直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

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1、 目 錄 摘 要 4 1 直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介與方案論證 5 1.1 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介與分析 5 1.2 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的特點(diǎn)與分類 5 1.3 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的方案論證 6 2 總體設(shè)計(jì) 8 2.1 系統(tǒng)模塊 8 2.2 功能結(jié)構(gòu)圖 9 3 詳細(xì)設(shè)計(jì) 11 3.1 電源變壓器設(shè)計(jì) 11 3.2 整流電路設(shè)計(jì) 11 3.3 濾波電路設(shè)計(jì) 12 3.4 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 12 4 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)功能及調(diào)試情況 15 5 總結(jié) 17 6 實(shí)物圖18 參考文獻(xiàn) 22 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) [摘要] 【由于集成穩(wěn)壓器的可靠性高，也有利于提高穩(wěn)壓精度、縮小體積

2、、減輕重量等優(yōu)點(diǎn)，使它在近十多年發(fā)展很快，目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)發(fā)展到幾百個(gè)品種，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)它的研究。 本設(shè)計(jì)是用220V交流電源經(jīng)過(guò)雙15V變壓器變壓后輸出雙15V交流，再經(jīng)過(guò)以二極管組成的整流橋?qū)⒔涣髡鳛橹绷?，再?jīng)過(guò)濾波電容濾波后使輸出電壓平滑。再以三端固定式集成穩(wěn)壓器LM7805、LM7905、LM7812、LM7912為核心構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路使輸出直流基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性，是輸出直流穩(wěn)定。這類穩(wěn)壓器有輸入，輸出和公共端三個(gè)端口，輸出電壓固定不變，所以輸出穩(wěn)定性更高更好。本設(shè)計(jì)就是應(yīng)用上述原理實(shí)現(xiàn)了直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)?！? [關(guān)鍵詞]

3、 【直流穩(wěn)壓電源 三端穩(wěn)壓器LM7805 三端穩(wěn)壓器LM7812 三端穩(wěn)壓器LM7905 三端穩(wěn)壓器LM7912 雙15V變壓器 濾波電容 整流二極管 】 1 直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介與方案論證 目的： 1. 進(jìn)一步掌握穩(wěn)壓電源制作的理論知識(shí)； 2. 了解LM7805、LM7905、LM7812、LM7912這個(gè)幾個(gè)芯片功能； 3. 熟悉掌握穩(wěn)壓電路制作原理，包括整流，濾波，穩(wěn)壓三個(gè)電路 4. 培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實(shí)事求是的工作態(tài)度。 要求： （1）輸入電壓為交流220V，電源輸出電壓為

4、12∨﹑5∨，要求電壓誤差小于0.2V （2）紋波電壓△VOP-P≤5mV （3）穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤5% （4）最大輸出電流I=1A （5）輸出電阻Ro:～ 1.1 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介與分析 所謂直流穩(wěn)壓電路,就是用半導(dǎo)體工藝和薄膜工藝將穩(wěn)壓電路中的二極管、三極管、電阻、電容等元件制作在同一半導(dǎo)體或絕緣基片上,形成具有穩(wěn)壓功能的固體電路. 集成穩(wěn)壓器在近十多年內(nèi)發(fā)展很快.按電路的結(jié)構(gòu)方式分,有單片式集成穩(wěn)壓器和組

5、合式集成穩(wěn)壓器.按電路的工作方式分,有線性集成穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)式集成穩(wěn)壓器.按管腳的連接方式分,有三端式集成穩(wěn)壓器和多端式集成穩(wěn)壓器.按制造工藝分,有半導(dǎo)體集成穩(wěn)壓器,薄膜混合集成穩(wěn)壓器和厚膜混合集成穩(wěn)壓器. 集成穩(wěn)壓器是在半導(dǎo)體硅片上使用外延、氧化、光刻、擴(kuò)散和金屬蒸發(fā)等工藝制作而成的穩(wěn)壓電路.這種集成穩(wěn)壓器的各種元件在同一工序中制成. 1.2 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的特點(diǎn)與分類 常用的集成穩(wěn)壓器有下列幾種. 1． 多端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 這種穩(wěn)壓器取樣電阻和保護(hù)電路的元件需要外接,它的外接端比較多,便于適應(yīng)不同的用法。它的輸出電壓可調(diào)，以滿足不同輸出電壓的要求。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的這類產(chǎn)品有WB712

