模電課程設(shè)計(jì)——直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)說明書

1、1設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)基本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握模擬電路設(shè)計(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)步驟，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)與調(diào)試能力。學(xué)會直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法和性能指標(biāo)測試方法。培養(yǎng)實(shí)踐技能，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。2設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1簡要說明在電子系統(tǒng)中，總是需要一種穩(wěn)定輸出電壓大小的直流穩(wěn)壓電源，通常將這種電源稱為可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。它輸出電壓Vo恒定，又較大的輸出電壓。2.2設(shè)計(jì)要求(1)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)電源變壓器，整流電路和穩(wěn)壓電路。(2)主要技術(shù)指標(biāo)：(3)輸出電壓：39v連續(xù)可調(diào)(4)輸出電流:Iomax=800mA(5)輸出電壓變化量： Uo<=15mV(6)穩(wěn)壓系數(shù)：Sv<0.00

2、33設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)將220V交流電轉(zhuǎn)換為39V連續(xù)可調(diào)電源，有直流穩(wěn)壓電源原理，設(shè)計(jì)如下概要電路圖1：圖1 整體設(shè)計(jì)原理圖3.1變壓器  變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。  變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。 原理演示圖2 變壓器基本原理圖  變壓器的基本原理是電磁感應(yīng)原理，現(xiàn)以單相雙繞組變壓器為例說明其基本工作原理（如圖2-1）：當(dāng)一次側(cè)繞組上加上電壓Ú1時(shí)

3、，流過電流Í1，在鐵芯中就產(chǎn)生交變磁通Ø1，這些磁通稱為主磁通，在它作用下，兩側(cè)繞組分別感應(yīng)電勢É1，É2，感應(yīng)電勢公式為：E=4.44fNØm 式中：E-感應(yīng)電勢有效值     f-頻率     N-匝數(shù)     Øm-主磁通最大值   由于二次繞組與一次繞組匝數(shù)不同，感應(yīng)電勢E1和E2大小也不同，當(dāng)略去內(nèi)阻抗壓降后，電壓Ú1和Ú2大小也就不同。   當(dāng)變壓器二次側(cè)空載時(shí)，一次側(cè)僅流過主磁通的電

4、流（Í0），這個(gè)電流稱為激磁電流。當(dāng)二次側(cè)加負(fù)載流過負(fù)載電流Í2時(shí)，也在鐵芯中產(chǎn)生磁通，力圖改變主磁通，但一次電壓不變時(shí)，主磁通是不變的，一次側(cè)就要流過兩部分電流，一部分為激磁電流Í0，一部分為用來平衡Í2，所以這部分電流隨著Í2變化而變化。當(dāng)電流乘以匝數(shù)時(shí)，就是磁勢。 上述的平衡作用實(shí)質(zhì)上是磁勢平衡作用，變壓器就是通過磁勢平衡作用實(shí)現(xiàn)了一、二次側(cè)的能量傳遞。3.1.1變壓器選擇根據(jù)相關(guān)題目要求，設(shè)計(jì)電路。輸出功率： P=U*I=9*800=7.2（W ） 根據(jù)電路實(shí)用性，可選擇電路的最大輸出功率為12瓦特。匝數(shù)比：當(dāng)變壓器出入電壓為220V時(shí)

5、，考慮應(yīng)用電路有10%電壓波動：輸入電壓范圍為198V-242V,則設(shè)計(jì)變壓器匝數(shù)比如下：令原變電壓為U1匝數(shù)為N1，副邊電壓為U2匝數(shù)為N2，設(shè)定原邊匝數(shù)為2000由變壓器原理可得：U1*N2 = U2*N1輸出為3V-9V時(shí)，由于后面整流輸出電壓為（1.1-1.2）U2設(shè)定變壓輸出U2的大小為9V以滿足變壓最大輸出。 198V*N2 = 9V*2000 解得： N2 = 90（匝）3.2整流原理利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪?shí)現(xiàn)整流。全波橋式整流前述半波整流只利用了交流電半個(gè)周期的正弦信號。為了提高整流濾波效率，使交流電的正負(fù)半周信號都被利用，則應(yīng)采用全波整流，現(xiàn)以全波橋式整流為例，其電路和相應(yīng)

6、的波形如圖3所示。圖3全波整流原理及整流前后波形對比若輸入交流電為.3.1則經(jīng)橋式整流后的輸出電壓為（一個(gè)周期）3.2其相應(yīng)直流平均值為3.3由此可見，橋式整流后的直流電壓脈動大大減少，平均電壓比半波整流提高了一倍。3.2.1整流電路設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求，兩種輸出電壓要兩套整流電路，但是在本題目中兩種電壓相差不大，可以用同樣的整流電路來實(shí)現(xiàn)兩種不同電壓大小的整流。 圖4設(shè)計(jì)全波整流電路   圖4中二極管D1、D2、D3、D4均為1N4002；RL為整流電路負(fù)載。3.3濾波電路原理經(jīng)過整流后的電壓（電流）仍然是有“脈動”的直流電，并不能用為電子產(chǎn)品的電壓共給，為了減少波

