直流穩(wěn)壓電源設(shè)計畢業(yè)論文

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1、 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計 題 目 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成日期

2、 xxxxxxxx學(xué)院教務(wù)處制 二〇一三 年 五 月 摘 要 隨著科技的發(fā)展，電氣、電子設(shè)備已經(jīng)在日常、科研、學(xué)習(xí)等各個方面得到廣泛的應(yīng)用。電源作為電氣、電子設(shè)備必不可少的能源供應(yīng)部件，其需求日益增多，并且對電源的功能、穩(wěn)定性等各項指標也要求更高。對電源的研究和開發(fā)已經(jīng)成為新技術(shù)、新設(shè)備開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，它對推動科技發(fā)展起著重要作用。采用三端式穩(wěn)壓電路設(shè)計直流穩(wěn)壓電源，通過相關(guān)知識可計算出電路中各個器件的參數(shù)，使電路性能達到設(shè)計要求的電壓調(diào)整率，電流調(diào)整率，負載調(diào)整率，紋波電壓等各種指標。利用protues仿真軟件對所設(shè)計的電路進行仿真調(diào)試，使設(shè)計達

3、到要求。 直流穩(wěn)壓電壓電源的設(shè)計思路是將220V，50HZ市交流電通過變壓器降為合適交流電壓值，然后經(jīng)過整流電路將交流電轉(zhuǎn)為直流電，再通過濾波電路濾除直流電中的交流成分，最后通過集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定直流電輸出。集成穩(wěn)壓器具有體積小、重量輕、安裝和調(diào)試方便、可靠性和穩(wěn)定性高等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：電源 穩(wěn)壓 整流 濾波 Abstract Along with technical development, the electricity and electronic instruments have already been widespread app

4、lied in daily, scientific research, study and so on each aspect. Since the power supply takes the essential energy-supply part of electrical and electronic instruments, its demand increases day by day, and also been set a higher request to function, stability and so on each target. The power supply

5、research has already become the important link to the development of the new technology and the new equipment. It’s playing the vital role in the impetus of science and technology development. This design mainly uses series linear constant voltage circuit to design direct current constant voltage po

6、wer supply.We must calculate various each component parameter in the circuits by correlated knowledge and enable the circuit performance to meet in the design requirements such as the voltage regulation rate, the current regulation rate, load regulation rate, ripple voltage and so on. This design i

7、deas for the 220V, 50HZ electricity fell right through the step-down transformer AC voltage value, and through the rectifier circuit to alternating current to direct current, and then filtered through the filter circuit in the exchange of DC components, the final composition via an integrated voltag

8、e regulator The regulator circuit into a stable DC output. And an integrated voltage regulator ICs with general small size, light weight, easy installation and commissioning, reliability and stability of the higher benefits. Key Words: Power voltage stabilizing rectifier filtering 目錄

9、 第一章 緒論 1 1.1 研究的背景和意義 1 1.2 電源的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3 直流穩(wěn)壓電源概述 2 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 4 第二章 設(shè)計方案 5 2.1 設(shè)計的目的和任務(wù) 5 2.1.1 設(shè)計的目的 5 2.1.2 設(shè)計的任務(wù) 5 2.2 設(shè)計的思路 5 2.3 設(shè)計的電路選擇 6 第三章 單元電路的原理和設(shè)計 11 3.1 電源變壓器 11 3.2整流電路 11 3.3 濾波電路 14 3.4 穩(wěn)壓電路 16 3.4.1 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 16 3.4.2 三端固定式集成穩(wěn)壓器 18 3.4.3 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 21 第

10、四章 電路設(shè)計和器件選擇 24 4.1 12V直流電壓對稱輸出電路 24 4.2 +5V直流電壓輸出電路 25 4.3（+3～+9)V直流電壓連續(xù)可調(diào)輸出電路 26 4.4電路設(shè)計總圖 28 第五章 電路仿真 30 5.1 Protues仿真軟件簡介 30 5.2電路仿真 31 5.2.1 12V直流電壓輸出電路仿真 31 5.2.2 +5V直流電壓輸出電路仿真 32 5.2.3 (+3～+9)V直流電壓連續(xù)可調(diào)輸出電路仿真 33 5.3性能測試 35 第六章 設(shè)計總結(jié) 40 參考文獻 41 致謝 42 附錄 43

11、 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計 第一章 緒論 1.1 研究的背景和意義 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電氣，電子設(shè)備在人們的生活和生產(chǎn)中起到了越來越重要的作用，許多的電子設(shè)備對電源也提出了更高的要求。通常會有相當多的電子設(shè)備不能直接使用公用電網(wǎng)提供的交流電, 而是需要能夠輸出穩(wěn)定直流電的的直流電源，而且對直流電源的性能、體積、

12、重量等的要求也在不斷提高，在世界能源貧乏的今天，電氣，電子設(shè)備對穩(wěn)壓電源的功率損耗也提出了更嚴格的要求；與此同時，電子設(shè)備種類的不斷增加，它們對直流電源輸出電壓值、電流值的需求也越來越多。 自上世紀九十年代以來，電子系統(tǒng)要求實現(xiàn)更高的效率和更低的功耗，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新速度飛快，它也推動電源行業(yè)中交流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和更具智能化的方向發(fā)展。從80年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開始，到20世紀末更為先進的第四代分布式供電結(jié)構(gòu)以及中間母線結(jié)構(gòu)，直流電源行業(yè)正面臨著更大的挑戰(zhàn)，那就是怎樣實現(xiàn)在現(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數(shù)字控制功能。 其實，在90年代中期，一些半導(dǎo)體生產(chǎn)商

