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熊寶妮
2015-12-05 最終答案集成穩(wěn)壓電源的設計摘要：介紹了集成穩(wěn)壓電源電路應用和發(fā)展方向、直流穩(wěn)壓電源的組成以及各個部分的作用；采用一片LM317穩(wěn)壓精度較高、使用極為廣泛的串聯(lián)集成穩(wěn)壓器，設計了一種簡單實用的集成穩(wěn)壓電源。關鍵詞：整流；濾波；穩(wěn)壓；紋波電壓1引言采用集成工藝，將調整管、基準電壓、取樣電路、誤差放大和保護電路等集成在一塊芯片上，構成了集成化穩(wěn)壓電源。所以集成穩(wěn)壓電源就是穩(wěn)壓電源的集成化，它具有體積小、可靠性高、使用方便等優(yōu)點，在科研、生產、實驗等場合的使用非常廣泛。它可作計算機、單片微機開發(fā)、電力自控系統(tǒng)、大專院?？蒲性核⒐S及中學實驗室穩(wěn)壓電源；也可作為電氣設備、電子儀器的一部分；還可作為實驗室獨立的電源設備使用?，F(xiàn)在隨著電腦和手機的普及，穩(wěn)壓電源發(fā)揮著不可磨滅的作用。2電源電路的集成和發(fā)展方向隨著電子技術的發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多；體積越來越小，通信設備內部集成電路芯片等所需用的直流電源要求體積要小。所以我們需要將原來的電源進行改革，這樣就促進了電源的模塊化和集成化，集成化、模塊化使電源產品體積小、可靠性高，給應用帶來極大方便，但是隨著電流增加，速度要求更快的時候，現(xiàn)有的解決辦法將無法達到它的要求，解決的辦法就是做系統(tǒng)集成。但由于對電源體積和工作頻率等要求的提高，集成化的直流穩(wěn)壓電源又向著高頻化、高效率、無污染、模塊化的方向發(fā)展。3直流穩(wěn)壓電源的組成及各個部分的作用3.1直流穩(wěn)壓電源的組成部分在電子電路及設備中，一般都需要用到穩(wěn)定的直流電源供電。它是將一般的頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉換為幅值穩(wěn)定、輸出電源為幾百毫安以下的直流電壓。它一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。單相交流電經(jīng)過此過程轉換成穩(wěn)定的直流電壓。如圖1所示，其中電源變壓器將交流電網(wǎng)電壓U1變?yōu)楹线m的交流電壓U2；整流電路將交流電壓U2變?yōu)槊}動的直流電壓U3；濾波電路將脈動直流電壓U3轉變?yōu)槠交闹绷麟妷篣4；穩(wěn)壓電路清除電網(wǎng)波動及負載變化影響，保持輸出電壓U0的穩(wěn)定。
3.2整流濾波電路變壓器副邊電壓通過整流電路由交流轉換為直流電源電壓，即將正弦波電壓轉換成為一種單一方向的脈動電壓。但是這樣的電壓都含有較大的交流分量，為了減小電壓的脈動，需通過低通濾波電路，使輸出電壓平滑。理想情況下，應將交流量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓，然而由于濾波電路為無源電路，所以接入負載后勢必影響其濾波效果。所以只能變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，對于穩(wěn)定性要求不高的電子電路，可以直接作為供電電源。
常用的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路，直流穩(wěn)壓電源的整流電路多使用單相全波整流電路，這種電路在相同的變壓器的副邊電壓下，對二極管的參數(shù)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動小等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應用。整流電路如圖2所示。
