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1、单元电路设计与分析2直流稳压部分直流稳压电源由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成。交流电网电压_变压电路整流电路图1直流稳压电源框图滤波电珞稳压电路电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给 整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流；三相半波、三相桥式全波整流等多种电 路。以下主要介绍小功率电源中常用的单相桥式。为分析简单起见，把二极管当作理想元件 处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。单相桥式整流电路：在u2的正半
2、周内，二极管Dl、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导 通，DI、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻陽，且方向是一致的。电路的输 出波形如图3所示。在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的 平均电流等于输出电流的平均值的一半，即/=1V电路中的每只二极管承受的最大 反向电压为仮（U2是变压器副边电压有效值）。单相桥式整流电路输出电压平均值12 兀Uo = f y/2U 2 sin cotdcot = U i = 0.9U 2I71 -71单相桥式全波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：”1 r c U2Id = Io = 0.45 2
3、Rl单相桥式全波整流电路二极管上承受的最高反向电压：Zdrm = y2U 2滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直 流电压。（1）电路的组成：交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分 又有交流成份。滤波电路就是利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变 的特性，将电容与负载RL并联（或将电感与负载RL串联），滤掉整流电路输出电压中的交流 成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。这一过程称为滤波。主要有电容滤 波电路、电感滤波电路、复式滤波电路、有源滤波电路。根据设计要求，采用了基本的电容 滤波电路。（2）电容滤
4、波电路的特点输出电压U0与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢U0（平均值）愈大。T-般取 2&cn（35）厅（T为电源电压的周期）近似估算：U0=1.2U2流过二极管瞬时电流很大RLC越大TU0越高，负载电流的平均值越大-整流管导电时间越短-iD的峰值电流越大。一般选管时，取 /df = (23)- = (23)丄22 Rl通过以上全波整流电容滤波电路的波形图和分析可以看出：并联电容滤波后，输出电压直流成份(即输出电压平均值)提高了；脉动成份降 低了(即输出波形平滑)。电容放电时间常数RLC愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动愈小，滤波效果愈 好。输出电压随输出电流(负载电流)增大而下降
5、较快，输出特性较软。滤波电容愈大，滤波效果愈好，但整流二极管的导通时间愈短，其中的电流冲击 也愈大。电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变 化。因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，LM317M 输出连续可调的正电压，7912稳压器输出固定的负电压，最大输出电流/。皿为5A。稳压内部含有过流、过热保护电路,具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。LM7912CT 管脚图 5：LM317系列的管脚图4：adj Uo %图4使用LM317M注意事项:
6、1. 317M稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V37V,故R2/R1的比值范围只能是02&6。2. 317M最小稳定工作电流的值一般为1.5mA,需要保证W(Rl+R2)1.5mA,经 计算可知R1的最大取值为Rl=0.83KQ,电阻R1常取值120Q240Q。又因为R2/R1的 最大值为28.6。所以R2的最大取值为R223.74KQo稳压电源的输出电压：Vo=1.25(l+R2/Rl)由于三端可调集成稳压器最小输出电压为1.25V,而本次课程设计要求从0V起调所以 需设计一电压补偿电路使固定一点电位为-1.25V,这样使输出电压为OVo参数计算：选可调式稳压器LM317M,其特性参
7、数V0=1.237V,IOnax=0.5A,最小输入输出电压(Vj-Vq) min=3V,最大输入输出压差(Vi-Vo) max=40V,组成的稳压电路如图 由式得 V0=1.25(l+RP1/Ri),取皿=200 Q ,RPj min=360 Q，则 RPl.49 kQ 故取RPi 为 2kQ 的精密线可 调式电位器。(2) 选电源变压器。由式V01.25(l+RPi/Ri)可得输入电压的范围为Vomax+CVi-VojminWViWVomin + (Vj-Vo) max15VWV1W40V副边电压 VzVinJn/l.1 = 15/1.lv,取 V2=14V,副变电流 I2Iomax=0.
