自己要多查資料，自學他們的相關特性，知道他們的相關參數。雖然有一些元器件我們相對來說比較熟悉，但是在實際應用中還是存在一些問題，主要是我們缺乏實踐經驗所致，只有經常參與實踐，把自己學到的東西更好的應用于實踐中去，實現理論與實踐的結合，才能真正實現學以致用。最后，感謝信息學院給予我們這次學習的機會。參考文獻：1 童詩白.模擬電子技術基礎(第三版)M.北京:高等教育出版社,2001.01.2 Brian W. Kernighan Dennis M. Ritchie Edition. The C Programming Language（Secon
20、d Edition）M.Machinery Industry Press,2004.10.3 童詩白、徐振英.現代電子學及應用M.高等教育出版社,1994.4 閻石.數字電子技術基礎M.北京高等教育出版社,2001.附錄A：主要器材序號元件標號大小封裝序號元件標號大小封裝1C13.3mF330011Q2, Q3, Q49013TO-226-AA2C2, C3, C4330pFRAD-0.112R11.5kAXIAL-0.43C5470uF47013R22KAXIAL-0.44D1, D2, D3, D4, D54001DO-4114R9150AXIAL-0.45D68.2VDO-4115R43.3KAXIAL-0.46FU11AFU16R6、R3,1KAXIAL-0.47JP1PW18VPW1X217R8330AXIAL-0.48JP2PW_OUT(+312V)PW1X218RP110KRP9LED1LED1LED-119RP21KRP10Q1BD237D880-P20附錄B：電路原理圖電路原理圖附錄C：PCB圖PCB圖附錄C：實物圖實物圖
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