模拟电子技术课程设计-多路输出直流稳压电源的设计与制作.doc

武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书课程设计任务书题 目: 多路输出直流稳压电源的设计与制作 初始条件：元件清单：交流电源220V，变压器，整流桥，电容、电阻、电位器，三端集成稳压器，开关。可用仪器：示波器，万用表，毫伏表。要求完成的主要任务: （1）设计工作量根据技术要求和已知条件，完成对多路输出直流稳压电源的设计、装配与调试。（2）技术要求 要求设计制作一个多路输出直流稳压电源，可将220V/50Hz交流电转换为多路直流稳压电源输出：12V/1A，5V/1A，+5V/3A，和一组可调正电压。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（用Multisim画电路原理图并实现仿真） 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。时间安排：序号设计内容所用时间1布置任务及调研1天2方案确定0.5天3制作与调试1.5天4撰写设计报告书1天5答辩1天合 计5天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录目录3摘要5Abstract61课程设计内容及要求71.1设计的初始条件及主要任务71.1.1设计的初始条件71.1.2设计所需完成的任务与要求71.2设计思路72原理电路的设计92.1方案比较92.1.1可选方案92.1.2各方案优缺点92.2总体设计原理92.3电源变压器的基本原理102.4整流电路的基本原理112.4.1单相桥式整流电路工作原理112.4.2参数计算122.4.3单相桥式整流电路的负载特性曲线122.5滤波电路的基本原理132.6稳压电路的基本原理153电路元件选择163.1 电源变压器的选择163.2集成整流桥及滤波电容的选择163.3集成稳压器的选择173.3.1输出电压固定的集成稳压器（5V，12V）的选择173.3.2输出电压可调的集成稳压器的选择174 Multisim仿真结果与分析194.1 电路原理图194.1.1说明书194.2 电路每级波形图204.3 电路输出波形图214.4 仿真结果245 实物与测量255.1 电路实物图255.2 输出端测量图255.3 输出端测量数值295.4 误差分析296 心得与体会307 参考文献31附录一321总体电路图322 元件清单33附录二34摘 要随着电子技术的快速发展，高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。直流稳压源为电路提供直流电压和能量，其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。本文旨在利用交流变压器、整流环节、滤波环节和集成稳压电路将220V交流电压转化为12V/1A，5V/1A，+5V/3A和一组可调正电压+1.25V+27V/1A的直流电压输出，并且对衡量稳压电路性能的几种主要参数进行了测试和分析。关键词:直流稳压 半波整流 电容滤波 Multisim仿真 AbstractWith the rapid development of electronic technology, high performance electronic circuit to the requirement of power supply quality is higher and higher. It has become a big issueto design the circuit which can meet the performance requirements of high precision power supply.DC voltage source can provide circuit with dc voltage and the energy. The output voltage of the stand or fall of quality directly depends on the power performance.The purpose of this paper is to use AC transformer, rectifier, filter and integrated voltage stabilizing circuit to change 220 V AC voltage into a 12V/1A，5V/1A，+5V/3A and a set of adjustable positive voltage +1.25V+27V/1A a DC voltage output, and also test and analyze serveralmain parameterswhich are used to measure voltage stabilizing circuit performances.Keywords: DC voltage Half-wave rectification Capacitor filter Multisim simulation1课程设计内容及要求1.1设计的初始条件及主要任务1.1.1设计的初始条件元件清单：变压器、整流桥、电容、电阻、电位器、三端集成稳压器、交流电源220V、开关、排针、导线等。可用仪器：示波器、万用表、毫伏表。1.1.2设计所需完成的任务与要求1.1.2.1设计工作量根据技术要求和已知条件，完成对多路输出直流稳压电源的设计、装配与调试。1.1.2.2技术要求 要求设计制作一个多路输出直流稳压电源，可将220V/50Hz交流电转换为多路直流稳压电源输出：12V/1A，5V/1A，+5V/3A和一组可调正电压。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（用Multisim画电路原理图并实现仿真） 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。1.2设计思路本设计主要分为变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路4个部分。变压电路：将交流电网220V的电压变味所需要的电压值。整流电路：将交流电压变成脉动的直流电压。滤波电路：由于经过整流的脉动直流电压还含有较大的纹波，因此需要设计滤波电路加以滤除。