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重庆科技学院模拟电子技术课程设计报告 学 院: 电气与信息工程学院 专业班级: 自动化2012试 学生姓名: 丁杨 学号: 2012441745 设计地点（单位） I525 设计题目: 集成直流稳压电源的设计 完成日期： 2014 年 6 月 30 日 指导教师评语: _ _ 成绩（五级记分制）:_ 指导教师（签字）:_ 摘要学习完了模拟电子技术课程，为了进一步熟悉和掌握其中的直流稳压电源一章，从理论走向实践，我们选择了集成直流稳压电源的课程设计题目。集成直流稳压电源的设计由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个基本部分组成，我们分组进行了电路图的设计、仪器设备的调试、数据和图形的测量和检验等。经过很多次的计算、改进和调试，率先成功实现了集成直流稳压电源设计要求的全部技术指标，得到了老师的表扬。通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，我们学会了通过理论计算和调试来选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器，熟悉和掌握了直流稳压电路的测试及主要技术指标的测试方法。我们始终按照老师的要求，审慎选题，认真查找资料、消化资料。我们进行了任务的合理分配，经过半天时间就完成了方案确定和总体框图的设计，又用了一天时间完成了单元电路设计及总体理论电路的设计。之后一天，我们又进行了总体电路安装调试的工作。合理的安排加上认真踏实的投入，我们提前圆满完成了我们小组的课程设计任务。通过这次课程设计，我们深刻理解了团队合作的重要性。通过团队的努力和帮助，我们都有很大的进步和提高。我们要感谢我们这支队伍，我们这个团队充满了活力和凝聚力，这也是我们组率先完成本次课程设计的主要原因。关键词： 电源变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 团队合作1目 录摘要21 设计任务31.1 设计目的31.2设计要求31.3性能指标32方案论证32.1设计方案32.2总体设计框图33单元设计电路43.1整流电路43.2滤波电路53.2.1工作原理53.2.2 平波的作用63.2.3 滤波的形式63.3稳压电路63.4本章小结64系统调试74.1单元调试74.2系统联调74.2.1纹波电压84.2.2稳压系数104.2.3输出内阻104.3调试中出现的问题及解决方案114.4本章小结125设计体会12参考文献141 设计任务1.1 设计目的 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； 掌握直流稳压电路的测试及主要技术指标的测试方法。1.2设计要求 电源变压器只做理论部分。 合理选择集成稳压器及扩流三极管。 保护电路拟采用限流型。 完成全电路的理论设计部分、仿真、调试。 撰写课程设计报告。1.3性能指标 同时输出15V电压。 输出纹波电压小于5；稳压系数小于；输出内阻小于0.1。 加输出保护电路，最大输出电流不超过2A.。2方案论证2.1设计方案 1.利用函数发生器来控制输入的交流电压，通过改变其峰值改变交流电压。 2.得到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，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。4.滤波后的直流电压，再通过LM7815稳压器实现功能，得到基本不受外界影响的15V稳定直流电压。2.2总体设计框图 小功率直流电源一般由交流电源、变压器T、整流电路、滤波电路和稳压电路几部分构成，如图2.1。在电路中，变压器将常规的交流电压（220V或380V）变换成所需要的交流电压；整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电压；滤波电路再将单方向脉动的直流电中的交流成分滤去，得到一个比较平滑的直流电信号；稳压电路用来消除由于电网电压波动、负载改变对其产生的影响，从而使输出直流电压在电网电压波动时保持稳定。其中输入电压UI、输出电压UO,变压器整流电路滤波电路稳压电路图2.1 集成直流稳压电源组成框图3单元设计电路3.1整流电路在整流部分我们选择的是桥式整流电路，其原理图如下图。在输入正弦波的正半周时即a点电位高于b点电位，二极管D1和D3导通，D2和D4截止，电流i的通路是aD1RLD3b,这时，负载电阻R上得到一个半波电压。当输入电压为负半周时，D1和D3截止，D2和D4导通，电流的方向为bD2RLD4a,同样在负载电阻上得到一个半波电压。因而在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内到点，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，电路中的每只二极管承受的最大反向电压为1.4U2。输入电压的有效值为30V，于是最大反向电压U=1.4*30=42V，根据算出的最大反向电压我们选择了型号为3N259的二极管。 