模擬電子技術(shù)課程設(shè)計報告---直流穩(wěn)壓電源設(shè)計與仿真

1、<p>　　直流穩(wěn)壓電源設(shè)計與仿真</p><p><b>　　一、設(shè)計目的：</b></p><p>　　1.學(xué)習(xí)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法；</p><p>　　2.學(xué)會選擇變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩(wěn)壓器來設(shè)計直流穩(wěn)壓電源；</p><p>　　3.掌握直流穩(wěn)壓電源的主要性能參數(shù)及其測試方法；<

2、/p><p><b>　　二、設(shè)計思路：</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源主要由四部分組成：電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。</p><p>　　V1 V2 Vr Vf Vo</p><p>　　0T0T0T

3、0T0T</p><p>　　圖1 穩(wěn)壓電源的組成框圖及整流與穩(wěn)壓過程</p><p>　　圖中各環(huán)節(jié)的功能如下：</p><p>　　1） 整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)換成具有直流成分的脈動直流電。</p><p>　　2） 濾波電路是將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。</p><p>

4、;　　3） 穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。</p><p>　　模塊化電路的功能分析</p><p><b>　　1、電源變壓器</b></p><p>　　電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。電源變壓器的效率為：</p><p>　　其中：

5、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：</p><p>　　表1 小型變壓器的效率</p><p>　　因此，當(dāng)算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。</p><p><b>　　2、 整流電路</b></p><p>　　整流電路可以有兩個選擇：單相半波整流和單相全波整流電路

6、。下面分別對這兩種電路做一比較：</p><p>　?。?）單相半波整流電路</p><p>　　單相半波整流電路：由整流變壓器、整流二極管和負(fù)載電阻組成。該電路的輸出電壓在一個工頻周期內(nèi)，只有正半周導(dǎo)電，在負(fù)載上得到的是半個正弦波。單相半波整流電路的特點是簡單易行，但它只利用了交流電壓的半個周期，效率低，而且產(chǎn)生紋波較大，因此設(shè)計中不采用這種整流電路。</p><p&

7、gt;　　圖2 單相半波整流電路 圖3 波整流的輸出波形</p><p>　　該電路的工作原理：設(shè)變壓器次級電壓U2=U2msint=U2sint，其中U2m為其幅值，U2為有效值。當(dāng)U2變化的正半周期時，二極管D受正向電壓偏置而導(dǎo)通，UL=U2；當(dāng)U2變化的負(fù)半周期時，二極管D處于反向偏置狀態(tài)而截止，UL=0。U2和UL的波形如下圖所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且

8、是半波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。</p><p>　　由理論分析可得，輸出單向脈沖電壓的平均值即直流分量為</p><p>　　UL0=U2m/=U2 ≈0.45 U2 （1）</p><p>　　顯然，輸出電壓中除了直流成分外，還含有豐富的交流成分基波和諧波（這里可通稱為諧波），這些諧波的總和稱為紋波，它疊加與直流分量之上。常用紋

9、波系數(shù)來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小，即</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中，UL為諧波電壓總有效值，其值應(yīng)為</p><p>　?。?） </p><p>　　由式（1）、(2）和（3）通過計算可得，≈1.21。由結(jié)果可見，半波整流電路的

10、輸出電壓紋波較大。半波整流電路中的二極管安全工作條件為：</p><p>　　a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電流，即</p><p>　　IF＞ID0=UL0/RL=0.45U2/RL</p><p>　　b）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即</p><p>　　UR＞URM

11、 =U2</p><p>　?。?） 單相全波整流電路 </p><p>　　單相全波整流電路有很多種，這里只介紹本次設(shè)計采用的單相橋式整流電路的工作原理。</p><p>　　圖4 全波橋式整流電路 圖5 全波橋式整流電路簡化畫法</p><p>　　該電路工作原理：參見上圖，設(shè)變壓器次級電壓U2=U2msint=U2

12、sint，其中U2m為其幅值，U2為有效值。在電壓U2的正半周期時，二極管D1、D3因受正向偏壓而導(dǎo)通，D2、D4因承受反向電壓而截止；在電壓U2的負(fù)半周期時，二極管因受D2、D4正向偏壓而導(dǎo)通，D1、D3因承受反向電壓而截止。U2和UL的波形如下圖所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是全波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。 由理論分析可得，輸出全波

13、單向脈沖電壓的平均值即直流分量為右圖 圖6 </p><p>　　UL0=2U2m/=U2≈0.9U2 （4） </p><p><b>　　其紋波系數(shù)為</b></p><p>　?。?）

14、 </p><p>　　式中，UL為諧波（只有偶次諧波）電壓總有效值，其值應(yīng)為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由式（4）、（5）和（6）通過計算可得≈0.48。由結(jié)果可見，全波整流電路的輸出電壓紋波比半波整流電路小得多，但仍然較大，故需用濾波電路來濾除紋波電壓。</p>&l

