1、課程設計報告課程名稱：電子技術基礎設計課目：直流穩(wěn)壓電源 所在系別：電氣自動化 2011-6-22設計題目：直流穩(wěn)壓電源的設計一、引言二、設計目的三、設計任務和要求四、設計步驟五、總體設計思路六、實驗設備及原器件七、測試要求八、電路調試九、注意事項十、此電路的誤差分析十一、心得體會十三、結束語一 引言 直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。經濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設計主要采用直流穩(wěn)壓構成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，

2、并實現電壓可在6-13V可調。 二 設計目的1. 學會基本理論在實踐中綜合應用的初步經驗，掌握模電設計的基本方法，設計步驟培養(yǎng)綜合設計能力。2. 學會直流穩(wěn)壓電源的設計方法和性能指標的測試方法。3. 培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決你實際問題的能力。三、設計任務及要求1.設計并制作一個連續(xù)可調直流穩(wěn)壓電源，主要技術指標要求：輸出電壓可調： Uo=+6V+9V最大輸出電流： Iomax=800mA輸出電壓變化量： Uo15mV穩(wěn)壓系數： Sv0.003 2. 設計電路結構選擇電路元件，計算確定元件參數，畫出實用原理圖。四、設計步驟1.電路圖設計（1）確定目標：設計整個系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個模塊之

3、間的信號傳輸，并畫出直流穩(wěn)壓電源方框圖。（2）系統(tǒng)分析：根據系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形勢。（3）參數選擇：根據系統(tǒng)指標的要求，確定各模塊電路中元件的參數。（4）總電路圖：連接各模塊電路。2.電路安裝、調試（1）為提高學生的動手能力，學生自行設計印刷電路板，并焊接。（2）在每個模塊電路的輸入端加一信號，測試輸出端信號，以驗證每個模塊能否達到所規(guī)定的指標。（3）重點測試穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數。（4）將各模塊電路連接起來，整機調試，并測量該系統(tǒng)的各項指標。五、總體設計思路1.（1）電網供電電壓交流220V50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網電壓降低獲得所需要焦爐電壓。（2）降壓

4、后的交流電壓，通過整流電路便成單向直流電，但其幅度變化大。（3）脈動大的直流須經過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成分濾掉，保留其直流成分。（4）濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流穩(wěn)壓電壓輸出，供給負載RL。 2.直流穩(wěn)壓電源原理直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成。見下圖其中：（1） 電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變化有變壓器的副邊電壓確定。（2）整流電路：利用單向導電元件，把50Hz的正弦交流電變

5、換成脈動的直流電。（3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。（4）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網電壓和負載的變化而變化。直流穩(wěn)壓電源設計思路。穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成，變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。經濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。電網交流電壓220V（有效值）50HZ，需獲得低壓直流輸出，首先應采用電壓變壓器將電網電壓降低 獲得所需交流電壓。通過整流電路將降壓后的交流電壓變?yōu)閱雾椫绷麟姡藭r其幅度變化大，（脈動大）。利用

6、濾波電路進一步將電流變?yōu)槠交}動小的直流電。通過穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓，得到基本不要外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出供給負載。2. 直流穩(wěn)壓電源的原理圖<1>方框圖圖1 直流穩(wěn)壓電源原理圖<2>各模塊電路圖三 單相橋式整流濾波電路圖四在二極管導通期間，e2向負載電阻Rfz提供電流的同時，向電容器C充電，一直充到最大值。e2達到最大值以后逐漸下降；而電容器兩端電壓不能突然變化，仍然保持較高電壓。這時，D受反向電壓，不能導通，于是Uc便通過負載電阻Rfz放電。由于C和Rfz較大，放電速度很慢，在e2下降期間里，電容器C上的電壓降得不多。當e2下一個周期來到并升高到大于Uc時，又再次對電容