整流電路將交流電壓U1變?yōu)槊}動的直流電壓。在這里我們用的是單相整流電路，它是由四只二極管組成，其構成的原理是保證在變壓器副邊電壓U2的整個周期內，負載的電壓和電流方向始終不變。若要達到這樣一個目的，就要在U2電壓的正、負半周期內正確引導流向負載的電流，使其方向不變。通過D1、D3和D2、D4兩對二極管的交替導通，使得負載電阻RL上在U2的整個周期內都有電流通過，而且方向不變，輸出電壓:()20 001 2 2d0.92UUu t Uπωππ=∫==(1)整流電路的輸出電壓雖然是單一的，但是脈動比較大，含有較大的諧波成分，因此，整流之后還需要利用濾波電路將脈動的直流電壓變成平滑的直流電壓。直流電源中采用的濾波電路都是無源電路，在理想情況下，濾波后只保留直流成分。電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路。以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖3所示。
當變壓器副邊電壓U2處于正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓UC時，二極管D1、D3導通，電流一路流經(jīng)負載電阻RL，另一路電路對電容C充電。因為在理想情況下，變壓器副邊無損耗，二極管通電電壓為零，所以電容兩端電壓UC(即U0)與U2相等，當U2上升到峰值后開始下降，電容通過負載電阻RL放電，其電壓UC也開始下降，趨勢與U2基本相同，但是由于電容是按指數(shù)規(guī)律放電，所以當U2下降到一定數(shù)值后，UC的下降速度小于U2的下降速度，使得UC大于U2，從而導致D1、D3反向偏置而變?yōu)榻刂?。此后，電容C繼續(xù)通過RL放電，UC按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。當U2的負半周幅值變化到恰好大于UC時，Ｄ2、D4因加正向電壓變?yōu)閷顟B(tài)，U2再次對Ｃ充電，UC上升到U2的峰值后又開始下降；下降到一定數(shù)值時，Ｄ2、D4變?yōu)榻刂?，C對RL放電，UC按指數(shù)規(guī)律下降；放電到一定數(shù)值時D1、D3變?yōu)閷?，重復上述過程。其波形如圖4所示：
圖4電路濾波曲線圖近似估算U0=1.2U。而且流過二極管瞬時電流很大，RLC越大導致U0越高，負載電流的平均值越大，整流管導電時間越短，因而ＩD的峰值電流越大。一般選管時，取D0I =I(2)濾波電路的輸出特性曲線如圖5所示，可知輸出波形隨負載電阻RL或C的變化而改變，U0隨之改變。RL愈小(I0越大)，U0下降多。所以電容濾波電路一般適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。
3.3穩(wěn)壓電路的選擇當負載電流變化時，由于整流濾波電路存在內阻，輸出電壓將要變化；當電網(wǎng)電壓波動時，使整流濾波電路輸出的直流電壓不穩(wěn)定。為了獲得相對穩(wěn)定的直流電壓，我們在整流濾波之后通常還要接一個穩(wěn)壓電路。在小功率設備中常用的穩(wěn)壓電路有線性穩(wěn)壓電路、穩(wěn)壓管電路和開關型穩(wěn)壓電路等。其中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路較簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓。開關型穩(wěn)壓電源效率較高，目前使用也比較多，但是電路比較復雜，而且價格比較貴。而且本次設計的要求不是很高，所以使用了圖6所示的最簡單的穩(wěn)壓電路。當電網(wǎng)電壓升高時，穩(wěn)壓電路的輸入電壓UI隨之增大，輸出電壓UO也隨之按比例增大；但是因為(UO=UDZ)因而根據(jù)穩(wěn)壓管的伏安特性，UDZ的增大將使IZ急劇增大；使得IR也急劇增大，因此UR會同時隨著IR而急劇增大；而UR的增大必將使輸出電壓UO減小。因此只要參數(shù)選擇合適，R上的電壓增量就可以與U1的增量近似相等，從而使UO基本不變?？梢悦枋鋈缦拢弘娋W(wǎng)電壓上升時：電網(wǎng)電壓↑→UI↑→UO↑(UO=UDZ)↑→IZ↑→IR↑→UR↑抵償UI的增加→UO↓保持近似不變當電網(wǎng)電壓下降的時：電網(wǎng)電壓↓→UI↓→UO↓(UO=UDZ)↓→IZ↓→IR↓→UR↓抵償UI的減少→UO↑保持近似不變考慮到種種原因，選擇穩(wěn)壓管應該使0(1.5~3)ZM MI =I(3)0(2~3)IU =U(4)
