1、多路輸出直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)會(huì)用集成穩(wěn)壓器或運(yùn)算放大器構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源，掌握線性穩(wěn)壓電源的工程設(shè)計(jì)方法；學(xué)會(huì)用EDA軟件（Proteus）仿真穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)；掌握穩(wěn)壓電源的安裝、實(shí)驗(yàn)調(diào)試方法；研究提供電源質(zhì)量指標(biāo)的技術(shù)方案。,一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)由集成穩(wěn)壓器或運(yùn)算放大器構(gòu)成的單路輸入多路輸出直流穩(wěn)壓電源；用Proteus軟件繪制電原理圖，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真；實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路的性能指標(biāo)。 1.給定條件及具體要求 .輸入交流電壓:U=18V10%(單路) .輸出直流電壓:Uo1=15V,Uo2=1.55V（連續(xù)可調(diào)）Uo3=-6V, 其中Uo1獨(dú)立輸出，Uo2和Uo3共地輸出

2、。 .輸出電流:Io1=500mA,Io2=100mA,Io3=-100mA. 主要元器件：三端穩(wěn)壓器7815、7812、LM317，運(yùn)算放大器LM324(單電源、四運(yùn)放)，UA741（雙電源、單運(yùn)放）。大功率三極管;TIP41C(NON),TIP42(PNP),負(fù)載電阻：100/1W。 2.性能指標(biāo)： .穩(wěn)壓系數(shù)：Su=(Uo/Uo)/(UI/UI)0.05 .具有電流過載保護(hù)。,二、課題分析及設(shè)計(jì)思路 該課題的特點(diǎn)是只有一路交流輸入，通過整流濾波后利用集成穩(wěn)壓器可獲得單路電壓輸出。其方案可直接用三端穩(wěn)壓器7815如圖1，也可以用7812、LM317實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出如圖2所示。 對(duì)于圖2，其輸出

3、電壓為Uo=U32(1+R2/R1) 課題要求Uo2和Uo3共地輸出，通常只須將兩電源串聯(lián)即可，如圖3所示。但用三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的電源不能直接這樣應(yīng)用，因?yàn)樗枰獌陕份斎氲慕涣麟娫?。圖4是用三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的正負(fù)電源方案。 由于課題給定一路交流輸入，當(dāng)負(fù)載接入（或不同），其電源要流經(jīng)穩(wěn)壓器基準(zhǔn)回路，從而使輸出電壓不穩(wěn)。解決問題的關(guān)鍵要將負(fù)載地與穩(wěn)壓器的地分離，并為各負(fù)載提供電流通路。電位分離技術(shù)可利用集成運(yùn)放的虛短特性，將其接成電壓跟隨器即可。但由于運(yùn)放輸出電流有限，需要加電流擴(kuò)展電路，圖5是實(shí)現(xiàn)該思路的一種方案。,在圖4的基礎(chǔ)上，用6V穩(wěn)壓二極管代替7905后可作為圖5的基準(zhǔn)源（見圖6）。但其電

4、壓穩(wěn)定性還將受可調(diào)電源的影響。為了使輸出電壓有更好的穩(wěn)壓性能，可將Uo2和Uo3的基準(zhǔn)分離，穩(wěn)壓管采用恒流供電，如圖7所示。,三、單元電路設(shè)計(jì)及元器件選擇 1.AC/DC變換器設(shè)計(jì) AC/DC變換器是將交流220V電壓經(jīng)變壓器降壓為所需的低壓U2，再經(jīng)整流、濾波后成為穩(wěn)壓器的直流輸入電壓。電路如圖8所示。圖中輸出直流電壓UI與交流電壓U2的有效值U2之間的關(guān)系為UI=（1.1-1.2）U2。 電源變壓器通常根據(jù)副邊輸出功率P2來選擇，一般通過選取U2UImin/1.1，I2Iomax來確定。整流二極管應(yīng)根據(jù)其反向擊穿電壓URMU2m，平均電流IFIomax來選擇。濾波電容可由下式估算：C=Ic

5、t/UI 式中，t為電容C的放電時(shí)間（t=T/2=0.01s），Ic為電容C放電電流，可取Ic=Iomax，濾波電容C的耐壓值應(yīng)大于U2m。UI為穩(wěn)壓器輸入端的變化量，可由穩(wěn)壓系數(shù)Su求得：UI=UoUI/UoSu,（1）選電源變壓器 對(duì)于LM317： Vomax+(Vi-Vo)minViVomin+(Vi-Vo)max 6V+3VVi3V+40V，9VVi43V 副邊電壓V2Vimin/1.1=9/1.1V，取V2=9V， 副邊電流I2Iomax，取I2=1A， 則變壓器副邊輸出功率P2I2V2=9W，查表可得變壓器的效率 =0.6 則原邊輸入功率P1P2/=15W。 對(duì)于78、79系列：1

