直流稳压电源设计(模拟电路课程设计)绝对经典

1、模拟电路课程设计报告设计课题:专业班级:学生姓名:学号:指导教师:设计时间: 直流稳压电源设计一、设计任务与要求1.输出电压可调:Uo=+3V+9V;2.最大输出电流:Iomax=800mA;3.输出电压变化量:Vop_p5mV4. 稳压系数:S V3103-5.有保护装置。二、方案设计与论证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1所示。+ 电源 + 整流 + 滤波 + 稳压 +u1 u2u3uIU_ 变压器 _ 电路 _ 电路 _ 电路 _(a稳压电源的组成框图u1 u2u3uIU0 t 0 t 0 t 0 t 0 t(b整流与稳压过程图1稳压电源的组成框图及整

2、流与稳压过程方案一:单相半波整流电路:单相半波整流简单,使用器件少,它只对交流电的一半波形整流,只要横轴上面的半波或者只要下面的半波。但由于只利用了交流电的一半波形,所以整流效率不高,而且整流电压的脉动较大,无滤波电路时,整流电压的直流分量较小,Vo=0.45Vi ,变压器的利用率低。 方案二:单相全波整流电路:使用的整流器件较半波整流时多一倍,整流电压脉动较小,比半波整流小一半。无滤波电路时的输出电压Vo=0.9Vi ,变压器的利用率比半波整流时高。变压器二次绕组需中心抽头。整流器件所承受的反向电压较高。 方案三:单相桥式整流电路:使用的整流器件较全波整流时多一倍,整流电压脉动与全波整流相同

3、,每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值,变压器利用率较全波整流电路高。综合3种方案的优缺点:决定选用方案三。三、单元电路设计与参数计算整流电路采用桥式整流电路,电路如图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R L ,且方向是一致的。电路的输出波形如图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流等于输出电流的平均值的一半,即 。 电路中的每只二极管承受的最大反向电压为22U (U 2是变压器副边电压有效值。121o f I I =t023422

4、Ut0234ou 22U图2整流电路图3输出波形图在设计中,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,将电容器和负载电容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。选择电容滤波电路后,直流输出电压:U o1=(1.11.2U 2,直流输出电流: (I 2是变压器副边电流的有效值。,稳压电路可选集成三端稳压器电路。总体原理电路见图4。3.1选择集成三端稳压器因为要求输出电压可调,所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器,常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压,337系列稳压器输出连可调的负电压,可

5、调范围为1.2V37V ,最大输出电流max O I 为1.5A 。稳压内部含有过流、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系列的引脚功能相同,这里我们采用的是LM317T,管脚图和典型电路如图4和图5. 图4管 脚图 图5典型电路(25.121I I o =图4 稳压电路原理图输出电压表达式为: +=11125.1R RP U o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REF V ,此电压加于给定电阻1R 两端,将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器

6、1RP ,电阻1R 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 。我们1RP 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10µF 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:1.25V 37V 输出负载电流:1.5A输入与输出工作压差U=U i -U o :340V能满足设计要求,故选用LM317T 组成稳压电路。 3.2选择电源变压器电源变压器的作用是将来自电网的

7、220V 交流电压u 1变换为整流电路所需要的交流电压u 2。电源变压器的效率为:其中:2P 是变压器副边的功率,1P 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2P VA 10<VA 3010VA 8030VA 20080效率0.6 0.7 0.8 0.85因此,当算出了副边功率2P 后,就可以根据上表算出原边功率1P 。由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值(V U U o I 3min =-,输入电压与输出电压差的最大值(V U U o I 40max =-,故LM317的输入电压范围为:12P P =m a xmi nmi nma x

8、(o I o I o I o U U U U U U U -+-+ 即 V V U V V I 40339+ V U V I 4312V U U in 111.1121.1Im 2=, 取 V U 122=变压器副边电流: A I I o 8.0max 2=>,取A I 12=, 因此,变压器副边输出功率: W U I P 12222= 由于变压器的效率7.0=,所以变压器原边输入功率W P P 1.1721=,为留有余地,选用功率为W 20的变压器。 3.3选用整流二极管和滤波电容由于:V U U RM 1712222=>,A I 8.0max 0=。IN4001的反向击穿电压V

9、 U RM 50,额定工作电流max 01I A I D >=,故整流二极管 选用IN4001。3.4滤波电容根据 300103,5,12,9-=v p p I S mV U V U V U ,和公式常数常数=o I T IIv UU U U S 0可求得: V S U U U U vIp op I 2.2103912005.030=-所以,滤波电容:uF F U T I U t I C IIc 3636003636.02.2215018.02max 0=电容的耐压要大于V U 1712222=,故滤波电容C 取容量为F 4700,耐压为V 25的电解电容。四、总原理图及元器件清单1.总

10、原理图、PCB 图 R41KD7LEDR32.2kR210KR12kD5IN4001D6IN4001Vin3A D J1+Vout2U1LM 317T123J1AC-CON3123J2DC 3V-9V+C14700uF+C24700uF+C710uF+C910uFD31N4001D11N4001D21N4001D41N4001+C51uF. 图6 protel 99se 原理图 图7 protel 99se 带栅栏格原理图的截图 图8 PCB原理布线图的pdf图 图9 protel 99se pcb原理图布线截图1、元件清单:元件序列 型号 元件参数值 数量备注 Ji变压器12V1实际输入电压

