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直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計實驗報告 一、實驗目的 1、了解直流穩(wěn)壓電源的工作原理。 2、設(shè)計直流穩(wěn)壓電路，要求輸入電壓：220V市電，50Hz，用單變壓器設(shè)計并制作能夠輸出一組固定+15V輸出直流電壓和一組+1.2V~+12V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路，兩組輸出電流分別IO≥500mA。 3、了解掌握Proteus軟件的基本操作與應用。 二、實驗線路及原理 1、實驗原理 （1）直流穩(wěn)壓電源 直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成。一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如下： 圖2-1 直流穩(wěn)壓電源的原理框圖和波形變換 其中： 1）電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定，變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=n，式中n是變壓器的效率。 2）整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電。 3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓U1。 4）穩(wěn)壓電路：其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化。 （2）整流電路 常采用二極管單相全波整流電路，電路如圖2-2所示。在u2的正半周內(nèi)，二極管D1、D2導通，D3、D4截止；u2的負半周內(nèi)，D3、D4導通，D1、D2截止。正負半周內(nèi)部都有電流流過的負載電阻RL，且方向是一致的。電路的輸出波形如圖2-3所示。 圖2-2整流電路 圖2-3輸出波形圖 整流二極管采用1N4007，具有正向?qū)妷航档?，導通電流高，泄露電流低，過載電流高，成本低等優(yōu)點，其基本參數(shù)如下圖所示，有黑色線圈一端表示負極。 圖2-4 1N4007基本參數(shù) （3）濾波電路 經(jīng)過整流后的直流電幅值變化很大，會影響電路的工作性能。可利用電容的“通交流，隔直流”的特性，在電路中并入兩個并聯(lián)電容作為電容濾波器，濾去其中的交流成分。利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點，將電容器和負載電容并聯(lián)或電容器與負載電阻并聯(lián)，以達到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，直流輸出電壓：Uo1=(1.1～1.2)U2。直流輸出電流：Io1=I2/（1.5~2）（U2變壓器副邊電壓的有效值，I2是變壓器副邊電流的有效值。） （4）穩(wěn)壓電路 集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路有三個引腳，分別為輸入端，輸出端和公共端，因而稱為三端穩(wěn)壓器。按功能可分為固定式穩(wěn)壓電路和可調(diào)式穩(wěn)壓電路；前者的輸出電壓不能進行調(diào)節(jié)，為固定值；后者可通過外接元件使輸出電壓得到很寬的調(diào)節(jié)范圍，便于實時控制。 本設(shè)計實現(xiàn)輸出固定+15V輸出直流電壓時采用集成三端穩(wěn)壓7815。X78XX系列是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為T0-220。它有一系列的固定電壓輸出，應用廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制以及過熱保護和安全工作區(qū)的保護，使它基本不會損壞。7815可輸出+15V電壓。其參數(shù)及引腳如下所示。 圖2-5 7815參數(shù) 圖2-6 7815引腳圖 7815標準應用如下圖所示： 圖2-7 7815標準應用 本設(shè)計實現(xiàn)輸出+1.2V~+12V可調(diào)電壓時采用可調(diào)式三端穩(wěn)壓器LM317。LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器在輸出電壓范圍1.2伏到37伏時能夠提供超過1.5安的電流，有三個引出端，分別為輸入端、輸出端和電壓調(diào)整端(簡稱調(diào)整端)。調(diào)整端是基準電壓電路的公共端，其典型值為1.25V。LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓依靠外接電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓的，為保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，要選擇精度高的電阻，同時電阻要緊靠穩(wěn)壓器，防止輸出電流在連線上產(chǎn)生誤差電壓。LM317引腳圖如下圖所示。 圖2-8 LM317引腳圖 LM317標準應用如下圖所示。電路中的R1、R2組成可調(diào)輸出的電阻網(wǎng)絡(luò)。為了能使電路中的偏置電流和調(diào)整管的漏電流被吸收，所以設(shè)定R1為120~240歐姆。通過R1瀉放的電流為5~10mA。 圖2-9 LM317標準應用 （5）單相變壓器 變壓器是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離。 2．實驗線路 下圖為+15V固定穩(wěn)壓電源的線路圖。采用三端式穩(wěn)壓器7815構(gòu)成單電源電壓輸出串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，220V的市電經(jīng)變壓器變壓后變成電壓值較小的交流，再經(jīng)橋式整流電路和濾波電路形成直流。濾波電容C1一般選取幾百～幾千微法。當穩(wěn)壓器距離整流濾波電路比較遠時，在輸入端必須接入電容器C2（數(shù)值為0.33μF），以抵消線路的電感效應，防止產(chǎn)生自激振蕩。