7、動，通常要加濾波器，常用的濾波電路有電容、電感濾波等。 電容濾波電路電容濾波器是利用電容充電和放電來使脈動的直流電變成平穩(wěn)的直流電。我們已經(jīng)知道電容器的充、放電原理。圖4-1所示為電容濾波器在帶負(fù)載電阻后的工作情況。設(shè)在t0時(shí)刻接通電源，整流元件的正向電阻很小，可略去不記，在t=t1時(shí)，uc達(dá)到峰值為。此后ui以正弦規(guī)律下降直到t2時(shí)刻，二極管D不再導(dǎo)電，電容開始放電，uc緩慢下降，一直到下一個(gè)周期。電壓ui上升到和uc相等時(shí)，即t3以后，二極管D又開始導(dǎo)通，電容充電，直到t3。在這以后，二極管D又截止，uc又按上述規(guī)律下降，如此周而復(fù)始，形成了周期性的電容器充電放電過程。在這個(gè)過程中，二極管

8、D并不是在整個(gè)半周內(nèi)都導(dǎo)通的，從圖上可以看到二極管D只在t3到t4段內(nèi)導(dǎo)通并向電容器充電。由于電容器的電壓不能突變，故在這一小段時(shí)間內(nèi)，它可以被看成是一個(gè)反電動勢。圖5 直流濾波原理圖由電容兩端的電壓不能突變的特點(diǎn)，達(dá)到輸出波形趨于平滑的目的。經(jīng)濾波后輸出的波形如圖6所示。圖6直流濾波后的波形當(dāng)空載時(shí)，在V2的正、負(fù)半周，D1、D3和D2、D4輪流導(dǎo)通，均有單方向電流對電容充電。Vc1.414V2,并保持不變。當(dāng)接上負(fù)載RL后，設(shè)V2從零開始上升，在V2<Vc時(shí)，二極管均反偏截止，電容C對RL放電，放電時(shí)間常數(shù)d=RLC通常很大，Vc按指數(shù)規(guī)律緩慢下降，如圖中的Vc波形的ab段。當(dāng)V2上

9、升至V2>Vc時(shí)，D1、D3正偏導(dǎo)通，iD1、3的其中一部分提供負(fù)載電流，另一部分對C充電。充電時(shí)間常數(shù)圖7 直流濾波后的近似波形d=(Rint/RL)C=RintC較小,Vc上升很快，如圖中Vc波形的bc段。Vomax=1.414V2為充電的最大值，Vomin為電容C放電結(jié)束時(shí)的最小值。根據(jù)三角形相似關(guān)系可得（Vomax-Vomin)/Vomax=T/2RLC即Vomin=(1-1/2fRLC)Vomax通常C使放電時(shí)間常數(shù)滿足下列關(guān)系式d=RLC=(35)T/2所以Vo1.2V2表3.2電容大小及對應(yīng)輸出電流輸出電流2A左右1A左右0.5-1A左右100-50mA50mA以下濾波電容

10、4000u2000u1000u500u200u-500u200u3.3.1濾波電路設(shè)計(jì)按照題目要求和對應(yīng)電容的濾波效果、輸出電流設(shè)計(jì)如下電路。圖8設(shè)計(jì)濾波電路圖100.141穩(wěn)壓電路4.1.1 LM117H三端穩(wěn)壓器圖9 LM117H三端穩(wěn)壓器4.1.2原理框圖LM117H的原理框圖如圖所示。它有三個(gè)引出端，分別為輸入端、輸出端和電壓調(diào)整端（簡稱調(diào)整端）。調(diào)整端是基準(zhǔn)電壓電路的公共端。T1和T2組成復(fù)合管為調(diào)整管；比較放大電路是共集-共射放大電路；保護(hù)電路包括過流保護(hù)、調(diào)整管安全區(qū)保護(hù)和過熱保護(hù)三部分。R1和R2為外接的取樣電阻，調(diào)整端接在它們的連接點(diǎn)上。當(dāng)輸出電壓UO因某種原因（如電網(wǎng)電壓波