7、器充電。如此重復，電容器C兩端（即負載電阻Rfz：兩端）便保持了一個較平穩(wěn)的電壓，在波形圖上呈現出比較平滑的波形。圖5-10（a）（b）中分別示出半波整流和全波整流時電容濾波前后的輸出波形。顯然，電容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量達到一定值以后，再加大電容量對提高濾波效果已無明顯作用。通常應根據負載電用和輸出電說的大小選擇最佳電容量。電容器的耐壓值一般取的15倍。表5-3中列出帶有濾波器的整流電路中各電壓的關系。表一、輸出電流2A左右1A左右0.5-1A左右0.1-0.5A100-50mA50mA以下濾波電容4000u2000u1000u500u200u

8、-500u200u表二、輸入交流電壓（有效值）負載開路時的輸出電壓帶負載時的輸出電壓每管承受的最大反向電壓半 波 整 流全 波 整 流橋 式 整 流E2E2+E2E2約0.6E2約1.2E2約1.2E2采用電容濾波的整流電路，輸出電壓隨輸出電流變化較大，這對于變化負載（如乙類推挽電路）來說是很不利的。 直流穩(wěn)壓電源電路 交流電經過整流可以變成直流電，但是它的電壓是不穩(wěn)定的：供電電壓的變化或用電電流的變化，都能引起電源電壓的波動。要獲得穩(wěn)定不變的直流電源，還必須再增加穩(wěn)壓電路。要了解穩(wěn)壓電路的工作，得從穩(wěn)壓管說起。有“特異功能”的二極管穩(wěn)壓管一般三極管都是正向導通，反向截止；加在二極管上的反向電

9、壓、如果超過二極管的承受能力，二極管就要擊穿損毀。但是有一種二極管，它的正向特性與普通二極管相同，而反向特性卻比較特殊：當反向電壓加到一定程度時，雖然管子呈現擊穿狀態(tài)，通過較大電流，卻不損毀，并且這種現象的重復性很好；反過來著，只要管子處在擊穿狀態(tài)，盡管流過管子的電在變化很大，而管子兩端的電壓卻變化極小起到穩(wěn)壓作用。這種特殊的二極管叫穩(wěn)壓管。 穩(wěn)壓管的型號有2CW、2DW 等系列，它的電路符號如圖517所示。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性，可用圖5一18所示伏安特性曲線很清楚地表示出來。穩(wěn)壓管是利用反向擊多區(qū)的穩(wěn)壓特性進行工作的，因此、穩(wěn)壓管在電路中要反向連接。穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓稱為穩(wěn)定電壓、不同類型穩(wěn)壓

10、管的穩(wěn)定電壓也不一樣，某一型號的穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值固定在口定范圍。例如：2CW11的穩(wěn)壓值是3.2伏到45伏，其中某一只管子的穩(wěn)壓值可能是35伏，另一只管子則可能是4，2伏。 在實際應用中，如果選擇不到穩(wěn)壓值符合需要的穩(wěn)壓管，可以選用穩(wěn)壓值較低的穩(wěn)壓管，然后串聯(lián)一辦或幾只硅二極管“枕墊”，把穩(wěn)定電壓提高到所需數值。這是利用硅二極管的正向壓降為0607伏的特點來進行穩(wěn)壓的。因此，二極管在電路中必須正向連接，這是與穩(wěn)壓管不同的。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能的好壞，可以用它的動態(tài)電阻r來表示：顯然，對于同樣的電流變化量I，穩(wěn)壓管兩端的電壓變化量U越小，動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓管性能就越好。穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻是隨工作電流變化的

11、，工作電流越大。動態(tài)電阻越小。因此，為使穩(wěn)壓效果好，工作電流要選得合。工作電流選得大些，可以減小動態(tài)電阻，但不能超過管子的最大允許電流（或最大耗散功率）。各種型號管子的工作電流和最大允許電流，可以從手冊中查到。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定性能受溫度影響，當溫度變化時，它的穩(wěn)定電壓也要發(fā)生變化，常用穩(wěn)定電壓的溫度系數來表示這種性能例如2CW19型穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uw= 12伏，溫度系數為0.095% ，說明溫度每升高1，其穩(wěn)定電壓升高11.4毫伏。為提高電路的穩(wěn)定性能，往往采用適當的溫度補償措施。在穩(wěn)定性能要求很高時，需使用具有溫度補償的穩(wěn)壓，如2DW7A、2DW7W、2DW7C 等。穩(wěn)壓管選用:3V18V穩(wěn)壓

