畢業(yè)設計---可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文設計了一個集成直流穩(wěn)壓電源。設計采用變壓器變壓，橋式整流電路進行整流，電容對脈動電壓進行濾波，最后用可調(diào)電阻和三端集成穩(wěn)壓器來實現(xiàn)直流電壓在2.5V到25V之間的連續(xù)可調(diào)。數(shù)字電壓顯示部分根據(jù)數(shù)字電壓表的設計原理，采用集成TC7107來完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換并驅(qū)動數(shù)碼顯示。電壓采用LED共陰極數(shù)碼管顯示。該穩(wěn)壓電

2、源具有性能穩(wěn)定，結構簡單，電壓指標精度較高，調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點。</p><p>　　關鍵詞：橋式整流、濾波、穩(wěn)壓、譯碼器、變壓器、TC7107、模擬信號、數(shù)字信號、數(shù)碼顯示管。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this paper, the design is a regulated DC powe

3、r supply. Adopted Transformer to change voltage, rectifier bridge rectifier circuit, capacitor ripple voltage on the filter, and finally with adjustable resistance and three-terminal voltage regulator integrated to achie

4、ve DC voltage between 2.5V to 25V continuously adjustable. Digital voltage display digital voltage meter, based in part on the design principle, the use of integration to complete the TC7107 analog signal to digital sign

5、al conversio</p><p>　　Keyword: Bridge rectifier, Filtering, Regulators, Decoder, transformer, TC7107, Analog Signal, Digital Signal, Digital Display Tube.</p><p><b>　　目 錄</b></p&g

6、t;<p>　　一、前言……...................................................................................3</p><p>　　二、方案論證與比較……...............................................................4</p><p

7、>　　2．1方案—....................................................................................4</p><p>　　2．2方案二....................................................................................4</p>

8、;<p>　　2．3方案論證與選擇......................................................................5</p><p>　　三、單元模塊電路方案設計............................................................6</p><p>　　3．1電源變

9、壓器部分................................................................... ...6</p><p>　　3．2整流濾波部分...........................................................................7</p><p>　　3. 3穩(wěn)壓部分....

10、.............................................................................8</p><p>　　3．4數(shù)字顯示部分...........................................................................10</p><p>　　四、元器件的選擇..

11、..........................................................................12</p><p>　　五、實驗調(diào)試....................................................................................14</p><p>　　六、電路各項

12、性能的測試................................................................15</p><p>　　6．1輸出電阻的測量.......................................................................15</p><p>　　6．2紋波電壓的測試..........

13、.............................................................15</p><p>　　6．3紋波因數(shù)的測量.......................................................................15</p><p>　　6．4最大輸出電壓與最大輸出電流的測試.........

14、...............................15</p><p>　　七、設計總結.....................................................................................17</p><p>　　八、參考文獻..........................................

15、..........................................18</p><p>　　九、附錄............................................................................................19</p><p><b>　　一、前言</b></p>

16、;<p>　　本次設計的目的是設計一個可調(diào)直流穩(wěn)壓電源并采用數(shù)碼管實時顯示輸出電壓。設計要求是采用220V作為電源，輸出調(diào)整范圍為2.5V～25V，最大輸出電流為1A。本次設計的意義是通過本設計加深對電子技術課程的理解，了解一般設計過程，掌握一種電子電路設計軟件的使用方法。</p><p>　　本次設計應解決的主要問題是：如何產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，怎樣對輸出電壓進行數(shù)碼顯示，基本掌握仿真軟件Proteus

17、的使用方法。</p><p>　　從七十年代開始,我國集成穩(wěn)壓器的研制和生產(chǎn)得到了飛速地發(fā)展,現(xiàn)已能生產(chǎn)上百個品種,初步形成了完整的系列產(chǎn)品</p><p>　　集成穩(wěn)壓器在較短時期內(nèi)能夠獲得迅速發(fā)展和廣泛應用,乃是基本它的通用性強的特點.因為不管是哪種電子設備,幾乎毫無例外地都需應用直流穩(wěn)壓系統(tǒng).隨著電子設備功能日趨復雜和性能不斷提高,設備內(nèi)部所應用的各種元器件和組件也日益復雜化和多樣化