稳压电路：在电网电压波动、负载和温度变化时，依然维持输出直流电压稳定。变压电路整流电路滤波电路220V交流输入稳压电路直流电压输出图1 直流稳压电源设计思路2原理电路的设计2.1方案比较2.1.1可选方案方案1：使用不同的集成芯片直接输出不同的直流电压：5V/1A的输出选择LM7805以及LM7905；12V/1A的输出选择LM7812以及LM7912；+5V/3A的输出选择LM123；可调电压输出选用LM317以及可调电阻配合。方案2：使用芯片与开关和电阻的组合方式，利用开关与电阻的并联，控制不同开关的闭合与开启进而输出不同大小的直流电压，即仅使用LM317以及LM337配合不同的电阻输出不同的电压，+5V/3A的输出选择两个LM7805并联的方式以提高最大输出电流。2.1.2各方案优缺点方案1的优点：不需要过多电阻与开关即可完成直流电压的输出，操作（焊接工作）上简单。方案1的缺点：需要的集成芯片太多，增加了成本；市场上无法购买到LM123的芯片（用于输出5V/3A）；由于电路核心仅仅只有集成芯片，所以操作不当造成芯片损坏的概率提高了。方案2的优点：需要的集成芯片数量较少，减少了成本；通过两个LM7805并联达到输出5V/3A的效果。方案2的缺点：电阻和开关配合芯片输出直流电压，操作（焊接工作）上较复杂。2.2总体设计原理图2 直流稳压设计原理示意图本文设计的直流稳压电源是单相小功率电源，它将频率为50Hz,有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定，输出电压为5V、12V、可调+1.25V+27V的直流电压。单相交流电经及过电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。直流电源的输入为220V的电网电压（即市电），一般情况下，所需直流电压数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图中所画。可以看出，它们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放大，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。图中整流电路输出端所画波形时未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。对于稳定性要求不高的电子电路，整流，滤波后的直流电压可以作为供电电源。交流电压通过整流，滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响从而获得足够高的稳定性。2.3电源变压器的基本原理变压电路相对简单，仅有一个单相变压器，变压器将市电转化为电路能承担的电压。变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。变压器的基本原理是电磁感应原理。变压器两组线圈圈数分别为n1和n2，n1为初级，n2为次级。在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势。当n2n1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器；当n2n1时感应电动势要比初级所加的电压要低，这种变压器为降压变压器。变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率。当变压器的输出功率P2 等于输入功率P1 时，效率 等于100%，变压器将不产生任何损耗，但实际上这种变压器是没有的，变压器传输电能时总要产生损耗。变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率比就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。2.4整流电路的基本原理整流电路是把经过变压后的交流电通过具有单向导电性能的整流元件（如二极管、晶闸管等），将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。但是，这种电压直流幅值变化很大，包含有很多的脉动交流成分，还不能作为直流电源使用。对于高质量的稳压电源，其整流电路一般都选用桥式整流电路。整流电路常见的有单相桥式整流电路，单相半波整流电路，和单相全波整流电路。本次设计为桥式整流滤波电路，就是四个二极管两两并联后接入输出电压分别把正负电压整流在输出时候获得了正负输出的两次的整流电压。其电路图如下图所示： 图3 桥式整流电路及波形2.4.1单相桥式整流电路工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图3（a）所示。在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图3（b）波形图的电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图3（b）。2.4.2参数计算根据图3（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为.流过负载的平均电流为.流过二极管的平均电流为.二极管所承受的最大反向电压.2.4.3单相桥式整流电路的负载特性曲线单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系.该曲线如图3所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。图4 单相桥式整流电路负载特性曲线单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。2.5滤波电路的基本原理滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图5所示。图5 滤波电路常用结构由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面，如图5（a）、5（c）和电感输入式（电感器L接在最前面，如图5（b）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时仅用一电感器与负载串联）。这次电路设计中采用C型滤波电路。下图为单相桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压vC对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。