穩(wěn)壓電流源課程設(shè)計

1、第一章 緒論 電子技術(shù)是當今高新技術(shù)的“龍頭”，各先進國家無不把它放在優(yōu)先的發(fā)展的地位。電子技術(shù)是電類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，課程地顯著特點之一是它的實踐性。要想很好的掌握電子技術(shù)，除了掌握基本器件的原理，電子電路的基本組成及分析方法外，還要掌握電子器件及基本電路的應(yīng)用技術(shù)，課程設(shè)計就是電子技術(shù)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。本課程設(shè)計就是針對模擬電子技術(shù)這門課程的要求所做的，同時也將學(xué)到的理論與實踐緊密結(jié)合。 電源技術(shù)是一門實踐性很強的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。當今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計算機和通訊技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊

2、的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標準。只有滿足產(chǎn)品標準，才能夠進入市場。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，滿足國際標準的產(chǎn)品才能獲得進出的通行證。電源可分為交流電源和直流電源，它是任何電子設(shè)備都不可缺少的組成部分。交流電源一般為220V、50Hz電源，但許多家用電器設(shè)備的內(nèi)部電路都要采用直流電源作為供電能源，如收音機、電視機、帶微處理器控制的家電設(shè)備等都離不開這種電源。直流電源又分為兩類：一類是能直接供給直流電流或電壓

3、的，如電池、蓄電池、太陽能電池、硅光電池、生物電池等，本文不做具體介紹；另一類是將交流電變換成所需的穩(wěn)定的直流電流或電壓的，這類變換電路統(tǒng)稱為直流穩(wěn)壓電源?，F(xiàn)在所使用的大多數(shù)電子設(shè)備中，幾乎都必須用到直流穩(wěn)壓電源來使其正常工作，而最常用的是能將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電壓的直流電源，可見直流穩(wěn)壓電源在電子設(shè)備中起著主要作用，為設(shè)備能夠穩(wěn)定工作提供保證。 電子設(shè)備中都需要穩(wěn)定的直流電源，功率較小的直流電源大多數(shù)都是將50HZ的交流電經(jīng)過電源變壓器，整流，濾波和穩(wěn)壓這四個基本部分后獲得。整流電路用來將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的

4、直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是將當輸入交流電源電壓的波動、負載和溫度的變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。 由于集成穩(wěn)壓器具有體積小、重量輕、使用方便和工作可靠等優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛。國產(chǎn)的穩(wěn)壓器種類很多，主要分為兩大類。穩(wěn)壓器中的調(diào)整元件工作在線性放大狀態(tài)的稱為線性穩(wěn)壓器，調(diào)整元件工作在開關(guān)狀態(tài)的稱為開關(guān)穩(wěn)壓器。在電子儀器儀表中，經(jīng)常要求有穩(wěn)定的直流電源，所以在整流濾波后面，通常需要接直流穩(wěn)壓電路。本設(shè)計是設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源，是一種將220V交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓輸出的直流電源裝置，它是有電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成。 通過本次設(shè)計能使我們 本次課程設(shè)計的課題是直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計和

5、調(diào)試，本課程設(shè)計將就直流穩(wěn)壓電源電路的工作原理、參數(shù)計算、元件選取、電路調(diào)試等做詳細的介紹和說明。第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案論證及分析2.1設(shè)計目的1、 學(xué)習直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法2、 研究直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方案。3、掌握直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和內(nèi)阻測試方法：2.2設(shè)計指標設(shè)計一波形直流穩(wěn)壓電源，滿足：要求電源輸出電壓為±12V（或±9V /±5V），輸入電壓為交流220V，最大輸出電流為Iomax =500mA，紋波電壓VOP-P5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr5%。2.3設(shè)計要求（1） 根據(jù)設(shè)計要求和技術(shù)指標設(shè)計好電路，選好元件及參數(shù)；（2） 要求繪出原理圖，用Protel99

6、畫出印制板圖； （3） 在萬能板或面包板或PCB板上制作一臺直流穩(wěn)壓電源；（4） 設(shè)計一個能輸出±12V/±9V/±5V的直流穩(wěn)壓電源；（5） 擬定設(shè)計步驟和測試方案； （6） 測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)、紋波電壓；（7） 撰寫設(shè)計報告。2.4設(shè)計方案的選擇與論證小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，如圖2-1所示。負載穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路變壓器 圖2-1穩(wěn)壓電源的組成框圖和整流與穩(wěn)壓過程方案一：簡單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電源并聯(lián)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整元件與負載并聯(lián)，因而具有極低的輸出電阻，動態(tài)特性好，電路簡單，并具有自動保護功能；負載短路時調(diào)

