电力电子技术课设设计-直流稳压电源电路设计.doc

课程设计名称： 电力电子技术 题 目： 直流稳压电源电路设计 专 业：班 级：姓 名：学 号：课 程 设 计 任 务 书1、 设计题目 直流稳压电源电路设计二、设计任务 1）了解整流电路的工作原理。 2）掌握电力电子器件电路的设计方法。 3）通过课程设计培养学生自学能力和分析问题、解决问题的能力。 4）通过设计使学生具有一定的计算能力、制图能力以及查阅手册、使用国家技术标准的能力和一定的文字表达能力。三、设计计划 1）复习课本，收集查阅资料，选定设计方案； 2）主电路、保护电路选择与计算； 3）控制电路选择与计算；四、设计要求用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计固定的正负直流电源（12V）；输出可调直流电压，范围1.55V；输出电流IOm1500mA；（要有电流扩展功能）稳压系数Sr0.05；具有过流保护功能。指导教师： 时 间：摘 要电子设备中需要直流电源，它们可以采用干电池供电（例如大多数半导体收机）或其他直流能源供电（例如太阳能电池等）。但是相对地说，这些电源每“瓦时”所需的费用较高。因此，在有交流网的地方，一般采用将交流电变为直流电的稳压电源。直流稳压电源是先把交流电变成脉动的交流电，再通过滤波电路、稳压电路，使输出的直流电压维持稳定。直流稳压电源一般包括以下几部分：（1）电源变压器将电网供给的交流电压变换为符合整流电路需要的交流电压；（2）整流电路将变压器次级交流电压变换为单向脉动的直流电压；（3）滤波电路将脉动的直流电压变换为平滑的直流电压；（4）稳压电路使直流输出电压稳定。关键字：直流电源；整流；变压；滤波；稳压 目录引言11主回路设计22电源变压器的设计32.1 源变压器的原理32.2 选择电源变压器43单相桥式整流电路53.1 单相桥式整流电路原理53.2 选择整流二极管64稳压电路的设计 74.1稳压电路的原理74.2 稳压电路参数的计算85滤波电路设计106总原理图及元器件清单 116.1 总原理图116.2 元件清单 127安装与调试148性能测试与分析158.1 12V直流稳压电源的性能测试158.2 可调式直流稳压电源的性能测试158.3 电流扩展直流稳压电源的性能测试168.4 稳压系数的测试168.5 产生误差的原因179结论1810本设计的体会19参考文献20直流稳压电源电路设计引言当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路-电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源,直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。321 主回路设计220V电网电压U1电源变压器U2整流电路U3滤波电路 Ui稳压电路 Uo负载RL稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路、压电路等四部分组成。如图1-1所示，其整流与稳压过程的电压输出波形如图1-2所示。图1-1 稳压电源的组成框图 图1-2 整流与稳压过程波形图电网供电电压交流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。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）。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。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，供给负载RL。2 电源变压器的设计2.1 电源变压器的原理电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压，通常根据变压器副边输出的功率来选购（或自绕）变压器。变压器副边与原边的功率比为 (2-1)式中，为变压器的效率。一般小型变压器的效率如表2-1所示。 图2-1 LM317引脚图图2-2 TIP41C三极管的管脚图图2-3 电源变压器原理图2.2 选择电源变压器表2-1 小型变压器的效率功率0时，电流由+流出，经VD1、RL、VD2流入-，即VD1、VD2导通，VD3、VD4截止；当u2 0时，电流由-流出，经VD3、RL、VD4流入+，即VD3、VD4导通， VD1、VD2截止。电路的输出波形如图3-2所示。图3-2 单相桥式整流电路输出波形3.2 选择整流二极管(1)在12V直流稳压电源电路设计中整流二极管D选1N4007即可，其极限参数为V，=1A，满足。(2)在可调式直流稳压电源电路及电流扩展直流稳压电源电路中整流二极管D选1N4007，其极限参数为V，=1A。满足，=的条件。