15、t;p>　　全波整流電路中的二極管安全工作條件為：</p><p>　　a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電。由于4個二極管是兩兩輪流導(dǎo)通的，因此有</p><p>　　IF＞ID0=0.5UL0/RL=0.45U2/RL</p><p>　　b）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即</p>

16、;<p>　　UR＞URM =U2</p><p><b>　　3 、濾波電路</b></p><p>　　盡管全波整流的紋波系數(shù)較之半波整流有很大改善，但還不能直接給負(fù)載供電，需采用濾波電路進(jìn)一步減小紋波。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲作用來實現(xiàn)的。濾波電路種類很多，下面介紹幾種常用的濾波電路。</p><p><b&

17、gt;　?。?）電容濾波</b></p><p>　　電容濾波電路如下圖所示，由于市電交流電頻率較低（50HZ），圖中電容C一般取值較大，約1000F以上。</p><p><b>　　圖7電容濾波電路</b></p><p>　　該電路工作原理：設(shè)U2=U2msint=U2sint，由于是全波整流，因此不管是在正半周期還是在負(fù)半周

18、期，電源電壓U2一方面向RL供電，另一方面對電容C進(jìn)行充電，由于充電時間常數(shù)很?。ǘO管導(dǎo)通電阻和變壓器內(nèi)阻很小），所以，很快充滿電荷，使電容兩端電壓UC基本接近U2m，而電容上的電壓是不會突變的。現(xiàn)假設(shè)某一時刻U2的正半周期由零開始上升，因為此時電容上電壓UC基本接近U2m，因此U2＜UC，D1、D2、D3、D4管均截止，電容C通過RL放電，由于放電時常數(shù)d=RLC很大（RL較大時），因此放電速度很慢，UC下降很少。與此同時，U2仍按

19、U2sint的規(guī)律上升，一旦當(dāng)U2＞UC 時，D1、D3導(dǎo)通，U2→D3→C→D1對C充電。然后，U2又按U2sint的規(guī)律下降，當(dāng)U2＜UC 時，二極管均截止，故C又經(jīng)RL放電。不難理解，在U2的負(fù)半周期也會出現(xiàn)與上述基本相同的結(jié)果。這樣在U2的不斷作用下，電容上的電壓不斷進(jìn)行充放電，周而復(fù)始，從而得到一近似于鋸齒波的電壓UL=UC，使負(fù)載電壓的紋波大為減小。</p><p>　　由以上分析可知，電容濾波電路有

20、如下特點：</p><p>　　a）RLC越大，電容放電速度越慢，負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。</p><p>　　為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取</p><p>　　RLC≥(3～5)T/2 （7） </p><p>　　式中，T為交流電源電壓的周期。</p>&

21、lt;p>　　b）RL越小輸出電壓越小。</p><p>　　若C值一定，當(dāng)RL∞，即空載時有</p><p>　　UL0=U2≈1.4 U2</p><p>　　當(dāng)C=0，即無電容時有</p><p>　　UL0≈0.9 U2</p><p>　　當(dāng)整流電路的內(nèi)阻不太大（幾）和電阻RL電容C取值滿足式（7.1.

22、7）時，有</p><p>　　UL0≈(1.1～1.2)U2 （8） </p><p>　　總之，電容濾波適用于負(fù)載電壓較高、負(fù)載變化不大的場合</p><p><b>　　（2）電感濾波</b></p><p>　　電感濾波電路如圖8所示，由于市電交流電頻率較低（50HZ）

23、，圖中電感L一般取值較大，約幾H以上。</p><p><b>　　圖8電感濾波電路</b></p><p>　　電感濾波電路是利用電感的儲能來減小輸出電壓紋波的。當(dāng)電感中電流增大時，自電感電動勢的方向與原理電流方向相反，自感電動勢阻礙了電位的增加同時也將能量儲存起來，使電流的變化減??；反之當(dāng)電感中電流減少時，自感電動勢的作用阻礙電流的減少，同時釋放能量，使電流變化減

24、小，因此，電流的變化小，電壓的紋波得到抑制。</p><p>　　關(guān)于電感濾波電路的幾點結(jié)論：</p><p>　　a）L越大、RL越小，輸出電壓紋波越小。</p><p>　　b）忽略電感內(nèi)阻，UL0=0.9U2（理論值）。</p><p>　　c）電感濾波適用于低電壓、大電流的場合。</p><p>　　d）工頻電

25、感體積大，重量重，價格高，損耗大，電磁輻射強，因此一般少用。</p><p>　　此外，為了進(jìn)一步減小負(fù)載電壓中的紋波，電感后面可再接一電容而構(gòu)成倒L型濾波電路或采用π型濾波電路，分別如圖9和圖10所示。</p><p>　　圖9倒L 圖10π型濾波電路型濾波電路 </p><p>　　可見，電容濾波電路較之