7、整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小電流時調(diào)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案。方案二：輸出可調(diào)的開關(guān)電源開關(guān)電源的功能元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因而效率高，輸出功率大；且容易實現(xiàn)短路保護與過流保護，但是電路比較復(fù)雜，在低輸出電壓時開關(guān)頻率低，紋波大，穩(wěn)定度極差，因此在本實驗中不適合此方案。方案三：可調(diào)式三段穩(wěn)壓器能輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓常見產(chǎn)品有CW317，系列穩(wěn)壓器能輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流，過熱保護電路。紋波電壓小，根據(jù)本設(shè)計，選擇此方案。2.5電路原理分析直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流、濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如圖2-2所示。各部分

8、的作用： 圖2-2（1） 電源變壓器T的作用是將電網(wǎng)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(jīng)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橋式整流濾波，如圖2-3所示。 圖2-3整流橋?qū)⒔涣麟妷篣2變成脈動的直流電壓，再經(jīng)濾波電容C濾波紋波，輸出直流電壓U0。U0與交流電壓U2的有效值u2的關(guān)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.

9、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(shù)應(yīng)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(wěn)壓器由于輸入電壓U1發(fā)生發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓UI會隨著變化。為了維持輸出電壓UI穩(wěn)定不變，需加一級穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當外界因素發(fā)生變化時，輸出直流電壓不受影響，維持穩(wěn)定的輸出。采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 2.6直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計方法穩(wěn)壓電源的設(shè)計，是根據(jù)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(wěn)壓器、整流橋和

10、濾波電路中所用元器件的參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計可以分為以下三個步驟：根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、最大輸出電流Iomax，確定穩(wěn)壓器的型號及電路形式。根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓u1，確定電源變壓器副邊電壓u2的有效值U2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流Iomax，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(jù)P2和效率，從而確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，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URM和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流橋和濾波電容。 3.1 電源變壓器 過整流電路將交流變?yōu)槊}動的

11、直流電壓。由于此脈動的直流壓含有較的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。電源變壓器的作用是將交流220V的電壓變?yōu)樗璧碾妷褐担缓笸ㄟ^的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動、負載何溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載何溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。設(shè)計參數(shù)如下：小型變壓器的效率： 副邊功率 效率0.60.70.80.85輸入電壓Vi的范圍為Vomax+（Vi-Vo）minViVomin+(Vi-Vo)max12V+3VVi3V+40V15VVi43V副邊電壓 U2Vi min/1.1=15/1.1=13.64V副邊電流 I2

12、>0.5A 因為 I2=（1.52）Iomax 故取 I2=0.8A則變壓器副邊輸出功率 P2I2×U2=11.2W又因為變壓器效率等于0.7則原邊輸入功率 P1=P2/0.7=16W所以電源變壓器功率選20W，副邊電壓輸出為24V。3.2 整流電路 利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電壓（電流）變成單向脈動電壓（電流）的電路，稱為整流電路。交流電分為三相交流電和單相交流電，在小功率電路中一般采用單相半波、全波、橋式整流電路和倍壓整流電路。這里應(yīng)用單相橋式整流電路。 為簡化分析，假定二極管是理想器件，即當二極管承受正向電壓時，將其作為短路處理；當承受反向電壓時，將其作為開路處理。單

13、相橋式整流電路，其電路圖如3-1所示 圖3-1 單相橋式整流電路1）電路組成及工作原理 橋式整流電路由四只二極管組成的一個電橋，電橋的兩組相對節(jié)點分別接變壓器二次繞組和負載。在工作時，D1、D2與D3、D4兩兩輪流導(dǎo)通。在u2正半周，二極管D1和D2正向?qū)?，而D3、D4反向截止，形成負載電流i0，i0流通路徑為：aD1RLD2ba，u0=u2；在u2的負半周，二極管D3和D4正向?qū)?，而D1、D2反向截止，形成負載電流i0，i0流通路徑為：bD3RLD4ab， u0=u2。 由此可見，不論哪兩只二極管導(dǎo)通，負載電流的方向都始終保持不變。電路各處電壓、電流波形如圖3.2 所示。 圖3.2 單相

14、橋式整流電路的波形圖2）輸出電流電壓U0 由橋式整流電路的波形可知，其輸出電壓及流過二極管的電流與全波整流的波形相同： U0=0.9U23）整流二極管的選擇 整流二極管D選IN4001，其極限參數(shù)Vrm50V，If=1A。滿足Vrm1.41U2If>0.8A的條件。3.3濾波電路（1）工作原理 設(shè)u2波形如圖3-3（b）所示，未接電容時，輸出電壓如圖3-3（b）中的虛線所示。在u2正半周，設(shè)u2由零上升，二極管D導(dǎo)通，u0=u2，此時電源對電容充電，由于充電時間常數(shù)很小，電容充電很快，所以電容上升的速度完全跟得上電源電壓的上升速度，uC=u2。當u2上升到峰值時，電容充電達到1.4U2，

