模擬電子課程設(shè)計--直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p><b>　　直流穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　【課程設(shè)計】1.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計</p><p><b>　　一.實驗?zāi)康?lt;/b></p><p>　　通過直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計、安裝和調(diào)試，要學會：<

2、;/p><p>　?、胚x擇變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩(wěn)壓器來設(shè)計直流穩(wěn)壓電流；</p><p>　?、普莆罩绷鞣€(wěn)壓電路的調(diào)試及主要技術(shù)指標的測試方法。</p><p><b>　　二.設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　1．直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標</p><p>　　⑴同時輸出+12V電

3、壓、輸出電流為500MA。 </p><p>　?、品€(wěn)壓系數(shù)S《0.05</p><p>　?。?）具有過流保護功能</p><p><b>　　2．設(shè)計要求</b></p><p>　　⑴合理選擇變壓器、穩(wěn)壓器及二極管</p><p>　?、仆瓿扇娐防碚撛O(shè)計、安

4、裝調(diào)試、繪制電路圖</p><p>　　⑶撰寫設(shè)計報告、調(diào)試總結(jié)報告及使用說明書。 三.基本原理</p><p>　?、苯涣麟娫措妷航?jīng)電源變壓器變換成整流電路所需的交流電壓植后，通過整流電路變換成單向脈沖電壓，再由濾波電路濾去其中的交流分量，得到較平滑的直流電壓，最后經(jīng)穩(wěn)壓電路獲得穩(wěn)定的直流電壓。</p><p><

5、;b>　　2．結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)圖和穩(wěn)壓過程</p><p><b>　　四.單元電路的設(shè)計</b></p><p>　　1.橋式整流電路整流電路：將變壓器輸出的符合電壓要求的交流電變換為所需數(shù)值的直流電。常用的整流電路主要有：半波整流、全波整流及橋式整流等。相對于半波整流相，全波整流二極管

6、交替導通，其輸出電壓紋波明顯減小；而橋式整流電路是全波整流電路的一個變形，其輸出電壓波形與全波整流電路相同，但加在變壓器次級線圈上的電流變?yōu)榱藰O性正負交替的脈沖電流，其性能更加優(yōu)越。本設(shè)計中采用性能優(yōu)越的橋式整流電路。</p><p>　　2.濾波電路 ：濾波電路：使交流電在經(jīng)過二極管整流后獲得的有雜波的直流電，變成波形較為平滑的直流電。本次實驗我們使用濾波電容實現(xiàn)濾波。</p><p>

7、　　3.穩(wěn)壓電路：采用三端集成穩(wěn)壓器。</p><p>　　W7800型為輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器</p><p>　　其中二極管D5，D6在接有感性負載時用作“續(xù)流”保護。Uf為整流濾波后的直流電壓。電容C3，C4用以抵消輸入端引線過長時的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩，C5，C6用以改善穩(wěn)壓器在負載電流瞬時變動時，輸出電壓引起的波動，控制紋波電壓的范圍</p><p

8、><b>　　五.總體設(shè)計</b></p><p><b>　　（1）變壓器</b></p><p>　　變壓器的作用是把電網(wǎng)提供的交流電壓轉(zhuǎn)變成符合整流電路需要的交流電壓。選用的時候，應(yīng)該考慮就是功率和次級的交流電壓。要根據(jù)電壓和最大輸出電流來確定電源變壓器的功率。按照設(shè)計要求，變壓器的輸出電壓應(yīng)為9V，最大電流應(yīng)不小于1A，本實驗選用輸

9、出電壓為15V、220/0.1A的變壓器。</p><p><b>　?。?）整流電路</b></p><p>　　橋式整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮儞Q成單向脈動的直流電壓，電路由四個完全一樣的二極管連接而成。它是全波整流電路的變形，但在一定程度上克服了全波整流電路的缺點。下圖即為橋式整流電路原理圖。圖中UL為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓UL變成整

10、流電路要求的交流電壓U2，Rl是要求供電的負載電阻四只整流二極管D1～ D2接成電橋的形式，故有橋式整流電路之。 橋式整流電路的工作原理是

11、：在為正半周時，承受正向電壓，導通，承受反向電壓，截止。電阻R上形成上正下負電壓。在負半周時，承受正向電壓，導通；承受反向電壓，截止。R上形成上正下負的電壓。四個二級管兩個一組輪流交替導通截止，則R上可以獲得完整的全波整流電壓。</p><p>　　橋式整流電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓最大值，較之全波整流電路小了二分之一。這對于二極管來說是有保護作用的。</p><p>