13、們就能夠開發(fā)出了數(shù)控電源管理技術(shù)，但是在當時，這種方案的性價比與市面上廣泛使用的模擬控制方案相比還相差甚遠，因此沒有被廣泛采用在生產(chǎn)和生活當中。因為當時板載電源管理被廣泛的應(yīng)用，電源行業(yè)能源節(jié)約和運行最優(yōu)化也備受關(guān)注，電源行業(yè)和半導(dǎo)體生產(chǎn)商們便開始著手開發(fā)名為“數(shù)控電源”的一種新產(chǎn)品。 在今天，隨著直流電源技術(shù)的快速發(fā)展, 整流系統(tǒng)的發(fā)展由以前的分立元件和集成電路控制轉(zhuǎn)換為使用微機控制, 使直流電源達到了智能化的性能,其中包括 具有遙測、遙信、遙控的三遙功能的直流電源, 基本實現(xiàn)了在直流電源無人看守的情況下也能工作。 1.2 電源的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 電源技術(shù)是一門實踐性很強的電子工程技

14、術(shù)，它服務(wù)于當今社會的各行各業(yè)，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應(yīng)用。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)域的知識。隨著計算機技術(shù)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)提供了非常廣闊的發(fā)展前景，同時也對電源提出了越來越多的要求。數(shù)控電源在電子裝置中得到普遍使用，但是普通電源在工作時產(chǎn)生一些誤差，會影響到整個系統(tǒng)的精確度，電源在使用時甚至?xí)斐珊芏嗖涣己蠊?，給生產(chǎn)帶來不便，因此世界各國對電源產(chǎn)品提出了不同的要求并制定了一些的產(chǎn)品精度標準。只有滿足了這些產(chǎn)品標準，才可以進入市場。在經(jīng)濟全球化發(fā)展的今天，只有滿足國際標準的電源產(chǎn)品才能獲得進出各國的通行證。 電源可以

15、分為交流電源和直流電源，它是任何電子設(shè)備都不可缺少的重要組成部分。交流電源一般為220V、50Hz電源，但許多家用電器設(shè)備，電子產(chǎn)品都要采用直流電源作為供電能源，比如收音機、電視機、帶微處理器控制的家電設(shè)備等?，F(xiàn)在所使用的大多數(shù)電子設(shè)備，幾乎都必須用到直流穩(wěn)壓電源供電，才能使其正常工作，而如今最常使用的是能將交流電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電壓的直流電源，由此可見直流穩(wěn)壓電源在電子設(shè)備中起著非常重要的作用，直流電源為電子、電氣設(shè)備能夠正常穩(wěn)定的工作提供保證。電網(wǎng)的220V、50HZ的單向交流電經(jīng)電源變壓器降壓后，再經(jīng)過整流濾波過程可獲得電壓較低的小功率直流電源。又因為一般的電網(wǎng)電壓會有10%幅

16、度的波動變化，必須將整流濾波后的直流電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路穩(wěn)定后再提供給負載，才能夠使負載上直流電源電壓受電網(wǎng)波動因素的影響程度達到最小，保證電子設(shè)備的正常工作。 1.3 直流穩(wěn)壓電源概述 在電子電路和電子設(shè)備中，一般都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電，作為電子電路中必不可少的重要組成部分，它的作用有兩個方面，一是為各級電路中的三極管提供合適的偏置，其次是作為整個電子電路提供能量來源。常見的供電方式有兩種，一種是采用干電池、蓄電池或其他形式向電路供電，這種供電方式是用化學(xué)能或其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能之后，向電路提供能量，這種方式的缺陷在于能量的使用要受很多實際條件（如電池的容量）的限制；另一

17、種方式是利用電網(wǎng)向電路供電，這種供電方式是把電網(wǎng)的交流電經(jīng)過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓之后，轉(zhuǎn)化為直流電向電路提供能量，因為電網(wǎng)所提供的能量是源源不斷的，所以這種供電方式具有很大的優(yōu)勢，也被廣泛的使用。直流穩(wěn)壓電源的基本組成結(jié)構(gòu)可以用圖1-1表示，它一般是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成。 圖1-1直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)圖 電源變壓器的作用是是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，通過整流電路可以將交流電壓變成脈動的直流電壓。因為這種脈動的直流電壓中還含有較大的紋波，所以必須通過濾波電路加以濾除，

18、才能得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動，電網(wǎng)波動一般在10%左右，會受負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，電源還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，保證輸出直流電壓穩(wěn)定。 在電子設(shè)備中，所需的直流電壓比較小，一般在千瓦以下，但是要求電壓具有較高的穩(wěn)定性。通常對直流電源的性能要求是：輸出電壓穩(wěn)定、紋波小、負載能力強等。直流電源的性能指標主要有如下幾個： （1）輸入電壓Ui。 電源所要求的輸入電壓，一般是220V、50Hz 的交流電。 （2）額定輸出電壓U0 。 電源輸出的直流電壓，可變電源的某個范圍值。

