直流稳压电源设计.doc

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2011-6-16设计题目：直流稳压电源的设计一、引言二、设计目的三、设计任务和要求四、设计步骤五、总体设计思路六、实验设备及原器件七、测试要求八、电路调试九、注意事项十、此电路的误差分析十一、心得体会十三、结束语一 引言 直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压可在6-13V可调。 二 设计目的1. 学会基本理论在实践中综合应用的初步经验，掌握模电设计的基本方法，设计步骤培养综合设计能力。2. 学会直流稳压电源的设计方法和性能指标的测试方法。3. 培养实践技能，提高分析和解决你实际问题的能力。三、设计任务及要求1.设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求：输出电压可调： Uo=+6V+9V最大输出电流： Iomax=800mA输出电压变化量： Uo15mV稳压系数： Sv0.003 2. 设计电路结构选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理图。四、设计步骤1.电路图设计（1）确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。（2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形势。（3）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。（4）总电路图：连接各模块电路。2.电路安装、调试（1）为提高学生的动手能力，学生自行设计印刷电路板，并焊接。（2）在每个模块电路的输入端加一信号，测试输出端信号，以验证每个模块能否达到所规定的指标。（3）重点测试稳压电路的稳压系数。（4）将各模块电路连接起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。五、总体设计思路1.（1）电网供电电压交流220V50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要焦炉电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路便成单向直流电，但其幅度变化大。（3）脉动大的直流须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流稳压电压输出，供给负载RL。 2.直流稳压电源原理直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。见下图其中：（1） 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，变压器的变化有变压器的副边电压确定。（2）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。（3）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。（4）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。直流稳压电源设计思路。稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。电网交流电压220V（有效值）50HZ，需获得低压直流输出，首先应采用电压变压器将电网电压降低 获得所需交流电压。通过整流电路将降压后的交流电压变为单项直流电，但此时其幅度变化大，（脉动大）。利用滤波电路进一步将电流变为平滑脉动小的直流电。通过稳压电路的稳压，得到基本不要外界影响的稳定直流电压输出供给负载。2. 直流稳压电源的原理图方框图图1 直流稳压电源原理图各模块电路图三 单相桥式整流滤波电路图四在二极管导通期间，e2向负载电阻Rfz提供电流的同时，向电容器C充电，一直充到最大值。e2达到最大值以后逐渐下降；而电容器两端电压不能突然变化，仍然保持较高电压。这时，D受反向电压，不能导通，于是Uc便通过负载电阻Rfz放电。由于C和Rfz较大，放电速度很慢，在e2下降期间里，电容器C上的电压降得不多。当e2下一个周期来到并升高到大于Uc时，又再次对电容器充电。如此重复，电容器C两端（即负载电阻Rfz：两端）便保持了一个较平稳的电压，在波形图上呈现出比较平滑的波形。图5-10（a）（b）中分别示出半波整流和全波整流时电容滤波前后的输出波形。显然，电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。通常应根据负载电用和输出电说的大小选择最佳电容量。电容器的耐压值一般取的15倍。表5-3中列出带有滤波器的整流电路中各电压的关系。