模电课程设计-直流稳压电源的设计和调试.doc

湖南工学院 目录 第1章绪论 1第2章系统方案确定 22.1直流稳压电源的基本原理 22.2单元电路设计与总原理图2第3章 元件参数计算与选择 53.1选择电源变压器 53.2选择整流二极管 53.3 选择滤波电容 53.4 选择集成三端稳压器 63.5 总原理图与仿真 7第4章 制作与调试 104.1 安装与检查 104.2 焊接技术 114.3 各项性能指标的测试与误差分析12 4.3.1 输出电压与最大输出电流的测试 124.3.2纹波电压的测试124.3.3 稳压系数的测量 124.3.4 误差分析 13第5章心得与体会 14 附录 15参考文献 17第1章 绪论 电子技术是当今高新技术的“龙头”，各先进国家无不把它放在优先的发展的地位。电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，课程地显著特点之一是它的实践性。要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理，电子电路的基本组成及分析方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。本课程设计就是针对模拟电子技术这门课程的要求所做的，同时也将学到的理论与实践紧密结合。 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，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。由于集成稳压器具有体积小、重量轻、使用方便和工作可靠等优点，应用越来越广泛。国产的稳压器种类很多，主要分为两大类。稳压器中的调整元件工作在线性放大状态的称为线性稳压器，调整元件工作在开关状态的称为开关稳压器。在电子仪器仪表中，经常要求有稳定的直流电源，所以在整流滤波后面，通常需要接直流稳压电路。本设计是设计的直流稳压电源，是一种将220V交流电转换为稳压输出的直流电源装置，主要是采用一些简单的电子元件即可，它是有电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路四个部分组成。 通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养了我们团队合作的能力，在讨论设计方案，计算元件参数，购买元件，焊接电路板，安装调试方面都体会到了团队的力量。 本次课程设计课题是直流稳压电源的设计和调试，本课程设计将就直流稳压电源电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路调试等做详细的介绍和说明。第2章系统方案确定2.1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：图2-1直流稳压电源的基本框图和波形变换2.2单元电路设计与总原理图 (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：整流电路采用桥式整流电路，电路如图2-1-2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D4导通，D2、D3截止；u2的负半周内，D2、D3导通，D1、D4截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图2-1-3所示。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2-2整流电路2-3输出波形流等于输出电流的平均值的一半，即If=1/2IO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)。(3)滤波电路：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，将电容器和负载电阻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。原理及输出波形如图2-4 图2-4原理及输出波形(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。设计方案与选择： 方案一: 采用7805三端稳压器电源：固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+5V,它属于CW78xx系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好,只是采用的电容必须要漏电流要小的钽电容,如果采用电解电容,则电容量要比其它的数值要增加10倍,但是它不可以调整输出的直流电源;所以此方案不易采用. 方案二:采用LM317可调式三端稳压器电源：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,也就是方案二.总体原理电路见图2-5。图2-5 总体电路原理图第3章 元器件参数计算与选择3.1选择电源变压器 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为： 其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1 小型变压器的效率 副边功率P2 效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1。由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值，输入电压与输出电压差的最大值，故LM317的输入电压范围为： 即 ， 取变压器副边电流：，取，因此，变压器副边输出功率： 由于变压器的效率，所以变压器原边输入功率，为留有余地，选用功率为20W,220/12V的变压器。3.2选择整流二极管由于，。IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4001。3.3滤波电容根据，和公式可求得： 所以，滤波电容：电容的耐压要大于，故滤波电容C取容量为，耐压为25V的电解电容。3.4选择集成三端稳压器这里我们采用的是LM317T,管脚图和典型电路如图3-1和图3-2图3-1管脚图 图3-2典型电路输出电压表达式为: 式中，1.25V是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压Vref，此电压加于给定电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器RP1，电阻R1常取值2k，在这里，采用10K的电位器，其最大阻值为10.36k再串联一个R2，其阻值为2.2k,根据LM317输出电压表达式，取：R1=2.2k,R2=2k。