6、、WB724、WA705～WA724、5G11、5G14、CW611、CW616、BG602、CW200 系列。 2. 三端固定式集成穩(wěn)壓器 這類穩(wěn)壓器有輸入、輸出和公共端3個(gè)端子，輸出電壓固定不變，CW7800系列的輸出電壓為5，6，9，12，15，18，24V共7個(gè)檔次，它們型號(hào)的后兩位數(shù)字即表示輸出的電壓值，比如CW78M00系列輸出電流為0.5A；CW78L00系列，輸出電流為0.1A。這類產(chǎn)品具有使用方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。 3. 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 它有三個(gè)接線端：輸入端、輸出端、和調(diào)節(jié)端。在調(diào)節(jié)端外接兩個(gè)電阻可對(duì)輸出電壓做連續(xù)的調(diào)解。在要求穩(wěn)壓

7、精度較高，且輸出電壓須在一定范圍內(nèi)做任意調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，可選用這種集成穩(wěn)壓器。目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品有CW117、CW217、CW317、CW137、CW237、CW337等系列。 4. 跟蹤集成穩(wěn)壓器 有很多電路需要正負(fù)電源來(lái)組成，而用跟蹤式集成穩(wěn)壓器更為理想。跟蹤穩(wěn)壓器能保證正負(fù)輸出電壓始終是平衡的，它的中點(diǎn)始終為地電位，并有自動(dòng)跟蹤能力，這類穩(wěn)壓器有LMY10、MC1568、MC1468等。 1.3 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的方案論證 方案一：采用分立式元件 圖1 優(yōu)點(diǎn)：分立元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用常用分立元器件，容易實(shí)現(xiàn)，技術(shù)成熟，完全能夠達(dá)到技術(shù)參數(shù)的要求，造價(jià)成本低。 缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)、調(diào)試難

8、度太大，周期太長(zhǎng)，精確度不是太高。 方案二：采用集成穩(wěn)壓器 圖2 優(yōu)點(diǎn)：集成穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓部分需采用一塊三端穩(wěn)壓器其他分立元器件，比較放大部分均采用對(duì)稱性好、溫漂小的差動(dòng)放大電路，以利于提高其質(zhì)量。元器件先進(jìn)，技術(shù)成熟，完全能達(dá)到題目要求，性能較方案一優(yōu)越一些。 缺點(diǎn)：成本較高。 綜上分析，按照本設(shè)計(jì)課程的要求，采用分立元件設(shè)計(jì)電路成本低，易于購(gòu)置。但是設(shè)計(jì)、調(diào)試難度太大，周期太長(zhǎng)，尤其是短時(shí)間內(nèi)手工制作難以保證可以實(shí)現(xiàn)，且難得達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故采用集成穩(wěn)壓器件設(shè)計(jì)電路，即采用方案二。 2 總體設(shè)計(jì) 電子設(shè)備一般都需要直流電源供電。這些直流電除了少數(shù)直接利用干電池和

9、直流發(fā)電機(jī)外，大多數(shù)是采用把交流電（市電）轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷闹绷鞣€(wěn)壓電源。 圖3 直流穩(wěn)壓電源框圖 直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如圖10-１所示。電網(wǎng)供給的交流電壓廠u1（220Ｖ，50Ｈz）經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓u2，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時(shí)間變化的脈動(dòng)電壓u3，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓ｕI。但這樣的直流輸出電壓，還會(huì)隨交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變動(dòng)而變化。在對(duì)直流供電要求較高的場(chǎng)合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。 2.1 系統(tǒng)模塊 此系統(tǒng)包括電源變壓器

10、、整流電路、濾波電路、和穩(wěn)壓電路三大部分，如圖1所示。 直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng) 電源變壓器 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路 圖4 2.2 功能結(jié)構(gòu)圖 各模塊功能見(jiàn)表1 表1 模塊 電源變壓器 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路 各模塊功能 電源變壓器具有將較大的交流電降壓為直流電源所需要的較小的交流電 將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓 將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷? 獲得穩(wěn)定性好的直流電壓 （1）全波整流電路 利用副邊有中心抽頭的變壓器和兩個(gè)二極管構(gòu)成如下圖所示