12、;　　電路中采用的二極管要根據(jù)不同的整流方式和負載R的大小來選擇</p><p>　　選擇時主要考慮的依據(jù)為：</p><p>　　整流二極管的最高反向電壓滿足的條件</p><p>　　整流電路性能的主要指標為輸出直流電壓和電壓紋波因子。特別是輸出電壓的紋波因子，它表征整流電路輸出電壓波形的平滑程度。也即反應(yīng)了輸出電壓的質(zhì)量高低。</p><p

13、>　　通過負載Rl的電流iL以及電壓vL的波形如下圖所示。顯然，它們都是單方向的全波脈動波形。</p><p><b>　?。?）濾波電路</b></p><p>　　濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成。由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯(lián)的電容C在電源供給的電壓升高時，能把部分能量存儲起來，而當電壓降低時，就能把能量釋放出來，使負載電壓比較平

14、滑，即C具有平波作用；與負載串聯(lián)的電感L，當電源供給的電流增加時，它能把能量存儲起來，而當電流減小時又能把能量釋放出來，使負載電流比較平滑，即電感也具有平波作用。 在橋式整流電路和負載電阻之間并入一個電容C即得到電容濾波電路如下圖</p><p><b>　　（4）穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　在這里我們采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。下圖是其結(jié)構(gòu)圖，圖中V1是整流濾

15、波電路的輸出電壓，T為調(diào)整管，A為比較放大電路，Vref為基準電壓，它由穩(wěn)壓管D2與限流電阻R串聯(lián)所構(gòu)成的簡單穩(wěn)壓電路而得，R1和R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)。這種穩(wěn)壓電路的主回路是起調(diào)整作用的BJTT與負載串聯(lián)，故為串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。</p><p>　　輸出電壓的變化量由反饋網(wǎng)絡(luò)取樣經(jīng)放大電路（A）放大后去控制調(diào)整管T的c-e級間的電壓降，從而達到穩(wěn)定輸出電壓V0的目的。當輸入電壓V1增加時，導致輸出電壓V0增加，隨之反饋

16、電壓Vf=R2V0/（R1+R2）=FvV0也增加。Vf與基準電壓Vref相比較，其差值電壓經(jīng)比較放大電路放大后使Vb和Ic減小，調(diào)整管T的c-e極間電壓Vce增大，使V0下降，從而維持V0基本恒定。</p><p><b>　　串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　電網(wǎng)電壓的變化和負載電流的變化都能引起電源電壓的變化，要獲得輸出電壓穩(wěn)定的直流電源，必須增加

17、穩(wěn)壓電路。</p><p>　?。?）三端集成穩(wěn)壓器</p><p>　　集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負電壓輸出兩種類型。</p><p><b>　　固定電壓輸出穩(wěn)壓器</b></p><p>　　常見的有CW78（LM7

18、8）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個接地端子。它由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護電路等部分組成。</p><p>　　規(guī)格 輸出電壓：小于15V 輸出電流：大于1V</p><p>　　保護電路：內(nèi)部含有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，采用了噪聲低、溫度漂移小的基準電壓源，工作穩(wěn)定可靠。</p>&l

19、t;p>　　特點78xx系列集成穩(wěn)壓器為三端器件：1腳為輸入端，2腳為接地端，3腳為輸出端，使用十分方便</p><p>　　78xx系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如下圖所示，這是一個輸出正15V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。當輸出電流較大時，7805應(yīng)配上散熱板。 </p><p><b>　?。?/p>

20、5） 原理圖</b></p><p><b>　　六．參數(shù)計算</b></p><p><b>　　★需要計算的參數(shù)：</b></p><p>　?、糯_定穩(wěn)壓電路的最低輸入直流電壓Ui（min）</p><p>　　Uimin≈[Uomax+（U1-Uo）min]/0.9</p&g