18、,而這些元器件和組件所要求的供電電壓并不完全相同.這樣,在電子設備中必須引入多種穩(wěn)壓電源系統(tǒng)才能滿足需要.如果仍沿用過去由分離元器件組成的穩(wěn)壓電源系統(tǒng).必將大大的增加電子設備的體積、重量和成本.當采用集成穩(wěn)壓電源后,整個復雜設備只要求提供一個經(jīng)過簡單簡單整流的電源系統(tǒng),然后針對設備中不同部分所要求的供電電壓值,分別應用一塊相應的集成穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓就可以了.這樣做的明顯好處是簡化了設備中各個單元之間的去藕隔離問題.應用分離元器件組裝的穩(wěn)壓

19、系統(tǒng)要達到很高的穩(wěn)壓精度很不容易,只有利于集成工藝技術的穩(wěn)壓器,才能實現(xiàn)高精度、成本低的目標.這是現(xiàn)時集成穩(wěn)壓器獲得蓬勃發(fā)展的主要原因之一.</p><p>　　本次設計中都是用的一些很常見的元器件，是電路靈活、方便 、簡單易懂。</p><p>　　二、方案論證與比較 </p><p><b>　　2.1、方案一</b></p>

20、<p>　　晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路。電路框圖如圖1所示，該電路中，輸出電壓UO經(jīng)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(diào)整管的工作狀態(tài)進行調(diào)整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓Ui發(fā)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(wěn)壓值)。因輸出電壓要求從2.5V起實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此要在基準電壓處設計輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從2.5V開始調(diào)節(jié)&l

21、t;/p><p>　　圖1. 方案一串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路框圖</p><p><b>　　2.2、方案二</b></p><p>　　采用三端集成穩(wěn)壓器來構成最終的穩(wěn)壓電路，如框圖2所示，前面的整流，濾波，和最后的數(shù)字顯示部分都相同，只是整流部分采用集成三端穩(wěn)壓器我一個電壓補償電路，該方案選擇輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護的三端集成穩(wěn)壓器LM317，輸

22、出電壓調(diào)整范圍較寬，設計一電壓補償電路可實現(xiàn)輸出電壓從2.5V連續(xù)可調(diào)，要求電路具有很強的帶負載能力。</p><p><b>　　圖2 方案二方框圖</b></p><p>　　2.3、方案論證與選擇</p><p>　　對于方案—，單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路很簡單，但增加輔助電源后，電路比較復雜，由于都采用分立元件，電路的可靠性難以保證。

23、所用原器件較多，組裝不方便，成本相對于方案二的較高。 </p><p>　　對于方案二，該電路所用元器件少，成本低廉，且電路簡單，組裝方便，可靠性高。</p><p>　　綜上所述，我們選擇采用第二種方案作為這次設計電路。它既能跟好的達到設計的要求，又能起到耗時較少，可靠性高的作用。</p><p>

24、;　　三、單元模塊電路方案設計</p><p>　　3.1、電源變壓器部分</p><p>　　圖3．變壓器電路 </p><p>　　功率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：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一

25、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，當算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊。電源變壓器電壓變換公式為：</p><p>　　其中：N1為原邊線圈扎數(shù)，N2為副邊線圈扎數(shù)。</p><p>　　由于LM317L的輸入電壓與輸出電壓差的最小值,輸入電壓與輸出電壓差的最大值,

26、故LM317L的輸入電壓范圍為：</p><p>　　即 </p><p><b>　　取U2=26</b></p><p>　　變壓器副邊電流I2>Iomax = 1A,取I2 =1.1A</p><p>　　因此，變壓器副邊輸出功率：</p><p>　　由于變壓

27、器所以變壓器原邊輸出功率,為留有余地選用功率為50W的變壓器。</p><p>　　3．2、整流濾波部分</p><p><b>　　圖4．整流濾波電路</b></p><p>　　在穩(wěn)壓電源電路設計中一般用四個二極管組成橋式整流電路來完成整流功能，整流電路的作用是將交流電壓u2變換成脈動的直流電壓u3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直

