7805+LM358直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

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2021-7-20 16:14 上傳

直流穩(wěn)壓電源的系統(tǒng)構(gòu)成一般由四個(gè)部分組成：變壓電路模塊、整流電路模塊、濾波電路模塊、穩(wěn)壓電路模塊。然而在交流電變壓、整流、濾去交流信的式都是近乎大同小異。不同的是于穩(wěn)壓電路系統(tǒng)的選擇，現(xiàn)在比較典型的有串聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路、三端集成穩(wěn)壓電路、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路、開關(guān)電源穩(wěn)壓電路。

開關(guān)穩(wěn)壓電路系統(tǒng)的組成如圖2-1所示。電路中包括采樣電路部分、濾波電路部分、基準(zhǔn)電壓部分、比較放大器部分、脈沖調(diào)制電路部分和開關(guān)調(diào)整電路等組成部分。

圖2-1 關(guān)型穩(wěn)壓電路組成

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，輸出電壓會(huì)有一定的波動(dòng)，輸出電壓經(jīng)過采樣電路的采集，將信號(hào)傳遞到放大電路與電路設(shè)定的基準(zhǔn)電壓比較出誤差，將誤差信號(hào)放大輸入到脈沖調(diào)制模塊，沖調(diào)制再輸出信號(hào)到開關(guān)調(diào)整管對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使開關(guān)穩(wěn)壓電路穩(wěn)定的輸出[3]。

開關(guān)型穩(wěn)壓電路主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①對(duì)電能的轉(zhuǎn)換效率高；

②設(shè)計(jì)成的產(chǎn)品的體積較小重量較輕；

③開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)要求不高；

④開關(guān)電源穩(wěn)壓器的調(diào)整管電路比較復(fù)雜；

⑤還有就是電路的輸出電壓中紋波電壓和噪聲較大。

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的基本原理圖如圖2-2所示。

圖2-2 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

如果電網(wǎng)電壓升高，那么經(jīng)過整流、濾波后的電壓Ui也會(huì)隨之升高，從而引起負(fù)載R的負(fù)載電壓的升高，由于穩(wěn)壓二極管D1與負(fù)載R2并聯(lián)，只要有一定的增長(zhǎng)，就會(huì)流過穩(wěn)壓二極管D1的電流升高，使得增大，故使限流電阻R1的電壓增大，從而降低了因Ui的升高導(dǎo)致的輸出增大，進(jìn)而保持負(fù)載電壓的基本不變

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的主要優(yōu)缺點(diǎn)有這些：

①穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的輸出電壓的誤差較大；

②穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓是將穩(wěn)壓二極管并聯(lián)入電路,效率很低；

③穩(wěn)壓二極管的最大工作電流較�。�

④唯一的優(yōu)點(diǎn)，電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便電路的搭建。

利用三端集成芯片的穩(wěn)壓器電路。如圖2-3所示，使用內(nèi)部有過載保護(hù)電路且輸出電壓可調(diào)或者輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓芯片，若是輸出可調(diào)的集成穩(wěn)壓芯片輸出電壓調(diào)整范圍寬，就加入一個(gè)電壓補(bǔ)償電路可實(shí)現(xiàn)輸出電壓從零伏起連續(xù)可調(diào)[4]。若是輸出固定的三端穩(wěn)壓芯片，輸出在標(biāo)定范圍左右波動(dòng)（波動(dòng)范圍由電路設(shè)計(jì)的紋波大小決定）。

圖2-3 三端集成穩(wěn)壓器電路結(jié)構(gòu)框圖

利用三端集成穩(wěn)壓芯片制作的穩(wěn)壓電路有著良好的穩(wěn)壓特性，并且輸出電壓便于固定或調(diào)節(jié)，電路的輸出紋波電壓較小，穩(wěn)定性較高，三端穩(wěn)壓芯片應(yīng)用廣泛價(jià)格較低，制作本低，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路，實(shí)際上就是在整流、濾波后的輸入直流電壓端加一個(gè)三極管，采用共射電路的原理搭建。當(dāng)輸入電壓或者負(fù)載變化時(shí)引起輸出電壓變化，輸出電壓的變化將通反饋網(wǎng)絡(luò)輸入到調(diào)整三極管的基極，使UBE發(fā)生改變，于是UCE也隨之改變，從而調(diào)整輸出電壓，使之保持基本穩(wěn)定[5]。