12、電源的技術指標可以分為兩大類：一類是特性指標，如輸出電壓、輸出電濾及電壓調節(jié)范圍；另一類是質量指標，反映一個穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內阻（輸出電阻）、紋波電壓及溫度系數等。對穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個萬面的要求1 穩(wěn)定性好2.輸出電阻小3.電壓溫度系數小4.輸出電壓紋波小整流電路廠采用二極管單相全波整流電路，電路圖如下所示。在U2的正半周內，二極管D1、D2導通，D3、D4截止；U2的負半周內，D3、D4導通，D1、D2截止。正半周內部都有電流流過的負載電阻RL，且方向是一致的。在橋式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內導電，所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流平均值的一半。

13、在設計中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點，將電容器和負載電容并聯(lián)或電容器與負載電阻串聯(lián)，以達到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，直流輸出電壓：Uo1=（1.11.2）U2，穩(wěn)壓電路可選集成三段穩(wěn)壓器電路。三端可調式集成穩(wěn)壓器的引腳及其應用見圖四。.LM3171 2 3 圖5（a） 可調式三端穩(wěn)壓器圖5（b） 穩(wěn)壓部分電路 在圖三中，R與RV組成輸出電壓調節(jié)電路，RV為精密可調電位器。電容C可以進一步消除紋波，電容C 還能起到相位補償作用，以防止電路產生自激振蕩。電容C與RV并聯(lián)組成濾波電路，電位器RV兩端的紋波電壓通過電容C2 旁路掉，以減小輸出電壓

14、中的紋波。34 數字顯示部分本次設計的數字顯示部分主要是以數字電壓表的設計原理來實現輸出電壓的實時顯示，由于輸出的電壓是模擬量，而驅動數碼管顯示電壓需要的是數字量，這就涉及到從模擬到數字的轉換，然的再利用外部時鐘進行計數，再通過譯碼器將其顯示出來。如果采用分立元件來實現這些，電路就變得非常復雜為實現，而且可靠性低，我們這里采用將AD轉換與數碼顯示集成一起的芯片TC7107，它將模擬的數字電路集成在一個有40個功能端的電路內，只須少量的外部元件就可以構成數字顯示電路，其引腳圖見圖五。圖6TC7107引腳圖TC7107是一個廣泛應用的集成電路，它包含3又2分之1轉換器，可直接驅動數碼管，內部設有參

15、考電壓，獨立模擬開關，邏輯控制，自動調零等。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，正確數值是 100mV，第 26 引腳是負電源引腳，正確電壓數值是負的，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 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阻容網絡，這三個元件屬于芯片工作的積分網絡，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

16、 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。 輸出電壓可調范圍：1.2V37V輸出負載電流：1.5A輸入與輸出工作壓差U=UiUo：340V能滿足設計要求，故選用穩(wěn)壓電路。（2）選擇電源變壓器1）確定副邊電壓U2：根據性能指標要求：Uomin=3V Uomax=9V又UiUomax（UiUo）min UiUoin（UiUo）max其中：（UiUo）min=3V ，（UiUo）max=4V12VUi43V此范圍中可任選：Ui=14V=Uo1根據 Uo1=(1.11.2)U2可得變壓的副邊電壓：2）確定變壓器副邊電流I2Io1=Io又副邊電流I2=（1.52