图3.1 整流电路原理图3.2滤波电路整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流部。通过在整流桥的输出端并联两个电容器，也就是电容式滤波器，一个实际的的单相桥式整流滤波电路。如图所示：图3.2.1 滤波电路3.2.1工作原理当负载R未接入时的情况，设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当输入电压v为正半周期时，v通过 D1、D3向电容C充电，v为负半周期时，经D2、D4向电容充电，充电电流方向相同。充电时间常数：T=RC.由于R一般很小，故充电的时候时间常数也就很小，因此电容器上的电压很快充电到交流电压v的最大值。此时，电容器无放电回路，故输出电压V。滤波后的电压波形如图所示：图3.2.2 滤波后的电压波形3.2.2 平波的作用滤波电路通常由电抗元件组成，由于电抗元件在电路中有储能的作用，并联的电容C在电源供给的电压升高时，可以把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，又可以把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用。3.2.3 滤波的形式在滤波电路中形式多种多样，依不同的划分标准又可以进行不同的分类，而我们小组主要选择了C行滤波电路：这种滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用负载电压较高，负载变动不大的场合。3.3稳压电路稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。采用LM7815是一个比较简单的方法，只需要在稳压器输入端和输出端分别接入电容，就可以防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰在稳压电源输出端接入一个电解电容，达到减小稳压电源输出由输入电源引入的低频干扰。保护电路由与稳压器并联保护二极管完成，当输入端短路时，输出电容形成放电通路，防止电容放电而引起稳压器损坏。稳压和保护电路如图3-2所示。图3.1稳压和保护电路3.4本章小结 这是第一次触及到电子电路的设计，所需器件与参数全部需要自己选择，从总体电路布局到具体整流电路、滤波电路、稳压电路的设计全部需要根据自己所需知识来完成。这么多需要完成的工作也就要求这要对电源有充分的了解和研究才行，才能随心所欲的完成好设计方案。 稳压电源的设计需要解决好的几个问题：稳压器的选择、整流器的选择、滤波电容的选择。这些元器件的选择决定着整个电路能否实现预期效果，能否稳定运行。而现在各类元器件比比皆是，每种元器件性能各异，需要根据自己的需要去做出选择，这就需要不怕麻烦去对相关元件进行深入了解，然后反复对比，最终实现电路的可执行性和稳定性。这就意味着要做好电路设计，如果只是对电路和元件存在很肤浅的认识，对所有信息不加区分，那是很难选出适合系统的部件的。 这次完成电路设计查阅了大量的书籍和网络资料，为最后电路方案定稿提供了很大帮助。所以在以后的学习中也要静下心去充分了解研究对象，然后才能有的放矢的完成任务。4系统调试4.1单元调试由于本次设计采用三端固定输出的集成稳压器LM8715，所以在单元测试时重点是放在整流桥的测试。其中整流桥我们根据需要选择了3N246等多款整流桥，但是输出波形都不太好，最终我们选择了3N259其输出直流形状较好，比较稳定。图4.1.1为3N246整流桥输出波形，图4.1.2为3N259整流桥输出波形。 图4.1.1 3N246整流桥输出波形图图4.1.2 3N259整流桥输出波形图4.2系统联调完成好系统的整流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路后，各部分电路工作正常，由系统输出端输出可同时输出15V电压，但是纹波电压较高，输出内阻较大。图4.2为稳压电源输出波形。图4.2 直流稳压电源输出波形4.2.1纹波电压.纹波电压的定义纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值， 但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即使是用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。事实上，即便是最好的基准电压源器件，其输出电压也是有波纹的。狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。我国工频频率是50Hz，所以纹波电压以工频50Hz或50Hz的整数倍计取。具体取50Hz还是50Hz的倍数，取决于整流电路的类型。对于半波整流，取50Hz；对于全波整流，取50Hz的2倍即100Hz；对于三相半波整流，取50Hz的3倍即150Hz；对于三相全波整流，取50Hz的6倍即300Hz。纹波电压通常用有效值或峰值表示。 