21、t;<p>　　代入各指標，計算得；Uimin≥[15+3]/0.9=20V</p><p><b>　　取20V。</b></p><p>　?、拼_定電源變壓器副邊電壓，電流及功率。</p><p>　　Ui≥Uimax/2，Ii≥Iimax，</p><p><b>　　取Ii為2A。<

22、/b></p><p>　　Ui≥30/2=15V 變壓器副邊功率P2≥30W</p><p>　　變壓器的效率η=0.7,則原邊功率P1≥42.8W.由上分析,可 選副邊電壓為16V,輸出2A,功率45W的變壓器.</p><p>　?、沁x整流二極管及濾波電容</p><p>　　因為電路形式為橋式整流電容濾波,通過每個整流二極

23、管</p><p>　　峰電壓和工作電流求出濾波電容值.已知整流二極管1N540,起極限參數(shù)為URM=50V,ID=5A.</p><p>　　濾波電容C1≈(3∽5)T*Iimax/2Uimin=（3000∽5000）μf</p><p>　　故取3300μf/30V的電解電容作濾波電容。</p><p><b>　　★穩(wěn)壓器功耗

24、估算</b></p><p>　　當輸入交流電壓增加10％時，穩(wěn)壓器輸入直流電壓最大，</p><p>　　Uimax=1.1*2*16=35.2V</p><p>　　所以穩(wěn)壓器承受的最大壓差為：35.2-（-15）=50.2V</p><p>　　最大功耗為：Uimax * Iimax =35.2*2=70.4W</p&

25、gt;<p>　　故應(yīng)選用散熱功率≥70.4W的散熱器。</p><p>　　七.參數(shù)性能指標及測試方法 </p><p>　　1.電源變壓器的作用是將220V的交流電壓變換成整流需要的交流電壓Ui。</p><p>　　變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=η。式中，η為變壓器的效率。</p><p>　　選變壓器時，應(yīng)選比電

26、壓額定值高一點，比所要電流高出25%壓器。</p><p>　　2.整流電路將交流電壓Ui邊換成脈動的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除紋波，輸出直流電壓U1。</p><p>　　常用的整流濾波電路有全波整流濾波，橋式整流濾波。</p><p>　　附：①U2是變壓器（次級）交流電壓的有效值；I0是輸出直流電流；</p><p>　?、诒碇兴袇?shù)

27、未計變壓器直流電阻和整流二極管正向壓降影響。 </p><p>　　3.穩(wěn)壓器（集成穩(wěn)壓器）</p><p>　　W7800，W7900系列集成穩(wěn)壓器是一種三端固定正負集成穩(wěn)壓器由于是三端（輸入，輸出，公共端）不需要外接元件，故使用十方便W7800為正穩(wěn)壓器，W7900為負穩(wěn)壓器，它們分別有+15（-15）∽+24（-24）若干種固定輸出電壓，輸出電流分別為0.1A，0.5A，1.5A。該

28、集成穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)置了過流保護，過熱保護及調(diào)整管安全工作區(qū)保護電 路，所以使用安全可靠。 W7900系列輸出固定電壓與下表一致，但均變成負。W78L00（W79L00）輸出電流0.1A W7800（W7900）輸出電流 1.5A W78M00（W79M00）輸出電流0.5A 。</p><p>　　固定輸出正，負壓三端集成穩(wěn)壓器</p><p>　　◆紋波電壓 紋波電壓是指疊加在輸出

29、電壓Uo上的交流分量。用示波器觀測其峰-峰值△UOPP一般為毫伏量級。也可以用交流電壓表測量其有效值，但因 △Uo不是正炫波，所以用有效值衡量其紋波電壓，存在一定的誤差。</p><p>　　穩(wěn)壓系數(shù)：在負載電流，環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即</p><p>　　SU=[△Uo/Uo]/[ △Ui/Ui]</p><p>　　電

30、壓調(diào)整率：輸入電壓相對變化為±10%時的輸出電壓相對變化量，即KU=△Uo/Uo穩(wěn)壓系數(shù)SU和電壓調(diào)整率KU均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。</p><p>　　4.二極管的選擇應(yīng)注意：根據(jù)需要正確選擇型號，同一型號的整流二極管方可串，并聯(lián)。同時應(yīng)根據(jù)實際需要，決定是否加入均衡裝置。</p><p>　　◆ 整流二極管，反向電壓降低20%使用，以保證