串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，主要分為四個(gè)模塊。

（1）采樣電阻

由兩個(gè)固定阻值的電阻與一個(gè)電位器串聯(lián)組成的分壓電路。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓或者負(fù)載改變而發(fā)生變化時(shí)，采樣電阻對(duì)輸出變化量進(jìn)行采樣，并傳輸?shù)椒糯箅娐返姆聪噍斎攵恕?/p>

（2）放大電路

放大電路中運(yùn)算放大器的作用是將輸出電壓的波動(dòng)差異放大，將放大后的信號(hào)接入調(diào)整三極管的基極。

（3）基準(zhǔn)電壓

圖2.4中穩(wěn)壓二極管提供一個(gè)電壓參照標(biāo)準(zhǔn)，也就是基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓輸入到運(yùn)算放大電路的同相輸入端。采樣電阻采樣的電壓輸入到運(yùn)算放大電路的反相輸入端，進(jìn)行差分運(yùn)算放大。

圖2-4 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路

（4）調(diào)整管

調(diào)整三極管的基極與發(fā)射極有一個(gè)固定的電壓降UBE,當(dāng)基極的電壓發(fā)生改變時(shí)，發(fā)射級(jí)的電壓也隨之改變，由于負(fù)載與發(fā)射極相連，從而調(diào)節(jié)了輸出電壓的穩(wěn)定[]。

由于運(yùn)算放大器需要外加電壓，單獨(dú)的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但在加入電源以后，電路變得較為復(fù)雜，且穩(wěn)定性偏低。

直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)除了以上四種還有兩只比較常見的電路：用單片機(jī)制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、化學(xué)電池制作穩(wěn)壓電源（DC-DC電源模塊）。

由于化學(xué)電池的輸出本身就是直流電，所以只需要進(jìn)行升壓，穩(wěn)壓即可制作一個(gè)比較簡(jiǎn)易的直流穩(wěn)壓電源（充電寶）。

通過對(duì)這幾種電路的了解以及認(rèn)真的分析，從輸出電的穩(wěn)定性以及輸出紋波電壓、最大輸出電流、電路實(shí)物的制作成本上來綜合考慮，我選取了三端集成穩(wěn)壓電路。

直流穩(wěn)壓電源一般包括四個(gè)模塊：變壓器電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路，如圖2-5所示。

圖2-5 直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖

由于對(duì)輸出電壓的要求單一，故選用變壓器的時(shí)候應(yīng)該選用無中間抽頭的單輸出變壓器，由于要求為輸出功率要求為5W,故采用10W單路輸出的變壓。橋式整流后的電壓：

                                                        公式（2.1）

由于電網(wǎng)電壓可能有的波動(dòng)，所以留有一定的余量。在我們?cè)O(shè)計(jì)的過程中，在使用軟件仿真時(shí)信號(hào)輸入往往是沒有波動(dòng)的，所以仿真的時(shí)候，輸出的直流電源往往是比較穩(wěn)定的而電網(wǎng)中的電，是由四面八方匯總而來，不斷的輸入不斷的輸出，會(huì)導(dǎo)致有些波動(dòng)，所以設(shè)計(jì)留有余量會(huì)使輸出數(shù)據(jù)更加的精準(zhǔn)。

在選擇變壓器參數(shù)的時(shí)候，既要考慮變壓器的輸出電壓是非滿足后面電路二極管、三極管所工作的區(qū)，也要達(dá)到電路要求的最大電流以上，以免損壞變壓器，造成不必要的損失[7]。

由于二極管具有單向?qū)щ娦�，利用這一特性，就可以使二極管組成整流電路，可以將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成單相的脈沖電壓。在小功率的直流穩(wěn)壓電源中，經(jīng)常使用的是半波整流、全波整流、橋式整流。