17、）Io1 取Io=Iomax=800mA則I2=1.5×0.8A=1.A3）選擇變壓器的功率變壓器的輸出功率：PoI2U2=14.4W（3）選擇整流電路中的二極管變壓器的副邊電壓U2=12V橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為：50V17V橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為：1A0.4A（4）濾波電路中濾波電容的選擇1）求Ui：根據穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數的定義：設計要求Uo15mV，Sv0.003 Uo=+3V+9VUi=14V代入上式，則可求得Ui2）濾波電容C設定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S則可求得C電路中濾波電容承受的最高電壓為，所以所選電容器的耐壓應大于

18、17V。注意：因為大容量電解電容有一定的擾之電感分布電感，易引起自己震蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常并入瓷介小電容用來抵消電感效應，抑制高頻干擾。六、實驗設備及元器件1. 萬用表 2. 示波器 3. 交流毫伏表 4. 三端可調的穩(wěn)壓器電子元件清單序號名稱型號/規(guī)格數量備注1 變壓器 TRSAT2P3S1只2 二極管IN40016只3 三端穩(wěn)壓器LM317L1只4七段顯示譯碼器7SEG-MPX2-CC4只5滑動變阻器POT-LOG1只6電阻1k 1只7電阻9k1只8電阻90k1只9電阻2402只10電阻900k1只11電阻9000k1只12電阻1000k4只13電阻56k1只14電

19、阻120k1只15電阻14k1只16電阻600 1只17電阻5551只18電容2000uF1只19電容10uF1只20電容100uF1只21電容100nF2只22電容47uF1只23電容0.22uF1只24二極管IN40071只25芯片TC71071只26直流電源9V1只27邏輯門（異或門）3只28邏輯門（非門）3只七、測試要求1.測試并記錄電路中各環(huán)節(jié)的輸出波形。2.測試穩(wěn)壓電源輸出電壓的調整范圍及最大輸出電流。3.測量輸出電阻Ro.4.測試穩(wěn)壓系數。用改變輸入交流電壓的方法，模擬Ui的變化，測出對應的輸出直流電壓的變化，則可算出穩(wěn)壓系數Sv。5.用毫伏表可測量輸出直流電壓中的交流紋波電壓大

20、小，并用示波器觀察、記錄其波形。6.分析測量結果，并塔倫提出改進意見。八、電路調試（一）在通電前認真檢查安裝電路，必須對電路進行以下事項的檢查： （1）、二極管的引腳和濾波電容器的極性不能接反，否則會影響元器件 （2）、電源變壓器的一次和二次繞組不能搞錯，否則將會造成故障（3）、電源變壓器的絕緣電阻進行檢測，以防止變壓器漏電。可用萬用表（二）質量指標測試 （1）、穩(wěn)壓系數的測試，先調節(jié)變壓器，是輸入電壓增加%10，測量此時 對應的輸出電壓，再次調節(jié)變壓器使輸入電壓減小%10，測量輸出電壓 在測量V1=220V時，對應的輸出電壓Vo。 （2）波紋電壓的測試，使U=220V 保持不變，在額定輸出電

21、壓或額定輸出電流的情況下，用示波器測出輸出電壓中波紋電壓的峰值。 九、注意事項 1. 焊接時要對各個功能模塊進行單個測試，需要時刻設計一些臨時電路用于調試。 2. 測試電路時，必須要保證焊接正確，才能打開電源，以防止元器件燒壞。 3. 按照原理圖焊接時必須要保證可靠接地。十、此電路的誤差分析綜合分析可以知道在測試電路的過程中可能帶來誤差的因素有： 測得輸出電流時接觸點之間微小電阻造成的誤差； 電流表內阻串入賄賂造成的誤差； 測得紋波電壓時示波器造成的誤差； 示波器，萬用表本身的準確度而造成的系統(tǒng)誤差；可以通過以下的方法去改進此電路： 減小接觸點的微小電阻； 根據電流表的內阻對測量結果可以進行修改； 測得紋波時示波器采用手動同步； 采用更高精確度的儀器去檢測。11、 心得體會 通過這次課程設計，我獲得了很多，首先我明白我們以前所學過的理論知識并沒有很好的理解，電橋濾波等學過，但在實際