44圖6穩(wěn)壓電路4實用集成穩(wěn)壓電源的設計4.1實用集成穩(wěn)壓電源的設計方案集成穩(wěn)壓電源種類繁多，有簡單的，有復雜的。因為條件的限制，設計的只是最簡單的，僅僅只用到一片集成芯片LM317的直流穩(wěn)壓電源，如圖(7)所示。該電源的輸出電壓連續(xù)可調，LM317輸出電流為1.5A，輸出電壓可1.25V--37V之間連續(xù)可調，輸出電壓由兩外接電阻R1、RP1所決定，輸出端和調整端之間的電壓差為1.25V，這個電壓將產生幾毫安的電流，經(jīng)R1、RP1到地，在RP1上產生了一個變化的電壓加到調整段，通過改變RP1范圍就能改變輸出電壓。為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，流經(jīng)R1的電流要小于3.5mA，LM317在不加散熱片時最大功耗為2W，在加足夠大的散熱板時其最大功耗可達15W。VD1為保護二極管，以防穩(wěn)壓器輸出段短路而損壞IC，VD2用來防止輸入短路而損壞集成電路。4.2器件選擇與制作對于整個電路來說，整流橋應選用電流大于3A而耐壓大于50V的，二極管VD1、VD2選用1N4002；C1、C3、C4選用耐壓大于50V的電解電容；C2選用陶瓷電容；電阻用1/8W碳膜電阻；RP1選用5.1K電位器。因為電路并不復雜，只要按照原理圖去裝配即可，但要注意的是二極管和電解電容的極性，裝配時，可以制作一塊小的
線路板，也可以直接用元件搭接。LM317因工作電流較小，可以不加散熱片。裝好后再檢查一遍，無誤后接通電源。這時用萬用表測量C1兩端，應有11V左右的電壓，再測C3兩端，應有2-7V的電壓。再調節(jié)RP1，C3兩端的電壓應該能夠改變，調到你所需要的電壓即可。輸出端可以接一根十字插頭線，以便與隨身聽等用電器相連。而且此電路只要元件安裝無誤，無須調試即可使用。
4.3穩(wěn)壓電源的性能指標及測試方法穩(wěn)壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節(jié)范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調整率）、輸出電阻（或電流調整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。測試電路如圖(8)：
(1)紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。(2)穩(wěn)壓系數(shù)：在負載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化。(3)電壓調整率：輸入電壓相對變化為±10%時的輸出電壓相對變化量，穩(wěn)壓系數(shù)和電壓調整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。(4)輸出電阻及電流調整率：輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值。電流調整率：輸出電流從0變到最大值時所產生的輸出電壓相對變化值。輸出電阻和電流調整率均說明負載電流變化對輸出電壓的影響，因此也只需測試其中之一即可。5結束語集成穩(wěn)壓電源與一般分立元件的穩(wěn)壓電源相比較，具有性能優(yōu)良、可靠性高、體積小、價格低廉的優(yōu)點，因此獲得了廣泛的應用。并且粗略的講解了集成穩(wěn)壓電源的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。并且分步講敘了穩(wěn)壓電源的組成原理和各個部分的作用。最后采用LM317穩(wěn)壓器設計了一個簡單實用的集成穩(wěn)壓電源。參考文獻[1]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].北京：高等教育出版社，1999.[2]童詩白，華成英等.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.[3]張乃國.電源技術[M].北京：中國電力出版社，1998.[4]周仲.國產集成電路應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1993.[5]呂天祥.電路基礎[M].成都：西南交大出版社，1994.[6]金樹澤.電子技術基礎[M].成都：西南交大出版社，1994.[7]秦曾煌.電工學[M].北京：高教出版社，1993.[8]I.M.戈特利布.穩(wěn)壓電源[M].北京：科學出版社，1993.[9]清華大學電子工程系.晶體管電路[M].北京：科學出版社，1974.
