直流穩(wěn)壓電壓電路設(shè)計需求和目標

　　(1)設(shè)計集成直流穩(wěn)壓電源電路。

　　(2)輸出直流電壓±5V。

　　(3)畫出邏輯電路圖，對電路進行仿真驗證

　　直流穩(wěn)壓電壓電源的設(shè)計思路是將220V,50HZ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。

　　1.整流電路設(shè)計

　　方案一:采用半波整流電路

　　半波整流電路如圖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，--般半波整流電路電源電路中很少使用。

　　圖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--半，比半波整流小--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.濾波電路設(shè)計

　　方案一:采用電感濾波電路

　　電感濾波電路如圖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5 電感濾波電路

　　方案二:采用RC濾波電路

　　RC濾波電路如圖6所示，它是由兩個電容和一個電阻組成，又稱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應遠小于R2。

　　圖6 RC濾波電路圖

　　方案三:采用LC濾波電路

　　LC濾波電路如圖7所示，LC濾波電路是-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)計任務的要求，利用可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器LM317和LM337組裝的電路可對稱輸出士5v的直流電壓。進一步改進為組裝輸出連續(xù)可調(diào)的士1.2v-士7v。

　　4.可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器

　　可調(diào)式三端集成穩(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?？烧{(diào)式三端集成穩(wěn)壓器CW317 和CW337是一種懸浮式串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器, 317系列集成穩(wěn)壓器能夠輸出連續(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。它們的外形如圖9所示，內(nèi)部電路如圖10所示，典型應用電路如圖11所示。

　　圖9 CW317和CW337外形圖

　　圖10 可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器內(nèi)部原理圖

　　圖11 CW317和CW337典型應用電路

　　在實際的應用當中，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1.25V~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小且恒定,可將其忽略不計,這樣輸出電壓可用下式(1)表示:

(1)

　　在上式中，1.25V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R1兩端，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R1:取值為120Ω ~ 240Ω,根據(jù)LM317輸出電壓表達式，取: R1=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1M337系列的引腳功能基本相同。

　　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U=Ui-U。: 3~40V。

　　5.集成穩(wěn)壓器的參數(shù)關(guān)系

　　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I < Io max，穩(wěn)壓器的輸入電壓Ui以滿足下式(1)。

　　Uo max+ (Ui-Uo) min ≤ Ui ≤ Uo min+ (Ui-Uo) max (1)

　　在式(1)當中，Uo max 為穩(wěn)壓電源的最大輸出電壓; Uo min 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。

　　可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器輸出電壓Uo滿足下式(2)

　　Uo = 1.25 × ( 1 + RpR1 )(2)

　　電路進行電路仿真

　　1.直流電壓輸出電路仿真

　　采用Multisim仿真軟件對所設(shè)計的電路進行電路仿真，仿真運行結(jié)果如圖12:

圖12 士1.2v-士7v直流電壓對稱輸出電路Multisim仿真效果

　　士1.2v直流電壓輸出萬用表顯示如圖13所示，士1.2v直流電壓輸出示波器顯示如圖14所示，士7v直流電壓輸出萬用表顯示如圖15所示，士7v直流電壓輸出示波器顯示如圖16所示。

　　圖13 士1.2v直流電壓輸出萬用表顯示

　　圖14 士1.2v直流電壓輸出示波器顯示

　　圖15 士7v直流電壓輸出萬用表顯示

　　圖16 士7v直流電壓輸出示波器顯示