11、的全波整流電路。從圖中可見(jiàn)，正負(fù)半周都有電流流過(guò)負(fù)載，提高了整流效率。 全波整流的特點(diǎn)： 輸出電壓V高；脈動(dòng)?。徽?fù)半周都有電流供給負(fù)載，因而變壓器得到充分利用，效率較高。 主要參數(shù)： 圖5 （2）濾波電路 從上面的分析可以看出，整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，與所要求的波形相去甚遠(yuǎn)。所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。濾波電路常有電容濾波，電感濾波和RC濾波等。在此我們選用的是電容濾波電路。由于電容的儲(chǔ)能作用，使得輸出波形比較平滑，脈動(dòng)成分降低輸出電壓的平均值增大。電容放電的時(shí)間τ=RLC越大,放電過(guò)程越慢，輸出電壓中脈動(dòng)（紋波）成分越少

12、，濾波效果越好。一般取τ≥（3～5）T/2，T為電源交流電壓的周期。 圖6 (3)穩(wěn)壓電路 在穩(wěn)壓電路中我們使用三端集成穩(wěn)壓器，三端集成穩(wěn)壓器如圖7所示 圖7 （4）電源變壓器 在此設(shè)計(jì)中使用雙15V輸出變壓器，如圖8所示 圖8 3 詳細(xì)設(shè)計(jì) 3.1電源變壓器設(shè)計(jì) 圖9 電源變壓器具有將較大的交流電降壓為直流電源所需要的較小的交流電。一般地，電網(wǎng)供給有效值為220V的交流電

13、，此設(shè)計(jì)只需要雙15V輸出交流電，所以經(jīng)電源變壓器降壓后便可得到所需要的交流電壓。 3.2整流電路設(shè)計(jì) 整流的作用：將交流電變?yōu)槊}動(dòng)的直流。由于單相半波整流變壓器輸出利用率低，故采用單相全波整流，即單相橋式整流。整流電路和經(jīng)整流后的波形圖分別如圖16和圖17所示： 設(shè)電阻兩端的電壓有效值為Uo(AV)，則 圖10 3.3濾波電路設(shè)計(jì) 整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，與所要求的波形相去甚遠(yuǎn)。所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。濾波電路常有電容濾波，電感濾波和RC濾波等。在此我們選用的是電容濾波電路。 圖11是經(jīng)過(guò)橋式整流電容濾波電路

14、后的波形。 1：由于電容的儲(chǔ)能作用，使得輸出波形比較平滑，脈動(dòng)成分降低輸出電壓的平均值增大。 2：在短暫的導(dǎo)電時(shí)間內(nèi)流過(guò)二極管很大的沖擊電流，所以必須選擇較大容量的二極管。 3：電容放電的時(shí)間越大,放電過(guò)程越慢，輸出電壓中脈動(dòng)（紋波）成分越少，濾波效果越好。一般取τ≥（3～5）T/2，T為電源交流電壓的周期。 圖11 3.4穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 直流穩(wěn)壓電路使輸出直流基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性，是輸出直流穩(wěn)定。這類穩(wěn)壓器有輸入，輸出和公共端三個(gè)端口，輸出電壓固定不變，所以輸出穩(wěn)定性更高更好。此次設(shè)計(jì)我們使用了三種三端穩(wěn)壓器，LM

15、7805、LM7812、LM7905、LM7912。 三端穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)圖如圖12所示，整流后如圖13所示 圖12 圖13 LM78XX： LM79XX： 元件列表 元件名稱 標(biāo)稱值與型號(hào) 引腳數(shù)/只 元件個(gè)數(shù)/個(gè) 電源變壓器 雙15V輸出，TRAN-2P3S 5 1 整流二極管 IN4002 2 8 電解電容 3300uF 2 4 三端穩(wěn)壓器 7905 3 1 三端穩(wěn)壓器 7805 2 1 三端穩(wěn)

