開關(guān)直流穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)書

1、<p>　　開關(guān)直流穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　　1 總體設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)所介紹的直流電壓源為單相小功率電源，它可以將頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)化為幅值穩(wěn)定、輸出電流為幾十安以下的直流電壓。</p><p>　　直流電源的輸入為220V的電網(wǎng)電壓，由于所需直流電壓的

2、數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值有很大的差別，因此需要通過電源變壓器降壓后，再對(duì)交流電壓進(jìn)行處理。</p><p>　　變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)化為單一方向的脈動(dòng)電壓，可以通過半波整流電路和全波整流電路實(shí)現(xiàn)此功能。但是它們均含有較大的交流分量，會(huì)影響負(fù)載電路的正常工作。</p><p>　　為了減小電壓的脈動(dòng)，需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。理想情

3、況下，應(yīng)將交流分量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。但是，由于濾波電路為無源電路，所以接入負(fù)載后勢(shì)必會(huì)影響其濾波效果。</p><p>　　交流電壓通過整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。</p><p>　　電 源

4、 整 流 濾 波 穩(wěn) 壓 </p><p>　　變壓器 電 路 電 路 電 路 </p><p>　　2 各單元電路的分析與設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1 電源變壓器</b></p><p>　

5、　由于設(shè)計(jì)中要求可以輸出正、負(fù)穩(wěn)定電壓，則對(duì)于每一種需要固定輸出的電壓和可調(diào)電壓，都必須由輸出電壓極性相反的兩片集成穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)。而兩芯片輸入端需要分別加上極性相反的電壓，所以在選擇變壓器時(shí)，有兩種方案：</p><p>　　方案一：選用兩個(gè)變壓器，然后把一個(gè)變壓器的負(fù)極和另一個(gè)變壓器的正極連接起來作為參考地（即電勢(shì)為0）。如圖2.1.1所示。</p><p>　　方案二：選用一個(gè)帶中間抽頭

6、的變壓器，從中間抽頭引出一條線作為參考地。如圖2.1.2所示。</p><p>　　方案比較：由于變壓器的體積比較大，所以在電路中應(yīng)盡量避免使用太多變壓器，另外帶中間抽頭的變壓器也非常常見，經(jīng)分析選用方案二。</p><p>　　圖2.1.1 帶中間抽頭的變壓器 圖2.1.2 普通變壓器</p><p><b

7、>　　2.2整流電路</b></p><p>　　方案一：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ麟娐?lt;/p><p><b>　　工作原理</b></p><p>　　單相半波整流電路是最簡(jiǎn)單的整流電路，設(shè)變壓器的副邊電壓有效值為，則其瞬時(shí)值。在的正半周，二極管外加正向電壓，因而處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流由A經(jīng)負(fù)載電阻流到B點(diǎn)，在的負(fù)半周，二極管外加反向電壓，

8、故處于截止?fàn)顟B(tài)，。負(fù)載電阻的電壓和電流都具有單一方向脈動(dòng)的特性。</p><p>　　圖2.2.1 單相半波整流電路</p><p><b>　　2）主要參數(shù)</b></p><p><b>　　（2.2.1）</b></p><p><b>　?。?.2.2）</b>&

9、lt;/p><p><b>　?。?.2.3）</b></p><p>　　方案二：?jiǎn)蜗鄻蚴秸砹麟娐?lt;/p><p><b>　　工作原理</b></p><p>　　單相橋式整流電路由四只二極管組成，其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊電壓的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓和電流方向始終不變。單相橋式整流電路的電

10、路組成如下圖所示：</p><p><b>　　主要參數(shù)</b></p><p><b>　?。?.2.4） </b></p><p><b>　?。?.2.5）</b></p><p><b>　　（2.2.6）</b></p><p

11、>　　方案比較：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐放c半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對(duì)二極管的參數(shù)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)采用方案二--單相橋式整流電路。</p><p><b>　　2.3濾波電路</b></p><p>　　方案一：電容濾波電路</p><p>　　由于電容在電路中也有儲(chǔ)能

12、的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，也就是電容具有平波的作用。電容濾波電路簡(jiǎn)單，負(fù)載直流電壓比較高，紋波也較小，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?？梢酝ㄟ^改變RC的大小改變電容的充放電時(shí)間，從而得到較為平滑的輸出電壓曲線。圖2.3.1為電容濾波電路，圖2.3.2為不同時(shí)的波形。</p><p