19、 （3）最大輸出電流Imax 。 電源在額定輸出電壓U0 下工作時，所能提供的最大輸出電流。有時也用最大輸出功率Pmax 來表示。 （4） 紋波系數(shù)S 。 電源輸出電壓所含有的基波分量的峰值與輸出直流電壓之比，它反應(yīng)了輸出電壓的穩(wěn)定程度。 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 （1）復(fù)習(xí)電子電路的相關(guān)知識，了解直流穩(wěn)壓電源的組成和工作原理。查閱并收集與本課題有關(guān)的資料。 （2）設(shè)計直流穩(wěn)壓電源，滿足性能指標要求，并對設(shè)計電路進行工作原理分析，元件參數(shù)計算及元件選擇。 （3）對所設(shè)計電路進行仿真與調(diào)試。 （4）關(guān)于直流電源設(shè)計和仿真的總結(jié)與體會。 23

20、 第二章 設(shè)計方案 2.1 設(shè)計的目的和任務(wù) 2.1.1 設(shè)計的目的 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備在人們的日常生活和生產(chǎn)中的地位也越來越重要，直流穩(wěn)壓電源是許多電子設(shè)備不可缺少的組成部分，它被廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、科研等諸多領(lǐng)域。通過直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計和對所設(shè)計電路進行仿真與調(diào)試，鞏固所學(xué)的電子技術(shù)知識，提高對電路的設(shè)計、分析、應(yīng)用和仿真的能力，為今后的從事相關(guān)的研發(fā)工作奠定基礎(chǔ)。 2.1.2 設(shè)計的任務(wù) 設(shè)計一個直流穩(wěn)壓電源，使之能夠滿足性能指標要求，能夠?qū)υO(shè)計電路進行工作原理分析，計算出相關(guān)元器件參數(shù)，選擇符合要求的各種電路元器件；利用仿真軟件對所設(shè)計電路進行仿真與調(diào)試；對

21、直流穩(wěn)壓電源的仿真調(diào)試結(jié)果進行分析和總結(jié)。 直流穩(wěn)壓電源的主要設(shè)計指標如下： (1) 輸出電壓Uo及最大輸出電流Iomax： I 檔 ： Uo=12V對稱輸出,Iomax=100mA; II檔 ： Uo=+5V,Iomax=300mA; III檔 ： Uo=(+3～+9)V連續(xù)可調(diào),Iomax=200mA。 (2) 紋波電壓： ?Uop–p≤5mV。 (3) 穩(wěn)壓系數(shù)：SU<=0.005。 （4）具有過流保護功能。 2.2 設(shè)計的思路 直流穩(wěn)壓電源是一種將220V、50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電壓的裝置，它需要經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成

22、。如圖2-1所示 圖2-1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計波形變化圖 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計的基本思路為： （1）電網(wǎng)提供的電壓為交流220V(有效值)50Hz，若要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。 （2）經(jīng)過電源變壓器降壓后的交流電壓，通過整流電路進行整流，可以變成單向的脈動直流電，但其幅度變化大。 （3）脈動大的直流電壓還須經(jīng)過濾波電路才能變成平滑且脈動小的直流電，即將直流電中的交流成份濾掉，保留其直流成份。 （4）濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界因素影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，這時候才可以供給負載RL。

23、 2.3 設(shè)計的電路選擇 1.整流電路的設(shè)計 方案一:采用半波整流電路 半波整流電路如圖2-2所示，半波整流電路只利用電源輸出電壓的正半周，電源的利用效率非常低，會帶來很大的資源浪費，它僅在高電壓、小電流等少數(shù)情況下使用，一般半波整流電路電源電路中很少使用。 圖2-2 半波整流電路圖 方案二：采用全波整流電路 全波整流電路圖見如圖2-3所示，全波整流電路中的每個整流二極管上流過的電流只是負載電流的一半，比半波整流小一倍，它所使用的整流器件較半波整流時多一倍。全波整流電路的整流電壓脈動較小，變壓器的利用率比半波整流時高很多，整流器件所能承受的反向電壓較高。但是全波整流電路

24、需要特制的變壓器才能正常工作，變壓器二次繞組需要一個中心抽頭，制作起來會比較麻煩。 圖2-3 全波整流電路圖 方案三：采用橋式整流電路 橋式整流電路如圖2-4所示，這種整流電路使用普通的變壓器，比一般的全波整流電路多用到了兩個整流二極管。因為整流二極管以四個連接成電橋形式，所以稱這種整流電路為橋式整流電路。橋式整流電路使用的整流器件較一般的全波整流電路多一倍，但是其每個器件所承受的反向電壓較小，在直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計當中得到廣泛使用。 圖2-4 橋式整流電路圖 綜合考慮以上3種方案的優(yōu)缺點，決定采用方案三：橋式整流電路。 2.濾波電路的設(shè)計 方案一：采用電感濾波電路

25、 電感濾波電路如圖2-5所示，電感濾波電路是利用電感對脈動直流的反向電動勢來達到濾波的作用，電感量越大，其濾波效果越好。電感濾波電路帶負載能力比較好，多用于負載電流很較大的場合。如果忽略電感線圈的直流電阻，負載上的直流電壓與不加濾波時負載上的直流電壓基本相同。電感濾波電路輸出電壓沒有電容濾波高。在電感濾波電路中，峰值電流很小，整流管的導(dǎo)電角較大，輸出特性比較平坦，但是由于鐵心的存在，笨重、體積大，容易引起電磁干擾，電感濾波電路用只用在低電壓、大電流場合。 圖2-5 電感濾波電路 方案二:采用RC濾波電路 RC濾波電路如圖2-6所示，它是由兩個電容和一個電阻組成，又

