2012屆本科課程設計
**多功能充電器的應用
姓名： 李珊珊
系別： 物理與資訊工程系
專業： 電子資訊工程
學號： 080312059
指導教師張慶華
2023年2月
物理與資訊工程系課程設計評審表
**多功能充電器的應用
1 設計任務與要求
1.2技術指標
直流穩壓電源的技術指標可以分為兩大類：一類是特性指標，反映直流穩壓電源的固有特性，如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電壓調節範圍；另一類是質量指標，反映直流穩壓電源的優劣，包括穩定度、等效內阻（輸出電阻）、紋波電壓及溫度係數等。
1、特性指標
（1）輸出電壓範圍
符合直流穩壓電源工作條件情況下，能夠正常工作的輸出電壓範圍。該指標的上限是由最大輸入電壓和最小輸入－輸出電壓差所規定，而其下限由直流穩壓電源內部的基準電壓值決定。
（2）最大輸入－輸出電壓差
該指標表徵在保證直流穩壓電源正常工作條件下，所允許的最大輸入－輸出之間的電壓差值，其值主要取決於直流穩壓電源內部調整電晶體的耐壓指標。
（3）最小輸入－輸出電壓差
該指標表徵在保證直流穩壓電源正常工作條件下，所需的最小輸入－輸出之間的電壓差值。
（4）輸出負載電流範圍
輸出負載電流範圍又稱為輸出電流範圍，在這一電流範圍內，直流穩壓電源應能保證符合指標規範所給出的指標。
2、質量指標
（1）電壓調整率sv
電壓調整率是表徵直流穩壓電源穩壓效能的優劣的重要指標，又稱為穩壓係數或穩定係數，它表徵當輸入電壓vi變化時直流穩壓電源輸出電壓vo穩定的程度，通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比表示。
（2）電流調整率si
電流調整率是反映直流穩壓電源負載能力的一項主要自指標，又稱為電流穩定係數。它表徵當輸入電壓不變時，直流穩壓電源對由於負載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力，在規定的負載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流穩壓電源的電流調整率。
2 設計原理
1、學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經驗，掌握模擬電路設計的基本方法、設計步驟，培養綜合設計與除錯能力。
2、學會直流穩壓電源的設計方法和效能指標測試方法。
3、培養實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。
2.2 設計任務及要求
1、設計並製作乙個多功能直流穩壓電源系統，主要技術指標要求：
① 輸出電壓可調：uo=+5v～+12v
② 最大輸出電流：iomax=500ma
③ 輸出電壓變化量：δuo≤15mv
④ 穩壓係數：sv≤0.003
2、設計電路結構，選擇電路元件，計算確定元件引數，畫出實用原理電路圖；
3、合理選擇穩壓器；
4、完成全電路理論設計、計算機輔助分析與**、安裝除錯、繪製電路圖，自製印刷板。
2.3 設計步驟
1、電路圖設計
（1）確定目標：設計整個系統是由那些模組組成，各個模組之間的訊號傳輸，並畫出多功能直流穩壓電源系統原理圖。
（2）系統分析：根據系統功能，選擇各模組所用電路形式。
（3）引數選擇：根據系統指標的要求，確定各模組電路中元件的引數。
（4）總電路圖：連線各模組電路。
2、電路安裝、除錯
（1）為提高學生的動手能力，學生自行設計印刷電路板，並焊接。
（2）在每個模組電路的輸入端加一訊號，測試輸出端訊號，以驗證每個模組能否達到所規定的指標。
（3）重點測試穩壓電路的穩壓係數。
（4）將各模組電路連起來，整機除錯，並測量該系統的各項指標。
3 電路設計
3.1直流穩壓電源的基本原理
直流穩壓電源一般由直流電源變壓器t、整流濾波電路及穩壓電路所組成，基本
圖如下。各部分的作用：
圖3.1基本原理框圖
電源變壓器t的作用是將電網220v的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓ui。變壓器副邊與原邊的功率比為p2/ p1=η，式中η是變壓器的效率。
3.2整流波電路
1、整流電路
把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數整流電路由
變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調速、發電機的勵磁調節、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。
20世紀70年代以後，主電路多用矽整流二極體和閘流體組成。濾波器接在主電路與負載之間，用於濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設定與否視具體情況而定。
變壓器的作用是實現交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網與整流電路之間的電隔離（可減小電網與電路間的電干擾和故障影響）。
2、濾波電路
