1、1設計目的學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經驗，掌握模擬電路設計的基本方法、設計步驟，培養綜合設計與調試能力。學會直流穩壓電源的設計方法和性能指標測試方法。培養實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。2設計任務及要求2.1簡要說明在電子系統中，總是需要一種穩定輸出電壓大小的直流穩壓電源，通常將這種電源稱為可調直流穩壓電源。它輸出電壓Vo恒定，又較大的輸出電壓。2.2設計要求(1)設計任務：設計電源變壓器，整流電路和穩壓電路。(2)主要技術指標：(3)輸出電壓：39v連續可調(4)輸出電流:Iomax=800mA(5)輸出電壓變化量： Uo<=15mV(6)穩壓系數：Sv<0.00

2、33設計步驟設計將220V交流電轉換為39V連續可調電源，有直流穩壓電源原理，設計如下概要電路圖1：圖1 整體設計原理圖3.1變壓器  變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。  變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，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原理，現以單相雙繞組變壓器為例說明其基本工作原理（如圖2-1）：當一次側繞組上加上電壓Ú1時

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

4、流（Í0），這個電流稱為激磁電流。當二次側加負載流過負載電流Í2時，也在鐵芯中產生磁通，力圖改變主磁通，但一次電壓不變時，主磁通是不變的，一次側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。當電流乘以匝數時，就是磁勢。 上述的平衡作用實質上是磁勢平衡作用，變壓器就是通過磁勢平衡作用實現了一、二次側的能量傳遞。3.1.1變壓器選擇根據相關題目要求，設計電路。輸出功率： P=U*I=9*800=7.2（W ） 根據電路實用性，可選擇電路的最大輸出功率為12瓦特。匝數比：當變壓器出入電壓為220V時

5、，考慮應用電路有10%電壓波動：輸入電壓范圍為198V-242V,則設計變壓器匝數比如下：令原變電壓為U1匝數為N1，副邊電壓為U2匝數為N2，設定原邊匝數為2000由變壓器原理可得：U1*N2 = U2*N1輸出為3V-9V時，由于后面整流輸出電壓為（1.1-1.2）U2設定變壓輸出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導電性可實現整流。全波橋式整流前述半波整流只利用了交流電半個周期的正弦信號。為了提高整流濾波效率，使交流電的正負半周信號都被利用，則應采用全波整流，現以全波橋式整流為例，其電路和相應

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則經橋式整流后的輸出電壓為（一個周期）3.2其相應直流平均值為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整流電路設計根據題目要求，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現兩種不同電壓大小的整流。 圖4設計全波整流電路   圖4中二極管D1、D2、D3、D4均為1N4002；RL為整流電路負載。3.3濾波電路原理經過整流后的電壓（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的直流電。我們已經知道電容器的充、放電原理。圖4-1所示為電容濾波器在帶負載電阻后的工作情況。設在t0時刻接通電源，整流元件的正向電阻很小，可略去不記，在t=t1時，uc達到峰值為。此后ui以正弦規律下降直到t2時刻，二極管D不再導電，電容開始放電，uc緩慢下降，一直到下一個周期。電壓ui上升到和uc相等時，即t3以后，二極管D又開始導通，電容充電，直到t3。在這以后，二極管D又截止，uc又按上述規律下降，如此周而復始，形成了周期性的電容器充電放電過程。在這個過程中，二極管

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

9、升至V2>Vc時，D1、D3正偏導通，iD1、3的其中一部分提供負載電流，另一部分對C充電。充電時間常數圖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放電結束時的最小值。根據三角形相似關系可得（Vomax-Vomin)/Vomax=T/2RLC即Vomin=(1-1/2fRLC)Vomax通常C使放電時間常數滿足下列關系式d=RLC=(35)T/2所以Vo1.2V2表3.2電容大小及對應輸出電流輸出電流2A左右1A左右0.5-1A左右100-50mA50mA以下濾波電容