4 稳压电路的设计4.1 稳压电路的原理在桥式整流电路中，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的平均值的一半，即 (4-1)电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。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： =(1.11.2) (4-2)直流输出电流： (4-3)(I2是变压器副边电流的有效值)稳压电路可选集成三端稳压器电路。12V直流稳压电源电路总体原理电路图如图4-1所示，可调式直流稳压电源电路总体原理电路图如图4-2所示，电流扩展直流稳压电源电路总体原理电路图如图4-3所示：图 4-1 12V直流稳压电源图 4-2 可调式直流稳压电源图4-3 电流可扩展直流稳压电源电路4.2 稳压电路参数的计算(1)在12V直流稳压电源电路实验中的稳压电路，采用固定式三端稳压器，主要使用了集成块78系列及79系列。78系列输出为正电压，输出电流可达1A，如7812的输出电流为5mA1A，它的输出电压为12V。和78系列对应的有79系列，它输出为负电压，如7912表示输出电压为12V和输出电流为5mA1A。故称之为三端式稳压器。这类集成稳压器的外形图及典型应用电路图如图4-4所示。(2)在可调式直流稳压电源电路因为要求输出电压可调，所以选可调式三端稳压器LM317，其特性参数 (4-4) (4-5)最小输入、输出压差 (4-6)最大输入、输出压差 (4-7)能满足设计要求，故选用LM317组成的稳压电路。稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。电路系列的引脚功能相同，管脚图如图2-1和典型电路如图2-3所示.。与组成电压输出调节电路，输出电压 (4-8)式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常取值120240，取=240，则=48，=2.64k,图4-4 三端稳压器7812、7912管脚图及典型应用电路图故取为5k的精密线绕可调电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管VD，用于防止输出端短路时10F大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。(3)、在电流扩展中用大功率三极管TIP41C和LM7812稳压器，TIP41C三极管的管脚如图2-2所示，其为NPN管，主要参数为：最大工作电压100V，最大工作电流6A，最大耗散率65W。设三端稳压器的最大输出电流为，则晶体管的最大基极电流 (4-9)因而负载电流的最大值，故其负载采用大功率的电阻，取=3.9，为10W的电阻。图中二极管用于消除对输出电压的影响。5 滤波电路设计(1) 在12V直流稳压电源电路设计中，滤波电容容量较大，一般采用电解电容器，选用3300/50V即可。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。(2) 在可调式直流稳压电源电路及电流扩展直流稳压电源电路中，滤波电容C可由纹波电压和稳压系数来确定，滤波电路的电路图如图5-1(a)所示，其输出电压波形如图5-1(b)、(c)所示，将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。已知，=15V，=18V，取=9mv,=0.0050.05,符合要求，则稳压器的输入电压的变化量 (5-1)滤波电容 (5-2) 电容的耐压应大于V。故取2只3300V的电容相并联。图5-1 滤波电路及其输出波形6 总原理图及元器件清单6.1 总原理图12V直流稳压电源总原理图如图6-1所示，可调式直流稳压电源总原理图如图6-2所示，电流扩展直流稳压电源电路总原理图如图6-3所示：图6-1 12V直流稳压电源总原理图图6-2 可调式直流稳压电源总原理图图6-3 电流可扩展直流稳压电源电路6.1 元件清单元件序号型号主要参数数量备注（单价）U1保险管1A10.2T1变压器15V15.0D1、D2、D3、D4、D5、D6二极管1N4007V，1A90.1D6二极管1N414875V，25nA10.1Q1三极管TIP41C100V，6A，65W13.0LED1、LED2发光二极管3紫0.5、绿0.5、红0.1C1、C2电解电容3300/50V21.5C3、C4电解电容0.22/50V20.2C5、C6电解电容0.47/50V20.2C7、C8电解电容220/50V20.4C3、C4电解电容10/50V20.2C4电解电容1/50V10.2U3三端稳压器LM7912-12V11.0U2三端稳压器LM7812+12V21.0U2三端稳压器LM3171.2537V11.0R1、R2、R4电阻1K30.1R1大功率水泥电阻10W，3.910.5R2电阻12040.1R5单联电位器5K10.8 说明:以上各幅图中的240的电阻R2因市场中没有，用的是各两个120的电阻串联；以上电路中因市场没有2.64K的电位器，所以只能用最接近的5K电位器代替，所以硬件安装时用的是5K电位器。