可调直流电源设计

1、成 绩 评 定 表学生姓名陶艳班级学号1003010606专 业自动化课程设计题目可调直流电源设计评语组长签字：成绩日期20 年 月 日课程设计任务书学 院信息科学与工程学院专 业自动化学生姓名陶艳班级学号1003010606课程设计题目可调直流电源设计实践教学要求与任务:1） 设计0-5v可调直流电源；2） 画出原理图；3） 画出制版图；4） 实验调试；5） 撰写课设报告。工作计划与进度安排:1） 第1天，查阅相关文献，设计0-5v可调直流电源。2） 第2天，绘制原理图。3） 第3天，画出制版图。4） 第4天，实验调试。5） 第5天，撰写课设报告。指导教师： 201 年 月 日专业负责人：2

2、01 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日摘要随着科学技术的飞速发展，人类进入高速发达的商品社会，市场里各种电子商品琳琅满目，给生活带来极大的方便。但是不少非常实用的电子制品成果，或者受到多方面因素的制约，或者时机尚未成熟，往往很难转化为商品。，许多的电子设备对所需的电源也提出了更高的要求。而这其中相当多的电子设备不能直接使用公用电网提供的交流电源, 而是需要稳定的直流电源，因此对直流电源的性能、体积、重量等的要求也不断提高，再加上当今世界能源贫乏，于是对稳压电源的功率损耗也提出了更严格的要求；同时，电子设备种类的不断增加，使得其对直流电源输出电压值、电流值的需求也越来越多。由于电子技

3、术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源，直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。如果我们能够亲自动手制作，不仅可以使自己的创意得以实现，还能丰富生活，体味乐趣，更重要的是通过制作，有利于我们掌握电子制作技术的技能，激发创造性。关键词：桥堆，集成稳压器，直流电源 目录1. 设计的主要目的及要求51.1设计目的51.2设计要求52.稳压电源的要求及分类62.1稳压电源分类62.2稳压电源技术指标和要求63.核心器件选择83.1三端稳压片选择83.2 电源电压器93.3电容选

4、择104.系统设计124.1直流电源设计思路124.2各部分电路原理分析144.3直流电源仿真分析16总结18参考文献191.设计的主要目的及要求1.1设计目的直流稳压电源是电子系统中的关键部分，其作用是为电子系统提供稳定的电能。通过制作直流0-5v直流可调电源，使我们更充分的掌握电子制作技术的技能，并熟悉绘图软件以及论文的撰写，培养学生的实践能力和创新思维。 1.2设计要求设计出每个功能框图的具体电路图，并根据下列技术参数的要求，计算电路中所用元件的参数值，最后按工程实际确定元件参数的标称值。要求设计满足0-5V直流可调电源，并用软件画出它的原理图和制版图撰写设计报告。2.稳压电源分类要求2

5、.1稳压电源的分类直流稳定电源按习惯可分为化学电源、线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型： （1）化学电源：平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。 （2）线性稳压电源：线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热,而且由于变压器工作在工频（50Hz)上,所以重量较

6、大。该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品；缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。 （3）开关型直流稳压电源：电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹，功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态，开关电源因此而得名。开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般1% V，好的可做到十几mV或更小)。它的功率可自几瓦几千瓦均有产品。2.2稳压电源的技术指标及要求稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节

7、范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求：1稳定性好当输入电压Usr（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压Usc的变化应该很小一般要求 。由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S 来表示：S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。通常S约为。2.输出电阻小负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc，应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。输出电阻（又

8、叫等效内阻）用rn 表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。 rn 反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn 越小，则Ifz   变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至001欧。3.电压温度系数小当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示： 4.输出电压纹波小所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S 。串联型稳压电

9、路，用做一种简单的稳压电源，可以满足一般无线电爱好者的需要。但是，这种电源还有许多“天生的”缺陷，要提高对性能的要求，就必须再做一些改进。从以下四个右面对它的性能加以改善，便可做成一台有实用价值的稳压电源了。这就是：增加放大环节，提高稳定性，使输出电压可调；用复合管做调整管，使输出电流增大；增加保护电路，使电源工作安全可靠。3.核心器件选择3.1 三端稳压片的选择 随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流