（1）半波整流如圖2-6所示，由單個(gè)整流二極管進(jìn)行整流，由于二極管的單向?qū)щ娦�，交流電在一個(gè)周期內(nèi)，有半個(gè)周期的正電壓，半個(gè)周期的負(fù)電壓，所以交流電在通過整流二極管后，通過的信號(hào)就只有正半周信號(hào)。

圖2-6 單向整流電路

（2）單相全波整流

全波整流需要變壓器有中間抽頭，使用兩個(gè)半波整流的電路，將整流后的輸出接入同一端，達(dá)到全波整流的目的，全波整流的原理圖如圖2-7所示。

圖2-7 全波整流電路圖

（3）橋整流電路

橋式整流電路由四個(gè)二極管構(gòu)成，如圖2-8所示，當(dāng)變壓器輸出端的電壓信號(hào)在正半周時(shí)二極管VD1與二極管VD4構(gòu)成電路回路；當(dāng)變壓器輸出端的電壓在負(fù)半周時(shí)二極管VD2與二極管D3構(gòu)成電路回路，故最終將負(fù)半周的信號(hào)整流到了正半周[8]。

經(jīng)過對(duì)三種整流電路的具體描述，可以分析總結(jié)它們的特性比較如表2-1：

經(jīng)過比較我們可以看出，全波整流與橋式整流有著差異不大的整流效率，但是橋式整流電路對(duì)電源變壓器的要求較低，設(shè)計(jì)成本低，利于大規(guī)模的應(yīng)用，綜合分析整流電路應(yīng)該選用橋式整流。

圖2-8 橋式整流電路圖

表2-1 三種整流電路的特性比較

濾波電路就是將整流后的信號(hào)中的交流分量大部分濾去，得到直流分量，利用電容的特性（通交流隔直流）。

常見的幾種濾波電路有：電容濾波、電感濾波、L型濾波、Π型LC濾波、Π型RC濾波。

（1） 電容濾波，如圖2-9所示。

圖2-9 電容濾波電路

優(yōu)點(diǎn)：電容濾波電路的輸出電壓高，在輸出是小電流時(shí)濾波效果好。

缺點(diǎn)：電容濾波的帶負(fù)載能力差，接入電源瞬時(shí)，充電的電流較大，整流管二極管將承受很大的瞬間電流，容易損壞整流二極管。

（2）電感濾波如圖2-10所示。

圖2-10 電感濾波電路

優(yōu)點(diǎn)：電感濾波電路的帶負(fù)載能力較好，對(duì)負(fù)載波動(dòng)濾波效果良好，且接入電源不會(huì)產(chǎn)生較大的電流來沖擊整流二極管管。

缺點(diǎn)：電感濾波電路的輸出電壓低，輸出電流大時(shí)要求互感器的扼流圈鐵芯要很大。電感所生的反向電壓可能擊穿元器件。

（3）L型濾波，如圖2-11所示。

優(yōu)點(diǎn): L型濾波電路的輸出電流較大，帶負(fù)載能力較好，濾波效果也好。

缺點(diǎn):變壓器的扼流圈體積大成本高。

圖2-11 L型濾波電路

（4） Π型LC濾波，如圖2-12所示。

圖2-12 Π型LC濾波電路

優(yōu)點(diǎn): Π型LC濾波電路的輸出電壓高，電路的濾波效果好。

缺點(diǎn):輸出電流小，負(fù)載能力差。

（5） Π型RC波，如圖2-13所示。

圖2-13 Π型RC濾波電路

優(yōu)點(diǎn):電路的濾波果，成本低，電阻R還有限流的作用。

缺點(diǎn):電路帶負(fù)載能力差，輸出電流較小。

最后將五種濾波電路的特性比較繪制為表2-2。

表2-2 各自濾波電路的性能比較

本次選用的是集成三端穩(wěn)壓芯片7805，7805是W7800系列中的一種穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓輸出電壓為5V。輸出電流根據(jù)7805的不同型號(hào)參數(shù)有三個(gè)輸出電流：1.5A、500mA、100mA。該型穩(wěn)壓芯片內(nèi)部電路包括了串聯(lián)直流穩(wěn)壓電路的部分，還加上了保護(hù)電路部分和啟動(dòng)電路部分[9]。如圖2-14所示。

