毕业设计（论文）-直流稳压电源性能测试与优化.doc

直流稳压电源的性能测试和优化 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 实验师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1105班 完成时间： 2015年6月 摘 要直流稳压电源是当今社会的一大有用的发明，任何电子设备都要有一个电源供电。从大型计算机到小型计算器，所有的电子设备必须得在电源电路中工作。当然，这些方式不同的电源电路都是具有复杂性的。大型计算机的电源电路更是一个非常复杂的系统。直流稳压电源是以电子技术为理论知识，而且还是以电子、电力以及调控这三个电气工程为核心的一项技术，它更是一项十分实用的科学技术。其主要作用是把交流电转化成直流电。使用范围十分广，在生产教育以及科学研究中是不可或缺的重点部分。电源的品质是好还是坏、能否承受外界的干扰、甚至是影响之后仪器设备能否运作，这一系列必须考虑的问题是重点研究的条件因素。若是判断电源品质的优劣，那么于外部的环境等一系列因素，需要对它是否科学可靠等问题进行严格的检验；因此严格检验是否过关合格都将是非常关键的一个环节。毕业设计是设计出一个直流稳压电源并对其进行优化。通过对整流、滤波、稳压这三个模块方案对比的优化选择使设计的直流稳压电源能输出正负12V、正5V以及3V到9V可调直流电压，通过一系列的仿真检测基本符合设计要求。关键词：变压器； proteus仿真 ，优化性能 ABSTRACTDC stabilized power supply is a useful invention in todays society, and any electronic device can have a common power circuit. From the super computer to the pocket calculator, all electronic devices must be able to work in the power circuit. Of course, these power circuits with different methods are all very complicated. The power circuit of super computer is a more complicated system.DC stabilized power supply is based on the theoretical knowledge of electronic technology, and with the three electrical engineering fields of electronics, electric power and regulation as the core, it is a very practical scientific technology. Its focus is the conversion of electrical power. It has a wide application range, which is not only the basic professional knowledge in the fields of production, education and scientific research, but also an indispensible part in many instruments and devices. The quality of power supply will decide whether it can stand the external disturbance and affect the later instrument operation and system regulation, and this series of issues must be considered, because they are the conditions and factors that should be emphatically studied.In order to determine the quality of power supply, a series of external environment factors should be considered, and strict examination should conducted to determine if it is scientific and reliable; therefore, the strict examination of quality is a very critical linkDuring the graduation project design, first of all, we will introduce the