图6 滤波电路图负载RL未接入（开关S断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周时，v2通过D1、D3向电容器C充电；v2为负半周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为.其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压v2的最大值 ，极性如图所示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压vC）保持在 ，输出为一个恒定的直流，如图中wt0（即纵坐标左边）部分所示图7 电容C充放电图接入负载RL（开关S合上）的情况：设变压器副边电压v2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时v2 vC时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时v2经二极管D1、D3一方面向负载RL提供电流，另一方面向电容器C充电（接入负载时的充电时间常数tc =( RL|Rint)CRint C很小），vC将如图2中的bc段，图中bc段上的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻Rint上产生的压降。vC随着交流电压v2升高到接近最大值 。然后，v2又按正弦规律下降。当v2 3V，输出电压Vo =+12V时，VI 15V。图8 C1充放电图由于C1的充放电作用，波形如图所示。T1是充电时间，T2是放电时间，通常T2T1， T2T1 +T2=10ms.为了设计C1，应计算VI.其中 1v是桥式整流电路中1个二极管的压降（粗略计算）.由上述，VImin=15v.考虑最不利条件：V2取V2min=0.9V2(电网向下波动10%)， Io取Iomax=1A则 C1=C1max.则取220 uF的电容足够。3.3集成稳压器的选择3.3.1输出电压固定的集成稳压器（5V，12V）的选择由于此次要输出得电压为5V、12V，电流要求为1A和3A，选择的芯片为LM7805用以输出+5V/3A，LM337用以输出-5V/1A、-12V/1A，LM317用以输出+5V/1A、+12V/1A以及可调电压。3.3.2输出电压可调的集成稳压器的选择可调输出的集成稳压器是在固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，这种集成稳压器，在集成芯片的内部，输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流非常小，因此可以用少量的外部元件方便的组成精密可调的稳压电路，应用更为灵活。正电源系列的基准电压为1.25V，可在+1.25V+37V之间连续可调。其内部设有过流、过电压保护和调整管安全工作区保护电路，使用安全可靠，性能比LM7800系列性能更加，而且它的输出电压输出电流均符合要求，所以此次的可调集成稳压器选择LM317。由于稳压芯片中已经存在保护电路，故不在另设二极管保护电路。4 Multisim仿真结果与分析4.1 电路原理图图9 原理图4.1.1说明书开关S6控制两个并联的LM7805用以输出+5V/3A的直流电压。开关S7控制LM317和LM337。开关S1、S4、S5并联分别为选择+5V、+12V、+1.25V+27V可调电压。开关S2、S3并联分别为选择-5V、-12V。R7为05K可调电阻，调节R7大小，可输出不同大小的直流电压。在使用时，正输出端与负输出端至少各保持一端输出，否则无法正常输出。4.2 电路每级波形图图10 变压后波形图通过变压电路后的交流36V电压波形。图11 整流后波形图通过整流电路后的整流波形。图12 滤波后波形图通过滤波电容后的滤波波形。4.3 电路输出波形图图13 +5V/3A输出波形图开关S1断开、S2闭合、S3断开、S4断开、S5断开、S6闭合、S7断开，两个并联的LM7805输出+5V/3A直流电压波形。图14 +5V/1A输出波形图开关S1闭合、S2闭合、S3断开、S4断开、S5断开、S6断开、S7闭合，LM317输出+5V/1A直流电压波形。图15 -5V/1A输出波形图开关S1闭合、S2闭合、S3断开、S4断开、S5断开、S6断开、S7闭合，LM337输出-5V/1A直流电压波形。图16 -12V/1A输出波形图开关S1闭合、S2断开、S3闭合、S4断开、S5断开、S6断开、S7闭合，LM337输出-12V/1A直流电压波形。图17 +12V/1A输出波形图开关S1断开、S2闭合、S3断开、S4闭合、S5断开、S7闭合，LM317输出+12V/1A直流电压波形。图18 +1.25V+27V输出波形图开关S1断开、S2闭合、S3断开、S4断开、S5闭合、S6断开、S7闭合，LM317输出+1.25V+27V的可调直流电压波形。4.4 仿真结果由直流电压表的示数可知：可调输出端的输出电压最低为+1.25V，最高为+27V。5V输出端的输出电压分别为+5.01V、-5.02V。12V输出端的输出电压分别为+11.9V、-11.8V。5 实物与测量5.1 电路实物图图19 实物图5.2 输出端测量图理论输出+5V/1A的实际输出情况：图20 +5V/1A输出图理论输出-5V/1A的实际输出情况：图21 -5V/1A输出图理论输出+12V/1A的实际输出情况：图22 +12V/1A输出图理论输出-12V/1A的实际输出情况：图23 -12V/1A输出图理论输出+5V/3A的实际输出情况：图24 +5V/3A输出图理论输出+1.25V+27V可调电压的实际输出情况：图25 +1.25V输出图图26 +27V输出图5.3 输出端测量数值输出要求仿真结果实际结果实际误差+5V/1A+5.01V+4.90V2%-5V/1A-5.02V-5.12V2.4%+12V/1A+11.9V+11.48V4.3%-12V/1A-11.8V-12.02V0.17%+5V/3A+5.01V+5.05V1%可调电压+1.25V+27V+1.26V+25.4V3.8%5.4 误差分析导线、焊锡存在电阻，元件受温度影响因素；测量仪器万用表存在误差；电阻阻值与标称值存在一定误差；计算所使用的Vo=VREF/R1 *(R1+R2)+IADJ*R2VREF(1+R2/R1)公式存在误差。在误差允许范围内可以