稳压电流源课程设计.doc

第一章 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。 电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。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，如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等都离不开这种电源。直流电源又分为两类：一类是能直接供给直流电流或电压的，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等，本文不做具体介绍；另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压的，这类变换电路统称为直流稳压电源。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。 电子设备中都需要稳定的直流电源，功率较小的直流电源大多数都是将50HZ的交流电经过电源变压器，整流，滤波和稳压这四个基本部分后获得。整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是将当输入交流电源电压的波动、负载和温度的变化时，维持输出直流电压的稳定。 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，制作电路板，安装调试方面都体会到了团队的力量。 本次课程设计的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。第二章 系统设计方案论证及分析2.1设计目的1、 学习直流稳压电源的设计方法2、 研究直流稳压电源的设计方案。3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法：2.2设计指标设计一波形直流稳压电源，满足：要求电源输出电压为12V（或9V /5V），输入电压为交流220V，最大输出电流为Iomax =500mA，纹波电压VOP-P5mV，稳压系数Sr5%。2.3设计要求（1） 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；（2） 要求绘出原理图，用Protel99画出印制板图； （3） 在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源；（4） 设计一个能输出12V/9V/5V的直流稳压电源；（5） 拟定设计步骤和测试方案； （6） 测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压；（7） 撰写设计报告。2.4设计方案的选择与论证小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图2-1所示。负载稳压电路滤波电路整流电路变压器 图2-1稳压电源的组成框图和整流与稳压过程方案一：简单的并联型稳压电源并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因此在本实验中不适合此方案。方案二：输出可调的开关电源开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因此在本实验中不适合此方案。方案三：可调式三段稳压器能输出连续可调的直流电压常见产品有CW317，系列稳压器能输出连续可调的正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路。纹波电压小，根据本设计，选择此方案。2.5电路原理分析直流稳压电源一般由电源变压器T、整流、滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图2-2所示。各部分的作用： 图2-2（1） 电源变压器T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U2。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。（2） 整流滤波电路：整流电路将交流电压U1变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U0。常用的整流滤波电路有桥式整流滤波，如图2-3所示。 图2-3整流桥将交流电压U2变成脉动的直流电压，再经滤波电容C滤波纹波，输出直流电压U0。U0与交流电压U2的有效值u2的关系为U0=（1.1-1.2）U2每只整流二极管承受的最大的方向电压 Vrm=U2通过每只二极管的平均电流 I=0.5Ir=0.45U2/R式中,R 为整流电路的负载电阻.它为电容C提供放电回路,RC放电时间常数应满足 RLC(3-5)T/2式中,T为50HZ交流电压的周期,即20ms。（3）电压输出稳压器由于输入电压U1发生发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。为了维持输出电压UI稳定不变，需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素发生变化时，输出直流电压不受影响，维持稳定的输出。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。 2.6直流稳压电源的参数设计方法稳压电源的设计，是根据电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流桥和滤波电路中所用元器件的参数，从而合理的选择这些器件。直流稳压电源的参数设计可以分为以下三个步骤：根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。根据稳压器的输入电压u1，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流Iomax，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2和效率，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。确定整流桥的正向平均电流ID、整流桥的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流桥和滤波电容。 第三章 单元电路设计及参数选择 3.1 电源变压器 过整流电路将交流变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流压含有较的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。电源变压器的作用是将交流220V的电压变为所需的电压值，然后通过的电压还随电网电压波动、负载何温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载何温度变化时，维持输出直流电压稳定。设计参数如下：小型变压器的效率： 副边功率 效率0.60.70.80.85输入电压Vi的范围为Vomax+（Vi-Vo）minViVomin+(Vi-Vo)max12V+3VVi3V+40V15VVi43V副边电压 U2Vi min/1.1=15/1.1=13.64V副边电流 I20.5A 因为 I2=（1.52）Iomax 故取 I2=0.8A则变压器副边输出功率 P2I2U2=11.2W又因为变压器效率等于0.7则原边输入功率 P1=P2/0.7=16W所以电源变压器功率选20W，副边电压输出为24V。3.2 整流电路 利用二极管的单向导电性，将交流电压（电流）变成单向脉动电压（电流）的电路，称为整流电路。交流电分为三相交流电和单相交流电，在小功率电路中一般采用单相半波、全波、桥式整流电路和倍压整流电路。这里应用单相桥式整流电路。 为简化分析，假定二极管是理想器件，即当二极管承受正向电压时，将其作为短路处理；当承受反向电压时，将其作为开路处理。