current development of power supply and the key switching power supplies; then, we will select the main data and detection method in accordance with the characteristics of designed power supply; a DC stabilized power supply is designed for strengthening. During the design, the bridge rectifier circuit is adopted as the rectifier circuit; the filter circuit consists of the capacitance filter circuit, three-section controllable integrated voltage-regulator tube and slide rheostat of 2000 ohm. Through a series of simulations and detections, the final project design basically achieves optimization of DC stabilized power supply.Key words transformer; proteus simulation, performance optimization目 录1 绪论1 1.1 直流稳压电源的概念1 1.2 直流稳压电源的发展1 1.3 直流稳压电源的分类2 1.4 直流稳压电源的技术指标22 设计的目的和任务5 2.1 设计的目的5 2.2 设计的任务5 2.3 设计的思路53 方案分析与选择6 3.1 电源变压器（Transformer）6 3.2 整流电路（rectifying circuit）7 3.2.1 单相半波整流电路7 3.2.2 单相全波整流整流电路8 3.2.3 桥式整流电路9 3.2.4 整流电路方案选择11 3.3 滤波电路(Filter circuit)11 3.3.1 电感滤波电路12 3.3.2 RC-型滤波电路12 3.3.3 采用LC滤波电路13 3.3.4 采用电容滤波电路13 3.4 稳压电路(Regulator circuit)15 3.4.1 串联反馈式稳压电路15 3.4.2 三端固定式集成稳压器16 3.4.3 三端可调式集成稳压器194 性能优化方案22 4.1 12V直流电压对称输出电路22 4.1.1 电路设计22 4.1.2 电路元器件选择22 4.2 +5V直流电压输出电路23 4.2.1 电路设计23 4.2.2 电路元器件选择23 4.3 （+3+9)V直流电压连续可调输出电路24 4.3.1 电路设计24 4.3.2 电路元器件的选择255 性能测试及仿真27 5.1 电路仿真27 5.1.1 12V直流电压输出电路仿真27 5.1.2 +5V直流电压输出电路仿真27 5.1.3 (+3+9)V直流电压连续可调输出电路仿真28 5.1.4 三档直流电压输出电路28 5.2 性能测试28 5.2.1 测试指标28 5.2.2 测试方法30 5.2.3 仿真测试结果31结束语32参考文献33致 谢35附 录A：元件列表清单36 1 绪论1.1 直流稳压电源的概念220伏特的交流电压在一般的输入电压的条件下，所输出的电压将会维持在一个固定值，而不会因为小范围的电源电压变化和其他因素变化（例如温度变化)产生对外影响，为电子器件持续提供稳定的直流电源，这便是是直流电源。通常直流电源为连续导电直流电源，它是利用频率变换器转换成交流电压值为220V电气设备，然后经整流滤波电路得到脉动直流，最后获得一个稳定的恒定电压稳压电路,缺点就是输出纹波电流大，易受干扰1。1.2 直流稳压电源的发展 直流稳压电源是当今社会的一大有用的发明，任何电子设备都有一个电源公共电路。像大型计算机，以及小型计算器，所有的电子设备必须在有电源的电路中工作。当然，在这些方式不同的电源电路中的复杂性也不同。像超级计算机的电源电路，便是一个非常复杂的电路，其电源电路是一个稳定并具有多种复杂的电源规范线路。而对于简单的计算器电池的供电电路，却不要小看，在此电路中不单单设计新颖还仅具有掉电保护功能。电源电路的基础是面向所有其他电子设备，没有电源电路就不会有各种各样的电子设备。随着时间推移，直流电源的科学技术研究发展迅速，新技术的比普通的模拟控制系统的开发成本更低，具有体现在相关行业在当地区的市场2。如今的技术改善了直流电源的技术，从最开始的分别单元加上使用单芯片操控开发的集成操控系统内的整流电路中到现在的直流电源，呈现了智能控制，遥控测，遥控感，遥控制三遥控功能的直流电源。以及直流电源自动化，一体化的基本实现【3】1.3 直流稳压电源的分类当前直流稳压电源能够通过五个角度来归类： 根据一个直流稳压电源输出功率型和交流稳压电源，稳压电路通过与 系列电源并联供电部分负载直流电源连接。