26、稱π型RC濾波電路。這種濾波電路由于增加了一個電阻R1，使交流紋波都分擔(dān)在R1上。R1和C2越大其濾波效果越好，但R1過大又會造成壓降過大，減小了輸出電壓。在RC濾波電路中，一般R1應(yīng)遠小于R2。 圖2-6 RC濾波電路圖 方案三：采用LC濾波電路 LC濾波電路如圖2-7所示，LC濾波電路是一種與RC濾波電路相對的濾波電路，此濾波電路的優(yōu)點是綜合了電容濾波電路紋波小和電感濾波電路帶負載能力強的特性。 圖2-7 LC濾波電路圖 方案四：采用電容濾波電路 電容濾波電路如圖2-8所示，電容濾波電路是利用電容的充放電原理達到濾波的作用。電容濾波電路簡單，紋波較小，負載直

27、流電壓比較高，它適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合，使用電容濾波電路也減輕了電路設(shè)計工作。由于電感的體積和制作成本等原因，濾波電路多采用電容濾波。 圖2-8 電容濾波電路 基于以上的電路對比分析，選用電容濾波電路。 3.穩(wěn)壓電路的設(shè)計 穩(wěn)壓電路的作用是為電路提供更加穩(wěn)定的直流電。整流濾波電路的輸出電壓和理想直流電源還有一定的差距，主要因為兩方面的原因：第一，當負載電流發(fā)生變化時，由于整流濾波電路存在內(nèi)阻，輸出的直流電壓將會隨之發(fā)生變化；第二，當電網(wǎng)電壓有波動時，整流電路的輸出電壓與變壓器副邊電壓有直接的關(guān)系，因此輸出直流電壓也會發(fā)生變化。 根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，可以采

28、用LM7805,LM7812和LM7912,LM317共同組成所需的穩(wěn)壓電路。利用固定式三端穩(wěn)壓器LM7812和LM7912組裝的電路可對稱輸出12v的直流電壓；LM7805固定式三端穩(wěn)壓器可輸出+5V電壓；采用LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器能夠組裝輸出連續(xù)可調(diào)的(+3～+9)V直流電壓。 第三章 單元電路的原理和設(shè)計 3.1 電源變壓器 變壓器是一種利用線圈互感特性構(gòu)成的元器件，幾乎所有的電子產(chǎn)品中都會用到變壓器進行變壓。變壓器的工作原理比較簡單，但是在不同的使用場合，變壓器的繞制工藝和方法會有所不同。通常，變壓器的功能主要有：電壓變換；阻抗變換；隔離；穩(wěn)壓等。它是由一個初級線圈及

29、一個次級線圈組成。 電源變壓器的效率是副邊功率與原邊功率的比值，即 =P2/P1 (3-1) 其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表3-1所示： 表3-1 小型變壓器的效率 副邊功率 效率 0.6 0.7 0.8 0.85 一般根據(jù)變壓器副邊輸出的功率P2來選取變壓器。由穩(wěn)壓器的要求得出變壓器副邊的輸出電壓U2與穩(wěn)壓器輸入電壓Ui的關(guān)系。U2的值不能取大，U2越大，穩(wěn)壓器的壓差越大，功耗也越大。一般取U2≥Uimin/

30、1.1，I2>I0max。。 3.2整流電路 橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。其電路如圖3-1所示，這種電路，只要增加兩只二極管口連接成"橋"式結(jié)構(gòu)，便具有普通全波整流電路的優(yōu)點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。因為二極管具有單向?qū)щ娦?，在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運用。在橋式整流電路中，流過變壓器次級的電流是正負相對稱的，沒有直流成分流過次級繞阻。橋式整流電路的輸出電壓高，諧波電壓較小，管子所承受的最大方向電壓較低，同時因電源變壓器在正負半周內(nèi)部都有電流供給負載，使電源變壓器得到了充分的利用，利用效率較高。 圖3-1 橋式整流電路 1. 橋式整流

31、電路的工作原理 如圖3-1所示， 當U2為正半周時，對D1、D3加正向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成U2、Dl、RL 、D3通電回路，在RL上形成上正下負的半波整流電壓； 當U2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成U2、D2、RL 、D4通電回路，同樣在RL上形成上正下負的另外半波的整流電壓。 如此重復(fù)下去，結(jié)果在RL上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖3-1中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值。

32、 如圖3-2所示，經(jīng)過橋式整流后，在負載電阻RL上正得到的是同一個方向的單向脈動電壓。 圖3-2橋式整流電路波形變化 2. 橋式整流電路的參數(shù)計算 (1)輸出平均電壓Uo。 由Uo波形可知，橋式整流電路的輸出平均電壓是半波整流電路的2倍， 即： （3-2） (2)流過每個二極管的平均電流ID。 由于D1 、 D3和D2、 D4輪流導(dǎo)通， 因此流過每個二極管的平均電流只有負載電流的一半

33、， 即： （3-3） (3)二極管承受的最高反向峰值電壓URM。 當U2上正下負時，D1 、D3導(dǎo)通，D2、D4截止， D2 、D4相當于并聯(lián)后跨接在U2上，因此反向最高峰值為：