13、>　　方案二：電感濾波電路</p><p>　　由于電感在電路中有儲(chǔ)能的作用，在電路中可以串聯(lián)電感，當(dāng)電源供給的電流增加時(shí)，它把能量存儲(chǔ)起來，而當(dāng)電流減小時(shí)，又把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感有平波的作用。在電感濾波電路中，整流管的導(dǎo)電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，但是由于鐵心的存在，笨重、體積大，容易引起電磁干擾。一般用只用在低電壓、大電流場(chǎng)合。圖2.3.3為電感濾波器的基本電路。&l

14、t;/p><p>　　圖2.3.3 電感濾波器電路</p><p>　　基于以上分析，選用方案一。</p><p><b>　　2.4穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　方案一：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路</p><p><b>　　1）電路組成</b></p><

15、p>　　該電路由穩(wěn)壓二極管和限流電阻R所組成的穩(wěn)壓電路使一種最簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓源。其輸入電壓是整流濾波后的電壓，輸出電壓就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓，，是負(fù)載電阻。圖2.4.1是其電路圖</p><p>　　圖2.4.1 穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路</p><p><b>　　穩(wěn)壓原理</b></p><p>　　在穩(wěn)壓二極管所組成的穩(wěn)壓電路

16、中，利用穩(wěn)壓管所起的電流調(diào)節(jié)作用，通過限流電阻R上的電壓或電流進(jìn)行補(bǔ)償，來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，所用元件數(shù)量少；但是，因?yàn)槭芊€(wěn)壓管自身參數(shù)的限制，其輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)節(jié)，因此只適用于負(fù)載電流較小，負(fù)載電壓不變的場(chǎng)合。</p><p>　　方案二：三端集成穩(wěn)壓器的組成的穩(wěn)壓電路</p><p>　　調(diào)整管接在輸

17、入端與輸出端之間，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—射壓降使輸出電壓基本保持不變。放大短路將基準(zhǔn)電壓與從輸出端得到的采樣電壓進(jìn)行比較，然后再放大并送到調(diào)整管的基極。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)壓電路的輸出電壓與基準(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部分送到放大電路的輸入端。啟動(dòng)電路

18、的作用是在剛接通電流輸入電壓的時(shí)，使調(diào)整管、放大電路和基準(zhǔn)電源等建立起各自的工作電流，而當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作時(shí)啟動(dòng)電路被短開，一面影響穩(wěn)壓電路的性能。保護(hù)電路主要起到限流保護(hù)、過熱保護(hù)和過壓保護(hù)。</p><p>　　圖2.4.2 三端集成穩(wěn)壓器的組成</p><p>　　綜合考慮選用方案二作為穩(wěn)壓電路。</p><p>　　3 各元器件參數(shù)計(jì)算及選擇<

19、/p><p>　　3.1電源變壓器的選擇</p><p>　　變壓器副邊輸出電壓：</p><p>　　變壓器副邊輸出電流：</p><p><b>　　故取I2=2A。</b></p><p>　　變壓器副邊輸出功率：</p><p>　　變壓器的效率為η=0.7，則原邊輸入

20、功率：</p><p>　　由上分析,副邊輸出電壓可取40V，輸出電流為2A，為留有余地，一般選功率為100W的變壓器。</p><p>　　3.2集成穩(wěn)壓器電路形式的選擇</p><p>　　7800，7900系列集成穩(wěn)壓器由于輸出電壓決定于集成穩(wěn)壓器為使電路正常工作，要求輸入電壓U1比輸出電壓Uo至少大(2.5～3)V。輸入端電容用以抵消輸入端較長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)

21、，以防止自激振蕩，還可抑制電源的高頻脈沖干擾。一般取0.1～1μF。輸出端電容用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時(shí)也具有消振作用。同時(shí)會(huì)在輸入、輸出端的電容之間接保護(hù)二極管，用來防止在輸入端短路時(shí)輸出電容所存儲(chǔ)電荷通過穩(wěn)壓器放電而損壞器件。</p><p>　　降壓整流濾波部分所輸出的正向電壓，通過集成穩(wěn)壓管LM7805、LM7812、LM7815和LM317可分別輸出+5V、+12V、+15V和0～

22、15V可調(diào)電壓。而由降壓整流濾波部分所輸出的負(fù)向電壓，通過集成穩(wěn)壓LM7905 、LM7912 、LM7915輸出的負(fù)向電壓-5V、-12V、-15V穩(wěn)定電壓。</p><p>　　3.3整流二極管及濾波電容的選擇</p><p>　　整流二極管選1N4001，其極限參數(shù)為，而，因?yàn)?，而，?，所以，濾波電容為,電容C的耐壓應(yīng)大于。</p><p>　　所以我們選用

23、的電容。</p><p><b>　　4 整體電路圖</b></p><p>　　圖4.1 直流穩(wěn)壓電源電路圖</p><p><b>　　5 系統(tǒng)測(cè)試</b></p><p>　　為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度,我們對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分用進(jìn)行了測(cè)試。</p><p>