6、5+(35)VVi15V+35V 副邊電壓V2Vimin/1.1=18/1.1V，取V2=17V， 副邊電流I2Iomax，取I2=1A， 則變壓器副邊輸出功率P2I2*V2=17W，查表可得變壓器的效率 =0.7 P1P2/=24W 綜上兩路考慮，為留有余地，選功率為30W的電源變壓器,（2）濾波電容的選擇 濾波電容C可由紋波電壓VOP-P和穩(wěn)壓系數(shù)SV確定 已知VO=15V，Vi=18V， VOP-P=5mV， SV 510， 由式Sv=(Vo/Vo)/(Vi/Vi) Vi=VoppVi/VoSv=1.2V得電容C=Ict/Vi=833uF 取C=1000uF t為電容C的放電時(shí)間，t=T

7、/2=0.05S 為電容C的放電電流，可取 濾波電容的耐壓值應(yīng)大于 同理對(duì)于317，C=1333uF，可取1000uF與470uF并聯(lián) 耐壓值大于2V2=91.414=12.75V 4.選擇整流二極管及濾波電容 整流二極管D選1N4001或1N4002 其極限參數(shù)為:VRM50V，IF=1A 滿足VRM2V2 IFIomax的條件 如果負(fù)載變動(dòng)頻繁，在7815輸出也可接-10100的電解容,2.DC/DC變換器（穩(wěn)壓電路）設(shè)計(jì) 一般穩(wěn)壓電路通常選用三端集成穩(wěn)壓器，常用的產(chǎn)品有固定正電壓輸出78XX系列，負(fù)電壓輸出79XX系列；輸出連續(xù)可調(diào)的有LM317(正)、LM337(負(fù))系列。應(yīng)用該類穩(wěn)壓

8、器時(shí)，其輸入U(xiǎn)I與輸出電壓Uo之間的壓差不低于35V。LM317、LM337的最小輸出電壓U32=1.25V，R1中的電流一般為510mA，R1的取值可取120240。其封裝見圖9. 若采用圖7和圖5實(shí)現(xiàn)正負(fù)電源時(shí)，LM317的輸入電壓應(yīng)大于Uo2+Uo3+3=5+6+3=14V,集成運(yùn)放應(yīng)選用單電源運(yùn)放如LM324,6V基準(zhǔn)電源可采用溫度特性好的穩(wěn)壓管，恒流源的設(shè)計(jì)要使Uo2在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，其電流保持不變，因此利用+15V穩(wěn)壓器的輸出作為恒流管的偏置和電源。在圖7中，設(shè)恒流源的電流Ic=Iw，則Uo2的最大調(diào)節(jié)范圍為Uo2=IwR2=Uo2-1.25選定穩(wěn)壓管工作電流Iw后就可以確定R2的

9、值。而Iw可由偏置電阻R3設(shè)定。,在圖5中，Q3、Q4和RI構(gòu)成限流保護(hù)電路。取樣電阻RI可由Ube/1.2Iomax=R來確定?？扇be=0.5V作為限流保護(hù)電路的初始值。功放管Q1、Q2的選擇按照功率放大器的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。即功放管的最大功率PCM0.2Pom，最大電流ICMIomax。管子的選擇應(yīng)使運(yùn)放有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。即Iomax/Ioh，式中Ioh為運(yùn)放的額定輸出電流。本課題給定的功放管TIP41C(NPN)、TIP42C(PNP)，其相關(guān)參數(shù)如下：30，ICM=6A,PCM=2W(如加散熱片PCM=65W),VCEO=100V。 功率放大器的偏置電阻R3的選擇對(duì)電源的穩(wěn)定性有重要影