10、4000u2000u1000u500u200u-500u200u3.3.1濾波電路設計按照題目要求和對應電容的濾波效果、輸出電流設計如下電路。圖8設計濾波電路圖100.141穩壓電路4.1.1 LM117H三端穩壓器圖9 LM117H三端穩壓器4.1.2原理框圖LM117H的原理框圖如圖所示。它有三個引出端，分別為輸入端、輸出端和電壓調整端（簡稱調整端）。調整端是基準電壓電路的公共端。T1和T2組成復合管為調整管；比較放大電路是共集-共射放大電路；保護電路包括過流保護、調整管安全區保護和過熱保護三部分。R1和R2為外接的取樣電阻，調整端接在它們的連接點上。當輸出電壓UO因某種原因（如電網電壓波

11、動或負載電阻變化）而增大時，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；當輸出電壓UO因某種原因減小時，各部分的變化與上述過程相反；因而輸出電壓穩定。可見，與一般串聯型穩壓電路一樣，由于LM117H電路中引入了電壓負反饋，使得輸出電壓穩定。4.1.3主要參數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、相同的基準電壓和相似的內部電路。主要參數如下表所示。對表說明對于特定的穩壓器，基準電壓UREF是1.2V1.3V中的某一個值，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，過低時不能保證調整管工作在放大區，從而使穩壓電路不能穩壓；過高時調整管可能因管壓降過大而擊穿；外接取樣電阻不可少，根據最小輸出電流IOmin可以求出R1的最大值；調整端電流很小，且變化也很小；LM117、LM217M和LM317L在電網電壓波動和負載電阻變化時，輸出電壓非常穩定。表1 LM117/LM217M/LM317L主要性能參數參數名稱符號單位LM117/LM217MLM317L典型值典型值輸出電壓UOV1.2371.237電壓調整率SU%/V0.010.01電流調整率SI%0.10.1調整端電壓IadjA50

13、50調整端電流變化IadjA0.20.2基準電壓UREFV1.251.25最小負載電流IOminmA3.53.5Ui輸入電壓，在允許范圍內選2個不同的值，定為Uih、 Uil，由數字電壓表V1測量；Uo直流穩壓電源DW的輸出電壓，由數字電壓表V2測量；A1電流表，測量直流穩壓電源DW的輸出電流Io；R1、R2負載。當輸入電壓為Uih時，得到Uoh，和Io，當輸入電壓為Uil時，調節R1，使Io保持不變，得到Uol，穩壓系數S=（UohUol）（UihUil）。用三端可調式集成穩壓器LM117構成的穩壓電路。LM117的3、1端間電壓U REF=1.25V，當電位器R2調到最上端時，有：當電位器

14、R2調到最下端時，有：為了防止電路產生自激振蕩，應當在輸出端對地接一個電容C。接上C后，如果輸入端出現短路，電容C上存儲的電荷將會產生很大的電流反向流入穩壓器，并使之損壞。因此，必須接入二極管D1進行保護。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，電容C 2上存儲的電荷也會產生很大的電流反向流入穩壓器并使之損壞。必須接入二極管D2進行保護。4 總體電路設計圖10模擬仿真圖圖11.PCB圖5元件列表元件名稱相關參數元件數量備注電位器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集成穩壓芯片LM1171U1表2 原件列表6課程設計總結一學期的模電課結束了，四個星期的課程設計也接近尾聲，在整個課程設計中查資料，上網搜信息，從書中找原理，忙活了幾星期有成功有失敗感觸頗深。首先，在設計中遇到難題到圖書館找資料，和同學討論問題，向老師咨詢問題討教經驗，將問題一一解決，增進了不少的實際操作設計經驗。其次，設計同時與同學交流設計心得，大大提高了設計的效率和資源的利用率。最后，課程設計是對上課理論內容的實際操作檢驗，通過直流穩壓電源的設計，加強了知識的整合、分析，解決為題，進一步體會課程內容的真正用途，加強對課程的重視度，進一步了解所學知識的實際應用。在設計的同時也深感課本知識的重要性，使用性，學好知識的必要性。時 間： 2012年6月4日 設計人： 自本1003班 顏濤參考