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。图中加入了二极管D，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。LM317其特性参数：输出电压可调范围：1.25V37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差U=Ui-Uo：340V能满足设计要求,故选用LM317T组成稳压电路。3.5 总原理图与仿真总原理图如下：图3-3 带栅栏格原理图仿真原理图如下： 图3-4 仿真原理图仿真测试：图3-5 最小电压测试图3-6 最大电压测试3-7 最大输出电流测试3-8 纹波电压（约0.5mV）第4章 制作与调试 4.1安装与检查对电路进行组装：按照自己设计的电路，在在通用板上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据。经过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求。安装前应检查元器件的质量，安装是特别要注意电解电容、集成芯片等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后级安装。 开始安装稳压电源，检查万能板内部结构，确定其内部的电气连接属性1) 检查元器件看是否有损坏，或者不符合规格的，要及时更换。2) 安装一个元器件，先要用尖嘴钳将其引脚成型，然后用镊子把引脚放入孔内高度要适中，符合电气标准完毕后，要用万用表测量元器件引脚和电路板之间是否接触良好，然后再安装下一个元器件。3) 对于导线要用斜口钳切成适当的长度，然后成型安装安装时必须采用绝缘良好的绝缘导线,在画连线的时候要取好元件与元件的距离.连接的时候线与线之间不能交叉。4) 应避免元器件损坏的发生，插元器件时候要垂直插拔以免行成不必要的损坏。 一最后结果没有出来的原因主要有以下情况：1.操作不当（如布线错误等）2.设计不当（如电路出现险象等）3.元器件使用不当或功能不正常4.仪器（主要指数字电路实验箱）和集成元件本身出现故障。二检查故障的方法主要有以下一些：1.查线法：由于在实验中大部分故障都是由于布线错误引起的，因此，在故障发生时，复查电路连线为排除故障的有效方法。应着重注意：有无漏线、错线，导线与插孔接触是否可靠，集成电路是否插牢、集成电路是否插反等。2.观察法：用万用表直接测量各集成块的Vcc端是否加上电源电压；输入信号，时钟脉冲等是否加到实验电路上，观察输出端有无反应。重复测试观察故障现象，然后对某一故障状态，用万用表测试各输入/输出端的直流电平，从而判断出是否是插座板、集成块引脚连接线等原因造成的故障。3.信号注入法在电路的每一级输入端加上特定信号，观察该级输出响应，从而确定该级是否有故障，必要时可以切断周围连线，避免相互影响。4.信号寻迹法在电路的输入端加上特定信号，按照信号流向逐线检查是否有响应和是否正确，必要时可多次输入不同信号。5.替换法对于多输入端器件，如有多余端则可调换另一输入端试用。必要时可更换器件，以检查器件功能不正常所引起的故障。4.2焊接技术l 结合万能板的结构原理合理安排集成块和元器件的位置，为了美观大方要求各元件尽可能的保持在同一条直线上；l 合理布局，安装前要对整机线路进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布线，连线尽可能短。l 从整个板来说是否美观好看，关键是导线的布置，所以布线要注意整齐，集成块相邻管脚之间尽量不布线。这样便于调整与测试工作的顺利进行。注意： 安装前应检查元器件的质量，安装是特别要注意电解电容、集成芯片等主要器件的引脚和极性，不能插错。从输入级开始向后级安装。 4.3各项性能指标的测试与误差分析4.3.1输出电压与最大输出电流的测试 接通220V的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，通过调节电位器得到输出电压为3.61-10.01V。测试电路如图4-3-1所示。一般情况下，稳压器正常工作时，其输出 自耦变压器 Io 电流表稳压 电路 Uo V RL 220V 图4-3-1 稳压电源性能指标的测试电路电流I0要小于最大输出电流，取I0=0.4A，可算出RL=10.01/0.4=25，工作时RL=25上消耗的功率为：故取额定功率为10W，阻值为25的电位器。测试时，先使RL=25，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是Uo 。然后慢慢调小R4，直到Uo的值下降5%，此时流经R4的电流就是，记下后，要马上调大R4的值，以减小稳压器的功耗。测得当R5=25时，U0=10.01V,I0=400mAU0下降5%（9.5）时，I0=380mA,即I0max=I04.3.2纹波电压的测试 用示波器观察Uo的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量Uop-p的值（约0.3mV）。4.3.3稳压系数的测量在U1=220V时，测出稳压电源的输出电压Uo。然后调节自耦变压器使输入电压U1=242V，测出稳压电源对应的输出电压Uo1 ；再调节自耦变压器使输入电压U1=198，测出稳压电源的输出电压Uo2。则稳压系数为： , 所测得的数据如下表：U1 198V220V242VV010.097V10.01V10.013V可得稳压系数S=5(10.01310.097) 10.01=0.00290.0034.3.4 误差分析1）误差计算 最大输出电压：（10.01-9）9100=11.22 最小输出电压： （3.63）3100=202）误差原因1.元件本身存在误差； 2.焊接时，焊接点存在微小电阻； 3.万用表本身的准确度而造成的系统误差； 4.测量方法造成的人为误差等。第5章 心得与体会经过两个多星期的努力，终天完成的这个设计。直流稳压电源设计这个题目，看似简单，做起来还真有些难。从选题到画图花了差不多一个星期的时间，后面的调试占了大部分的时间。由于没有现成的示波器，所以调试时，除了测试电压电流用到实物外，其他参数测试只能在仿真软件下进行的，特别是一些实物电阻的值有理想值有很大的区别。本次的模拟电子技术课程设计，培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力；我觉得本次课程设计对我们的脑力操作和动手能力的提高是很大的，它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力！在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，互相学习，互相帮助，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题，在今后的学习过