濾波電路常用於濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端併聯電容器c，或與負載串聯電感器l，以及由電容，電感組成而成的各種複式濾波電路。
由於電抗元件在電路中有儲能作用，併聯的電容器c在電源供給的電壓公升高時，能把部分能量儲存起來，而當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，即電容c具有平波的作用；與負載串聯的電感l,當電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時，它把能量儲存起來，而當電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流比較平滑，即電感l也有平波作用。
3、整流濾波電路 ：
整流電路將交流電壓ui變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓u1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。
各濾波電容c滿足rl-c＝（3~5）t/2，或中t為輸入交流訊號週期，rl為整流濾波電路的等效負載電阻。
圖3.2整流濾波電路圖
3.3電晶體穩壓：
1、原理分析
圖3.3是串聯穩壓電源電路圖，其中t1是調整管，d1和r2組成基準電壓，t2為比較放大器，r3～r5組成取樣電路，r6是負載。其電路組成框圖見圖3.4。
假設由於某種原因引起輸出電壓uo降低時，通過r3～r5的取樣電路，引起t2基極電壓（ut2）o成比例下降，由於t2發射極電壓（ut2）e受穩壓管d1的穩壓值控制保持不變，所以t2發射結電壓（ut2）be將減小，於是t2基極電流（it2）b減小，t2發射極電流（it2）e跟隨減小，t2管壓降（ut2）ce增加，導致其發射極電壓（ut2）c上公升，即調整管t1基極電壓（ut1）b將上公升，t1管壓降（ut1）ce減小，使輸入電壓ui更多的加到負載上，這樣輸出電壓uo就上公升。這個調整過程可以使用下面的變化關係圖表示：
uo↓→（ut2）o↓→ud1恆定→（ut2）be↓→（it2）b↓→（it2）e↓→（ut2）ce↑ →（ut2）c↑→（ut1）b↑→（ut1）ce↓→uo↑
當輸出電壓公升高時整個變化過程與上面完全相反，這裡就不再贅述，簡單的用下圖表示：
uo↑→（ut2）o↑→ud1恆定→（ut2）be↑→（it2）b↑→（it2）e↑→（ut2）ce↓ →（ut2）c↓→（ut1）b↓→（ut1）ce↑→uo↓
圖3.3串聯穩壓電源電路圖
在串聯穩壓電源的整個穩壓控制過程中，由於增加了比較放大電路t2，輸出電壓uo的變化經過t2放大後再去控制調整管t1的基極，使電路的穩壓效能得到增強。t2的β值越大，輸出的電壓穩定性越好。
2、調節輸出電壓
前面我們還說到r3～r5是取樣電路，由於取樣電路併聯在穩壓電路的輸出端，而取樣電壓實際上是通過這三個電阻分壓後得到。在選取r3～r5的阻值時，可以通過選擇適當的電阻值來使流過分壓電阻的電流遠大於流過t2基極的電流。也就是說可以忽略t2基極電流的分流作用，這樣就可以用電阻分壓的計算方法來確定t2基極電壓（ut2）b。
圖3.4串聯穩壓電源框圖
當r4滑動到最上端時t2基極電壓（ut2）b為：
此時輸出電壓為：
這時的輸出電壓是最小值。
當r4滑動到最下端時t2基極電壓（ut2）b為：
此時輸出電壓為：
這時的輸出電壓是最大值。
以上計算中，當（ut2）be<通過上面的計算我們可以看出，只要合適選擇r3～r5的阻值就可以控制輸出電壓uo的範圍，改變r3和r5的阻值就可以改變輸出電壓uo的邊界值。
電路的安裝與檢測
穩壓電流的效能指標及測試方法
穩壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節範圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩定程度，包括穩壓係數（或電壓調整率）、輸出電阻（或電流調整率）、紋波電壓（紋波係數）及溫度係數。測試電路如下圖。
圖5.1 穩壓電源效能指標測試電路
（1） 紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。
（2）穩壓係數：在負載電流、環境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即：
（3） 電壓調整率：輸入電壓相對變化為±10%時的輸出電壓相對變化量，穩壓係數和電壓調整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。
（4） 輸出電阻及電流調整率
輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值.電流調整率：輸出電流從0變到最大值時所產生的輸出電壓相對變化值。
輸出電阻和電流調整率均說明負載電流變化對輸出電壓的影響，因此也只需測試其中之一即可。
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