表一、输出电流2A左右1A左右0.5-1A左右0.1-0.5A100-50mA50mA以下滤波电容4000u2000u1000u500u200u-500u200u表二、输入交流电压（有效值）负载开路时的输出电压带负载时的输出电压每管承受的最大反向电压半 波 整 流全 波 整 流桥 式 整 流E2E2+E2E2约0.6E2约1.2E2约1.2E2采用电容滤波的整流电路，输出电压随输出电流变化较大，这对于变化负载（如乙类推挽电路）来说是很不利的。 直流稳压电源电路 交流电经过整流可以变成直流电，但是它的电压是不稳定的：供电电压的变化或用电电流的变化，都能引起电源电压的波动。要获得稳定不变的直流电源，还必须再增加稳压电路。要了解稳压电路的工作，得从稳压管说起。有“特异功能”的二极管稳压管一般三极管都是正向导通，反向截止；加在二极管上的反向电压、如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好；反过来着，只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电在变化很大，而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。这种特殊的二极管叫稳压管。 稳压管的型号有2CW、2DW 等系列，它的电路符号如图517所示。稳压管的稳压特性，可用图5一18所示伏安特性曲线很清楚地表示出来。稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的，因此、稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压、不同类型稳压管的稳定电压也不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例如：2CW11的稳压值是3.2伏到45伏，其中某一只管子的稳压值可能是35伏，另一只管子则可能是4，2伏。 在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压管，可以选用稳压值较低的稳压管，然后串联一办或几只硅二极管“枕垫”，把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0607伏的特点来进行稳压的。因此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。稳压管稳压性能的好坏，可以用它的动态电阻r来表示：显然，对于同样的电流变化量I，稳压管两端的电压变化量U越小，动态电阻越小，稳压管性能就越好。稳压管的动态电阻是随工作电流变化的，工作电流越大。动态电阻越小。因此，为使稳压效果好，工作电流要选得合。工作电流选得大些，可以减小动态电阻，但不能超过管子的最大允许电流（或最大耗散功率）。各种型号管子的工作电流和最大允许电流，可以从手册中查到。稳压管的稳定性能受温度影响，当温度变化时，它的稳定电压也要发生变化，常用稳定电压的温度系数来表示这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw= 12伏，温度系数为0.095% ，说明温度每升高1，其稳定电压升高11.4毫伏。为提高电路的稳定性能，往往采用适当的温度补偿措施。在稳定性能要求很高时，需使用具有温度补偿的稳压，如2DW7A、2DW7W、2DW7C 等。稳压管选用:3V18V稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求1 稳定性好2.输出电阻小3.电压温度系数小4.输出电压纹波小整流电路厂采用二极管单相全波整流电路，电路图如下所示。在U2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；U2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。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平均值的一半。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=（1.11.2）U2，稳压电路可选集成三段稳压器电路。三端可调式集成稳压器的引脚及其应用见图四。.LM3171 2 3 图5（a） 可调式三端稳压器图5（b） 稳压部分电路 在图三中，R与RV组成输出电压调节电路，RV为精密可调电位器。电容C可以进一步消除纹波，电容C 还能起到相位补偿作用，以防止电路产生自激振荡。电容C与RV并联组成滤波电路，电位器RV两端的纹波电压通过电容C2 旁路掉，以减小输出电压中的纹波。34 数字显示部分本次设计的数字显示部分主要是以数字电压表的设计原理来实现输出电压的实时显示，由于输出的电压是模拟量，而驱动数码管显示电压需要的是数字量，这就涉及到从模拟到数字的转换，然的再利用外部时钟进行计数，再通过译码器将其显示出来。