反馈调整调节器：由一个放大器和一 个负反馈电路形成闭环控制系统，经过输出电压的采样，变化，控制，放大，比 较更改元件数据以及其它步骤，以实现电压的稳定的输出。 如果通过不同的装置的效果，可分为：管电压调节器，稳压二极管。 如果有线性稳压电源和开关电源的调整管的工作状态，根据电路的类型划分有一个简单的电源和电源回馈。按照电压调节器的不同要求分为高和低电压调节器。如果依据电压不同种类的需求，是有多种稳压器的【4】1.4 直流稳压电源的技术指标 技术指标直流电源可分为两类：一类是在性能指标，反映了直流电源的固有特性，如在直流电源的输入电压，输出电压，输出电流，输出电压调节范围;另一个类的质量指标，反映了直流电源的优点，包括稳定性，等效电阻（输出阻抗），脉动电压和温度系数等【5】。在输出电压的范围输出电压意思是：在正常运行条件的直流电源的输出电压范围的输入电压， 这个规格通过电压输入输出的最大输入值，及最小输入值的差和电源的的电压基 准值来决定。最大输入电压和输出的电压差当直流电源在额定电压条件下运行，输出的电压和所允许电源输入的电压两 者相差最大值。最小输入、输出电压差最小输入电压的区别是在直流电源电压在额定运行时间下，以及最小输出直流电源之间的功率差是代替正在工作的额定电压，最小输入电压的区别是在直流电源电压在额定工况的时间，以及最小输出直流电源之间的功率差是代替正在工作的额定电压，不同的输入电压和输出电压的输入和输出电压差作为依据。电压调整率SV电压调节是优劣的DC电源电压的性能特征，也称为电压系数和稳定系数，这是表示了变化后的一个重要的指标，当输入电压U1的直流电源输出电压U0达到稳定的水平，它的公式如（1）所表达 （1）电流调整率SI 电流调整是一个重要的自我指标反映负载容量能力的，也被视为为电流稳定系数的直流电源的一个主要指标。它的特点是，当输入电压是恒定时，由于直流电源的波动负载引起的排斥反应电流输出电压的变化，指定负载电流变化，一般由输出单位电压下的变化值百分比表达稳压直流电源调整率。它如式（2）所表 示 (2) 极限值的指标：（a）最大的输出电压 就是直流电源工作正常时可以承受最大的电压，它可能会发生超过所述电 源电压故障的问题还有可能会被损坏。（b）最大输入的电流 若要使输出电压的波动，那么最大的电流也是是可以承担最大的电流所超出负载的电流值，也可能由于过热引起的电阻值的变化。32 设计的目的和任务2.1 设计的目的 每个分类的直流电源，并从每个性能直流电源中通过对比来，选择最优的方案并且吸取其精华，使直流电源性能的设计实现预期效果。使输出电压更稳定。通过优化的性能测试、仿真设计和调试电路，从而使电子技术的直流电源的设计，达到要求，并巩固所学知识【6】2.2 设计的任务 若要达到直流电源性能更加优化，会有多种方案，得选择能满足性能指标要求的最优解，以达到计算元件的参数，从而计算出的元器组件的参数，才能选择出满足各种电路中元器件对电路设计的要求，最后再经过Proteus仿真软件进行电路仿真和调试的设计。2.3 设计的思路 论文设计主要是要实现的是关于220伏，50赫兹的交流电变成直流电的稳定装置，则需要四个环节才能完成，这四个环节分别是：改变电压，滤波，稳压，整流。由图1表示: 图1 直流稳压电源工作环节3 方案分析与选择3.1 电源变压器（Transformer） （1）组成结构：变压器由两个铁芯，每个铁芯外有一层漆包线紧密缠绕组成绕组，连接电源的绕组叫初级线圈，连接负载端的绕组叫次级线圈。绕组的圈数决定了变压器的变压的规格。 （2）工作原理：利用法拉第电磁感应定律，给初级绕组的线圈通入交流电，铁芯中感应出交流磁通，磁通在次级线圈中感应出交流电压。如此使电网220V交流电压转变成符合需要的交流电压，并送给整流电路。次级线圈的匝数决定了改变后的电压值，匝数越多次级线圈中感应的电压值就越大7。原理如图2所示 图2 变压器结构示意图 电源变压器的效率如公式（3）所示 （3）式中：是变压器初级线圈的功率，是变压器次级线圈的功率。常见几种变压器的效率如表1所示：表1 小型变压器的效率 副边功率1,且IW很小,可忽略不计,所以有 （21） （22） 在上式中,R为V提供偏置电压;UBE的大小由三极管决定,通常锗管为0.3V,硅管为0.7V。图21 (b)中,输出电流为单片三端稳压器的两倍,如公式（23）所示 （23）如果要求电路同时具有正、负电压输出功能。可采用图22所示电路,由图可知,这种电路可以在输出端得到大小相等、极性相反的电压。图22 正负电压对称输出的稳压电路3.4.3 三端可调式集成稳压器三端可调式集成稳压器克服了固定三端稳压器输出电压不可调的缺点,同时有继承了三端固定式集成稳压器的一些优点19。三端可调集成稳压器CW317和CW337是一种悬浮式串联调整稳压器,它们的外形如图23所示,内部电路如图24所示。317系列集成稳压器能够输出连续可调的正电压，337系列集成稳压器能够输出连可调的负电压。图23 CW317和CW337外形图图24 三端可调式集成稳压器内部原理图图25 CW317和CW337典型应用电路在实际的应用当中，为了使电路正常工作,一般317和337系列稳压器输出电流不小于5mA。