34、 （3-4） 3.單相橋式整流電路的負載特性曲線 單相橋式整流電路的負載特性曲線是指輸出電壓與負載電流之間的關(guān)系曲線。如圖3-6所示：該曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。 圖3-3單相橋式整流電路的負載特性曲線 3.3 濾波電路 交流電經(jīng)過整流電路后得到的是脈動直流，這樣的直流電源由于所含交流紋波很大，不能直接給電子電路供電。采用電容濾波電路可以大大降低這種交流紋波成份，讓整流后的電壓波形變得比較平滑。 電容濾波電路，如圖3-

35、9所示： 圖3-4 電容濾波電路 圖3-5 電容濾波變化示意圖 1.工作原理 如圖3-5所示，若電路處于正半周，則二極管D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓U2給電容器C充電。此時C相當于并聯(lián)在U2上，所以輸出波形同U2 ，是正弦形。在t1到t2時刻，二極管導(dǎo)電，Ｃ充電，Uo=Uc按正弦規(guī)律變化；t2到t3時刻二極管關(guān)斷，UC=URL按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為RLC。當放電時間常數(shù)RLC增加時，t1點要右移， t2點要左移，二極管關(guān)斷時間加長，導(dǎo)通角減小，見曲線3；反之，RLC減少時，導(dǎo)通角增加。當ＲL很小，即IRL很大時，電容

36、濾波的效果不好，見濾波曲線中的2。然而，當ＲL很大，即IRL很小時，盡管C較小, RLC仍很大,電容濾波的效果也很好,見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。 通常，放電時間常數(shù)RLC越大、輸出電壓越平滑。如果負載開路，即負載電阻趨于無窮大，電容沒有形成放電回路，此時輸出電壓將保持為U2的峰值不變。 2.電容濾波電路的參數(shù)計算 （1）輸出電壓的估算 電容濾波電路的輸出電壓與電容的放電時間常數(shù)τ=RLC有關(guān)，τ應(yīng)遠大于U2的周期T，通常，當 τ=RLC≥（3～5）T /2時，濾波電路的輸出電壓可按下式估算，即UO≈1.2U2。 （2）因為整流二極管的導(dǎo)通時間縮短了

37、，存在瞬間的浪涌電流，所以要求二極管允許通過更大的電流，管子參數(shù)應(yīng)滿足 : IFM＞2IV=IO。 （3）如果負載電阻RL的大小，可根據(jù)公式選擇濾波電容C的容量，即 C≥（3～5） T /2RL。 （3-5） 若容量偏小，輸出電壓UO將會下降，一般選擇較大容量的電解電容；電容的耐壓值應(yīng)大于U2的峰值，同時要考慮到電網(wǎng)電壓波動的因素，留有一定的余量。電容濾波電路的負載能力較差，僅適用于負載電流較小的場合。選擇濾波電容時需要滿足條件：RLC≥(3-5)T/2。 電容濾波電路的輸出特性曲線如圖3-6所示

38、。從圖中可見，電容濾波電路的輸出電壓在負載變化時波動較大，說明它的帶負載能力較差，只適用于負載變化不大的場合。 圖3-6電容濾波電路的輸出特性曲線 3.4 穩(wěn)壓電路 由于穩(wěn)壓電路會因為外界因素發(fā)生波動、負載和溫度發(fā)生變化，濾波電路輸出的直流電壓會隨之發(fā)生變化而不穩(wěn)定。因此，為了維持輸出電壓穩(wěn)定不變，還需一個穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路所起到的作用是當電網(wǎng)電壓、負載、外界環(huán)境溫度等發(fā)生變化時，使輸出直流電壓不受影響，而維持電壓的穩(wěn)定輸出。 3.4.1 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是以穩(wěn)壓管電路為基礎(chǔ)，利用晶體管的電流放大作用，增大負載電流；在電路中引入深度電壓負反饋使輸出電

39、壓穩(wěn)定；同時，可以通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。 圖3-7 串聯(lián)穩(wěn)壓電路的基本組成電路 1.串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路的工作原理 如圖3-7所示，顯然有，VO =VI-VR，當VI增加時，R因受控制而增加，使VR增加，從而在一定程度上抵消了VI增加對輸出電壓的影響。當負載電流IL增加時，R受控制而減小，使VR減小，這就在一定程度上抵消了因IL增加使VI減小，對輸出電壓減小的影響。 2.典型串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 在實際電路中，可變電阻R是用一個三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降VCE，VCE相當于VR。要想輸出電壓穩(wěn)定，必須按電壓負反饋電

40、路的模式來構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。 如圖3-8所示，串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路由調(diào)整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準電壓源四個部分組成。 圖3-8 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖 （1）當輸入電壓變化，負載電流保持不變。若輸入電壓VI的增加，會使輸出電壓VO有所增加，輸出電壓經(jīng)過取樣電路取出一部分信號VF與基準源電壓VREF比較，獲得誤差信號ΔV。誤差信號經(jīng)放大器進行放大后，使用VO1去控制調(diào)整管的管壓降VCE的增加，這樣就抵消輸入電壓增加的影響。其變化過程可以描述如下： （2）當負載電流變化，輸入電壓保持不變。若負載電流IL的增加，會使輸入電壓VI有

41、所減小，輸出電壓VO必然有所下降，經(jīng)過取樣電路取出一部分信號VF與基準電壓源VREF比較，獲得的誤差信號ΔV。誤差信號經(jīng)放大器進行放大后使VO1增加，從而使調(diào)整管的管壓降VCE下降，這樣就抵消了因IL增加使輸入電壓減小的影響。其變化過程可以描述如下： 3.串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計算 Vf≈VREF ， (3-6) 由上式可以看出，通