单相桥式整流电路，其电路图如3-1所示 图3-1 单相桥式整流电路1）电路组成及工作原理 桥式整流电路由四只二极管组成的一个电桥，电桥的两组相对节点分别接变压器二次绕组和负载。在工作时，D1、D2与D3、D4两两轮流导通。在u2正半周，二极管D1和D2正向导通，而D3、D4反向截止，形成负载电流i0，i0流通路径为：aD1RLD2ba，u0=u2；在u2的负半周，二极管D3和D4正向导通，而D1、D2反向截止，形成负载电流i0，i0流通路径为：bD3RLD4ab， u0=u2。 由此可见，不论哪两只二极管导通，负载电流的方向都始终保持不变。电路各处电压、电流波形如图3.2 所示。 图3.2 单相桥式整流电路的波形图2）输出电流电压U0 由桥式整流电路的波形可知，其输出电压及流过二极管的电流与全波整流的波形相同： U0=0.9U23）整流二极管的选择 整流二极管D选IN4001，其极限参数Vrm50V，If=1A。满足Vrm1.41U2If0.8A的条件。3.3滤波电路（1）工作原理 设u2波形如图3-3（b）所示，未接电容时，输出电压如图3-3（b）中的虚线所示。在u2正半周，设u2由零上升，二极管D导通，u0=u2，此时电源对电容充电，由于充电时间常数很小，电容充电很快，所以电容上升的速度完全跟得上电源电压的上升速度，uC=u2。当u2上升到峰值时，电容充电达到1.4U2，二极管D截止，随后u2下降，电容C向负载RL放电，放电时间常数为RLC，其值较大，所以电容电压下降的速度比u2下降到速度慢得多，此时负载电压靠电容C的放电电流来维持，u0=uC。当电容放电到b点时，uCu2，二极管D又导通，电容又被充电。充电至1.4U2后，又放电。如此重复进行，就得到输出电压的波形如图3-3（b）中实线所示。由图可见，经电容滤波后，负载电压变得平稳，且平均值提高了。其电路和波形如图3-3所示。 图3.3单相桥式整流电容滤波电路及其波形图（2）输出直流电压 在有滤波电容的整流电路中，要对其输出直流电压进行准确的计算是很困难的，工程上一般按下列经验公式进行估算。当电容的容量足够大，满足RLC（35）T/2（T为电网电压的周期）时对于全波或桥式整流电容滤波： U01.2 U2 （3）滤波电容的选择为了得到比较好的滤波效果，在实际工作中常根据下式选择滤波电容的容量。 对于全波或桥式整流： RLC（35）T/2 由于电容值比较大，约为几十至几千微法，一般选用电解电容，接入电路时，注意极性不要接反，电容器的耐压值应大于1.4U2 。滤波电容选择：已知Vo=9V,Vi=12V, VOP-P=5mV，SV=5%得稳压器的输入电压的变化量 Vi=VOP-P Vi/VoSV=1.3V得滤波电容大小：C=ICt/Vi=3846uF电容C的耐压值应大于U2=19.3V.故取2只2200uF/25V的电容并联。3.4 稳压电路 集成三端稳压器具有体积小，外围元件少，调整简单，使用方便且性能好，稳定性高，价格便宜等优点，因而获得越来越广泛的应用。 常见的有固定式和可调式两类集成三端稳压器，内部多以串联型稳压电源为主，还有适当的过流、过热等保护电路。可调式性能好些，功率相对也较大。故本次设计采用可调式三端稳压器。三端稳压器参数选择如下：可调部分选可调式三端稳压器CW317， 其特性参数V0=+1.2V+37V， Iomax=500mA最小输入、输出压差(Vi-V0)min=3V,最大输入、输出压差(Vi-Vo)max=40V，由理论可知 V1=1.25（1+RP1/R1）我们取R1=240欧，RP1为2千欧可调电位器。以实现312V直流稳压电源输出。另外，选CW7805稳压管，CW7905稳压管，稳压输出5V电压。可调式三端稳压器CW317接电路图如3-4所示：图3-4可调式三端稳压器CW317电路图选用CW7805和CW7905输出5V的电压接电路图如3-5所示：图3-5固定式三端稳压器CW7805和CW7905电路图第四章 制作与检测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。（1）安装过程中应注意的事项：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)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。（2）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。（2）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)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。3)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。4)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（1）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；（2）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；（3）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。 4.3 稳压电源各项性能指标的测试(1)电路的调试与检测1) 静态调试 当连好电路板的线路时，先不要急着通电，而因该从以下几个方面进行检测：A、对照原理图，用万用表一一检查线路的各个接口是否接通，是否有短路、断路的现象，如果有，因该及时改好电路连线。B、对照原理图，检查各元件是否接正确。2) 动态调试接通220V的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到正电源输出电压为+5.06V，负电源输出电压为-4.43V ，可调部分电压调节范围为1.27V10.64V。(2) 技术指标测量1) 测量稳压系数测量：先调节电压增加10%，即Vi=242V, 测量此时对应的输出电压Vo1；再调节变压输入减少10%，即Vi=198, 测量此时对应的输出电压Vo2, 然后测量出Vi=220V时对应的输出电压Vo, 则稳压系数Sv= = .根据上述测量方法，可对正负双电源进行测试，测试数据如下：当Vi=198V时，测得数据为：VO1+=5.05 V， V01-=-4.40V当Vi=242V时，测得数据为：VO2+=5.06V， VO2-=-4.44V当Vi=220V时，测得数据为： VO+=5.06V， VO-=-4.42V由以上所测数据，可得稳压系数为： Sr+ =（VO/+VO+）/（Vi/Vi） 0.00988 =0.988%Sr- =（VO-/VO-）/（Vi/Vi） 0.04525 =4.53%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4.8mV）。4.4 误差分析(1）误差计算可调部分最小值误差：V1min%=（1.27-1.25）/1.25=1.6%可调部分最大值误差：V1max%=（10.64-10.51）/10.511.24%+Vcc%=（5.06-5.00）/5.00=1.2%-Vcc%=(-4.43+5.00）/5.0011.4%(2）误差原因综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有: 1)元件本身存在误差，本次作品中稳压管CW7905可能存在较大缺陷； 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。第五章 结论和心得本设计主要利用电源变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器固定式及一些芯片来设计同时输出5V电压直流稳压电源和可调式直流电源（312V）。在整个设计过程中，我们始终按照设计要求和设计指导书上的提示认真执行，期间也遇到了不少理论与实际之间的差距啊所造成的问题，但是我们没有后退，而是勇敢地面对，并且通过翻阅资料来解决问题。特别是CW317的管脚排列和实际元器件不同，指导书上的输入、输出与实