追問：
太難了 有沒有簡單一點的 比如：多功能課桌 我們還要畫效果圖 三視圖 要的是實物 要是有的話 告訴我 謝謝了
3.2整流濾波電路變壓器副邊電壓通過整流電路由交流轉換為直流電源電壓，即將正弦波電壓轉換成為一種單一方向的脈動電壓。但是這樣的電壓都含有較大的交流分量，為了減小電壓的脈動，需通過低通濾波電路，使輸出電壓平滑。理想情況下，應將交流量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓，然而由于濾波電路為無源電路，所以接入負載后勢必影響其濾波效果。所以只能變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，對于穩(wěn)定性要求不高的電子電路，可以直接作為供電電源。
常用的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路，直流穩(wěn)壓電源的整流電路多使用單相全波整流電路，這種電路在相同的變壓器的副邊電壓下，對二極管的參數(shù)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動小等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應用。整流電路如圖2所示。
整流電路將交流電壓U1變?yōu)槊}動的直流電壓。在這里我們用的是單相整流電路，它是由四只二極管組成，其構成的原理是保證在變壓器副邊電壓U2的整個周期內，負載的電壓和電流方向始終不變。若要達到這樣一個目的，就要在U2電壓的正、負半周期內正確引導流向負載的電流，使其方向不變。通過D1、D3和D2、D4兩對二極管的交替導通，使得負載電阻RL上在U2的整個周期內都有電流通過，而且方向不變，輸出電壓:()20 001 2 2d0.92UUu t Uπωππ=∫==(1)整流電路的輸出電壓雖然是單一的，但是脈動比較大，含有較大的諧波成分，因此，整流之后還需要利用濾波電路將脈動的直流電壓變成平滑的直流電壓。直流電源中采用的濾波電路都是無源電路，在理想情況下，濾波后只保留直流成分。電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路。以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖3所示。
當變壓器副邊電壓U2處于正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓UC時，二極管D1、D3導通，電流一路流經(jīng)負載電阻RL，另一路電路對電容C充電。因為在理想情況下，變壓器副邊無損耗，二極管通電電壓為零，所以電容兩端電壓UC(即U0)與U2相等，當U2上升到峰值后開始下降，電容通過負載電阻RL放電，其電壓UC也開始下降，趨勢與U2基本相同，但是由于電容是按指數(shù)規(guī)律放電，所以當U2下降到一定數(shù)值后，UC的下降速度小于U2的下降速度，使得UC大于U2，從而導致D1、D3反向偏置而變?yōu)榻刂?。此后，電容C繼續(xù)通過RL放電，UC按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。當U2的負半周幅值變化到恰好大于UC時，Ｄ2、D4因加正向電壓變?yōu)閷顟B(tài)，U2再次對Ｃ充電，UC上升到U2的峰值后又開始下降；下降到一定數(shù)值時，Ｄ2、D4變?yōu)榻刂?，C對RL放電，UC按指數(shù)規(guī)律下降；放電到一定數(shù)值時D1、D3變?yōu)閷?，重復上述過程。其波形如圖4所示：
圖4電路濾波曲線圖近似估算U0=1.2U。而且流過二極管瞬時電流很大，RLC越大導致U0越高，負載電流的平均值越大，整流管導電時間越短，因而ＩD的峰值電流越大。一般選管時，取D0I =I(2)濾波電路的輸出特性曲線如圖5所示，可知輸出波形隨負載電阻RL或C的變化而改變，U0隨之改變。RL愈小(I0越大)，U0下降多。所以電容濾波電路一般適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。
3.3穩(wěn)壓電路的選擇當負載電流變化時，由于整流濾波電路存在內阻，輸出電壓將要變化；當電網(wǎng)電壓波動時，使整流濾波電路輸出的直流電壓不穩(wěn)定。為了獲得相對穩(wěn)定的直流電壓，我們在整流濾波之后通常還要接一個穩(wěn)壓電路。在小功率設備中常用的穩(wěn)壓電路有線性穩(wěn)壓電路、穩(wěn)壓管電路和開關型穩(wěn)壓電路等。其中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路較簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓。開關型穩(wěn)壓電源效率較高，目前使用也比較多，但是電路比較復雜，而且價格比較貴。而且本次設計的要求不是很高，所以使用了圖6所示的最簡單的穩(wěn)壓電路。當電網(wǎng)電壓升高時，穩(wěn)壓電路的輸入電壓UI隨之增大，輸出電壓UO也隨之按比例增大；但是因為(UO=UDZ)因而根據(jù)穩(wěn)壓管的伏安特性，UDZ的增大將使IZ急劇增大；使得IR也急劇增大，因此UR會同時隨著IR而急劇增大；而UR的增大必將使輸出電壓UO減小。因此只要參數(shù)選擇合適，R上的電壓增量就可以與U1的增量近似相等，從而使UO基本不變?？梢悦枋鋈缦拢弘娋W(wǎng)電壓上升時：電網(wǎng)電壓↑→UI↑→UO↑(UO=UDZ)↑→IZ↑→IR↑→UR↑抵償UI的增加→UO↓保持近似不變當電網(wǎng)電壓下降的時：電網(wǎng)電壓↓→UI↓→UO↓(UO=UDZ)↓→IZ↓→IR↓→UR↓抵償UI的減少→UO↑保持近似不變考慮到種種原因，選擇穩(wěn)壓管應該使0(1.5~3)ZM MI =I(3)0(2~3)IU =U(4)