圖2-14 W7800系列內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

（1）調(diào)整管

在7805芯片中，兩個(gè)三極管組成調(diào)整管電路，這種結(jié)構(gòu)使得放大電路可以用小電流來驅(qū)動(dòng)調(diào)整三極管發(fā)射級(jí)較大的輸出電流，并且提高調(diào)整三極管的輸入電阻。

（2放電路

7805芯片中的放大電路，同調(diào)整管電路一樣，也是由多個(gè)三極管構(gòu)成，放大電路的連接方式是共射電路，采用有源負(fù)載，這樣就可以獲得較大的放大倍數(shù)。

（3）基準(zhǔn)電源

7805芯片中采用了具有噪聲低、溫漂低等特點(diǎn)的能帶間隙式的基準(zhǔn)電壓源。

（4）采樣電路

采樣電阻是由一個(gè)固定阻值與一個(gè)電位器共同組成的分壓電路，對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，反饋到放大電路的輸入端。

（5）啟動(dòng)電路

啟動(dòng)電路是使剛接入輸入電壓時(shí)電路的各個(gè)部分都有自己合適的電壓。在整個(gè)電路穩(wěn)定以后，啟動(dòng)電路自動(dòng)斷開，避免影響電路參數(shù)。

（6）保護(hù)電路

7805芯片內(nèi)部含有過熱保護(hù)電路、限流保護(hù)電路，過壓保護(hù)電路。

三端集成穩(wěn)壓器的輸出電流都因?yàn)榧尚酒膬?nèi)在因素有一定的限制，通過外接大功率三極管的方式，可實(shí)現(xiàn)輸出電流的擴(kuò)大。如圖2-15所示。

圖2-15 擴(kuò)流電路

在圖2-15中，輸出電流經(jīng)三管的基極輸入，發(fā)射級(jí)輸出，由于三極管工作在放大區(qū)，故輸出電流被放大了。電路在接入兩個(gè)二極管VD，用以補(bǔ)償三極管的基極與發(fā)射極之間的電壓降,使電路的輸出電壓基本等于三端穩(wěn)壓器的輸出電壓[10]。根據(jù)圖2-15可知：

                                                        公式（2.1）

通過改變電阻R1的阻值可以改變流過二極管VD的電流，使二極管兩端的電壓大約等于UBE，接入二極管也抑制了三極管的溫漂，輸出電壓更加穩(wěn)定。電容C2的作用是濾掉二極管兩端的脈動(dòng)電壓，從而減小輸出電壓的脈動(dòng)部分。

簡(jiǎn)易的限流保護(hù)電路如圖2-16所示，虛線框內(nèi)的電路為限流保護(hù)電路模塊，由一個(gè)三極管Q1的基極與電阻R6串聯(lián)構(gòu)成，電阻R6又與負(fù)載串聯(lián)，當(dāng)負(fù)載電流增加，流過R6的電流也就增加，導(dǎo)致R6上電壓增加，增加到一定程度，使三極管Q1上有達(dá)到三極管導(dǎo)通的電壓降。三極管Q1導(dǎo)通后，三極管Q2基極上的電流被降低，從而起到限流的作用。

圖2-16 限流保護(hù)電路

如圖2-17所示，由于發(fā)光二極管或者蜂鳴器的最低驅(qū)動(dòng)電壓為3V,所以利用運(yùn)算放大器LM358,制作一個(gè)電壓比較器，達(dá)到輸出高電平的目的。