28、流電壓u3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓UI。UI與交流電壓u2的有效值U2的關系為：</p><p><b>　　在整流電路中：</b></p><p>　　流過每只二極管的平均電流為：</p><p>　　其中：R為整流濾波電路的負載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時間常數(shù)RC應滿足：其中：T = 20ms是50Hz交流電

29、壓的周期 由于，Iomax = 1A,IN4001的反向擊穿電壓,額定工作電流,故整流二極管選用IN4001.</p><p><b>　　根據(jù)和公式</b></p><p><b>　　可求的</b></p><p><b>　　所以濾波電容</b></p><p>　　電

30、容的耐壓要大于，故濾波電容C1取容量為２０００uF</p><p><b>　　3.3穩(wěn)壓部分</b></p><p>　　由于輸入電壓u1發(fā)生波動、負載和溫度發(fā)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(wěn)定不變，還需加一級穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當外界因素（電網(wǎng)電壓、負載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的

31、輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。采用集成穩(wěn)壓器設計的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結構簡單等優(yōu)點。</p><p>　　可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317系列（LM317L）三端穩(wěn)壓器；有輸出負電壓的CW337系列（LM337）</p><p>　　三端穩(wěn)壓器。在可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的三個端是指輸入端、輸出端和調(diào)節(jié)端。穩(wěn)壓

32、器輸出電壓的可調(diào)范圍為Uo=1.2 ~ 37V，最大輸出電流Iomax =1.5A。輸入電壓與輸出電壓差的允許范圍為：UI -Uo = 3 ~ 40V。三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的引腳及其應用見圖四。.</p><p>　　圖5（a） 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器</p><p>　　圖5（b） 穩(wěn)壓部分電路</p><p>　　在圖三中，R３與RV２組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，RV２為

33、精密可調(diào)電位器。電容C９可以進一步消除紋波，電容C７ 還能起到相位補償作用，以防止電路產(chǎn)生自激振蕩。電容C９與RV２并聯(lián)組成濾波電路，電位器RV２兩端的紋波電壓通</p><p>　　過電容C2 旁路掉，以減小輸出電壓中的紋波。</p><p>　　3．4 數(shù)字顯示部分</p><p>　　本次設計的數(shù)字顯示部分主要是以數(shù)字電壓表的設計原理來實現(xiàn)輸出電壓的實時顯示，

34、由于輸出的電壓是模擬量，而驅(qū)動數(shù)碼管顯示電壓需要的是數(shù)字量，這就涉及到從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，然的再利用外部時鐘進行計數(shù)，再通過譯碼器將其顯示出來。如果采用分立元件來實現(xiàn)這些，電路就變得非常復雜為實現(xiàn)，而且可靠性低，我們這里采用將A\D轉(zhuǎn)換與數(shù)碼顯示集成一起的芯片TC7107，它將模擬的數(shù)字電路集成在一個有40個功能端的電路內(nèi)，只須少量的外部元件就可以構成數(shù)字顯示電路，其引腳圖見圖五。</p><p>　　圖6．TC

35、7107引腳圖</p><p>　　TC7107是一個廣泛應用的集成電路，它包含3又2分之1Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動ＬＥＤ數(shù)碼管，內(nèi)部設有參考電壓，獨立模擬開關，邏輯控制，自動調(diào)零等。其引腳功能為：第一腳是供電，正確電壓是 DC5V 。第 36 腳是基準電壓，正確數(shù)值是 100mV，第 26 引腳是負電源引腳，正確電壓數(shù)值是負的，在 －3V 至 －5V 都認為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。芯片第 31

36、引腳是信號輸入引腳，可以輸入 ±199.9mV 的電壓。在一開始，可以把它接地，造成“0”信號輸入，以方便測試。它們是 0.22uF,47K,0.47uF阻容網(wǎng)絡，這三個元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡，不能使用磁片電容。芯片的 33 和 34 腳接的104 電容也不能使用磁片電容。芯片的電源地是 21 腳，模擬地是 32 腳，信號地是 30 腳，基準地是 35 腳，通常使用情況下，這 4 個引腳都接地。 而