15、二極管D截止，隨后u2下降，電容C向負載RL放電，放電時間常數(shù)為RLC，其值較大，所以電容電壓下降的速度比u2下降到速度慢得多，此時負載電壓靠電容C的放電電流來維持，u0=uC。當電容放電到b點時，uCu2，二極管D又導(dǎo)通，電容又被充電。充電至1.4U2后，又放電。如此重復(fù)進行，就得到輸出電壓的波形如圖3-3（b）中實線所示。由圖可見，經(jīng)電容濾波后，負載電壓變得平穩(wěn)，且平均值提高了。其電路和波形如圖3-3所示。 圖3.3單相橋式整流電容濾波電路及其波形圖（2）輸出直流電壓 在有濾波電容的整流電路中，要對其輸出直流電壓進行準確的計算是很困難的，工程上一般按下列經(jīng)驗公式進行估算。當電容的容量足夠大

16、，滿足RLC（35）T/2（T為電網(wǎng)電壓的周期）時對于全波或橋式整流電容濾波： U01.2 U2 （3）濾波電容的選擇為了得到比較好的濾波效果，在實際工作中常根據(jù)下式選擇濾波電容的容量。 對于全波或橋式整流： RLC（35）T/2 由于電容值比較大，約為幾十至幾千微法，一般選用電解電容，接入電路時，注意極性不要接反，電容器的耐壓值應(yīng)大于1.4U2 。濾波電容選擇：已知Vo=9V,Vi=12V, VOP-P=5mV，SV=5%得穩(wěn)壓器的輸入電壓的變化量 Vi=VOP-P Vi/VoSV=1.3V得濾波電容大小：C=ICt/Vi=3846uF電容C的耐壓值應(yīng)大于U2=19.3V.故取2只2200u

17、F/25V的電容并聯(lián)。3.4 穩(wěn)壓電路 集成三端穩(wěn)壓器具有體積小，外圍元件少，調(diào)整簡單，使用方便且性能好，穩(wěn)定性高，價格便宜等優(yōu)點，因而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。 常見的有固定式和可調(diào)式兩類集成三端穩(wěn)壓器，內(nèi)部多以串聯(lián)型穩(wěn)壓電源為主，還有適當?shù)倪^流、過熱等保護電路?？烧{(diào)式性能好些，功率相對也較大。故本次設(shè)計采用可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓器參數(shù)選擇如下：可調(diào)部分選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW317， 其特性參數(shù)V0=+1.2V+37V， Iomax=500mA最小輸入、輸出壓差(Vi-V0)min=3V,最大輸入、輸出壓差(Vi-Vo)max=40V，由理論可知 V1=1.25（1+RP1/R1）我們?nèi)1

18、=240歐，RP1為2千歐可調(diào)電位器。以實現(xiàn)312V直流穩(wěn)壓電源輸出。另外，選CW7805穩(wěn)壓管，CW7905穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓輸出±5V電壓?？烧{(diào)式三端穩(wěn)壓器CW317接電路圖如3-4所示：圖3-4可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW317電路圖選用CW7805和CW7905輸出±5V的電壓接電路圖如3-5所示：圖3-5固定式三端穩(wěn)壓器CW7805和CW7905電路圖第四章 制作與檢測安裝與檢查對電路進行組裝：按照自己設(shè)計的電路，在在通用板上焊接。焊接完畢后，應(yīng)對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象。對安裝完成的電路板的參數(shù)及工作狀態(tài)進行測量，以便提供調(diào)整電路的依據(jù)。經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整

19、和測量，使電路的性能達到要求。（1）安裝過程中應(yīng)注意的事項：1)檢查元器件看是否有損壞，或者不符合規(guī)格的，要及時更換。2)裝一個元器件，先要用尖嘴鉗將其引腳成型，然后用鑷子把引腳放入孔內(nèi)高度要適中，符合電氣標準完畢后，要用萬用表測量元器件引腳和電路板之間是否接觸良好，然后再安裝下一個元器件。3) 對于導(dǎo)線要用斜口鉗切成適當?shù)拈L度，然后成型安裝安裝時必須采用絕緣良好的絕緣導(dǎo)線,在畫連線的時候要取好元件與元件的距離.連接的時候線與線之間不能交叉。4)應(yīng)避免元器件損壞的發(fā)生，插元器件時候要垂直插拔以免行成不必要的損壞。（2）最后結(jié)果沒有出來的原因主要有以下情況：1）操作不當（如布線錯誤等）2）設(shè)計不