8、4A,a I2=0.5A,则变压器副 边输入功率P2I2V2=7W.则原边输入功率P1P2/为留有余地，选功率为15W的电源变压器.(3) 选整流二极管及滤波电容。整流二极管D选IN4001,其参数为Vrm$50W,If=1A.满足 VrM V 2V?, lF=Io”ax 的条件。滤波电容C可由纹波电压AVop-p和稳压系数Sv来确定.已知VO=9V,V1=12V, AVOP-P=5mA,Sv=3 X IO3,则由式R=AV0/AIo得稳压器的输入电压的变化量 AVi=AVOp-pVi/V0Sv=2.2V滤波电容 C=Ict/AVi=Iomaxt/AVi=336 uF电压C的耐压应大于V2=1
9、5.4V故取2只22 00 UF/25V电容相并联。电路原理图D1U3 LM7912CT图6DI和D2作用是：当输出短路时，C13 的电压D2泄放掉，从而达到反偏保护的目的。此外，当输入短路时，C14等元件上储存的电压会通过D1泄放掉，用于防止内部内部调整管反偏。.数字电压表工作电源通过输出为稳定的5V直流稳压电源使其成为数字电压表工作电源，采用了三端集成 稳压器，数字电压表工作电源与1.1直流稳压电源原理一样。在元器件上选择了 7805、7905 输出5V来实现，从而使电路简单，输出稳定。2电路图如下:U1 LM7805CTU2 LM7905CT元件的选择C11选用电解电容2200UF, C
10、12选用陶瓷电容0。1UF,C14选用电解电容100UF, C15选用0= 1UF二极管D1选用IN4001C21和C22选用电解电容10UF数字电压表确定需要一个三位半的LED显示，决定通过采用数字集成电路ICL7107设计的一个 量程为0-20V的数字电压表，它不仅外围简单，而且测量精度高，满足设计要求。它 包含一个三位半的A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部还包含参考电压，时钟 系统，独立模拟开关，逻辑控制，显示驱动，自动调零等功能。ICL7107外围电路图汨.137DP1403F34Bi 7 K、 K E 、K2037-CKEF-VDDCMFDTHIClINLODICOMMONE
11、lBUFFnhJZG1INIAJOSC1DQOS：2E2OSC3EMFHIA3LEFUOB3ZES!C)POLE3G3GNDVEH2(WL7107CPLI:a=T7:=汨.汨.DP109537DP参数计算系统时钟由IC的38、39、40脚决定。内部振荡频率为48Hz,显示每秒刷新3次。振荡器频率 fosc = 0.45/RC Cose 50pF Rose 50K Q fosc = 48K Hz (典型 值)振荡周期 Tosc = RC/0.45所以，38脚的C4取100pF, 39脚的R5取100KQ积分电路由IC的27、28脚决定。积分时钟频率Fclock = Fosc / 4积分周期 Ti
12、nt = 1000 X (4/Fosc.) = 1000 X (4/48K) = 83. 3ms满量程模拟输入电压Vinfs = 200mV (典型值)最佳积分电流lint = 4uA积分电压 Vint = 2V积分电阻 Rint = Vinfs / lint = 200 mV/ 4uA = 50K Q积分电容 Cint = (Tint)(lint) / Vint = 83.3ms X 4uA / 2 = 0. 166 uF所以，27 脚 C3 取 0. 22uF,28 的 R4 取 47KQ。C2用于防止系统噪音的影响以及过载输入时电路的恢复，29脚的C2取0. 47uFo参考电容 0.1u
13、FCrefluFCl为参考电容，取O.lUfo电阻R2用于调整参考电压，参考电源为0200mV可调。R3用于电压校准。参考 电压与输入电压的关系为：Vin = 2 X Vref如果要求电压表的量程0199.9mV,参考电压应设置为100mVo如果需要需要测量的电压大于200mV,就要通过分压电路来实现。由于电源的指标是0-12V,所以要求电压表的量程为020V。下面以20V来进行分压电阻(Rx)的计算，这里设定R4形成的参考电压为100mV,R2为1KQ,落在R2上的电压降为2X100mV = 0. 2V, Rx计算如下：Rx = U/I = (20-0. 2) / (0. 2/1) = 99 (KQ )为了方便电阻选择，选用100 KQ电阻，其误差可通过调整R2来弥补。元件的选择制作时，显示用的数码管为共阳型，2KQ可调电阻最好选用多圈可调精密电阻， 分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其他器件选用正品即可。R1选用100KQ的金属膜电阻，R2选用2KQ的多圈可调精密电阻，R3选用24K Q的金属膜电阻，R4选用1KQ的多圈可调精密电阻，R5选用47KQ的金属膜电阻， R6选用100KQ的金属膜电阻。C1选用0.22uF的CCB电容，C2选用0.47uF的CCB电容，C3选用O.luF的陶瓷 电容。C4选用100 pF的CCB电容。