10、电源的要求来进行选择。对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。而在这种类型的器件中，又以三端式稳压器应用最为广泛。 78XX 、79XX 系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。78XX 系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V 、24V 七个档次，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。 同类型78M系列稳压器的输出电流为0.5A，78L系列稳压器的输出电流为0.1A。若要求负极性输出电压，则可选用79XX00 系列稳压器除固定输出三端稳压器外，尚有可调式三端稳压器，后者可通过外接元件对输出电压进行调整，

11、以适应不同的需要。如下图所示为LM7805外形图:管脚1为输入端，管脚2为公共端，管脚3为输出端。图3.1LM7805外形图LM7805集成稳压三极管输出电流可达1A,输出电压5V,过热保护，过流保护，输出晶体管SOL保护。VI输入电压(VO=518V) 35VRJC热阻（结到壳） 5/W RJA热阻（结到空气） 65/W TOPR工作结温范围 0125 TSTG贮存温度范围 -65150表1 LM7805的主要参数表电压调整率电流调整率工作温度静态电流耗散功率最大输出电流输出电压偏差输出电压360mV360mV01258MA12W1A0.6920.748V17.318.7V(T(j)=25)

12、LM7905集成稳压三极管输出电压-5V.3.2电源电压器及电容选择1）选电源电压器 通常根据变压器的副边电压U2、电流I2和原边功率P1来选择电源变压器。 （1）确定稳压电路的最低输入直流电压UImin式中：为稳压器的最小输入、输出电压差，而LM317的的允许输入、输出电压查为05V，现取为3V；系数0.9是考虑电网电压可能波动10%。 取 UImin=5V. （2）确定电源变压器副边电压、电流及原边功率 A 变压器副边功率P2 U2I2 2）选择整流二极管及滤波电容 （1）整流二极管的平均电流为： ID=A 二极管承受的最大反向电压： URM=U2 因此，整流二极管可选1N4001，其最大

13、整流电流为1A，最大反向电压为5V。 3.3滤波电容的选择经过整流桥以后的是脉动直流，波动范围很大。后面一般用大小两个电容大电容用来稳定输出，众所周知电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑小电容是用来滤除高频干扰的，使输出电压纯净电容越小，谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高大体的原则：（1）大电容,负载越重，吸收电流的能力越强，这个大电容的容量就要越大；（2）小电容，凭经验，一般104即可。表3 电容参数I02A左右1A左右051A010.5A50100MA50MA电容容量400020001000500200500200要确定电容的耐压值，耐压值选小了，会因过压而击穿，选大了会增加体积和成本

14、，可按下式确定电容C的耐压值Uc。 噪声来自输入端，导致输出5V上叠加有约为200mV的杂散振荡信号。如何滤除干扰：加滤波电容，即电解电容。电解电容使用时,除容量足够外,还应注意耐压值要有足够的余量.同时安装时极性不能装反. 在桥式整流滤波电容中， RL1C>因此： C> 即 C> uf式中：=I2=1.1A。 因此，取俩只2200uf/25V的电容并联做滤波电容。 3）确定其他电路原件参数接在调整端和地之间的电容C4，可用来旁边Rp两端的纹波电压，当C4中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器。LM7805集成稳压器在没有容性负载的情况下可稳定工作，但输

15、出端有5001000pf的容性负载时，会产生自激振荡。为了抑制自激，在输出端并一只47uf的电容C5，C5还可改善电源的瞬态响应，以及进一步减小输出电压中的纹波电压。4.系统设计4.1直流稳压电源设计思路（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负

16、载RL。2.直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。 图4.1直流稳压电源方框图 （1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2.