42、過調(diào)節(jié)R2可以改變輸出電壓。 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻很小，如果輸出端短路，則輸出短路電流很大。同時輸入電壓將全部降落在調(diào)整管上，使調(diào)整管的功耗大大增加，調(diào)整管將因過損耗發(fā)熱而損壞，為此必須對穩(wěn)壓電源的短路進行保護。過載也會造成損壞。 3.4.2 三端固定式集成穩(wěn)壓器 目前在市場上，集成穩(wěn)壓器的類型有很多，使用也很廣泛，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端集成穩(wěn)壓器,其內(nèi)部也屬于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)。三端集成穩(wěn)壓器按其輸出電壓類型可分為固定式穩(wěn)壓器和可調(diào)式穩(wěn)壓器，此外這些集成穩(wěn)壓器又可分為正電壓輸出或負電壓輸出兩種類型。 三端固定式集成穩(wěn)壓器的外形和管腳排列如圖3-9所示。從

43、圖中可以看出它只有輸入、輸出和公共地端三個端子,所以稱之為三端穩(wěn)壓器。 圖3-9 三端固定式集成穩(wěn)壓器外形及管腳 國產(chǎn)的三端固定集成穩(wěn)壓器有CW78XX系列和CW79XX系列,CW78XX系列能夠輸出正電壓，CW79XX系列輸出負電壓，它們的輸出電壓值有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等,最大輸出電流有0.1A、0.5A、1A、1.5A、2.0A等。 78系列和79系列的典型電路如圖3-10（a）、（b）所示： 圖3-10（a）正電壓輸出

44、 圖3-10（b）負電壓輸出 在圖3-10中，輸入與輸出之間的電壓差不得低于3V. 電容Ci的作用是用來抵消輸入端接線較長時的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。用來改善波形。通常Ci大小取0.1mF ~ 0.33mF。 電容Co的作用是為了瞬時增減負載電流時，不致引起輸出電壓有較大的波動。即用來改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)。通常Co大小為1mF。 如果需要輸出電壓高于三端穩(wěn)壓器輸出電壓，即要提高輸出電壓時,可采用圖3-11（a）、（b）所示電路。 圖3-11提高輸出電壓的接線圖 圖3-11(a)中,

45、 (3-7) 在上式中,UXX為集成穩(wěn)壓器的輸出電壓值;UZ為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。 圖3-11(b)中, (3-8) 在上式中,IW為三端穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流,一般大小在幾毫安左右。 當負載電流大于三端穩(wěn)壓器輸出電流，即要提高輸出電流時,可采用圖3-12（a），（b）所示電路。 圖3-12 提高輸出電流的電路

46、 其中的電流關(guān)系為： （3-9） （3-10） （3-11） 因為

47、β>>1,且IW很小,可忽略不計,所以有 （3-12） （3-13） 在上式中,R為V提供偏置電壓;UBE的大小由三極管決定,通常鍺管為0.3V,硅管為0.7V。 圖3-12(b)中,輸出電流為單片三端穩(wěn)壓器的兩倍,即 ：

48、 （3-14） 如果要求電路同時具有正、負電壓輸出功能。可采用圖3-13所示電路,由圖可知,這種電路可以在輸出端得到大小相等、極性相反的電壓。  圖3-13 正負電壓對稱輸出的穩(wěn)壓電路 3.4.3 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器克服了固定三端穩(wěn)壓器輸出電壓不可調(diào)的缺點,同時有繼承了三端固定式集成穩(wěn)壓器的一些優(yōu)點。三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器CW317和CW337是一種懸浮式串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器,它們的外形如圖3-14所示,內(nèi)部電路如圖3-15所示。317系列集成穩(wěn)壓器能夠輸

49、出連續(xù)可調(diào)的正電壓，337系列集成穩(wěn)壓器能夠輸出連可調(diào)的負電壓。 圖3-14 CW317和CW337外形圖 圖3-15 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器內(nèi)部原理圖 圖3-16 CW317和CW337典型應(yīng)用電路 在實際的應(yīng)用當中，為了使電路正常工作,一般317和337系列穩(wěn)壓器輸出電流不小于5mA。其輸入電壓范圍在2～40V之間,輸出電壓可在1.25～37V之間調(diào)整,負載電流可達到1.5A,因為調(diào)整端的輸出電流非常?。ㄇ液愣?可將其忽略不計,這樣輸出電壓可用下式表示:

50、 (3-15) 在上式中，1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間的固有參考電壓，此電壓加于給定電阻兩端，會產(chǎn)生一個恒定電流通過輸出電壓調(diào)節(jié)電位器RP，通常電阻取值為，根據(jù)LM317輸出電壓表達式，?。篟1=2.2k,R2=2k。RP一般使用精密電位器，與其并聯(lián)的電容器C可進一步減小輸出電壓的紋波。 可調(diào)式穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點。其電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構(gòu)成的可調(diào)電壓穩(wěn)壓電源。LM317系列和lM337系列的

51、引腳功能基本相同。 LM317的一些特性參數(shù)如下： （1）輸出電壓可調(diào)范圍：1.2V～37V； （2）輸出負載電流：1.5A； （3）輸入與輸出工作壓差ΔU=Ui-Uo：3～40V。 3.4.4 集成穩(wěn)壓器的參數(shù)關(guān)系 （1）在直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計當中，集成穩(wěn)壓器的輸出電壓Uo應(yīng)與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓的大小及范圍相符。穩(wěn)壓器的最大允許電流Icm