16、壓器 7812 2 1 三端穩(wěn)壓器 7912 2 1 電解電容 220uF 4 4 瓷片電容 0.1uF 2 8 電路仿真圖如圖14 圖14 電路原理圖如圖15 圖15 4 作品功能及調(diào)試情況 表一 名稱 Uo Io Ui 紋波電壓 ? ? ? ? 標(biāo)稱值 測(cè)試值 +12V 12.14V 11.89V 12.12V 9.4mA 8.9mA 9.2mA 15V 15.2V 2.4mV +5

17、V 5.00V 4.99V 4.98V 9.1mA 8.8mA 8.9mA 2.4mV -5V -5.14V -4.98V -4.97V -8.4mA -8.0mA -8.1mA 2mV -12V -11.92V -11.87V -11.86V -8.2mA -7.9mA -8.0mA 1.9mV 數(shù)據(jù)分析：穩(wěn)壓系數(shù)： 輸出電阻： Sr=4.53% 紋波電壓：根據(jù)測(cè)試結(jié)果，12∨﹑5∨的紋波電壓均小于3mV，符合設(shè)計(jì)要求。 穩(wěn)壓系數(shù)小于5%，滿足設(shè)計(jì)要求。 最大輸出電流I=1A，滿足設(shè)計(jì)要求。 空載時(shí)輸

18、出電壓分別為+4.99V,+12.14V,-11.94V,-5.03V。誤差較小，滿足設(shè)計(jì)要求。 5 總結(jié) 主要實(shí)現(xiàn)了基于LM7805、LM7905、LM7812、LM7912穩(wěn)壓直流電源的硬件設(shè)計(jì)。本文的主要工作內(nèi)容由三個(gè)主要方面組成，一部分是變壓器及整流電路的設(shè)計(jì)，一部分是濾波電路的設(shè)計(jì)，另一部分是三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)。其中主要的工作內(nèi)容如下： 1) 學(xué)習(xí)主要芯片的功能及其應(yīng)用； 2) 完成穩(wěn)壓直流電源的硬件總體設(shè)計(jì)方案； 3) 用Protel畫(huà)出原理圖； 4） 用Proteus畫(huà)出電路圖及仿真 5) 進(jìn)行電路板焊接和調(diào)試。 本設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題有如下幾個(gè)： 1

19、) 電路板設(shè)計(jì)存在一些不規(guī)范的問(wèn)題； 2) 沒(méi)有實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源各輸出的精確輸出； 3) 沒(méi)有對(duì)電路進(jìn)行完全保護(hù)的設(shè)計(jì)。 由以上存在的問(wèn)題出發(fā)，我們將在以后的設(shè)計(jì)工作中對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，盡量將電路設(shè)計(jì)更加緊湊和合理，同時(shí)將利用所學(xué)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的檢測(cè)和保護(hù)功能的設(shè)計(jì)。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我們更進(jìn)一步的了解到直流穩(wěn)壓電源的工作原理以及它的要求和性能指標(biāo)，讓我們認(rèn)識(shí)到在此次設(shè)計(jì)電路中所存在的問(wèn)題，通過(guò)不斷的努力去解決這些問(wèn)題，解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的同時(shí)自己也在其中有所收獲。實(shí)物的制作也提升了我們的動(dòng)手能力，實(shí)踐能力得到了一定的鍛煉，加深了我們對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)方面的興趣。理論與實(shí)踐得到了很好的結(jié)合。

20、 6 實(shí)物圖 圖16： 圖17： 圖18： 圖19： 圖20： [參考文獻(xiàn)] [1] 童詩(shī)白，華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）［M]. 北京：高等教育出版社，2006.5第四版 [2]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，1997.10第一版 [3]夏路易，石宗義.電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)教程[M].北京：北京希望電子出版社，2002.6第一版 [4]羅小華，朱旗.電子技術(shù)工藝實(shí)習(xí)[M].武昌：華中科技大學(xué)出版社，2003.9第一版 [5]孟祥印，肖世德. 基于先進(jìn)集成電路多輸出線性直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)［J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2005（1）：154-155+180 [6]黃天戍,詹恩奇,任清珍,陳健,肖虎,陳向陽(yáng).實(shí)用直流電源分析與設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2000（1）:80-82