交流220V轉(zhuǎn)5V直流電源設(shè)計(jì).doc

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安康學(xué)院 學(xué)年論文﹙設(shè)計(jì)﹚ 題 目 交流220V轉(zhuǎn)5V直流電源設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 所在院(系) 電子與信息工程系 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)教師 2011年 8 月 3日 電子與信息工程系學(xué)年論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告 姓名 專 業(yè) 班級(jí) 指導(dǎo)老師 題目 交流220V轉(zhuǎn)5V直流電源設(shè)計(jì) 1．本課題的基本內(nèi)容 直流電源屬于模擬電子技術(shù)，其應(yīng)用范圍非常廣泛。其主要是為各種電子產(chǎn)品提供穩(wěn)定的直流電壓，使電子產(chǎn)品能夠正常工作。一般的直流電源具有四個(gè)基本部分，即變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓。每一部分根據(jù)實(shí)際情況可以有不同的電路結(jié)構(gòu)，但是工作原理基本一致。 2．本課題的重點(diǎn)和難點(diǎn) (1)使電壓在負(fù)載變化時(shí)保持穩(wěn)定 (2)在輸出電流過大時(shí)，使用特定的電路進(jìn)行過載保護(hù) (3)使用集成穩(wěn)壓器時(shí)，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把集成穩(wěn)壓器燒壞 3．主要參考文獻(xiàn) [1]楊素行，清華大學(xué)電子學(xué)教研組.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程.北京：高等教育出版社，2006.396～399. [2]趙淑范，董鵬中.電子技術(shù)試驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2010.232～235. [3]張永瑞，王松林，李小平.電路分析.北京：高等教育出版社，2004.148. [4]孫余凱，吳鳴山，項(xiàng)綺明等.巧學(xué)巧用模擬集成電路實(shí)用技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2009. 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師： 年月日 安康學(xué)院學(xué)年論文（設(shè)計(jì)） 交流220V轉(zhuǎn)5V直流電源設(shè)計(jì) XX （安康學(xué)院電子與信息工程系電子信息工程09級(jí)，陜西 安康 725000） 指導(dǎo)教師：XXX 【摘要】運(yùn)用模擬電子技術(shù)的基本理論和分析方法，設(shè)計(jì)了兩種220V交流轉(zhuǎn)5V直流電源的方案。第一種方案的穩(wěn)壓部分為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路；第二種方案的穩(wěn)壓部分為集成穩(wěn)壓器。兩種方案都在Multisim10平臺(tái)上進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，兩種方案都可以輸出比較穩(wěn)定的5V直流電壓，且具有一定的負(fù)載能力。 【關(guān)鍵詞】直流電源、模擬電子技術(shù)、集成穩(wěn)壓器、交直流轉(zhuǎn)換 AC 220V Transform 5V DC Power Design Author:Yong Hao （Grade09,Class2,Major Electronic and information engineering ,Department of Electronic & Information Engineering,Ankang University,Ankang 725000,Shaanxi） Tutor:Lv Fang-xing Abstract:According to the basic theory and analytic method of analog electronic technology,two projects that transformed 220V alternating current to 5V direct current is deviced.The voltage stability part of the first project is series voltage regulator.The voltage stability part of the second project is IC voltage regulator.Both projects are simulated in Multisim10 platform.The result of the simulation suggested that both projects are able to output stable 5V direct current and have a certain load capacity. Key words：DC Power，Analog Electronic Technology，IC voltage regulator，AC/DC Conversion 1引言 電子產(chǎn)品的快速發(fā)展給我們的生活帶來了很多的便捷，但是大多數(shù)電子產(chǎn)品都無法直接利用220V的市電作為能源。