24、　　5.1 測(cè)試儀器</p><p>　　測(cè)試使用的儀器設(shè)備如下所示：</p><p>　?。?）YB4365雙跟蹤示波器</p><p><b>　?。?）數(shù)字萬用表</b></p><p>　　5.2 測(cè)試指標(biāo)</p><p><b>　　1）紋波電壓</b>&l

25、t;/p><p>　　紋波電壓是指疊加在輸出電壓U0上的交流分量。用示波器觀測(cè)其峰-峰值，△U0PP一般為毫伏量級(jí)。也可以用交流電壓表測(cè)量其有效值，但因△U0不是正弦波，所以用有效值衡量其紋波電壓，存在一定誤差。</p><p><b>　　穩(wěn)壓系數(shù)</b></p><p>　　穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對(duì)變化引起輸出

26、電壓的相對(duì)變化，即</p><p><b>　　（5.2.1） </b></p><p><b>　　輸出電阻</b></p><p>　　輸出電阻：放大器的輸出電阻相同，其值為當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓量與輸出電流變化量之比的絕對(duì)值，即</p><p><b>　?。?.2.2） <

27、;/b></p><p>　　5.3 電路仿真</p><p>　　1）調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使該直流穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)輸出+5V穩(wěn)定電壓。</p><p>　　2）調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使該直流穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)輸出+12V穩(wěn)定電壓。</p><p>　　3）調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使該直流穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)輸出+15V的穩(wěn)定電壓。</p><p>

28、　　通過仿真軟件的模擬證明：</p><p>　　（1）當(dāng)輸入電壓在220V±10%時(shí)，輸出電壓為±5V, ±12V, ±15V和從0V到15V可調(diào)，輸出電流大于1A。</p><p>　?。?）輸出紋波電壓小于5mv,穩(wěn)壓系數(shù)小于5×10-3，輸出內(nèi)阻小于0.1歐。</p><p>　　6 課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)<

29、;/p><p>　　通過將近一周的課程設(shè)計(jì)，使我基本掌握了直流穩(wěn)壓電源的基本組成部分：電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。同時(shí)我學(xué)會(huì)了使用multisim軟件，對(duì)其中的一些原件有了一些初步的掌握，對(duì)其基本性能也有所了解。</p><p>　　回顧本次課程設(shè)計(jì)的過程，我以教材為主線，按照規(guī)定的程序進(jìn)行，針對(duì)的各功能模塊的特點(diǎn)，進(jìn)行拓整合和拓展，以設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源為目的，調(diào)查和學(xué)習(xí)相關(guān)資料。

30、最后確定方案，制作簡(jiǎn)易電路，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　我認(rèn)為這是一次非常有意義的實(shí)踐活動(dòng)，它鍛煉了我的獨(dú)立思維能力，同時(shí)也培養(yǎng)了我與人溝通的能力和協(xié)調(diào)組織的能力，培養(yǎng)了我自主學(xué)習(xí)的能力。我們?cè)谡n堂上學(xué)習(xí)的僅僅是理論知識(shí)，而課程設(shè)計(jì)是的面對(duì)現(xiàn)實(shí)，讓我們將所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中。在課程設(shè)計(jì)的過程中，我查閱了很多次設(shè)計(jì)書和指導(dǎo)書。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，更加符合工程標(biāo)準(zhǔn)，我們必須一次又一次的查閱資料。所以

31、課程設(shè)計(jì)讓我們養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，同時(shí)讓我們更加明白，工程設(shè)計(jì)一定要符合實(shí)際。在做設(shè)計(jì)的過程中我發(fā)現(xiàn)許多知識(shí)已經(jīng)遺忘了，所以我們應(yīng)該邊學(xué)邊用，時(shí)刻鞏固所學(xué)知識(shí)。同時(shí)還應(yīng)該學(xué)會(huì)活學(xué)活用，學(xué)以致用，努力提高自己。</p><p>　　由于個(gè)人的能力和設(shè)計(jì)的水平有限，設(shè)計(jì)內(nèi)容難免會(huì)有錯(cuò)誤的的地方，還望老師給予糾正。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p

32、><p>　　[1] 華成英 童詩白 ，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)， 北京 ，高等教育出版社，2006</p><p>　　[2] 夏路易,石宗義.電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)教程.北京：北京希望電子出版社.2002.</p><p>　　[3] 張占松.電路和系統(tǒng)的仿真實(shí)踐. 北京：科學(xué)出版社.2000. </p><p>　　[4] 邱關(guān)源.電路.第五版.北