20、當（如電路出現(xiàn)險象等）3）元器件使用不當或功能不正常4）儀器（主要指數(shù)字電路實驗箱）和集成元件本身出現(xiàn)故障。（2）檢查故障的方法主要有以下一些：1)查線法：由于在實驗中大部分故障都是由于布線錯誤引起的，因此，在故障發(fā)生時，復(fù)查電路連線為排除故障的有效方法。應(yīng)著重注意：有無漏線、錯線，導(dǎo)線與插孔接觸是否可靠，集成電路是否插牢、集成電路是否插反等。2)信號注入法:在電路的每一級輸入端加上特定信號，觀察該級輸出響應(yīng)，從而確定該級是否有故障，必要時可以切斷周圍連線，避免相互影響。3)信號尋跡法:在電路的輸入端加上特定信號，按照信號流向逐線檢查是否有響應(yīng)和是否正確，必要時可多次輸入不同信號。4)替換法:

21、對于多輸入端器件，如有多余端則可調(diào)換另一輸入端試用。必要時可更換器件，以檢查器件功能不正常所引起的故障。4.2 焊接技術(shù)（1）結(jié)合萬能板的結(jié)構(gòu)原理合理安排集成塊和元器件的位置，為了美觀大方要求各元件盡可能的保持在同一條直線上；（2）合理布局，安裝前要對整機線路進行合理布局，一般按照電路的順序一級一級地布線，連線盡可能短；（3）從整個板來說是否美觀好看，關(guān)鍵是導(dǎo)線的布置，所以布線要注意整齊，集成塊相鄰管腳之間盡量不布線。這樣便于調(diào)整與測試工作的順利進行。 4.3 穩(wěn)壓電源各項性能指標的測試(1)電路的調(diào)試與檢測1) 靜態(tài)調(diào)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

22、、對照原理圖，用萬用表一一檢查線路的各個接口是否接通，是否有短路、斷路的現(xiàn)象，如果有，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(tài)調(diào)試接通220V的電源，用數(shù)字萬用表對所設(shè)計的電路實物進行測試，得到正電源輸出電壓為+5.06V，負電源輸出電壓為-4.43V ，可調(diào)部分電壓調(diào)節(jié)范圍為1.27V10.64V。(2) 技術(shù)指標測量1) 測量穩(wěn)壓系數(shù)測量：先調(diào)節(jié)電壓增加10%，即Vi=242V, 測量此時對應(yīng)的輸出電壓Vo1；再調(diào)節(jié)變壓輸入減少10%，即Vi=198, 測量此時對應(yīng)的輸出電壓Vo2, 然后測量出Vi=220V時對應(yīng)的輸出電壓Vo, 則穩(wěn)壓系數(shù)Sv= = .根據(jù)

23、上述測量方法，可對正負雙電源進行測試，測試數(shù)據(jù)如下：當Vi=198V時，測得數(shù)據(jù)為：VO1+=5.05 V， V01-=-4.40V當Vi=242V時，測得數(shù)據(jù)為：VO2+=5.06V， VO2-=-4.44V當Vi=220V時，測得數(shù)據(jù)為： VO+=5.06V， VO-=-4.42V由以上所測數(shù)據(jù)，可得穩(wěn)壓系數(shù)為： Sr+ =（VO/+VO+）/（Vi/Vi） 0.00988 =0.988%Sr- =（VO-/VO-）/（Vi/Vi） 0.04525 =4.53%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4.8mV）。4.4 誤

24、差分析(1）誤差計算可調(diào)部分最小值誤差：V1min%=（1.27-1.25）/1.25=1.6%可調(diào)部分最大值誤差：V1max%=（10.64-10.51）/10.511.24%+Vcc%=（5.06-5.00）/5.00=1.2%-Vcc%=(-4.43+5.00）/5.0011.4%(2）誤差原因綜合分析可以知道在測試電路的過程中可能帶來的誤差因素有: 1)元件本身存在誤差，本次作品中穩(wěn)壓管CW7905可能存在較大缺陷； 2)焊接時，焊接點存在微小電阻； 3)萬用表本身的準確度而造成的系統(tǒng)誤差； 4)測量方法造成的人為誤差。第五章 結(jié)論和心得本設(shè)計主要利用電源變壓器、整流二極管、濾波電容、集成穩(wěn)壓器固定式及一些芯片來設(shè)計同時輸出±5V電壓直流穩(wěn)壓電源和可調(diào)式直流電源（312V）。在整個設(shè)計過程中，我們始終按照設(shè)計要求和設(shè)計指導(dǎo)書上的提示認真執(zhí)行，期間也遇到了不少理論與實際之間的差距啊所造成的問題，但是我們沒有后退，而是勇敢地面對，并且通過翻閱資料來解決問題。特別是CW317的管腳排列和實際元器件不同，指導(dǎo)書上的輸入、輸出與實際的相反，