電子產(chǎn)品的能源一般來自兩個(gè)方面：一，使用可以輸出直流電壓的電池。由于普通干電池的使用周期很短，出于對(duì)經(jīng)濟(jì)的考慮，大多數(shù)人選擇鋰離子或鎳氫充電電池。而充電電池都需要充電器。二，使用電源適配器。使用適配器將220V交流轉(zhuǎn)化為合適的直流。因此，對(duì)于一個(gè)電子產(chǎn)品來說，不管使用哪種能源，一個(gè)匹配的電源適配器（直流電源）是必不可少的。 目前，電源適配器正朝著體積小，損耗低，無線化，輸出電壓穩(wěn)定，負(fù)載能力強(qiáng)等方向發(fā)展。TI新進(jìn)推出的bq51013(集成無線電源接收器)的規(guī)格為1.9mm*3mm[1]?？梢姡诓痪玫膶?，我們手中的電子產(chǎn)品就可以無線充電了。 本文提出了兩種電源適配器方案，輸出均為5V直流，有一定的負(fù)載能力。第一種方案為分立元件組成，第二種方案為集成穩(wěn)壓器搭配少量元件組成。每一種方案都寫出了具體的設(shè)計(jì)步驟，所有關(guān)鍵的器件也給出了選擇方法和計(jì)算公式。最后在Multisim10平臺(tái)上進(jìn)行了仿真測(cè)試，結(jié)果均達(dá)到目標(biāo)要求。 2系統(tǒng)原理 變壓 整流 濾波 穩(wěn)壓 AC220V DC5V 圖2.1 系統(tǒng)原理圖 首先是對(duì)220V的高壓進(jìn)行變壓，變壓器的具體的匝比要根據(jù)下級(jí)的電路來確定。變壓之后的電流仍然為交流，在通過整流電路后，變?yōu)槊}沖直流。濾波電路可以消除脈沖，但是輸出的直流電壓仍不穩(wěn)定。最后，通過穩(wěn)壓電路，使得電壓的穩(wěn)定性大大提高，整個(gè)過程如圖2.1。兩個(gè)方案的主要區(qū)別在穩(wěn)壓電路，其他部分的電路結(jié)構(gòu)基本相同[2]。 3方案論述 3.1方案一論述 3.1.1穩(wěn)壓電路 圖3.1 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路主要是對(duì)整流濾波之后的電流作進(jìn)一步處理，使其電壓更穩(wěn)定，同時(shí)讓整個(gè)電路具有一定的負(fù)載能力，不會(huì)因?yàn)橥獠控?fù)載的變化而使輸出電壓發(fā)生變化。 如圖3.1，Q1和Q2構(gòu)成NPN復(fù)合管，可以極大的提高電流放大倍數(shù)，減小輸入電阻。LED2兼作電源指示和穩(wěn)壓管作用。LED1和R3組成簡(jiǎn)單過載及短路保護(hù)電路。R5和R4進(jìn)行分壓，然后將R4上的電壓通過Q3反饋到Q1Q2組成的放大電路。最后C3可以使電壓的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。 （1）確定輸入電壓 此部分電路的輸入電壓即為整流濾波電路的輸出電壓，為 V （3.1） 其中，就是IO3與IO4之間的電壓。為最大輸出電壓5V。為三極管Q1的集電極與發(fā)射極之間的電壓。一般要選擇在3～8V的三極管，以保證其工作在放大區(qū)。我選擇為5V左右的三極管。 （2）確定三極管 估算出三極管的，，值，再根據(jù)三極管的極限參數(shù),,來選擇三極管。 mA （3.2） V （3.3） W （3.4） 查三極管手冊(cè)，只要,,大于上述計(jì)算值，就可以作為Q1。同時(shí)，為滿足上一個(gè)對(duì)輸入電壓的條件，我選擇的是2N5551。Q2和Q3由于電流電壓都不太大，功耗也小，因此不需要計(jì)算其值，一般可選用小功率管，我選擇的是2N2222A。 （3）確定基準(zhǔn)電壓 （3.5） 由于比較小，只需要 （3.6） 其中，n為取樣電路的取樣比。LED的工作電壓為1.66V，且正向曲線特性較陡，因此它可以代替穩(wěn)壓管提供基準(zhǔn)電壓。 （4）限流電阻的計(jì)算 圖3.2 限流電路 限流電路如圖3.2。 由 （3.7） 得 （3.8） 其中，為L(zhǎng)ED2工作電流，可在2~10mA之間選取，我選擇了9mA。為Q3的發(fā)射極電流，可在0.5~2mA之間選取，我選擇的是1mA。 （5）取樣電路參數(shù)計(jì)算 圖3.3 取樣電路 首先，確定取樣電路的工作電流,該電流即是流過R5和R4的電流（由于Q3的基極電流很小，可以忽略不計(jì)）。若取得過大，則取樣電路的功耗也大；若取得過小，則取樣比n會(huì)因Q3的基極電流的變化而不穩(wěn)定，同時(shí)也會(huì)造成不穩(wěn)定[3]。 