37、數(shù)碼管則選用了7SEG-MPX2-CC。其功能為將TC7107轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字電壓顯實時示出來。其引腳圖見圖6。</p><p><b>　　圖7.數(shù)碼引腳管圖</b></p><p>　　圖8 數(shù)字顯示部分電路</p><p><b>　　四、元器件的選擇</b></p><p>　　表

38、電子元件清單表格</p><p><b>　　五、實驗調(diào)試</b></p><p>　　按圖5（b）所示安裝集成穩(wěn)壓電路，然后從穩(wěn)壓器的輸入端加入直流電壓，調(diào)節(jié)RW，若輸出電壓也跟著發(fā)生變化，說明穩(wěn)壓電路工作正常。</p><p>　　用萬用表測量整流二極管的正、反向電阻，正確判斷出二極管的極性后,然后安裝整流濾波電路。 安裝時要注意，二極管和

39、電解電容的極性不要接反。經(jīng)檢查無誤后，才將電源變壓器與整流濾波電路連接，通電后，用示波器或萬用表檢查整流后輸出電壓UI的極性，若UI的極性為負則說明整流電路沒有接對，此時若接入穩(wěn)壓電路，就會損壞集成穩(wěn)壓器。因此確定UI的極性為正后，斷開電源，講整流濾波電路部分與穩(wěn)壓電路部分連接起來。見圖5。然后接通電源，調(diào)節(jié)Rv1的值，若輸出電壓滿足設計指標，說明穩(wěn)壓電路中各級電路都能正常工作。此時就能進行各項指標的測試。圖3中的變壓器輸入端加上一個2

40、20v,50HZ的正弦交流電壓，然后在穩(wěn)壓電路的輸出端接一個電壓指針，用來觀察電源的輸出電壓是不是滿足設計要求，輸出直流電壓Uo隨著可變電阻Rv1的改變在2.5V到25V間發(fā)生變化，則說明，該設計方案初步滿足設計的要求，然后在輸出端加上一個電流指針，仍然改變可變電阻Rv1的大小，觀察輸出的電流值是否超出了最大限制，本次設計的要求是最大電流不超過1A，經(jīng)測得最大的輸出電流為0.6A也滿足設計的要求。最后是測量數(shù)字顯示部分，將電源的輸出級接

41、上。</p><p>　　改變可變電阻Rv1的值，觀察數(shù)碼顯示管顯示的數(shù)字的變化，并與輸出Uo作比較，若相同，說明電路中的數(shù)字顯示部分也是正確的。</p><p>　　六、電路各項性能的測試</p><p>　　6.1輸出電阻的測量</p><p>　　按圖9示連接電路，保持穩(wěn)壓電源的輸入電壓，在不接負載RL時測出開路電壓Uo1，此時Io1=

42、0，然后接上負載RL，測出輸出電壓Uo2和輸出電流Io2，則輸出電阻為：</p><p>　　6.2 紋波電壓的測試</p><p>　　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ΔUop-p的值（約幾mV）。</p><p>　　6.3 紋波因數(shù)的測量</p><p>　　用交流毫伏表測出穩(wěn)壓電源輸出電壓交流分量

43、的有效值，用萬用表（或數(shù)字萬用表）的直流電壓檔測量穩(wěn)壓電源輸出電壓的直流分量。則紋波因數(shù)為：</p><p>　　6.4 最大輸出電壓與最大輸出電流的測試</p><p>　　圖七所示。一般情況下，穩(wěn)壓器正常工作時，其輸出電流要小于最大輸出電流取，可算出RL=31.25Ω，工作時上消耗的功率為：</p><p>　　故取額定功率為20W，阻值為31.25Ω的電位器&

44、lt;/p><p>　　圖9 電源性能指標的測試電路</p><p>　　測試時，先使，交流輸入電壓為220V，用數(shù)字電壓表測量的電壓值就是Uo。然后慢慢調(diào)小，直到Uo的值下降5%，此時流經(jīng)的電流就是，記下后，要馬上調(diào)大的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。</p><p><b>　　七、設計總結</b></p><p>　　1、通過