7 安装与调试因以上各电路非常相似，很接近，只是在小范围有点点差别，所以在安装和调试时是类似的，安装调试如下： 1. 首先在变压器的原边接入保险丝FU，以防电路短路损坏变压器或其他元器件，其额定电流要略大于I，选FU的熔断电流为1A，各元器件按理论电路图正确焊接，注意布局紧密，不出现虚焊或漏焊。 2. 先选好适当大小的电路板，再合理布局。 3. 安装时先安装较小的元器件，先安装集成稳压电路，再安装整流电路，最后安装滤波电路，有三极管时因三极管对温度很敏感，所以要最后安装，但在安装的过程中要特别注意电容、二极管和三极管TIP41C的极性，并且要注意LM 7812 、LM 7912和LM317管脚的接法。注意安装要一级测试一级，检查电路安装无误后，再连接安装变压器。 4.接通电源后，静置一会待电路稳定后没出现任何故障（如芯片被烧等）再进行测量，若出现类似状况应立即断开直流电源，检查问题所在并及时排除故障再进行测量。用万用表分别测量变压器原、副边线圈的输出电压，滤波后的输出电压，7812，7912的输入和输出电压。对于稳压电路则主要测试集成稳压器是否能正常工作。其输入端加直流电压V18V，调节RP，输出电压V随之变化，说明稳压电路正常工作。整流滤波电路主要是检查整流二极管是否接反，安装前用万用表测量其正、反向电阻。接入电源变压器，整流输出电压V应为正。断开交流电源，将整流滤波电路与稳压电路相连接，再接通电源，输出电压V为规定值，说明各级电路均正常工作，可以进行各项性能指标的测试。8 性能测试与分析8.1 12V直流稳压电源的性能测试依次用万用表的250V的交流档测量变压器的原边电压，25V的交流档测量变压器的副边电压，25V直流档测量滤波后的输出电压、稳压器的输入电压和电路的最后输出电压，并记录测试结果如下表8-1：表8-1变压器原边电压变压器副边电压滤波后的输出电压稳压器的输入电压输出电压220V50HZ+15V-15V+18.1V-18.1V+18.1V-18.1V+12.05V-11.95V相对误差计算:其中变压器的副边电压的理论值为15V，滤波后的输出电压的理论值为 =1.2=1.2*15V=18V (8-1) =1.2=1.2*（-15）V=-18V (8-2)输出电压的理论值为=+12V，=-12V，则有：变压器副边电压的相对误差: =（15-15）15*100%=0% (8-3) =（15-15）15*100%=0% (8-4)滤波后的输出电压的相对误差： =|18-18.1|18.1*100%=0.55% (8-5) =（-18+18.1）18.1*100%=0.55% (8-6)输出电压的相对误差： =|12-12.05|12.05*100%=0.41% (8-7) =|-12+11.95|11.95*100%=0.42% (8-8) 8.2 可调式直流稳压电源的性能测试按图8-1电路的连接方法进行稳压电源性能指标测试，输出端接负载电阻，连接好测试电路图检查无误后通电，输入端接220V的交流电压，先将万用表打到25V电压的直流档，然后接上万用表对输出电压进行测量，由小到大慢慢地调节稳压电路中的5K电位器，观察万用表的读数，并记录测试的结果为输出电压可调范围为：1.5V15V，记录完数据后迅速调节电位器使输出端电压减小，再断电。相对误差计算： 理论输出最小电压为1.5V，输出最大电压为15V =(1.5-1.5) 1.5*100%=0% (8-9) =(15-15) 15*100%=0% (8-10)图8-1 稳压电源的性能指标测试电路8.3 电流扩展直流稳压电源的性能测试先将万用表打到5A直流档，再接通电源，直接将用万用表串联到电路中大功率的电阻的输出端，然后读数并记录数据后断电，输出电流为=1.6A，理论输出电流为 =1.5A (8-11)8.4 稳压系数的测试在本实验中由于没有自藕变压器，不能调节输入交流电的电压，从而无法测试稳压系数但稳压系数的测试方法为：用图18测试，先调节自藕变压器使输入电压增加10%，即=242V，测量此时对应的输出电压；再调节自耦变压器使输入电压减少10%，即=198，测量这时的输出电压，再测=220V时对应的输出电压，则稳压系数为 (8-12)8.5 产生误差的原因：综上数据计算与处理和误差计算分析，本实验在误差允许的范围内，符合实验设计要求，但毕竟存在小小的误差，主要原因有：(1)实验测量仪器万用表本身存在缺陷，不精确，可采用更高精确度的仪器去测量；(2)实验器材受环境温度的影响。如二极管和三极管对温度比较敏感，易受温度的影响，使得测量数据有所偏差；(3)焊接不紧或者虚焊会使得输出数据不稳定或者说万用表的指针不易稳定，偏转较明显，从而导致读数不准；(4)各导线接触不是很好也会导致实验误差。(5)测输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差；9 结论主要由电源变压器、整流电路、滤波电路、压电路等四部分组成的直流