52、壓； Uomin為穩(wěn)壓電源的最小輸出電壓；（Ui-Uo）min為穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差；（Ui-Uo）max為穩(wěn)壓器的最大輸入輸出壓差。 （2）可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器輸出電壓Uo滿足下式： Uo=1.25（1+Rp∕R1）。 （3-17） 第四章 電路設(shè)計和器件選擇 4.1 12V直流電壓對稱輸出電路 1. 電路設(shè)計 如圖4-1所示，為12V直流電壓對稱輸出電路原理圖。 圖4-1 12V直流電壓對稱輸出電路 2.電路元器件選擇 (1)變壓

53、器的選擇 在圖4-1中，集成穩(wěn)壓器選用LM7812和LM7912，其輸出電壓分別為+12V，-12V，最大輸出電流Imax為1.5A。 因為 Uomax+（Ui-Uo）min≤Ui≤Uomin+（Ui-Uo）max 得 11.4V+3V≤Ui≤3V+12.6V 14.4V≤Ui≤15.6V U2≥Uimin/1.1=14.4/1.1=13.6V 所以，取U2=15V可滿足要求。 又因為變壓器副邊電流：I2≥Iomax=0.

54、2A，則變壓器的副邊輸出功率P2為：P2≥I2U2=3W。 由表3-1知，變壓器的效率為η=0.7，則原邊輸入功率P1≥P2 /η=4.28W。 為留有一定的余地，可選用功率為20W的變壓器。所以選用15V/20W的變壓器。 （2）整流二極管的選擇 因為：URM=/2U2＝/215＝21.21V, Iomax=0.1A，而IN4001的反向擊穿電壓URM≥50V，其額定工作電流ID=1A，所以整流二極管可以選用IN4001。 （3）濾波電容的選擇 根據(jù)公式： 在上式中，Uo＝12V,Ui=15V, ?Uop–p≤5mV, Sv≥510，則有ΔUi＝?Uop–p

55、 Ui/ Uo Sv＝1.25V。 由此，可求出濾波電容C為：C=Ict/ΔUi= CIomaxt/ΔUi=800μF，在電路中取C=1000uF。在圖4-1電路圖中，C2=C6=1000uF. (4)穩(wěn)壓器前后小濾波電容：取值C3=C7=330nF,C1=C8=0.1μF。 (5)集成穩(wěn)壓器件：7812,7902。 (6)輸出濾波電容：C4=C5=220uF。 4.2 +5V直流電壓輸出電路 1.電路設(shè)計 如圖4-2所示，為+5V直流電壓輸出電路原理圖。 圖4-2 +5V直流電壓輸出電路 2.電路元器件選擇 （1） 變壓器的選擇 在圖4-2中，

56、集成穩(wěn)壓器選用LM7805，其輸出電壓為+5V，最大輸出電流Iomax為1.5A。 因為 Uomax+（Ui-Uo）min≤Ui≤Uomin+（Ui-Uo）max 即 4.75V+5V≤Ui≤5.25V+5V 9.75V≤Ui≤10.25V U2≥Uimin/1.1=9.75/1.1=8.86V 所以，取U2=10V可滿足要求。 由于，變壓器副邊電流為：I2≥Iomax=0.5A，則變壓器的副邊輸出功率P2為：P2≥I2U2=5W。

57、 由表3-1知，變壓器的效率η=0.7，則原邊輸入功率P1≥P2 /η=7.14W。 要留有一定的余地，可選用功率為20W的變壓器，所以在此電路中選用15V/20W的變壓器。 （2）整流二極管的選擇 因為：URM=/2U2＝/210＝14.1V, Iomax=0.3A。而IN4001的反向擊穿電壓URM≥50V，額定工作電流ID=1A，故整流二極管可以選用IN4001。 （3）濾波電容的選擇 根據(jù)公式： 在上式中，Uo＝5V,Ui=10V, ?Uop–p≤5Mv, Sv≥510，則求得ΔUi＝?Uop–p Ui/ Uo Sv＝2V。由此，可求出濾波電

58、容C為：C=Ict/ΔUi=Iomaxt/ΔUi=1500μF。在設(shè)計電路圖4-2中取C3=2200uF。 （4）穩(wěn)壓器前濾波電容：取C1=0.33μF。 （5）集成穩(wěn)壓器件：LM7805。 （6）輸出濾波電容：C=0.1μF。 4.3（+3～+9)V直流電壓連續(xù)可調(diào)輸出電路 1. 電路設(shè)計 如圖4-3所示，為（+3～+9)V連續(xù)可調(diào)直流電壓輸出電路 圖4-3（+3～+9)V連續(xù)可調(diào)直流電壓輸出電路 2.電路元器件的選擇 （1）變壓器的選擇 在圖4-3中，集成穩(wěn)壓器選用但是CW317，其輸出電壓范圍為：UO=1.2~37V，最大輸出電流Iom