11、動或負(fù)載電阻變化）而增大時(shí)，比較放大電路的反相輸入端電壓（即采樣電壓）隨之升高，使得放大電路輸出端電位下降，UO勢必隨之減小；當(dāng)輸出電壓UO因某種原因減小時(shí)，各部分的變化與上述過程相反；因而輸出電壓穩(wěn)定。可見，與一般串聯(lián)型穩(wěn)壓電路一樣，由于LM117H電路中引入了電壓負(fù)反饋，使得輸出電壓穩(wěn)定。4.1.3主要參數(shù)LM117、LM217M和LM317L的最大輸出電流分別為1.5A、0.5A、0.1A。LM117H、LM217M和LM317L具有相同的引出端、相同的基準(zhǔn)電壓和相似的內(nèi)部電路。主要參數(shù)如下表所示。對表說明對于特定的穩(wěn)壓器，基準(zhǔn)電壓UREF是1.2V1.3V中的某一個(gè)值，典型值為1.25

12、V；LM117、LM217M和LM317L的輸出端和輸入端電壓之差為340V，過低時(shí)不能保證調(diào)整管工作在放大區(qū)，從而使穩(wěn)壓電路不能穩(wěn)壓；過高時(shí)調(diào)整管可能因管壓降過大而擊穿；外接取樣電阻不可少，根據(jù)最小輸出電流IOmin可以求出R1的最大值；調(diào)整端電流很小，且變化也很?。籐M117、LM217M和LM317L在電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載電阻變化時(shí)，輸出電壓非常穩(wěn)定。表1 LM117/LM217M/LM317L主要性能參數(shù)參數(shù)名稱符號單位LM117/LM217MLM317L典型值典型值輸出電壓UOV1.2371.237電壓調(diào)整率SU%/V0.010.01電流調(diào)整率SI%0.10.1調(diào)整端電壓IadjA50

13、50調(diào)整端電流變化IadjA0.20.2基準(zhǔn)電壓UREFV1.251.25最小負(fù)載電流IOminmA3.53.5Ui輸入電壓，在允許范圍內(nèi)選2個(gè)不同的值，定為Uih、 Uil，由數(shù)字電壓表V1測量；Uo直流穩(wěn)壓電源DW的輸出電壓，由數(shù)字電壓表V2測量；A1電流表，測量直流穩(wěn)壓電源DW的輸出電流Io；R1、R2負(fù)載。當(dāng)輸入電壓為Uih時(shí)，得到Uoh，和Io，當(dāng)輸入電壓為Uil時(shí)，調(diào)節(jié)R1，使Io保持不變，得到Uol，穩(wěn)壓系數(shù)S=（UohUol）（UihUil）。用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器LM117構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。LM117的3、1端間電壓U REF=1.25V，當(dāng)電位器R2調(diào)到最上端時(shí)，有：當(dāng)電位器

14、R2調(diào)到最下端時(shí)，有：為了防止電路產(chǎn)生自激振蕩，應(yīng)當(dāng)在輸出端對地接一個(gè)電容C。接上C后，如果輸入端出現(xiàn)短路，電容C上存儲的電荷將會產(chǎn)生很大的電流反向流入穩(wěn)壓器，并使之損壞。因此，必須接入二極管D1進(jìn)行保護(hù)。電容C 2的作用是減小電阻R 2上的電壓波動。但在輸入端短路時(shí)，電容C 2上存儲的電荷也會產(chǎn)生很大的電流反向流入穩(wěn)壓器并使之損壞。必須接入二極管D2進(jìn)行保護(hù)。4 總體電路設(shè)計(jì)圖10模擬仿真圖圖11.PCB圖5元件列表元件名稱相關(guān)參數(shù)元件數(shù)量備注電位器01K歐可變1RL二極管1N40022D2 D3電容電阻215歐1R1300歐1R20.47UF1C2100歐1R310uF/20V1C1 C3

15、2200uF/20V1C4單相橋3N2461D1變壓器12V1T1集成穩(wěn)壓芯片LM1171U1表2 原件列表6課程設(shè)計(jì)總結(jié)一學(xué)期的模電課結(jié)束了，四個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)也接近尾聲，在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中查資料，上網(wǎng)搜信息，從書中找原理，忙活了幾星期有成功有失敗感觸頗深。首先，在設(shè)計(jì)中遇到難題到圖書館找資料，和同學(xué)討論問題，向老師咨詢問題討教經(jīng)驗(yàn)，將問題一一解決，增進(jìn)了不少的實(shí)際操作設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。其次，設(shè)計(jì)同時(shí)與同學(xué)交流設(shè)計(jì)心得，大大提高了設(shè)計(jì)的效率和資源的利用率。最后，課程設(shè)計(jì)是對上課理論內(nèi)容的實(shí)際操作檢驗(yàn)，通過直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了知識的整合、分析，解決為題，進(jìn)一步體會課程內(nèi)容的真正用途，加強(qiáng)對課程的重視度，進(jìn)一步了解所學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用。在設(shè)計(jì)的同時(shí)也深感課本知識的重要性，使用性，學(xué)好知識的必要性。時(shí) 間： 2012年6月4日 設(shè)計(jì)人： 自本1003班 顏濤參考