31、可靠性。整流器應(yīng)避免瞬間或長時間過電壓。額定整流電流，額定電壓是指電阻性，電感性負載下的半波平均值，若工作在容性負載是，，其中的整流電流應(yīng)降低20％使用。</p><p>　　◆穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用，但不能并聯(lián)使用。當環(huán)境溫度超過50℃時，每升高1℃，應(yīng)將最大耗散功率降低1％。所使用的電 流及功率不允許超過極限值。</p><p>　　◆為了使二極管能在較寬的范圍內(nèi)溫度系數(shù)達到最小的溫度特性

32、值，可采用將二極管與穩(wěn)壓管串聯(lián)起來，使它們的溫度系數(shù)相互抵消。不過，此時它們的反向漏電流也會增加一些。</p><p>　　5.任何電容器都存在損耗，希望愈小愈好。特別是在高頻電路， </p><p><b>　　這一點尤其重要。</b></p><p>　　◆工作頻率是選擇電容器極其重要的依據(jù)：</p><p>　　①

33、在高頻小信號電路中，應(yīng)選陶瓷、云母介質(zhì)的電容器</p><p>　　②在高頻大功率（指≥100MHz）,應(yīng)選擇空氣可變電容器所組成的匹配電路；</p><p>　　③在高頻旁路電路中，應(yīng)選用具有引線的電容器與穿心電容器并聯(lián)使用，這樣就避免了僅使用穿心電容器造成體積尺寸過大的缺點；</p><p>　?、茉凇?00MHz以上的電路中，宜采用全部無引線的金屬電容 <

34、;/p><p>　?、莶徽撌褂靡陨夏囊环N電容器，引出線應(yīng)越短越好。同時，焊接質(zhì)量也有很大的關(guān)系，要求焊點偏大而圓滑，絕對不允許出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。</p><p>　?、抻袠O性的電容器不允許在負壓的情況下工作。即加在電容器上的直流電壓成分與交流電壓峰值之差應(yīng)≥0,若超出此規(guī)定，應(yīng)選用無極性電容器?；?qū)蓚€同規(guī)格的極性電容器的負極連接起來，兩個正極分別接在電路中（如圖2），此時每只電容器的容量為實際所

35、需電容量的雙倍數(shù)值；而直流工作電壓為實際所需直流工作電壓一半以上的臨界電壓系列值。</p><p><b>　　圖二 </b></p><p><b>　　圖（2）</b></p><p><b>　　八. 實驗總結(jié)</b></p><p>　　本次實驗基本完成了實驗的目的。通

36、過親自動手我們進一步熟悉了實驗器材和它們的性能。雖然我們完成的僅是很基本的穩(wěn)壓器設(shè)計，但明晰了穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)，激發(fā)了我們的實驗興趣，為進一步學習電子技術(shù)這門課程奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　本次實驗是我們從原理設(shè)計，器件選擇，電路搭設(shè)，電路調(diào)試完全自己動手完成的實驗，雖然實驗本身并不復雜，設(shè)計難度也不大，但確使我們充分了解了完成一項設(shè)計任務(wù)所需完成的整個過程。特別是在實驗的過程中遇到了一些問題，雖然都不復雜

37、，但是經(jīng)過我們自己查找分析，最終獲得解決的。在設(shè)計過程中我們學到了很多關(guān)于電路調(diào)試和問題查找的知識。檢查電路，雖說需要較長的時間，卻也體味到了解決問題的快感，最重要的是，讓我們知道應(yīng)該如何根據(jù)問題去檢查電路，減少盲目性，提高電路調(diào)試效率。</p><p>　　同學們都比較喜歡這門設(shè)計課程，因為大家覺得在這門課上確確實實能學到很多東西，還有老師的悉心教導，特別是相對寬松的設(shè)計環(huán)境，不僅使我們學到許多新的知識，還對我

38、們以前所學知識給予了系統(tǒng)化的整理，尤其是培養(yǎng)了我們獨立解決問題的能力。</p><p>　　最后，對xx老師在實驗過程中給予我們的耐心指導表示真誠的感謝！</p><p><b>　　九．參考資料</b></p><p>　　1.清華大學電子教學教研組，，童詩白主編，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，修訂2版，北京：高等教育出版社，1988</p>