實(shí)際應(yīng)用中，一般取，我選擇的是 mA （3.9） 然后計(jì)算取樣電阻， （3.10） 則 （3.11） 則 （3.12） 3.1.2變壓整流濾波電路 圖3.4 變壓整流濾波電路 （1）確定變壓器匝數(shù) 之前已經(jīng)確定IO3與IO4之間的電壓為10V，再考慮到通過整流濾波后，電壓有效值會(huì)增大，因此，變壓器二次側(cè)的電壓為[4] V （3.13） 變壓器的扎比為 （3.14） （2）確定整流二極管 對(duì)整流二極管，只要求其最高反向工作電壓大于，保證在反向時(shí)不會(huì)被擊穿。我采用的是1N4001。 （3）確定濾波電容 電容應(yīng)滿足 （3.15） 其中，T=20ms（輸入交流電的周期）。我使用的是470F的電容，較大的電容可以取得更好的濾波效果。 3.1.3整機(jī)電路的測(cè)試 整機(jī)電路如圖3.5。使用Multisim中的交流源代替現(xiàn)實(shí)中的市電，設(shè)定其電壓有效值為220V，頻率為50Hz。輸出端接滑動(dòng)變阻器，代替現(xiàn)實(shí)中的負(fù)載。改變滑動(dòng)變阻器的阻值，通過觀察萬用表的直流電壓顯示數(shù)值，電壓變化不大，可見其具有一定的負(fù)載能力，如表3.1。 表3.1 負(fù)載測(cè)試 負(fù)載阻值 1000 500 100 40 輸出電壓V 5.031 5.029 5.021 5.006 當(dāng)負(fù)載阻值小于40時(shí)，LED1會(huì)亮，從而起到了過載保護(hù)的作用。 T2 TS_POWER_25_TO_1 D1 1N4001GP D2 1N4001GP D3 1N4001GP D4 1N4001GP Q1 2N5551 Q2 2N2222A C1 470uF R1 1k R2 1k R3 1 7 C2 22uF Q3 2N2222A LED1 LED2 8 11 R4 220 R5 255 C3 100uF V1 220 Vrms 50 Hz 0 6 3 4 5 9 XMM2 1 2 10% R6 Key = A 1000 10 12 圖3.5 整機(jī)電路的測(cè)試 3.2方案二論述 3.2.1濾波穩(wěn)壓電路 圖3.6 濾波穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算 （3.16） 因?yàn)閂，所以 （3.17） 僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。 首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是V，所以R2/R1的比值范圍只能是0～28.6。 其次是317穩(wěn)壓塊都有一個(gè)最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5mA。由于317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號(hào)不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5mA。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時(shí)，沒有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么制作的穩(wěn)壓電源可能會(huì)出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。 要解決317穩(wěn)壓塊最小穩(wěn)定工作電流的問題，可以通過設(shè)定R1和R2阻值的大小，而使317穩(wěn)壓塊空載時(shí)輸出的電流大于或等于其最小穩(wěn)定工作電流，從而保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作。此時(shí)，只要保證Vo/（R1+R2）≥1.5mA，就可以保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作。上式中的1.5mA為317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流。當(dāng)然，只要能保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作，Vo/（R1+R2）的值也可以設(shè)定為大于1.5mA的任意值。 經(jīng)計(jì)算可知R1的最大取值為R1≈0.83KΩ。又因?yàn)镽2/R1的最大值為28.6。所以R2的最大取值為R2≈23.74KΩ。因此，必須保證R1≤0.83KΩ，R2≤23.74KΩ兩個(gè)不等式同時(shí)成立，才能保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作[5]。 為滿足上述條件，我選擇R2=2KΩ,R1=700Ω。 C1為濾波電容，C2為旁路電容。 同時(shí)，為了電路的穩(wěn)定工作，我接入二極管作為保護(hù)電路，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把317燒壞[6]。 