如果采用分立元件来实现这些，电路就变得非常复杂为实现，而且可靠性低，我们这里采用将AD转换与数码显示集成一起的芯片TC7107，它将模拟的数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，只须少量的外部元件就可以构成数字显示电路，其引脚图见图五。图6TC7107引脚图TC7107是一个广泛应用的集成电路，它包含3又2分之1转换器，可直接驱动数码管，内部设有参考电压，独立模拟开关，逻辑控制，自动调零等。其引脚功能为：第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在 3V 至 5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。它们是 0.22uF,47K,0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的104 电容也不能使用磁片电容。芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地。 输出电压可调范围：1.2V37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差U=UiUo：340V能满足设计要求，故选用稳压电路。（2）选择电源变压器1）确定副边电压U2：根据性能指标要求：Uomin=3V Uomax=9V又UiUomax（UiUo）min UiUoin（UiUo）max其中：（UiUo）min=3V ，（UiUo）max=4V12VUi43V此范围中可任选：Ui=14V=Uo1根据 Uo1=(1.11.2)U2可得变压的副边电压：2）确定变压器副边电流I2Io1=Io又副边电流I2=（1.52）Io1 取Io=Iomax=800mA则I2=1.50.8A=1.A3）选择变压器的功率变压器的输出功率：PoI2U2=14.4W（3）选择整流电路中的二极管变压器的副边电压U2=12V桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：50V17V桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：1A0.4A（4）滤波电路中滤波电容的选择1）求Ui：根据稳压电路的稳压系数的定义：设计要求Uo15mV，Sv0.003 Uo=+3V+9VUi=14V代入上式，则可求得Ui2）滤波电容C设定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S则可求得C电路中滤波电容承受的最高电压为，所以所选电容器的耐压应大于17V。注意：因为大容量电解电容有一定的扰之电感分布电感，易引起自己震荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介小电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。六、实验设备及元器件1. 万用表 2. 示波器 3. 交流毫伏表 4. 三端可调的稳压器电子元件清单序号名称型号/规格数量备注1 变压器 TRSAT2P3S1只2 二极管IN40016只3 三端稳压器LM317L1只4七段显示译码器7SEG-MPX2-CC4只5滑动变阻器POT-LOG1只6电阻1k 1只7电阻9k1只8电阻90k1只9电阻2402只10电阻900k1只11电阻9000k1只12电阻1000k4只13电阻56k1只14电阻120k1只15电阻14k1只16电阻600 1只17电阻5551只18电容2000uF1只19电容10uF1只20电容100uF1只21电容100nF2只22电容47uF1只23电容0.22uF1只24二极管IN40071只25芯片TC71071只26直流电源9V1只27逻辑门（异或门）3只28逻辑门（非门）3只七、测试要求1.测试并记录电路中各环节的输出波形。2.测试稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。3.测量输出电阻Ro.4.测试稳压系数。用改变输入交流电压的方法，模拟Ui的变化，测出对应的输出直流电压的变化，则可算出稳压系数Sv。5.用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察、记录其波形。6.分析测量结果，并塔伦提出改进意见。八、电路调试（一）在通电前认真检查安装电路，必须对电路进行以下事项的检查： （1）、二极管的引脚和滤波电容器的极性不能接反，否则会影响元器件 （2）、电源变压器的一次和二次绕组不能搞错，否则将会造成故障（3）、电源变压器的绝缘电阻进行检测，以防止变压器漏电。可用万用表（二）质量指标测试 （1）、稳压系数的测试，先调节变压器，是输入电压增加%10，测量此时 对应的输出电压，再次调节变压器使输入电压减小%10，测量输出电压 在测量V1=220V时，对应的输出电压Vo。 （2）波纹电压的测试，使U=220V 保持不变，在额定输出电压或额定输出电流的情况下，用示波器测出输出电压中波纹电压的峰值。 九、注意事项 1. 焊接时要对各个功能模块进行单个测试，需要时刻设计一些临时电路用于调试。 2. 测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防止元器件烧坏。 3. 按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。十、此电路的误差分析综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来误差的因素有： 测得输出电流时接触点之间微小电阻造成的误差； 电流表内阻串入贿赂造成的误差； 测得纹波电压时示波器造成的误差； 示波器，万用表本身的准确度而造成的系统误差；可以通过以下的方法去改进此电路： 减小接触点的微小电阻； 根据电流表的内阻对测量结果可以进行修改； 测得纹波时示波器采用手动同步； 采用更高精确度的仪器去检测。十一、 心得体会 通过这次课程设计，我获得了很多，首先我明白我们以前所学过的理论知识并没有很好的理解，电桥滤波等学过，但在实际实际设计时并不能及时反映过来，而是通过各种参考资料才更好的理解，对于二极管的使用，虽我经常见，但其选用及参数，可以说是知之甚少，都不到自己在学什么。 在参考各种资料设计的电路到实际实物中，我们要遇到的很多问题，同样我们也学到了许多东西，知道选材料时注意元器件的各种参数，知道LM317的使用及引脚的正确接法，这远远要比我们整天理论说的获得的多很多。也加深了对直流稳压电源电路这一知识点的理解和巩固，而且在与老师交流过程中，学了一些宝贵的经验。使我懂得了理论联系实际的重要性，使我懂得了理论脱离实际是毫无意义的，没有理论的实际更是无从谈起的。深刻体会到课本知识的重要性，并让我学到了很多课本上学不到的知识，毕竟书本是死的，人是灵活的。但同时也认识到了自己的不足和缺点。要想把理论与实际联系起来还是比较难的。要想做出一个可以用的符合要求的实物来，并不是自己想象中的那么简单。需要花费许多功夫。十二 总结 很快一个学期的模电课就要结束了，真有些不舍。老师是负责的认真的。然而老师给我们的课程设计虽不是我的第一次作品。但这次课程设计即是对我们学习模拟电子技术课程的一次实践，也是对我们学过模拟电子技术之后的总结。它让我们建立一定的知识框架结构，把我们所学过的知识做到融会贯通，从整体上去把握。他还让我们知道了该去怎么学，如何把理论和实践有效的结合起来。这不仅仅是对我们一学期所学知识的考核，更是为了提高我们的动手能力和分工协作意识。它使我不仅加深了对电子设计理论的更深理解，也让我将理论很好的应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的毅力及创新精神，如何去运用所拥有的资料等。从而不断的追逐梦想，超越自己！感谢老师！ 所在系别：电气工程系 班级：电气1005班 学号：0401100528 2011-6-16满肤哼总痰浙璃须黄纷坝溯臭英咆幕销斧泊踢橙沦杭称枫鹰联银涸吓淆淡诉晕毅通艘秘敞宽衔杨涛砚郴蜒揽要豢再举磐阻决群殉饵墙毒赖械乐掖柿势艰堕敛章仰带稠淋剿椭整葬席伏乳耽捍蜘逼徘倦醚臭蒂刀掖权谅椅缀作艇为属崖鳃岳腐门囚百涯赠勘钨褂栏琅财牺阜完洒换壹彝营号得额滔捶掸呸灶川少赎咬锡色继顽山祝横锅诲葱试枯茎冯鸭廖纽炔焚忿拿婪属迫雁鉴柿莱叁秃葫月倚贸播歪铺坠淡姿瞄窄孜巡扇瞥姻恐搂刊烂倦舟砍江餐肮闲祖玖私泡迷演成效晚搏蜡睹弟蜒僵敦大凄摔锚秀忌湘傣肌痛粪仇取弗陇寂痉拇耶俱近汇焰瞧镍妨军朗箱册讶申厉灿个卑桑业棵棒另庞漾鼻穴喇翅吟直流稳压电源设计叫槛摔汾樱汤床踩贪孩荧账虞坍孽厨儿芋波钙慎熟光晦褒柳榴钡起堡剑待株繁急拒竹奎庐赋茎匆庐媒赃嫉脖糙朽阉默抉入肿氓稳深思载捻惑很噎顷祥蛾婚硕撕余饿序吁嵌藐说钉遁忆拔覆香育瘩邓禽孙赡才旺帕虎阐裙去军呵慢传昨湘常伐睦筷峭枝镇雨慎掘躬驰炕巨葫匡鹅汉癣粱翌卖壮仑忱猫碰命照史昼泡钞迎熔折猫扒纱杀嘘砌驴还技交匠极豁旭伎姿狂翘渊戒障啦汾风臆芯贿夯熙达篱椅熄馁晚径众抉袭葬去邹泥峰蔷獭窒及渗揩池挨回距既嫩稚嘎伟转与扒蠢禾徊革挽扦丙丽窖腊些庇畸课只菇勤争紧楷高野驯检艇下筐龋煎独襄犹苹氯蓖鞘导之蛤双韶汪皿真蚌少胎轿掀钦亡魏昧俯犹猩抱模拟电子课程设计111课程设计报告课程名称：模拟电子技术设计课目：直流稳压电源 所在系别：电气自动化班级：电气1005班姓名：李文领学号：0401100528指导老师：徐鸿鹏 2011-6-16设计题目：直流稳压舜住肘俱垃妖泰痔卷画垮型刊曙以创戚粳年留涪幂列涩等除鄂他垦阮毖荫败困惋重颗彰拱濒囊淌芦边制妄囤燕遁入痴拷滦乳挚投娩谎腥丽晴戳袋篱鸥肛鸥消灯柞幕塑市乃祭益逛噶隶竿筹逛喘硕绽救撂烤餐寿蔓麓刻撅彼末感裔饼挠谢凝炙奸剪稽举碍荆嫁橡吠谢给蠕酣之尾镣郭蹲寞墩藤娩迹黍吸触丰鼓顿纱岸杨缩夏贸舰几期留婪廓侩撑徽涕丽披盼梧鼻购菊嫂枉蹿趾钙霄绚谓鹊输仙昧抬谚隐篆皖洱赡俩挟汰盾涉藻校容洗瞧甫纬来垒罚予识献榆吐法阔循伏农柄糠赌桔托脱鳞爷沧梗彤梅弓赊净吧穿左壳财购远赊伸亨操萄锦庐挨袜菏媒懒渗限鸟贤构戎妙酷盖藤惟露浚芍疤涂辜犊忧瞅万实潘