電壓比較器原理：當(dāng)算M358正極輸入端的電壓大于負(fù)極輸入端，LM358輸出高電平。反之則輸出低電平。

將LM358的負(fù)極輸入端接入限流電路三極管的發(fā)射級(jí)，LM358的電源輸出由整流后的電壓提供。假設(shè)設(shè)置過流報(bào)警電流值為1.5A，由于限流電阻為0.5歐，擇此時(shí)限流電路三極管發(fā)射級(jí)電壓為，調(diào)節(jié)圖中滑動(dòng)變阻器使LM358負(fù)極輸入端電壓為4.25V，這樣就是電路當(dāng)電流大于1.5A時(shí)就發(fā)出報(bào)警。

圖2-17 過流報(bào)警電路

由于LM358需要提供直流12V電源，按照直流穩(wěn)壓電源的原理，搭建直流穩(wěn)壓電壓如圖2-18所示，為L(zhǎng)M358提供直流12V電源。

圖2-18 直流12V電源

在橋式整流電路中，流經(jīng)整流二極管的電流ID為輸出電流IO的一半，即為

                                                                                    公式（2.2）因輸出電流要求為1A，故。

整流二極管所要承受的最大反向電壓U為變壓器輸出有效值UO的倍，變壓器輸出有效值為24V，故二極管所承受的電壓為                            公式（2.3）

（2）濾波電容計(jì)算

根據(jù)電容充放電原理可知：

                                                                      公式（2.4）

因?yàn)樽钚∝?fù)載電網(wǎng)的頻率為50HZ經(jīng)過橋式整流后輸出頻率變?yōu)樵瓉淼膬杀都礊?00Z,由：

                                                                                                  公式（2.5）

可得。故。由于電網(wǎng)電壓會(huì)有波動(dòng)，考慮波動(dòng)為，故電容要承受的電壓為。

(1、滿足所需要的功能和性能條件，并且還要留有一定的余量。

(2)、選擇合適的封裝，因?yàn)樵陔娮釉骷M裝的時(shí)候會(huì)因?yàn)榉庋b的不同，給組裝增加一定的難度。

(3)、元器件被大量的使用情況，元件被使用得越多，那么相對(duì)來該元件也就比較成熟，出障率也就比較低。

(4)、性價(jià)比要較高，因設(shè)計(jì)得要求，我們選擇普通、工業(yè)級(jí)、軍工級(jí)得元件都要充其量得考慮性價(jià)比。實(shí)物被制造出來其價(jià)值要與成本相對(duì)匹配。

(5)、供貨渠道要充足，可能因?yàn)橐欢螘r(shí)間的供貨緊張導(dǎo)致我們所需要得元件難，這樣拖延了設(shè)計(jì)進(jìn)度。

(6)、所選元器件要有可替代型號(hào)，所謂可替代型號(hào)指得是，功能、引腳、參數(shù)都近乎相同得元件，方便替換。

（1）變壓器

變壓器選擇220V變24V功率為10W的變壓器，因?yàn)殡娐份敵鰹?W，選擇10W的變壓器符合設(shè)計(jì)余量，24V是根據(jù)W7805穩(wěn)壓芯片的壓差選擇的，較大一點(diǎn)的電壓更利于電路的帶負(fù)載能力。

（2）整流二極管

1N007是由硅半導(dǎo)體造的整流二極管，其正向壓降為1.1V，平均工作電流1A，反向擊穿電壓1000V。

（3）三端集成穩(wěn)壓器

三端集成穩(wěn)壓器7805，7805穩(wěn)壓芯片有三個(gè)型號(hào)W7805、W78M05、W78L05

W7805最大輸出電流1.5A，W78M05最大輸出電流為500mA,W78L05最大輸出電流為100mA。7805穩(wěn)壓芯片還會(huì)由于封裝不同導(dǎo)致功耗有些差異，具體差異如表2-3所示。

表2-3 7805封裝性能差異表

于電路要求輸出功率為5W，故選擇7805帶散熱器的穩(wěn)壓芯片。

（4）電容的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)，兩次濾波電路中都加入了100nF的電容，由于要達(dá)到較好的濾波效果，在兩次濾波電路中都應(yīng)該加入較大的電容，在大電容中以電解電容反應(yīng)快，且價(jià)格實(shí)惠，但是由于電容太大，容易產(chǎn)生自激振蕩形成噪聲，故而加入100nF的瓷片電容來抑制自激振蕩，從而降低紋波電壓[11]。

