可调直流稳压电源 课程设计.doc

课 程 设 计
--可调直流稳压电源
学生姓名：
学 院： 信息工程学院
班 级： 12
学 号：
指导教师： XXXXX
日 期： 2013 年 12 月

可调的直流稳压电源电路
目录
摘要……………………………………………………………………1
绪论……………………………………………………………………2
一．设计目的 3
二．设计任务及要求 3
三．直流稳压电源设计思路 3
四．设计原理 4
五．电路相关元件及电路指标简介 5
六．电路原件选择………………………………………………………11
七．在Proteus中设计的电路图及其仿真图………………………14
八．组合硬件电路的调试及改进……………………………………16
九．设计心得体会……………………………………………………18
十．参考文献…………………………………………………………20

绪论

电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。
电源可分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。交流电源一般为220V、50Hz电源，但许多家用电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电能源，如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等都离不开这种电源。直流电源又分为两类：一类是能直接供给直流电流或电压的，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等，本文不做具体介绍；另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压的，这类变换电路统称为直流稳压电源。现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作，而最常用的是能将交流电网电压转换为稳定直流电压的直流电源，可见直流稳压电源在电子设备中起着主要作用，为设备能够稳定工作提供保证。220V、50HZ的单向交流电源经电源变压器降压后，再经过整流滤波可获得低电压小功率直流电源。然而，由于电网电压可以有±10%变化。为此必须将整流滤波后的直流电压由稳压电路稳定后再提供给负载，使负载上直流电源电压受上述因素的影响程度达到最小。直流电源电压系统一般由四部分组成，它们分别是电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。

一、设计目的
1、学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。
2、学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。
3、培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
二、设计任务及要求
1.两路输出电压为Vo1=5～10（v），Vo2=-5～-10（v）
2.两路输出的最大负载能为Io1=Io2=1A
3.电源内阻Ro1=Ro2≤10
4.电压稳定系数Sv1=Sv2=0.5%
5.输出纹波Vo～≤3mv

三．直流稳压电源设计思路

（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，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交流电压。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（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电压输出，供给电压表。

四、设计原理

1.直流稳压电源的基本原理
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的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：

其中，
(1)电源变压器：是降压变压器，它的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器的变比由变压器的副边按确定，变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。
(2)整流电路：利用单向导电元件，将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滤除。滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。

(4)稳压电路:稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。
在本次课程设计中我准备采用串联型稳压电路，集成稳压器选用LM317与LM337，电源变压器选用双15Ｖ／25Ｗ。
由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。
集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。
本课程设计中采用三端可调稳压器LM317与LM337。

五、 电路相关元件及电路指标简介

1、LM317与LM337集成稳压器的特性简介
LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压. 不过它只能连续可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路,输出电压为:Vo=1.25(1+RP/R).
由此可见此稳压器的性能和稳压稳定都比上一个三端稳压电源要好,所以此此方案可选,此电源就选用了LM317三端稳压电源.
三端可调稳压器的输出电压可调，稳压精度高，输出波纹小。其一般的输出电压为1.25~35V或-1.25~-35V。比较典型的产品有LM317和LM337等。
其中LM317的输出电压范围是 1.2V 至 37V，LM337 的输出电压范围是 -1.2V 至 -37V，负载电流最大为 1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317/LM337 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
特性简介
    可调整输出电压低到 1.2V。
    保证 1.5A 输出电流。
    典型线性调整率 0.01%。
    典型负载调整率 0.1%。
    80dB 纹波抑制比。
    输出短路保护。
    过流、过热保护。
    调整管安全工作区保护。
    标准三端晶体管封装。
电压范围 
    输入输出最小压差降为0.2V
    LM317/LM337 1.25V 至 37V 连续可调。
LM317与LM337集成稳压器的特性满足设计要求的输出电压Vo：±1.25 - ±12V连续可调。
封装形式
    TO-220 塑料封装，TO-3 铝壳封装，TO-202 塑料封装，TO-39 金属封装