纹波电压的危害纹波的害处：1、容易在用设备中产生不期望的谐波，而谐波会产生较多的危害； 2、降低了电源的效率；3、较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁设备。4、会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作； 5、会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。 纹波电压的抑制方法在整流之后的电压是脉动直流电，当滤波电容很小时，滤波之后的电压是一个交流成分很大的直流，当我们加大滤波电容值之后，这种交流成分逐渐变小，最后我们选择了2200uF的大电容，作为整流之后的滤波电容，系统的输出纹波值就小于5mV，纹波电压值如图4.2.2所示。如图因此满足系统设计要求。 图4.2.1 电路总设计图图4.2.2 纹波电压4.2.2稳压系数稳压系数：在负载电流、环境温度保持不变的情况下，输入电压的相对变化量引起输出电压的相对变化，即对该电路进行仿真及仿真波形图如下图所示：测量值计算值U2(Vp)Ui(V)UO(V)S4040.3315.01S12=5048.8715.036059.2215.05S23=4.2.3输出内阻.输出电阻的测量原理 输出电阻的测量方法概括起来说就是：将系统的输入端失效，在系统的输出端加一个电压，然后测试其输出电流，然后就可以算出系统输出电阻的大小。在实际操作中，我们是依靠输出电阻计算公式：计算出系统的输出电阻，其中代表两次测得的输出端所加电压的差值，代表两次测得所加电压对应的输出端电流的差值。由于这个稳压电源是由两个相对独立的电路部分组合而成的系统，因此两个部分的电路输出电阻应当分别测量4.1.2.2现场实测+15V输出电压电路的输出电阻的初始测量如图1所示，断开了系统的电压输入，在系统的输出端加上一个12V的电源，因此对应有一个输出端的电流为-271.451mA；然后改变电源电压为10V，如图2所示，则有一个对应的输出端电流为-468.223mA，输出电阻=(12-10)/(-0.271451-(-0.468223)10.16，测量出来的电路的输出电阻大于题目所规定的最大输出电阻2，所以+15V输出电路的输出电阻不成立，则输出电阻的设计方案需要改进。 图1图2 -15V输出电压电路的输出电阻测量方法与+15输出电路的测量方法类似。输出电路的初始测量如图3所示断开系统的电压输入在输出端加上一个12V的电源，因此对应有一个输出端的电流为-271.451mA，然后改变电源电压为8V，如图4所示，因此对应有一个输出端的电流为-660.454mA。因此可以根据输出电阻的计算公式计算输出电阻=（12-8）/（-0.271451-（-0.660454）10.28。测量出来的输出电阻大于题目所规定的最大输出电阻2，因此-15V电路的输出电阻设计方案需要改进。 .电路方案改进由于+15V输出与-15V输出的输出电阻都没有达到题目的标准，即输出电阻小于2，所以将输出电阻降下来是一个很关键的问题。改进后的电路图如图5.所示，我们在两个电路的输出端都加上了一个电压跟随器。因为电压跟随器具有电压串联负反馈，所以电压跟随器具有输出电阻小的特点，从而可以使得-15V输出电路与+15V输出电路的输出电阻变得很小很小，远远小于题目所给的2，从而解决了输出电阻大的问题。电压跟随器使用的集成运放是LM741，供电电压18V。4.3调试中出现的问题及解决方案电源稳压系统能实现正负同时输出，但是在该系统中此时纹波电压高达37mV,为了降低纹波电压，经过多次电容换值后我们选择了在输出端并入1kF电容。电路输出结果显示电路纹波电压得很好的抑制，电路工作状况得到改善，但是这个方案由于没有考虑到电路设计的经济性，所以在电路调试过程中该方案被放弃。经过查阅资料和在课堂上掌握的知识，我们选择在信号输出端串接一个电压跟随器，这样电源稳压系统的输出内阻远远小于设计要求的0.1，纹波电压也有很好的抑制。图4.3.1为初始输出纹波电压波形图，图4.3.2为串接电压跟随器后输出纹波电压波形图。 图4.3.1 初始输入纹波电压波形图 图4.3.2 串接电压跟随器后输出纹波波形4.4本章小结完成调试时直流电源稳压系统的纹波电压、稳压系数、输出电阻远远高于设计要求。调试必须总体把握并且兼顾细节，反复操作才能做好。这是该电源设计的最后一部分，却是整个系统的重头戏，不能掉以轻心。调试要注意方法，不得其法做不好调试。调试时要先确定调试方案，先找到需要调试的部分，然后要弄清楚调试可能带来的影响，然后做好相关数据信息记录，再与开始的调试进行对比总结，及时调整调试方向。调试要也注意及时总结，如果调试时没有出现预期的效果要分析其中的原因，然后调整调试重点。只有这样才能加快调试速度，提高调试效率。5设计体会 通过这次的课程内容的自我学习和课程任务的自我实践设计，从对Multisim仿真软件的不懂到初步掌握其深入了解，本次的课程设计虽然时间不是很充裕，但在这个过程我收获了许多。首先通过同学的指导激发了我们自己对学习和理解知识的热情，而且使我们建立起了自觉应用自身的知识理论转化能力的意识。由于电路的设计的要求明确，需要通过翻阅复习以前学过的知识确定实验总体的设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计，细化方