10、響，當(dāng)Uo2在最低電壓輸出，且為RL2提供最大電流Iomax時(shí)，R3的電壓為UR3=Uo2min-Ube-URI=1.5-0.7-0.5=0.3V,因此，R3的選擇應(yīng)有足夠的電流保證Q1的驅(qū)動(dòng)和D2的正常偏置，即：R3UR3min/(IB3+ID2);但在Uo2max最大時(shí)，ID2將過大。為保證ID2不受Uo2影響，可將R3、Q1接入+15V。為了提高電源的穩(wěn)定性，運(yùn)放的電源最好也采用+15V的穩(wěn)壓電源供電。 LM317中R1和RW的選?。簽楸ＷC穩(wěn)壓器空載時(shí)也能正常工作，要求流過R1的電流不能太小，一般可取IR1=510mA，故R=VREF/IR1=120240取R1=240，輸出電壓Vo=1

11、.25(1+Rw/R1)，因最大輸出電壓為6V，所以RW取1K可調(diào)即可，電路中Ci的作用，抵消線路的電感效應(yīng)，防止自激 一般為0.1uF0.33uF. CO的作用,濾除輸出端的高頻信號(hào),改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng) 一般為0.1uF-1uF,四、電路仿真 用Proteus軟件繪制電源理圖，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，模擬電路的實(shí)際工作狀態(tài)。通過仿真測(cè)試，了解所設(shè)計(jì)的電路是否滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。 仿真內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面： 1.測(cè)試主要元器件的靜態(tài)電流和電壓； 2.測(cè)試Uo2和Uo3額定(Uo2=5V;Uo6=-6V)時(shí)的穩(wěn)壓系數(shù)Su（RL=100）; 3.測(cè)試Uo2和Uo3的限流（RL=50）; 4.

12、仿真分析整流電路的輸入、輸出波形及電源的輸出紋波。 電路通過仿真后，確定實(shí)驗(yàn)前的元件參數(shù)。,五、調(diào)試步驟 1.電源電路由于元件少，線路簡(jiǎn)單，所以應(yīng)力求保證連線正確 (1)整流橋，要分清交流輸入端和直流輸出，否則會(huì)引起變壓器短路。 (2)三端穩(wěn)壓器要檢查三個(gè)腳不能接錯(cuò)。78系列和790系列1，2腳連線剛好相反，切忌弄錯(cuò)。 (3)濾波電解電容一定要分清正負(fù)極性，否則會(huì)產(chǎn)生爆炸。一般是正端接高電位，負(fù)載接低電位。 2.接通電源后，首先靜態(tài)幾分鐘，如無異常，無怪味，方可進(jìn)入正常測(cè)試。否則應(yīng)斷開220V電源，排除故障。 3.電路無故障，測(cè)量相應(yīng)點(diǎn)波形，一般為變壓器輸出或整流橋輸入交流波形及大小，整流濾波

13、輸出或穩(wěn)壓器 輸入波形及電壓大小，最后輸出電壓大小及紋波電壓大小，測(cè)量時(shí)在額載荷下進(jìn)行，速度要快。 4.若要觀察濾波電容變化對(duì)輸出影響，可在斷開電源后更換. 5. 如果負(fù)載變動(dòng)頻繁，在各輸出也可接-個(gè)10100的電解容,六、測(cè)試內(nèi)容 1.變壓器交流電壓的測(cè)量(單獨(dú)測(cè)量) 1)測(cè)量21-22的電壓V12。2)測(cè)量22-23的電壓V23。 3)測(cè)量31-32的電壓V32。 2. 整流濾波電路測(cè)試(用第三繞組8V) 1) 取RL100 ，不加濾波電容，測(cè)量直流輸出電壓VL及紋波電壓UL 并用示波器觀察u2和uL波形， 2) 取RL100 ，C470f ，重復(fù)內(nèi)容1)的要求 3) 取RL ，C470f

14、 ，重復(fù)內(nèi)容1)的要求,C1,470uF,RL,100,22,23,21,31,32,11,12,U2,UL,VL,V為直流，U為交流。U2和UL的波形用示波器觀察,3. 測(cè)量三路穩(wěn)壓電源的輸出電壓 測(cè)試方法：測(cè)量輸出端時(shí)分別接100負(fù)載電阻。測(cè)量3-6V時(shí)，分別測(cè)量對(duì)應(yīng)的電位器的阻值。再調(diào)節(jié)電位器RW， 測(cè)量輸出電壓可調(diào)范圍V0minV0max。驗(yàn)證 公式VO1.25(1+Rw/R1),4.測(cè)量輸出電阻R0 輸出電阻R0：當(dāng)輸入電壓Vi（指穩(wěn)壓電路輸入電壓）保持不變，負(fù)載電流由空載變化到額定電流時(shí),而引起的輸出電壓變化，即Ro=Vo/Io,5. 測(cè)量輸出紋波電壓 輸出紋波電壓是指在額定負(fù)載條