26、電感濾波電路有更強的可操作性，結(jié)合本次的設(shè)計要求，我們設(shè)計方案最終選擇了電容濾波電路。</p><p><b>　　4、穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　濾波后的輸出電壓即使紋波很小，也仍然存在穩(wěn)定性的問題。這是因為當(dāng)負(fù)載RL變化或電網(wǎng)電壓波動時，輸出電壓的整體也要隨之改變，因此，絕大多數(shù)直流電源都必須采用穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。</p><p>

27、;　?。?） 簡單穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 </p><p>　　如下圖所示。電路中，R為限流電阻，v 為穩(wěn)壓二極管。</p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的原理實際上是利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時電流可在較大范圍內(nèi)變動但擊穿電壓卻基本不變的特點而實現(xiàn)的。當(dāng)輸入電壓變化時，輸入電流將隨之變化，穩(wěn)壓管中的電流也將隨之同步

28、變化，結(jié)果輸出電壓基本不變；當(dāng)負(fù)載電阻變化時，輸出電流將隨之變化，但穩(wěn)壓管中的電流卻隨之作反向變化，結(jié)果仍是輸出電壓基本不變。</p><p>　　顯然，穩(wěn)壓管反向擊穿特性曲線越陡峭，穩(wěn)壓特性越好。通常用rz表示其反向擊穿后的微變等效電阻，rz約幾左右。</p><p>　　下面討論R的取值范圍。參見上圖，設(shè)為保證穩(wěn)壓作用的所需的流過穩(wěn)壓二極管的最小電流為Izmin，為防止電流過大從而造成

29、損壞所容許的流過穩(wěn)壓二極管的最大電流為Izmax，即要求Izmin＜Iz＜Izmax。當(dāng)UI最大和RL開路時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時應(yīng)有；當(dāng)UI最小（不小于Uz）和RL最?。ú辉试S短路）時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時應(yīng)有。即</p><p>　　（9） </p><p>　　一般來說，在穩(wěn)壓二極管安全工作的條件下，R應(yīng)盡可能小，從而使輸出電流范圍增大。<

30、/p><p>　　5、三端集成穩(wěn)壓器介紹</p><p>　　常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。常用可調(diào)式正壓集成穩(wěn)壓器有CW317（LM317）系列，它們的輸出電壓從1.25V－37伏可調(diào)，最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內(nèi)有過渡、過熱和安全工作區(qū)保護(hù)，最大輸出電流為1.5A。其典型電路如圖2，其中電阻R1與電位器R2組成輸出電壓調(diào)節(jié)器，輸出電壓Uo

31、的表達(dá)式為：Uo＝1.25（1＋R2/R1）式中R1一般取120－240歐姆，輸出端與調(diào)整端的壓差為穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓（典型值為1.25V）。</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　此外三端集成穩(wěn)器還有78系列和79系列。如下圖是78系列和LM317的外形和接線圖。78系列又分三個子系列，即78xx,78Mxx,78Lxx.其主要差別在于輸出電

32、流和外形，78 xx輸出電流為1.5A ,78 Mxx輸出電流為0.5A,而78Lxx的輸出電流為0.1A.</p><p>　　79系列和78系列的外形相似但是接續(xù)不一樣，79的1端接地，2端接負(fù)的輸入，3端為輸出。</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　因為本次設(shè)計要求是可調(diào)的3～9V直流穩(wěn)壓電源，所以我們選擇了最

33、常用的LM317集成穩(wěn)壓器構(gòu)成穩(wěn)壓電路。</p><p><b>　　四、完整電路圖</b></p><p><b>　　圖14</b></p><p>　　五、仿真電路及仿真結(jié)果：</p><p><b>　　圖15 仿真電路</b></p><p>

34、;<b>　　電路仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖16可變電阻調(diào)為0%時的輸出電流和電壓</p><p>　　圖17可變電阻調(diào)為50%時的輸出電流和電壓</p><p>　　圖18可變電阻調(diào)為100%時的輸出電流和電壓</p><p>　　圖19變壓后電壓U2</p><p>　　圖

35、20整流濾波后電壓</p><p><b>　　圖21紋波電壓</b></p><p><b>　　圖22輸出電壓波形</b></p><p>　　六、附錄： 表2 元件清單</p><p><b>　　七、心得體會：</b></p><

36、p>　　經(jīng)過一周的實習(xí)，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我們也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時滿富盛激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點點滴滴無不令我回味無長。</p><p>　　我們做的是直流穩(wěn)壓電源，乍一看實驗很簡單，而真正做的時候卻發(fā)現(xiàn)并不容易，電路設(shè)計、參數(shù)計算、電路仿真……每一個過程都需要投入大量的時間和心血，從全局的策劃到各個元件的功能，實在是一個艱巨的工程。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完

37、課程設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如LM317K的功能，和課本上的W7812比較相似，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個元件映象深刻。認(rèn)識來源于實踐，實踐是認(rèn)識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　同時我認(rèn)為我們的工作是一個團(tuán)隊的工作，團(tuán)隊需要個人，個人也離不開團(tuán)隊，必須發(fā)揚團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。某個人的離群都可能導(dǎo)致導(dǎo)致整項工作的失敗。實習(xí)中