59、ax為1.5A。 因為LM317的輸入電壓與輸出電壓差的最小值為，輸入電壓與輸出電壓差的最大值為，所以LM317的輸入電壓范圍為： 即 ， 所以取U2=12V可滿足要求。 由于變壓器副邊電流： ，取，因此，可求出變壓器副邊輸出功率： 。 由表3-1變壓器的效率，所以變壓器原邊輸入功率，為留有一定的余地，在此可選用功率為12V/20W的變壓器。 （2）整流二極管 因為：，，IN4001的反向擊穿電壓，額定工作電流，所以整流二極管可以選用IN4001。

60、 （3）濾波電容 根據(jù)公式 在上式中，Uo＝9V,Ui=12V, ?Uop–p≤5mV, Sv≥510，則ΔUi＝?Uop–p Ui/ Uo Sv＝1.33V。 可求出濾波電容C為:C=Ict/ΔUi=Iomaxt/ΔUi=1500μF，在設(shè)計電路圖4-3中，取C=1600uF。 （4）穩(wěn)壓器前小濾波電容選擇：取C1=0.01μF,C2=10uF. （5）集成穩(wěn)壓器件選擇：LM317。 （6）輸出濾波電容選擇：CO=1μF。 （7）電阻和電位器的選擇：R1和R2組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路部分，由于輸出電壓UO=1.25(1+R2/R1)

61、，則R1的值可取120~240，流過R1的電流大小為5~10mA。在電路4-3中，取R1= 200，又由UO=1.25(1+R2/R1)，可求得：R2min=336，R2max=1488。 所以取R2為2K的精密線繞電位器可滿足本設(shè)計的要求。 4.4電路設(shè)計總圖 如圖4-4所示，為三檔直流電壓輸出電路總圖 圖4-4 電路總圖 第五章 電路仿真 5.1 Protues仿真軟件簡介 1.Proteus的概述 Proteus軟件是由英國Labcenterelectronics公司發(fā)行的EDA工具軟件。它是由ISIS和ARES兩部分構(gòu)成，其中ISIS是一款便捷

62、的電子系統(tǒng)原理設(shè)計和仿真平臺軟件，ARES是一款高級的PCB布線編輯軟件。 Protues軟件具有和其他EDA工具一樣的原理圖編輯、印刷電路板(PCB)設(shè)計及電路仿真功能，Protues軟件最大的特色是其電路仿真的交互化和可視化。通過Proteus軟件的VSM即虛擬仿真模式，用戶可以對模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路、單片機及外圍元器件等電子線路進行系統(tǒng)的仿真測試。 2.Protues的豐富資源 （1）Protues可提供的仿真元器件資源包括：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個元件庫。 （2）Protues可提供的仿真儀表資源有 ：示波器、邏輯分析儀、

63、虛擬終端、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、模式發(fā)生器、信號發(fā)生器、交直流電流表、交直流電壓表?！? (3） Protues還提供了一個圖形顯示功能，在protues仿真環(huán)境下，可以將線路上變化的電流信號，通過圖形的方式實時地顯示出來，它作用與示波器的功能相似，但protues的功能更加強大。 (4）Protues可提供的調(diào)試手段也很豐富， Protues的仿真環(huán)境下，提供了很多的測試信號用于電路的測試。這些測試信號有模擬信號和數(shù)字信號等。 (5）與此同時，Protues還能夠支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，比如Keil C51 uVision3等軟件。在仿真環(huán)境下，繪制好

64、原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，就可以在Proteus原理圖中直觀的看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。 3.PROTUES ISIS的功能 Protues軟件具有其它EDA工具軟件的功能。這些功能有： 原理布圖 、SPICE電路仿真、PCB自動或人工布線 。 4.Protues仿真軟件其革命性的特點 （1）具有互動的電路仿真功能。 用戶可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真處理器及其外圍電路。 protues可以仿真51系列單片機、PIC、ARM、AVR等常用主流單片機。

65、除此以外，protues還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，然后配合顯示及輸出，就能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Protues仿真軟件建立了一個完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。 隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)已成為許多設(shè)計部門前期設(shè)計手段。計算機仿真技術(shù)具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的優(yōu)點。它的使用可使設(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少，同時，也可降低工程制造的風(fēng)險。相信在以后的電路仿真中Protues仿真軟件會茯更加廣泛的應(yīng)用。 5.2電路仿真 5.2.1 12V直流電壓輸出電路仿真 采用protues仿真軟件對所設(shè)計的電路進行電路

66、仿真，仿真運行結(jié)果如下： 圖5-1 12V直流電壓對稱輸出電路protues仿真效果 圖5-2 +12V直流電壓輸出示波器顯示 圖5-3 -12V直流電壓輸出示波器顯示 5.2.2 +5V直流電壓輸出電路仿真 +5V輸出電路protues仿真結(jié)果如圖5-4所示： 圖5-4 +5V直流電壓輸出電路protues仿真效果 圖5-5 +5V直流電壓輸出示波器顯示 5.2.3 (+3～+9)V直流電壓連續(xù)可調(diào)輸出電路仿真 (+3～+9)V連續(xù)可調(diào)輸出電路protues仿真結(jié)果如圖5-6所示： 圖5-6 (+3～+9)V可調(diào)直流電壓輸出protues仿真效果 圖5-7 調(diào)節(jié)R2，得到U0=9.08V 圖5-8 調(diào)節(jié)R2，得到 U0=3.02V 圖5-9 3V直流電壓輸出示波器顯示 圖5-10 9V直流電壓輸出示波器顯示 5.2.4 三檔直流電壓輸出電路仿真 三檔直流電壓輸出電路protues仿真結(jié)果如圖5-11所