3.2.2變壓整流電路 圖3.7 變壓整流電路 在圖3.6中的二極管D2的反向電壓為29V，所以IO3與IO4之間的電壓為 V （3.18） 則變壓器二次側(cè)的電壓為 V （3.19） 則變壓器的閘比為 （3.20） 3.2.3整機(jī)電路的測(cè)試 D1 1N4001GP D2 1N4001GP D3 1N4001GP D4 1N4001GP C1 2.2mF V2 220 Vrms 50 Hz 0 U1 LM317K LINE VREG COMMON VOLTAGE C2 330nF XMM3 R2 2k R1 700 D5 1N4001GP C3 10uF C4 100uF D6 1N4001GP T1 50% R9 Key = A 1k 4 2 5 6 1 8 7 3 圖3.8 整機(jī)電路的測(cè)試 整機(jī)電路如圖3.8。使用Multisim中的交流源代替現(xiàn)實(shí)中的市電，設(shè)定其電壓有效值為220V，頻率為50Hz。輸出端接滑動(dòng)變阻器，代替現(xiàn)實(shí)中的負(fù)載。改變滑動(dòng)變阻器的阻值，通過觀察萬用表的直流電壓顯示數(shù)值，電壓變化不大，可見其具有一定的負(fù)載能力，如表3.2。 表3.2 負(fù)載測(cè)試 負(fù)載阻值 1000 500 100 輸出電壓V 5.075 5.061 5.022 4心得體會(huì) 通過寫這篇論文，我學(xué)習(xí)了普通直流電源的基本設(shè)計(jì)思路，了解了一般模擬電路的設(shè)計(jì)過程。在寫論文的過程中，我查找了很多資料，鍛煉了我查閱文獻(xiàn)和調(diào)研的能力。在仿真的過程中，我遇到了一些問題，主要是由于我對(duì)軟件不太熟悉。在以后的學(xué)習(xí)中，我會(huì)更多的進(jìn)行仿真練習(xí)。寫這篇論文使我感受到了科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)與艱辛，大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算，以及理論的推導(dǎo)都會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間與精力。 參考文獻(xiàn) [1]無線電源接收器解決方案.Texas Instruments. http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/bq51013.html. [2]楊素行，清華大學(xué)電子學(xué)教研組.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程.北京：高等教育出版社，2006.396～399. [3]趙淑范，董鵬中.電子技術(shù)試驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2010.232～235. [4]張永瑞，王松林，李小平.電路分析.北京：高等教育出版社，2004.148. [5]LM317.百度百科，2011-07-17.http://baike.baidu.com/view/396556.htm. [6]孫余凱，吳鳴山，項(xiàng)綺明等.巧學(xué)巧用模擬集成電路實(shí)用技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2009. 第 9 頁 共 9頁 電子與信息工程系學(xué)年論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定表 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 職稱 工作單位 題目：交流220V轉(zhuǎn)5V直流電源設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng)語： 直流電源屬于模擬電子的領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍非常廣泛。本文依照直流電源的四個(gè)基本部分設(shè)計(jì)了兩種方案，對(duì)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓這四個(gè)部分，每一種方案都給出了詳細(xì)的理論依據(jù)和計(jì)算過程。并對(duì)集成穩(wěn)壓器LM317的使用進(jìn)行了詳盡的敘述，明確了其使用的注意事項(xiàng)。最后在Multisim10平臺(tái)上對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行了仿真，其結(jié)果符合最初的設(shè)計(jì)要求。 論文數(shù)據(jù)資料翔實(shí)，論證嚴(yán)謹(jǐn)，思路清晰，結(jié)構(gòu)合理，行文規(guī)范，符合電子類專業(yè)的學(xué)年論文要求。 建議成績(jī)： 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 教研室意見： 教研室主任（簽字）： 年 月 日