17、4所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3.10所示。图4.2 整流电路 图4.3输出波形图在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即 。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出

18、电压：Uo1=(1.11.2)U2，直流输出电流： （I2是变压器副边电流的有效值。），稳压电路可选集成三端稳压器电路。图4.4直流电源系统方框图电源变压器：将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。整流电路：利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。滤波电路：利用储能元件（电感或电容）把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。稳压电路：利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。桥式整流电路利用二极管的单向导电特性，将交流电压变换成单向脉动直流电的电路，称为整流电路。4.2各部分电路原理分析1.电源变压器 图4.5桥式整流电路 图4.6桥式整流电路输出波形变压器的作用是将

19、220V交流电压降低为后级电路所需的工作电压U2。D1D4为整流器件。整流电路的作用是将交流电V2变换成脉动的直流VD，他主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二极管构成整流桥堆来执行，常见的整流二极管有1N4007、1N5148等，桥堆有RS210等。RL为整流电路的负载电阻，其两端的电压为整流输出电压。该电路在V2的正负半周都有整流电流流过负载。因此，该电路又称为全波桥式整流电路。其输出电压的平均值可由下式求出VO 其中，V2为变压器次边输出电压有效值。相应地，二极管的平均电流ID=0.45V2/RL每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压VRM= V2在选用整流二极管时，其最大整流电流和最

20、高反向电压应分别大于以上两式计算出的ID和VRM值。如果是选用桥堆进行整流，则应注意最大工作电流和最大反压，反压值的计算同上式，但电流是指能够给负载的最大平均电流，应高于计算值。2. 滤波电路一般采用电容滤波电路。电路如图3.16所示。输出电压波形反映的是电路稳态的结果。图4.7电容滤波电路从图3.16波形图中可以看出，要保持一定的输出电压或输出纹波小，其放电时间长数应足够大，应满足关系是RLC(35)T/2=(35)/2f式中T和f为电网电压的周期和频率，频率通常为50Hz。输出电压与输入电压一般可取VO1.2V23.集成三端稳压器集成三端稳压器具有体积小，外围元减少，调整简单，使用方便且性

21、能好，稳定性高，价格便宜等优点，因而获得越来越广泛的应用。常见的有固定式和可调式两类集成三端稳压器，内部多以串联型稳压电路为主，还有适当的过流、过热等保护电路。一般固定式较便宜，可调式较贵，性能也好些，功率也相对较大。在这里我们用可调式三端稳压器。可调试三端稳压电路，其中LM117，LM337就是有代表性的产品，国内产品的前缀是W，即W117， W337。后两位数字17表示为正电压输出，37表示负电压输出。可调试三端稳压电路除了带有各种保护电路之外，还把采样放大电路也集成到芯片之中，内部电路的原理框图如图虚线所示。它有三个引脚，分别接输入端、输出端和调整端。调整端是基准电压电路的公共端。内部用

22、两个三级管构成复合管；基准电压电路为能隙基准电压电路，基准值UREF为1.25V，准确度和稳定度都非常高。R1和R2为外接取样电阻，调整端接在它们的连接点上。由于放大电路的两个输入端电位差近似等于零，所以R1两端电压近似等于UREF。图4.8可调试三端稳压电路内部电路原理框图当输出电压升高时，放大电路反相输入端的电位随之升高，其输出端（直接接在晶体管的基极）电位必然降低，使两只晶体管的UBE下降，从而抑制UO的上升；当输出电压降低时，各部分的变化与上述相反，因而输出电压UO稳定。输出电压为4.3直流电源设计仿真市电通过220V/15V、1A变压器，连接到稳压电源电路，由整流桥IBQ40整流、C

23、1和R1平滑滤波，输出至电压调整管Q1的集电极。这个电路具有不同于其他电源的特点。电源的基准电压用一个固定增益的运算放大器U1A跟一个可调电阻R11提供，它实现了电压可以从零可调，DZ1选用稳压值3.6V的稳压管。接通电源后运放U1B的输出电压增加到使DZ1导通，通过R7稳定在3.6V附近，因为R3等于1/2R4，所以U1B的放大倍数为1.5，其输出电压是5V。U1B的放大倍数约为3s倍，根据公式A=（R6+R5）/R5，5V的基准电压大约能放大到超过15V，调节电位器R11可实现它的输出电压能从05V可调。电路另一个特征就是用三极管的射极输出可以大幅增大输出电流. 本电源电路仿真当输入220V的交流电时，电位器调到最大电阻时，输出端out的电压为5V,符合设计的要求。具体电路如下：图4.9稳压电源电路图输入电容C1、C2用于抑制纹波电压，输出电容C3、C4用于消振，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。同时由于输出电容C3、C4的存在，容易发