輸出端電容C3(0.1μF)用以濾除輸出端的高頻信號，改善電路的暫態(tài)響應。 圖2-10 +15V穩(wěn)壓電源線路圖 下圖為+1.2~+12V可調(diào)穩(wěn)壓電源的線路圖。輸入電容器C1用于抑制紋波電壓，輸出電容器C2用于消震，緩沖沖擊性負載，保證電路工作穩(wěn)定，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值即可得到相應的電壓。 圖2-11 +1.2~+12V可調(diào)穩(wěn)壓電源線路圖 三、實驗內(nèi)容及步驟 1、根據(jù)搭接的仿真原理圖領(lǐng)取相應的電阻電容等元器件，根據(jù)原理圖以及芯片引腳圖布置電路結(jié)構(gòu)，同時注意走線平整、美觀。 2、開始焊接電路，按照布局好的電路焊接。焊接時需要注意（1）電解電容的極性不能接反，否則要爆炸。（2）凡電路板上要流過較大電流的連線，都要換上線徑稍粗的導線。 由于實驗室提供變壓器（二次側(cè)2*15V）和假負載（0～50Ω/2A的可調(diào)電阻RW和防止調(diào)節(jié)不慎而限流保護的電阻R），接線圖如下所示。 圖3-1 接線圖 在電路板上分別焊接大電流三針接線座子，1′、2′、3′和4、5、6。在1′-2′間焊接整流橋，3′懸空，以便與變壓器二次側(cè)的一組15V引出線相連。 3、焊接完成后，使用萬用表測試焊點是否牢固，防止虛焊。將萬用表調(diào)至蜂鳴檔，用兩個探針接觸整流橋正端引腳與1000uF電容正端，發(fā)出蜂鳴聲說明焊點牢固，其余焊點之間也同樣測試。測試完成后連接電路，驗證效果，連接好的電路如下圖所示。 圖3-2 焊接好的電路 4、焊接完畢后開始測試并記錄實驗數(shù)據(jù)。 （1）首先測試輸出電路能否實現(xiàn)相應功能。 將變壓器接到大電流三針接線座子1′、2′、3′上，測+15V輸出（4）與參考地（5）的電壓是否為一固定輸出15V。測可調(diào)電壓（6）與參考地（5）的電壓能否按要求可調(diào)？ （2）測試輸出電流是否≥500mA。 將變壓器接到大電流三針接線座子1′、2′、3′上，將+15V輸出（4）與一可變電阻相連，并串聯(lián)一電流表，電流表負端接參考地（5），測量電流能否輸出0～0.5A。 同樣方法測試+1.2V~+12V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路。 四、仿真 運用protues軟件對其進行系統(tǒng)仿真，仿真原理圖如下圖所示： 圖4-1 直流穩(wěn)壓電源仿真圖 1、固定+15V輸出直流穩(wěn)壓電源 仿真圖中上部分為固定+15V輸出直流穩(wěn)壓電源。輸入為220V，50Hz市電，經(jīng)變壓器降壓為AC24V，如下圖所示。 圖4-2 220V市電降壓為24V 變壓器參數(shù)設(shè)置如下圖所示。 圖4-3 變壓器參數(shù)設(shè)置 降壓后24V電壓經(jīng)過橋式整流后變?yōu)橹绷麟妷?，如下圖所示： 圖4-4 橋式整流 最后經(jīng)過濾波電容C1、C2、C3和穩(wěn)壓器7815輸出15V的直流電壓，如下圖所示： 圖4-5 輸出15V直流電壓 使用示波器觀測整體波形，A觀測220V市電（黃色），B觀測降壓后的波形（藍色），C觀測整流后的波形（紅色），D觀測輸出的直流電壓（綠色），如下圖所示。 圖4-6 整體波形觀測 2、+1.2V~+12V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源 仿真圖中下半部分為+1.2V~+12V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源。采用LM317可調(diào)穩(wěn)壓器，D5、D6起保護穩(wěn)壓器的作用。 當可調(diào)電阻短路時，輸出電壓為1.26V，如下圖所示： 圖4-7 可調(diào)電阻短路時，輸出直流電壓 當可調(diào)電阻的86%接入電路時，輸出電壓為12.1V，如下圖所示： 圖4-8 可調(diào)電阻的86%接入電路時，輸出直流電壓 五、實驗設(shè)備 實驗時所用的儀器設(shè)備如下表所示。 表5-1實驗設(shè)備 序號 設(shè)備 數(shù)量 1 變壓器（二次側(cè)2*15V） 1 2 假負載（0～50Ω/2A的可調(diào)電阻RW和防止調(diào)節(jié)不慎而限流保護的電阻R） 1 3 數(shù)字萬用表 2 4 鑷子 1 5 剪刀 1 6 導線 若干 7 洞洞板 1 8 電烙鐵 1 9 焊錫絲 若干 10 一字起 1 六、元器件清單 表6-1元器件清單 序號 元器件 數(shù)量 1 三端穩(wěn)壓器7815 1 2 三端穩(wěn)壓器LM317 1 3 整流橋 1 4 1000uF電容 1 5 0.33uF電容 3 6 10uF電容 1 7 散熱片 2 8 2k可調(diào)電阻 1 9 120歐電阻 1 10 大電流三針接線座子 2 七、實驗數(shù)據(jù)及分析 1、仿真數(shù)據(jù)記錄分析 （1）+15V固定直流穩(wěn)壓電源電路可實現(xiàn)輸出+15V固定電壓的功能。 （2）+1.2V~+12V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路數(shù)據(jù)記錄 表7-1 仿真數(shù)據(jù)記錄 序號 滑動變阻器阻值（k） 理論計算值（V） 仿真數(shù)據(jù)(V) 1 0 1.25 1.26 2 0.3 5 5.03 3 0.5 7.5 7.55 4 0.7 10 10.1 5 0.86 12 12.1 分析仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)誤差極小，可以驗證仿真結(jié)果的正確性。 2、實驗數(shù)據(jù)記錄及分析 （1）+15V固定直流穩(wěn)壓電源電路 空載時輸出電壓為15.190V。 接可調(diào)負載，輸出電流為0.5A時，輸出電壓為14.952V。 （2）+1.2V~+12V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路 空載時輸出電壓最小為1.233V，輸出電壓可達到12V。 接可調(diào)負載 輸出12V電壓，當輸出電流為0.499A時，測得實際輸出電壓為11.866V。 輸出1.2V電壓，當輸出電流為0.587A時，測得實際輸出電壓為1.225V。