44圖6穩(wěn)壓電路4實用集成穩(wěn)壓電源的設計4.1實用集成穩(wěn)壓電源的設計方案集成穩(wěn)壓電源種類繁多，有簡單的，有復雜的。因為條件的限制，設計的只是最簡單的，僅僅只用到一片集成芯片LM317的直流穩(wěn)壓電源，如圖(7)所示。該電源的輸出電壓連續(xù)可調，LM317輸出電流為1.5A，輸出電壓可1.25V--37V之間連續(xù)可調，輸出電壓由兩外接電阻R1、RP1所決定，輸出端和調整端之間的電壓差為1.25V，這個電壓將產生幾毫安的電流，經(jīng)R1、RP1到地，在RP1上產生了一個變化的電壓加到調整段，通過改變RP1范圍就能改變輸出電壓。為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，流經(jīng)R1的電流要小于3.5mA，LM317在不加散熱片時最大功耗為2W，在加足夠大的散熱板時其最大功耗可達15W。VD1為保護二極管，以防穩(wěn)壓器輸出段短路而損壞IC，VD2用來防止輸入短路而損壞集成電路。4.2器件選擇與制作對于整個電路來說，整流橋應選用電流大于3A而耐壓大于50V的，二極管VD1、VD2選用1N4002；C1、C3、C4選用耐壓大于50V的電解電容；C2選用陶瓷電容；電阻用1/8W碳膜電阻；RP1選用5.1K電位器。因為電路并不復雜，只要按照原理圖去裝配即可，但要注意的是二極管和電解電容的極性，裝配時，可以制作一塊小的
線路板，也可以直接用元件搭接。LM317因工作電流較小，可以不加散熱片。裝好后再檢查一遍，無誤后接通電源。這時用萬用表測量C1兩端，應有11V左右的電壓，再測C3兩端，應有2-7V的電壓。再調節(jié)RP1，C3兩端的電壓應該能夠改變，調到你所需要的電壓即可。輸出端可以接一根十字插頭線，以便與隨身聽等用電器相連。而且此電路只要元件安裝無誤，無須調試即可使用。
4.3穩(wěn)壓電源的性能指標及測試方法穩(wěn)壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節(jié)范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調整率）、輸出電阻（或電流調整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。測試電路如圖(8)：
(1)紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。(2)穩(wěn)壓系數(shù)：在負載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化。(3)電壓調整率：輸入電壓相對變化為±10%時的輸出電壓相對變化量，穩(wěn)壓系數(shù)和電壓調整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。(4)輸出電阻及電流調整率：輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值。電流調整率：輸出電流從0變到最大值時所產生的輸出電壓相對變化值。輸出電阻和電流調整率均說明負載電流變化對輸出電壓的影響，因此也只需測試其中之一即可。5結束語集成穩(wěn)壓電源與一般分立元件的穩(wěn)壓電源相比較，具有性能優(yōu)良、可靠性高、體積小、價格低廉的優(yōu)點，因此獲得了廣泛的應用。并且粗略的講解了集成穩(wěn)壓電源的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。并且分步講敘了穩(wěn)壓電源的組成原理和各個部分的作用。最后采用LM317穩(wěn)壓器設計了一個簡單實用的集成穩(wěn)壓電源。參考文獻[1]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].北京：高等教育出版社，1999.[2]童詩白，華成英等.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.[3]張乃國.電源技術[M].北京：中國電力出版社，1998.[4]周仲.國產集成電路應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1993.[5]呂天祥.電路基礎[M].成都：西南交大出版社，1994.[6]金樹澤.電子技術基礎[M].成都：西南交大出版社，1994.[7]秦曾煌.電工學[M].北京：高教出版社，1993.[8]I.M.戈特利布.穩(wěn)壓電源[M].北京：科學出版社，1993.[9]清華大學電子工程系.晶體管電路[M].北京：科學出版社，1974.
追問：
太難了 有沒有簡單一點的 比如：多功能課桌 我們還要畫效果圖 三視圖 要的是實物 要是有的話 告訴我 謝謝了