11、大于12VD1 D2 D3 D4 D5 D6 二极管1N4001 V U RM 50 ,1A6 也可用1N4007D7 发光二极管1 C1 C2 电解电容 4700uF/25V 2 C5 电解电容 1uF/50V 1 C9 电解电容 10uF/50V 1 C7 电解电容 10uF/50V 1 R3 电阻 2.2k 1 R4 电阻 1K 1 R1 电阻 2k 1 R2 电位器10K1 U三稳压器LM317T 可调范围1.25V37V1说明:以上为元件的购买清单,但调试的电位器R2是9.4K,R3为2.3k,而市场没有9.4K 的电位器,有比较接近9.4K 的10K 电位器,因此硬件电路图中用的是

12、10K 电位器。五、安装与调试(使用Proteus 调试按PCB 图所示,制作好电路板。安装时,先安装比较小的元件,所以先安装整流电路,再安装稳压电路,最后再装上滤波电路(电容。安装时要注意,二极管和电解电容的极性不要接反。经检查无误后,才将电源变压器与整流滤波电路连接,通电后,用万用表检查整流后输出LM317输入端电压U I 的极性,若U I 的极性为负,则说明整流电路没有接对,此时若接入稳压电路, 就会损坏集成稳压器。然后接通电源,调节R W 的值,若输出电压满足设计指标,说明稳压电源中各级电路都能正常工作,此时就可以进行各项指标的测试。仿真原理图如下: 图10 proteus电路图 图1

13、1 R2调至最大值时的电压U0=9.16V 图12 R2调至最小时的电压 U 0=2.82V电位器在0.21k 到9.4k 之间,输出电压连续可调:约为3V 9V 。六、性能测试与分析1.输出电压与最大输出电流的测试测试电路如图5所示。一般情 自耦变压器 I o 电流表 况下,稳压器正常工作时,其输出 被测I电流o I 要小于最大输出电流max o I , 220V 稳压 U o V 电压表 R L 取A I 6.00=,可算出R L =20, 电路 工作时L R 上消耗的功率为:故L R 取额定功率为10W ,阻值为 图13 稳压电源性能指标的测试电路 20的电位器。测试时,先使=20L R

14、 ,交流输入电压为220V ,用数字电压表测量的电压值就是U o 。然后慢慢调小L R ,直到U o 的值下降5%,此时流经L R 的电流就是max o I ,记下max o I 后,要马上调大R的值,以减小稳压器的功耗。L R5=20时,U0=9.16V,I0=458mA U0下降5%(8.75时,I0=767mA,即I0max=I0 2.纹波电压的测试用示波器观察U o的峰峰值,(此时Y通道输入信号采用交流耦合AC,测量U op-p 的值(约几mV。 由示波器得出:U op-p=300uV3.稳压系数的测量按图5所示连接电路, 在V U 2201=时,测出稳压电源的输出电压U o 。然后调

15、节自耦变压器使输入电压V U 2421=,测出稳压电源对应的输出电压U o1 ;再调节自耦变压器使输入电压V U 1981=,测出稳压电源的输出电压U o2。则稳压系数为:oo o oov U U U U U U U S 2 111198242220-=下面是所测得的数据: U 1=198V 时,V 0=9.11V06. 03 直流稳压电源设计论文 U1=220V 时,V0=9.10V U1=242V 时,V0=8.98V 所以,稳压系数:Sv=5 =0.0024 电气工程及其自动化 15 06. 03 直流稳压电源设计论文 设计要求 Uo=+3V Uo=+3V+9V Iomax=800mA

16、Vop_p5mV SV 3 × 10 3 测试结果 误差分析 1.77% 4% 300.00uV<< 5mV 20% 2.82V 9.16V 768mA 300.00uA 0.0024 在允许的误差范围内,本设计已达到要求. 在允许的误差范围内,本设计已达到要求. 七,结论与心得 经过三个多星期的努力,终天完成的这个设计.从拿到三个题目后,感觉不难,这些就 是动动手而已的,本来想做音频放大器的,但就在稳压电路部分卡住了,后来就选择了直流 稳压电源设计这个题目,看似简单的题目,做起来还真有些难.从选题到画图制板花了差不 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

17、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,因此在没有示波器的情况下测试,只能通过调试,然后自己 手工改接电阻.在这里选用了 protues 软件进行仿真,虽然 protues 软件不是很难学,但由 于自己对 protues 还没有熟练的掌握, 仿真过程中还是会有一定的误差, 而且是在部分同学 的帮助下慢慢学会的. 在实际做成的电路板中,由于买不到等值参数的元件,测量出来的性能指标参数难免会 有一定的误差,对元件封装的不了解,也造成了铜板的浪费.第一次做成的板子,由于没有 注意到 protel 给

18、出的 LM317 的原理图管脚,花费了大量的时间去调试,特别要注意 LM317T 和 LM317 管脚的区别,而且电位器的管教距离模拟的和现实的不一样,前后总共焊接了三 块板才能使实物电路板勉强达到 2.65V 8.56V 之间,如果要达到理想的 U0=+3V +9V 的话, 要非常谨慎的去选择实物元器件, 这给我们在实际操作中造成很大的困难, 很多元件标的值 是合适的,但买回来测量时才发现有很大的区别,就拿电阻和电位器,这两个是最难买到合 适的.正确的管脚为:1 脚为调整,2 脚为输出,3 脚为输入.焊板的时候,不要对着 3D 来 焊,应以 PCB 为基准.3D 图虽然形象的把电路板模拟出来了,但与实物还有有很大的差别 的,特别是二极管,电解电容,极性错乱,而且有很多图没有样板.还有,12V 的变压器输 入的电压会比 12V 高一些的,我前后总共买了三个变压器,虽然输出标的是 12V 但是经过 测量都是超过了 13.5V 的.虽然输出电压增加或减少由 LM317T 的调整脚上的串联电位器 (R2来控制,但是并联在 LM317T 调整脚和输出脚上的电阻 R1 也可改变输出电压的最小 值. 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;