图3 TO-220 塑料封装图

图4 TO-3铝壳封装图

图5 TO-39金属封装图

图6是三端可调输出集成稳压器的一般应用电路。电路中的R1、R2组成可调输出的电阻网络。为了能使电路中的偏置电流和调整管的漏电流被吸收，所以设定R1为120~240欧姆。通过R1泻放的电流为5~10mA。输入电容器C1用于抑制纹波电压，输出电容器C2用于消震，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。
由于加外接保护电路C2的存在，容易发生电容器发电而损坏稳压器。若有外接保护二极管D2，电容器C2放电时，D1导通钳位，使稳压器得到保护。D1是为了防止调节端旁路电容器C3放电时而损坏稳压器的保护二极管。旁路电容器C3也是为了抑制波纹电压而设置的。当C3为10uF时，能提高纹波抑制比15dB。

LM317

图6 LM317应用电路图
LM337

图7 LM337应用电路图
    1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆。改变R2阻值即可调整稳压电压值。D1，D2用于保护LM317/337。
　　这类稳压器是依靠外接电阻来调节输出电压的,为保证输出电压的精度和稳定性，要选择精度高的电阻,同时电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线上产生误差电压。三端可调式稳压器的典型应用电路的输出电压为:

LM317的VREF=1.2V，Iadj=50mA，由于Iadj<<I1，所以

2、 稳压电源的技术指标
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。
3、 串联型稳压电路的主要特点
1．稳定性好
　 当输入电压Usr （整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压Usc 的变化应该很小一般要求 。
　　由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S 来表示：S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。通常S约为。

2.输出电阻小
　　负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc ，应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。
　　输出电阻（又叫等效内阻）用rn 表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。
rn 反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn 越小，则Ifz   变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至0．01欧。
3.电压温度系数小
　　当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示.
4.输出电压纹波小
所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S 。
六、 电路原件选择
1、选择电源变压器
1）确定副边电压U2：
根据性能指标要求：
又
其中：

此范围可任选：
根据
可得变压的副边电压：
2）确定副边电流：
又副边电流 取
则
3)选择变压器的功率
变压器的输出功率：
故选择变压器12V/15W
2、选择整流电路中的二极管
因为变压器的伏变电压
桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：
桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：
查手册选整流二极管IN4001,其参数为：反向击穿电
最大整流电流
故选择二极管IN4001作为整流二极管
3、集成三端稳压器
LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压高得多的纹波抑制比。可调整输出电压低到1.2V，保证1.5A输出电流，典型线性调整率0.01%，80dB纹波抑制比，输出短路保护，过流、过热保护，调整管安全工作区保护，标准三极管封装。
LM317其特性参数：
可调范围为1.25V-37V
最大输出点流为1.5A
输入与输出工作压差为：3V-40V。
输出表达式为：
其中，是集成稳压器件的输出电压，为1.25V。如图所示，改变R2的值，Uo的值即可改变。当R2短路时，Uo最小，为即1.25V；当R2大于零时，Uo都大于，最大可达37V,如右图所示。
选稳压器：LM317、LM337

3、确定R1、R2的阻值。以LM317为例说明。
电路图如下所示：

图11 LM317电路图
输出电压计算公式 　　
带入数据可得 （1）
（2）
有（1）（2）可得：
取滑动变阻器： ， 则
的阻值不是标称值，取标称阻值。

4.滤波电路中滤波电容的选择
1） 求：
根据稳压电路的稳压系数的定义：
设计要求Vo1=5～10（v），Vo2=-5～-10（v）Sv1=Sv2=0.5%
Vo～≤3mv Ui=14v
代入上式，则可求得 ；
2）求滤波电容C
设定
所以滤波电容：。
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.

七、在Proteus中设计的电路图及其仿真图

1、设计的电路

2、正端输出仿真图（5V……10V）

3、负端仿真效果图（-5V……-10V）

八、组合硬件电路的调试及改进

安装时，先安装比较小的原件，所以先安装整流电路，在安装稳压电路，最后再装上电路（电容）。安装时要注意，二极管和电解电容的极性不要接反。检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用万用表检查整流后输出LM317输入端电压Ui的极性，若Ui的极性为负，则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路，就会损坏集成稳压器。然后接通电源，调节Rw的值，若输出电压满足设计指标，说明稳压电源中各级电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标的测试。
实际组装出的电路如下：