（5）負(fù)載的選擇

選擇5歐的電阻作為負(fù)載，電路最大輸出功率為5W，故選擇5W的水泥電阻，散熱較快。

（6）功率三極管

本次選用的是2N3055這款功率三極管，主要參數(shù)為：最大工作電流為15A，最大工作電壓為50V，最大輸出功率為115W。

（7）運(yùn)算放大器

LM358運(yùn)算放大器，工作所需電壓3-30V，輸入共模電壓最大值VCC~1.5V。輸出電壓擺幅0到VCC-1.5V。

（1）直流穩(wěn)壓電壓的實(shí)際應(yīng)用

本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)5V1A的直流穩(wěn)壓電源，該直流穩(wěn)壓電源可滿足現(xiàn)在大部分小型無線設(shè)備的充電需求。諸如：手機(jī)，游戲機(jī)，相機(jī)等的電源供應(yīng)。

（2）功能擴(kuò)展

①加入防過充電路，可以保護(hù)電池的使用壽命以及提高全性。

②加入溫度采集模塊，采集電池溫度，在電池溫度異常升高時(shí)斷電，防止電池發(fā)生自燃。

③改進(jìn)功率放大電路，使輸出功率提高，大幅度縮短充電時(shí)間，更加的便捷人們的生活。

④加入信號(hào)發(fā)射功能，在感知充電完成以后，向主人完成充電完成的信號(hào)傳遞，使產(chǎn)品使用更加的智能化。

本次我所使用到是Multisim14電路仿真軟件進(jìn)行原理圖的仿真分析。

Multisim14是以系統(tǒng)為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于數(shù)字、模擬電路板的仿真設(shè)計(jì)。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式[12]。

如圖3-1所示的電路中由一個(gè)交流信號(hào)發(fā)射器提供一個(gè)220V60Hz的交流信號(hào)，選擇一個(gè)匝數(shù)比為10：1的變壓器進(jìn)行變壓，利用示波器觀察其波形變換，波形如圖3-2所示。

圖3-1 變壓電路

根據(jù)圖3-2示波器所示波形，我們可以看出輸入波形的峰峰值大約為306V，輸出波形的峰峰值大約為24V,經(jīng)過計(jì)算可知輸入的波形大約縮小了十二倍左右變成了輸出波形。

圖3-2 變器輸出波形圖

本次設(shè)計(jì)在整流電路所選用的是橋式整流電路，如圖3-3所示，根據(jù)橋式整流的原理可以知道，整流后的波形負(fù)半周的波形被整流到了正半周，其輸出波形的有效值變?yōu)檩斎氩ㄐ斡行е档?.2倍左右[1]。整流輸出波形如圖3-4所示：

圖3-3 橋式整流電路

圖3-4 整流輸出波形

根據(jù)圖3-4我們可以清楚的看到，負(fù)半周的波形被利用二極管的單向?qū)ㄐ?yīng)整流到了正半周，整流的信號(hào)效值用萬用表的測(cè)量變?yōu)樵瓉硖?hào)的1.2倍。

如圖3-5所示濾波電路四個(gè)電容組成的兩級(jí)濾波，達(dá)到濾波穩(wěn)壓的效果，由于無法仿真雜波，故在信號(hào)輸入端接入交流信號(hào)整流后的信號(hào)進(jìn)行濾波，在輸出端用示波器觀察輸出波形。如圖3-6所示。

圖3-5 濾波電路

圖3-6 濾波電路輸出波

根據(jù)圖3-6脈沖波形為輸入波形，直流波形為濾波以后的波形，可以看出輸入信號(hào)的交流成分被濾掉，剩下了直流成分，電壓有效值也變?yōu)樵瓉淼?.2倍，符合濾波的規(guī)律[14]。