其输入电压范围在240V之间,输出电压可在1.2537V之间调整,负载电流可达到1.5A,因为调整端的输出电流非常小（且恒定,可将其忽略不计,这样输出电压如公式（24）所示 （24） 在上式中，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，会产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器RP，通常电阻取值为120-240，根据LM317输出电压表达式，取：R1=2.2k,R2=2k。RP一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波20。可调式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。LM317系列和lM337系列的引脚功能基本相同。LM317的一些特性参数如下：（1）输出电压可调范围：1.2V37V；（2）输出负载电流：1.5A；（3）输入与输出工作压差,的出结果在340V之间。3.4.4 集成稳压器的参数关系（1）在直流稳压电源的设计当中，集成稳压器的输出电压应与稳压电源要求的输出电压的大小及范围相符。稳压器的最大允许电流，稳压器的输入电压以满足下式： （25）在公式（25）当中，为稳压电源的最大输出电压：为稳压电源的最小输出电压；为稳压器的最小输入输出压差；为稳压器的最大输入输出压差。 （2）可调式三端集成稳压器输出电压满足公式（26） （26）4 性能优化方案4.1 12V直流电压对称输出电路4.1.1 电路设计12V直流电压对称输出电路原理图如图26所示：图26 12V直流电压对称输出电路4.1.2 电路元器件选择 变压器的选择在图26中，集成稳压器选用LM7812和LM7912，其输出电压分别为+12V，-12V，最大输出电流为1.5A。 根据公式（25）可以计算出 所以，取可满足要求。又因为变压器副边电流：，则变压器的副边输出功率如公式（27）： （27） 由表1知，变压器的效率为，则原边输入功率。 为留有一定的余地，可选用功率为20W的变压器。所以选用15V/20W的变压器。 整流二极管的选择因为：，。而IN4001的反向击穿电压URM50V，其额定工作电流ID=1A，所以整流二极管可以选用IN4001。 滤波电容的选择 根据公式： （28） 在公式（28）中，,由此可求出滤波电容C=800F，在电路中取C=1000uF。在电路图26中，C2=C6=1000uF。 稳压器前后小滤波电容：取值C3=C7=330nF,C1=C8=0.1F。集成稳压器件：7812,7902。输出滤波电容：C4=C5=220F。4.2 +5V直流电压输出电路4.2.1 电路设计 +5V直流电压输出电路原理图如图27所示：图27 +5V直流电压输出电路4.2.2 电路元器件选择（1） 变压器的选择在图4-2中，集成稳压器选用LM7805，其输出电压为+5V，最大输出电流Iomax为1.5A。根据公式（25）可以计算出 所以，取U2=10V可满足要求。由于，变压器副边电流为：，则变压器的副边输出功率P2为：。 由表3-1知，变压器的效率，则原边输入功率。 要留有一定的余地，可选用功率为20W的变压器，所以在此电路中选用15V/20W的变压器。 （2）整流二极管的选择 因为:, 。而IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管可以选用IN4001。 （3）滤波电容的选择 根据公式： （29） 在上式中，,，可求出滤波电容C为：1500F。在设计电路图27中取C2=2200F。 （4）稳压器前滤波电容：取C1=0.33F。 （5）集成稳压器件：LM7805。 （6）输出滤波电容：C4=0.1F。4.3 （+3+9)V直流电压连续可调输出电路4.3.1 电路设计（+3+9)V连续可调直流电压输出电路如图28所示： 图28 （+3+9)V连续可调直流电压输出电路4.3.2 电路元器件的选择 变压器的选择 在图28中，选择CW317作为集成稳压器的芯片，它的电压输出范围是：UO=1.237V，最大输出电流Iomax为1.5A。 由于LM317的输入电压与输出电压差的最小差值为，输入电压与输出电压差的最大差值为，LM317的输入电压范围为如公式（30）所示 （30） 求得 所以取U2=12V可满足要求。 由于变压器副边电流： ，取，因此，可求出变压器副边输出功率 由表1变压器的效率，所以变压器原边输入功率，为了留有一定的余地，在此可选用功率为12V/20W的变压器。 （2）整流二极管的选择 因为：，。IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，所以整流二极管可以选用IN4001。 （3）滤波电容根据公式 （31） 可求出滤波电容C为:C=1500F，在设计电路图28中，取C=1600F。稳压器前小滤波电容选择：取C1=0.01F,C2=10F.集成稳压器件选择：LM317。输出滤波电容选择：CO=1F。 电阻和电位器的