45、本次課程設計，我認識到了學懂書本上的知識和能夠運用書本上的知識的差別，懂得了理論與實踐相結合的重要性。知道了以后在學習我們的專業(yè)知識時一定要理論與實踐兩手抓。</p><p>　　2、這次課程設計涉及到了很多的專業(yè)知識，比如模擬電子技術基礎、數(shù)字電子技術基礎、計算機等是相關專業(yè)很重要的技術基礎課，其中電子實驗、電子實踐是整個教學過程中的一個重要環(huán)節(jié)，而且也是電子類實驗、實踐的基礎。</p><

46、p>　　3、在課程設計過程中，我們先根據(jù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的特點收集、選擇相關資料，再整理收集到的資料，然后初步擬定放案，再通過小組內(nèi)的同學進行幾次方案的討論、修改，最后確定最終的方案。設計方案確定后，又在同學的相互幫助指導下進行擴初詳細設計，并畫出能夠清楚表達自己設計意圖的電路圖表。然后學習使用Proteus仿真軟件，最后使用Proteus對我們所設計的電路進行仿真并進行調(diào)試。</p><p>　　4、雖然

47、本次設計在小組同學們的共同努力和合作下完成得還比較好，但這是我第一次進行實際的設計。因而在許多方面都還不熟練,對一些元器件的功能還不完全了解，不能熟練運用，因而不能完全的一次性設計好該電路。特別是對Proteus仿真軟件還比較陌生，不能很好的使用它來對電路進行仿真，對它里面的許多英文表示不能理解。但此次課程設計現(xiàn)已基本達到預期的目標和功能，經(jīng)過本次設計我知道了要想設計出一個完善的電路原理圖并不是一件容易的事，因此我將在以后的學習中加強這

48、方面的學習，使自己在實際動手方面的能力得到進一步的加強。</p><p>　　5、通過本次的課程設計我學到了許多知識。它還培養(yǎng)了我們獨立思考問題解決問題的能力，加深了我們對知識的理解，有助于我們今后的學習。并且有助于我們了解我們專業(yè)所從事的事業(yè)，給我們學習指明了方向。</p><p>　　6、最后，我認為自己的設計還是不夠完善，其中還有一些地方應該得到改進，比如說設計的直流穩(wěn)壓電源所產(chǎn)生的

49、電壓還不夠穩(wěn)定，希望通過以后的學習能夠進一步的使該直流穩(wěn)壓電源所產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　【1】黃紹基 高永聰，可調(diào)直流電源制作[J], 電子制作, 2002年4期； </p><p>　　【2】孫勇 毛興武, 500W可調(diào)直流電源[J], 電子產(chǎn)品維修與制作；1997年6期

50、；</p><p>　　【6】康光華，電子技術基礎 模擬部分（第五版）[M]，高等教育出版社，2005年7月；</p><p>　　【7】康光華，電子技術基礎 數(shù)字部分（第五版）[M]，高等教育出版社，2005年7月；</p><p>　　【8】唐金元，王翠珍， 0～24 V可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路的設計方法 ，(海軍航空工程學院青島分院山東青島266041)；<

51、/p><p>　　【9】趙學泉。張國華．電源電路[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1995；</p><p>　　【10】張惠，馮英．電源大全[M]．四川：西南交通大學出版社，1993；</p><p>　　【11】黃妙燕，可調(diào)直觀式直流穩(wěn)壓電源設計方案 ，(廣東建設職業(yè)技術學院，廣東廣州510450)；</p><p>　　【12】Marry Br

52、own．電源設計指南[M]．沈德鴻，沈旭，譯．北京；</p><p>　　【13】曲學基，王增益，曲敬鎧．穩(wěn)定電源電路設計[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003；</p><p>　　【14】吳潤宇，軒蔭華，苗銀梅，周公楷.實用穩(wěn)定電源[M]北京：人民郵電出版社；</p><p>　　【15】趙學泉，張國華.電源電路[M]北京：電子工業(yè)出版社。</p>

53、<p><b>　　九、附錄</b></p><p>　　圖10 電路原理仿真輸出電壓最小</p><p>　　圖11 電路原理仿真輸出電壓最大值</p><p>　　圖12 可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源總原理圖</p><p>　　圖13 PCB圖的Top Silk 圖</p><p>