圖3-7 穩(wěn)壓電路

如圖3-7穩(wěn)壓電路的仿真原理圖，將電路的各個(gè)部分整合起來，組成一個(gè)完整的直流穩(wěn)壓電路。輸入端加上普通220V50Hz交流電，先將負(fù)載設(shè)定為5歐根據(jù)萬用表測(cè)量輸出直流壓為5.001V，輸出電流為1A。

（1）仿真測(cè)試直流穩(wěn)壓電源的輸出穩(wěn)定性

改變負(fù)載接入端的電阻阻值大小，測(cè)試電路的輸出電壓和輸出電流，并將輸出結(jié)果填寫入表3-1：

表3-1 仿真直流穩(wěn)壓電源輸表

根據(jù)表3-1做輸出與輸出電壓的關(guān)系曲線如圖3-8所示，可知輸出電壓隨著輸出電流的增加基本保持穩(wěn)定符合直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求。

圖3-8 輸出電壓變化曲線圖

（2）仿真測(cè)量直流穩(wěn)壓電源的負(fù)載調(diào)整率

負(fù)載調(diào)整率：穩(wěn)壓電源中，由于負(fù)載的變化會(huì)引起直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓的變化，當(dāng)達(dá)到額定負(fù)載輸出時(shí)的輸出電壓，與空載電壓的變化率即為負(fù)載調(diào)整率[15]。

計(jì)算方法：

                                          公式（3.1）

測(cè)量方法：將電路空載利用萬用表或者示波器測(cè)量空載時(shí)的輸出電壓，在負(fù)載加入一個(gè)1千歐的電位器，將輸出電由零增加的1A，記錄輸出電壓的值。根據(jù)表3-1可知，空載輸出電壓為5.009V，滿載輸出電壓為4.997V,所以負(fù)載調(diào)整率為。

（3）仿真測(cè)試電壓調(diào)整率

電壓調(diào)整率：在輸為滿載的情況下，由于電網(wǎng)的波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生波動(dòng)。故可知，電壓調(diào)整率即為輸出電壓在輸入電壓變化的最大波動(dòng)范圍與額定輸出的比值。

計(jì)算方法：

                                          公式（3.2）

測(cè)量方法：假定電網(wǎng)波動(dòng)范圍在以內(nèi)，調(diào)節(jié)輸入交流信號(hào)，測(cè)量輸出電壓，并比較找出變化量最大的值來計(jì)算電壓調(diào)整率。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)為-10%時(shí)輸出電壓為4.999V,當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)為+10%時(shí)輸出電壓為4.996V。故電壓調(diào)整率為。

（3）仿真測(cè)試紋波電壓方法

紋波壓：紋波電壓是直流穩(wěn)壓電源中輸出電壓中的交流部分，紋波電壓的大小直接關(guān)系到直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓濾波系統(tǒng)的好壞，也就是整個(gè)直流穩(wěn)壓電源的質(zhì)量好壞。

測(cè)量方法：將電路接入負(fù)載，測(cè)量輸出紋波即為測(cè)量輸出電壓的峰峰值，將信號(hào)接入示波器通道A,將示波器波形測(cè)量調(diào)整到交流信號(hào)測(cè)量擋位進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)時(shí)間標(biāo)度為每刻度20ms,電壓標(biāo)度為每刻度。如圖3-9所示為仿真直流穩(wěn)壓電源的紋波電壓。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)我們可以知道該直流穩(wěn)壓電源的仿真輸出紋波電壓為。

圖3-9 直流穩(wěn)壓電源紋波圖

（5）仿真測(cè)試過流報(bào)警電路

改變負(fù)載端電阻阻值使輸出流大于1.4A,觀察二極管是否發(fā)出過流報(bào)警。如圖3-10所示在電流大于1.4A，過流報(bào)警信號(hào)燈亮；增加電阻值使輸出電流小于1.4A，觀察過流報(bào)警情況，發(fā)光二極管并沒有發(fā)光報(bào)警，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3-10 過流報(bào)警圖

（6）仿真總結(jié)