15、件下，輸出電壓中所含交流分量的有效值或峰峰值 測(cè)量方法: 第一路+15V:取Uo15V，Io150mA ，用示波器測(cè)量輸出電壓U0紋波的峰峰值及波形 第二路-15V:取Uo-15V， Io150mA ，用示波器測(cè)量輸出電壓U0紋波的峰峰值及波形 第三路36V:取Uo5V， Io50mA ，用示波器測(cè)量輸出電壓U0紋波的峰峰值及波形 6. 穩(wěn)壓系數(shù)Su的測(cè)量 測(cè)試過程是：先調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓增加10，即242V，測(cè)量此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓；再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓減少10，即198V，測(cè)量這時(shí)的輸出電壓，然后再測(cè)出=220V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓則穩(wěn)壓系數(shù) Su=(uo/Uo)/(ui/Ui),七

16、、設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)驗(yàn)問題研究 1.有人認(rèn)為，在穩(wěn)壓電源的輸出并上大電容，可以提高電源的穩(wěn)定性，你是否贊同？ 2.提高電源穩(wěn)定性的關(guān)鍵性設(shè)計(jì)師哪部分電路？為什么？ 3.在圖6中，為何在穩(wěn)壓器的3、2端并接二極管?其作用是什么？ 4.在圖6中，改變可調(diào)電源輸出時(shí)會(huì)使6V基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性受影響嗎？ 5.在圖1中，如果7815輸入端短路，7815有可能出現(xiàn)什么 事故？如何防范？ 八、設(shè)計(jì)與測(cè)試報(bào)告 課題完成后應(yīng)認(rèn)真書寫設(shè)計(jì)與測(cè)試報(bào)告，其主要內(nèi)容如下： 1.課題的任務(wù)及要求。 2.課題分析與方案選擇。 對(duì)課題認(rèn)真分析，正確理解，明確設(shè)計(jì)思路。通過各種可實(shí)現(xiàn)的電路原理、特點(diǎn)分析，方案類比，選擇最佳實(shí)現(xiàn)電路。

17、,3.電路元器件選擇和參數(shù)計(jì)算。 對(duì)電路中每一個(gè)元器件給出選擇的依據(jù)，允許元器件參數(shù)變化范圍要充分估計(jì)，選定元器件標(biāo)稱值，提出元器件清單（包括元器件型號(hào)、規(guī)格與要求、數(shù)量等）。由最終元器件標(biāo)稱值確定的電路參數(shù)，復(fù)核技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。 4.原理圖繪制及仿真。 用Proteus軟件繪出電源理圖；仿真電路的工作狀態(tài)，測(cè)試性能指標(biāo)，若與設(shè)計(jì)偏差較大則修改設(shè)計(jì)參數(shù)，直到滿足要求；最后給出各種仿真波形和圖表。 5.實(shí)驗(yàn)測(cè)試、問題分析與研究。 技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試方法及調(diào)試過程簡(jiǎn)介，故障分析及解決辦法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及誤差分析，測(cè)試儀器設(shè)備清單（名稱、型號(hào)、數(shù)量等）?；卮稹拔濉⒃O(shè)計(jì)、仿真及實(shí)驗(yàn)問題研究”中的問題

18、。 6.總結(jié)。 總結(jié)設(shè)計(jì)課題存在的問題，提出改進(jìn)的設(shè)想；完成本課題后的收獲、體會(huì)和建議。,九、附:元器件的基本參數(shù)和參考電路 一、集成穩(wěn)壓器 特點(diǎn)：體積小,可靠性高,使用靈活,價(jià)格低廉 類型：78系列 穩(wěn)定正電壓 7805（輸出+5V）、7809（輸出+9V）、7812（輸出+12V） 7815（輸出+15V） 79系列 穩(wěn)定負(fù)電壓 7905（輸出-5V）、7909（輸出-9V）、7912（輸出-12V） 7915（輸出-15V） LM317其特性參數(shù)Vo=1.2V37V.Iomax=1.5A最小輸入、輸出壓差(Vi-Vo)min=3V.最大輸入、輸出壓差(Vi-Vo)max=40V。,1端: 輸入端 2端: 公共端 3端: 輸出端,78系列穩(wěn)壓器外形及接線圖,+25V,+15V,注意：輸入與輸出端 之間的電壓不 得低于3V