1、 输出电压
将万用表打到直流电压档，接到电路的正端输出端，然后给该电路通电,通过调节滑动变阻器的旋钮改变其阻值可改变输出电压，还有电压表读书知，该电路正端电压完全符合5V……10V的设计要求。
通过同样的方法可测得负端输出也同样满足设计要求：-5V……-10V
2.纹波电压的测试：
纹波电压即叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测器峰峰值，一般为毫伏级；也可用交流毫伏表测器有效值，但因纹波电压不是正弦波，所以又一定误差。
将示波器接到输出端，并将示波器打到毫伏档，观察其纹波电压，通过观察示波器知纹波电压约为3mv,符合设计要求。

3.稳压系数的测量
在Ui=220V时，测出稳压电源的输出电压Uo,然后调节自耦变压器是输入电压Ui=198V,测出稳压电源的输出电压Uo2。则稳压系数为：

因为在调试中，无法得到自耦变压器，所以只能把电压归算到降压器的输出电压(Ui): U1=220V, Ui=11.8V
Ui=12.4V 时，Uo=8.95V
Ui=14.4V 时，Uo=8.96V
Ui=9.84V时， Uo=8.95V
所以，稳压系数：=0.29%<0.3% 符合设计要求

4、电源内阻的测量：
　只要测量输出电压在负载开路时(E)和接入负载时(U)的两个数值，就能算出内阻r.负载开路时测得的是电源电势E，接入负载R时，测得端电压为U。则：U=(E-Ir)=E-r*U/R ;　r=(E-U)R/U
将正端输出端空载，接通电源，测得其输出电压为9.88V,断开电源，然后再在输出端加100欧姆的电阻，通过万用表测得输出电压为9.07V,计算的电源内阻约为8.9欧姆；通过同样方法测得负端电源内阻约为7.2欧姆，均小于10欧姆符合设计要求，

九、设计心得体会
经过一个的学习与实践，我还是把我的课程设计报告完成了。通过这一次的学习与实践，让我对模电知识更近一步的了解，对模电课程中直流稳压电源这一章所涉及的部分元件有了一定的认识；掌握了选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源，学会了用Proteus仿真软件对直流稳压电源进行调试及各部件主要技术指标的测试。
从选题到画图这个过程并没有发费我太多的时间，因为上学期我才学过Ptotel画电路板和PCB板，其中老师也教过我们如何画原件封装，所以，这个过程没有给我造成困难。但是画PCB板关系到之后的印版，所以画PCB板的时候我特意向在行的同学寻求帮助，问他们哪些地方需要改进的。但任存在不足的是，容值较大的电容与稳压管的距离靠得太近，导致散热片不能正常接上去，影响了稳压管的散热。
硬件的制作按流程操作并不是很难，我只用了一个晚上的时间，但是由于买不到与仿真等值的元件，难免造成误差，而且由于仿真软件本身的原因也可能造成误差，所以在完成硬件之后，我用万用表测得的输出电压范围是4.5V~9.06V，与要求的输出电压值有较大的误差，我又将与变压器串联的电阻换成更小阻值的，之后测得的输出电压为2.71V~9.04V，减少了误差。
整个事件过程中最难的要数调试了。因为没有示波器，所以除了测电压电流用到实物外，其它参数设计只能用仿真软件测得。由于对仿真软件使用懂得不多，对模电知识学习的也不是很透彻，所以有些数据的测试是参考资料测试的。
过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！
本次课程设计，培养了我运用互联网查找资料和综合应用课本理论知识解决实际问题的能力。启发了我，在今后的学习过程中不能懒懒散散，学的要懂不懂，要把课本上的知识学精通，同时也要多学习课外知识来扩张自己的知识面；在计算和动手方面要更加的耐心加细心，才能把事情做得更好；在生活和学习中，要和身边的人团结互助，能帮的就要尽力帮。
相信以后我会以更加积极地态度对待我的学习、对待我的生活。我的激情永远不会结束，相反，我会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。只有不断的测试自己，挑战自己，才能拥有更多的成功和快乐！To us, happiness equals success! 快乐至上，享受过程，而不是结果！认真对待每一个实验，珍惜每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我在课程设计中学到的最重要的东西，也是以后都将受益匪浅的！

参考文献
1. 康华光 编《电子技术基础 模拟部分》,北京 高等教育出版社,2001年1月版
2. 张宪 编《电子电路制作指导》，北京 化学工业出版社，2005年8月版
3. 张友汉 编《电子技术基础教学参考书》,北京 高等教育出版社,2005年6月版
4. 杨刚 编《模拟电子技术基础实验》,北京 电子工业出版社,2003年11月版

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