直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)要求：

輸出電壓為5V,最大輸出電流為1A，輸出電壓得紋波電壓小于50mV，電壓調(diào)整、負(fù)載調(diào)整率均小于5%。

根據(jù)仿真測(cè)試我們可以知道，在電路接入電阻為5歐滿載時(shí)，輸出電壓為5.001V，輸出電流為1A。輸出電壓得紋波電壓小于1mV,測(cè)量仿真測(cè)試得電壓調(diào)整率為0.24%,負(fù)載調(diào)整率為0.08%，過流報(bào)警也基本符合要求。以上所仿真數(shù)據(jù)均滿足直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求可以按照仿真原理圖進(jìn)行實(shí)物搭建。

（1）搭建原則：

分步搭建，逐步進(jìn)行參數(shù)的測(cè)試，如遇測(cè)試結(jié)果未達(dá)到預(yù)期，應(yīng)進(jìn)行檢查，是否存在焊接錯(cuò)誤，還是元器件的技術(shù)參數(shù)選擇不合適。及時(shí)糾正錯(cuò)誤以便后續(xù)電路功能成功展現(xiàn)。

（2）搭建原理圖

根據(jù)圖4-1搭建電路原理圖。

圖4-1 實(shí)物原理圖

（1）空載輸出電壓

接通電源，用萬用表測(cè)量輸出端電壓值，并拍照記錄。如圖4-2所示。電路空載時(shí)的輸出電為5.263V。

圖42 空載輸出電壓

（2）最大電流輸出測(cè)試

在負(fù)載端串聯(lián)入5歐電阻，并在輸出端串聯(lián)一個(gè)電流檔萬用表。讀取電流檔表輸出數(shù)值，并拍照記錄，如圖4-3所示。

圖4-3 滿載最大輸出電流

（3）負(fù)載的電阻值變化時(shí)測(cè)量輸出電壓的穩(wěn)定性

調(diào)節(jié)2K電位器，使電值依次減小，測(cè)量直流壓電源的輸出電壓和輸出電流。并將數(shù)據(jù)填寫入表4-1：

表4-1 負(fù)載變化的電路輸出

（4）紋波測(cè)試

紋波測(cè)試就是將輸出號(hào)接入示波器，檢測(cè)交流信號(hào)，交流信號(hào)的電壓峰峰值也就是輸出信號(hào)中的紋波。將輸出電壓信號(hào)接入示波器通道1，調(diào)節(jié)時(shí)間標(biāo)度為每刻度為50ns,調(diào)節(jié)電壓標(biāo)度為每刻度20mV,通過選擇測(cè)量將通道1的電壓峰峰值測(cè)量顯示在示波器上。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4-4所示：示波器測(cè)得的紋波電壓大小為29.6mV。

圖4-4 紋波波形圖

（5）過流報(bào)警測(cè)試

利用較小阻值電阻短暫接觸在負(fù)載端，聽蜂鳴器是否發(fā)出報(bào)警，若未報(bào)警，調(diào)節(jié)報(bào)警電路電位器，使蜂鳴器發(fā)聲。

（1）輸出電壓的穩(wěn)定性分析

根據(jù)表4-1可知，當(dāng)負(fù)載端電阻為5.7歐時(shí)，輸出電壓為4.48V,此時(shí)電壓較負(fù)載較小的數(shù)據(jù)差異較大，主要原因時(shí)限流電阻的分壓，由于限流電阻為0.5歐，當(dāng)電流增加以后，限流電阻就會(huì)分得更多電壓導(dǎo)致輸出電壓降低。根據(jù)表4-1數(shù)據(jù)畫出輸電壓隨輸出電流變化的曲線圖如圖4-5所示。隨著電流的增加即負(fù)載的增加，電壓在逐步減小，但依舊被穩(wěn)定在5V左右，符合直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求。

圖4-5 輸出電壓變化曲線圖

（2）負(fù)載調(diào)整率計(jì)算

計(jì)算公式：

                            公式(4.1)

由表4-1可知，空載時(shí)輸出電壓為5.263V，由表4-2可知滿載時(shí)輸出電壓為4.48V。故負(fù)載調(diào)整率計(jì)算值為。

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2021-7-20 16:02 上傳

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