模拟电子技术课程设计 直流稳压电源设计的设计

模拟电子技术课程实验报告绪论1.1设计背景伴随着电子技术应用范围的扩展，其种类也日渐丰富，电子仪器己成为人们生活和工作不可或缺的一部分。电源作为电子产品的重要组成部分，发挥着极其关键的作用，电源系统优良的稳定性和可靠性也必然成为电子仪器正常工作的重要保障。目前，通信、办公和家用电器、汽车生产等领域迅速发展，对电源也提出了更加严格的要求，传统电源系统由于稳定性和灵敏度等性能局限，在很大程度上也制约了相关产业的发展。20世纪中叶，晶体管的产生使晶体管串联式稳压电源成为电源过渡元件，20世纪60年代后期，人们又对稳压电源进行了改进，开关电源快速发展，直流稳压电源得以广泛使用[1]。时至今日，在电源范畴内，供电电压高、电流大的电子计算机电源由可控硅电源代替，低电压、小电流电源一般用集成稳压器做电源。在电源的设计过程中，电源变压器的主要功能是将市电为220V50HZ的交流电变为人们所需要的电压，然后再通过整流电路将交流电变压为脉动的直流电压，最后经过滤波电路获得光滑的直流电压。1.2研究意义本实验旨在利用交流变压器、整流环节、滤波环节和集成元件稳压电路将交流电压转化为直流电压输出，并且对衡量稳压电路性能的几种主要参数进行了测试和分析。随着电子技术的快速发展，高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。直流稳压源为电路提供直流电压和能量，其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。本实验旨在利用交流变压器、整流环节、滤波环节和稳压电路制作串联型连续可调直流稳压电源，并且对衡量稳压电路性能的几种主要参数进行了测试。1.3设计任务与要求（1）任务与要求设计制作一串联型连续可调直流稳压电源（2）主要技术指标与要求：①输出直流电压1.5~10V可调；②最大输出电流Icm=300mA；③稳压系数Sr≤0.05；④具有过流保护功能。

第2章系统设计2.1系统理论设计稳压电源电路框图如图1所示图1稳压电源电路框图2.2电源变压器设计交流电源如图2所示图2交流电源图电源变压器的主要作用是将市电220V50HZ的交流电压U1变成所需要的交流电压U2，其中变压器二次侧的功率与一次侧的功率之比η为：P2/P1=η（1）变压器的二次侧电压U2通过整流后将交流电压转换为直流电压，得到的半波整流和全波整流的电路输出波形中有较大的纹波，它会影响负载电路的正常工作，为了减少脉动的电压，需要通过低通滤波器电路进行滤波，使输出电压变得平滑。在理想状态下，应将交流分量的纹波全部滤除，使滤波电路的输出波形中仅仅含有直流电压。由于滤波电路这一无源电路的存在，接入负载后必定会影响它的滤波效果。交流电压通过整流、滤波电路后虽变为交流分量较小的直流电压，但当电网电压发生波动，负载发生变化时，其值也会发生变化。稳压电路的功能就是使输出的直流电压基本不受外界温度和负载变化的影响，因而可获得良好的稳定性能。变压器变压电压输出如图3所示图3变压器输出电压图2.3整流与滤波电路设计整流电路的作用是将交流电压转换成脉动且单向的直流电压，再经过滤波电路将大的纹波成分进行滤除，从而输出平滑的直流电压。2.2.1整流电路设计整流电路是将正弦波电压转换为单一方向的脉动信号,常用的整流电路有单相半波整流电路与单相桥式整流电路两种。单相桥式整流电路如图所示图4单相桥式整流电路图2.2.2滤波电路设计尽管整流后的电压为直流电压,但波动较大,仍然不能直接作为电源使用,还需进一步滤波,将其中的交流成份滤掉,本文采用如图5所示的RC滤波电路。图5RC滤波电路滤波电路输出波形及幅值如图所示滤波电路输出波形及幅值图设T为电网电压的周期,设整流电路的内阻较小且RLC较大,电容每次充电均可达到U2的峰值,RLC放电的起始斜率直线下降,经RLC交于横轴,且在T/2处的数值为最小值Uomin,则输出电压的平均值为其中,Uo(AV)为交流电压值,Uomax半周期电压最小值。进而,按相似三角形可得在实际电路中,为了使滤波效果更好,滤波电容应满足RLC=(3~5)T/2,且电容的耐压值应大于1.12U2。2.4稳压电路的设计滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压,但由于输出电压平均值取决于变压器副边电压的有效值,所以当电网电压波动时,输出电压的平均值也将随之产生相应的波动,同时,由于整流滤波电路内阻的存在,当负载变化时,内阻上的电压将产生变化,于是输出电压的平均值也将随之产生相应的变化,为了改变负载内阻变化引起的直流电压的变化,其电路图如图6所示。图6稳压电路

第3章设计过程3.1电子元件的选择3.1.1变压器的选择变压器功率等于初、次级功率之和的一半。即P=(P1+P2)/2。因为我们设计的变压器P2=U2xl2=12×1=12(W),则P1=P2/(0.8~0.9)=14(W)。所以我们需要选择变压器的功率是15W、次级输出12V,初级输入220V。3.1.2二极管的选择因为稳压电源要求的技术指标最大电流是1A，且IN4007的极限电流是1A，符合电路要求因此桥式整流的四个二极管(D1~D4)选用IN4007。,3.1.3三极管的选择三极管的工作电压.频率和功耗等参数应满足电路指标要求,极限参数必须留有足够的裕量,2N3055的集电极最大直流耗散功率为6W,集电极最大允许直流电流15A，集电极–基极击穿电压为100V,集电极–发射极击穿电压60V,特征频率0.08MHz。符合电路要求,选用2N3055三极管。3.1.4电容器的选用不同电路应该选用不同种类的电容，电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。在滤波电路中,电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。容量与电流大小有一定比例的关系，为此本电路选择的滤波电容是大容量的电解电容。且耐压值是15V×1.42=21.5V,为安全起见选择25V以上;容量选择3300uF~4700uF.电子滤波电容选择10uF。使用电解电容的时候,还要注意正负极不要接反。电容在装入电路前要检查它有没有短路、断路和漏电等现象，并且核对它的电容值和耐压值等。安装的时候,要使电容的类别.容量.耐压等符号容易看到,以便核实。3.1.5电阻的选用限流电阻R1取56Ω;为了保证输出最低有1.5V，即基极须有2.2V的电压，所以可调电阻R3的接地端必须串接一固定电阻R2，它的阻值通过实验得出为56Ω;取样电路由R2.R3组成，实质上是一个分压器;Q1起电流放大作用,V1提供基准电压12V;通过调节取样电路的电位器R3来改变输出电压Uo,可用下列公式计算:Uo=[Vv1×(R2+R3)/R2+R3)]-Ve由于输出电压U。在1.5~10V间连续可调,输出电压由二个电阻器R2.R3决定,Va约为0.7v,在这个稳压电源中R2为56Ω。R3为电位器与R2间电阻。下面用以上公式来计算R3的阻值:当U。为1.5V时，此时线性电阻器R2的滑动端移到最下端R3=0,则R3=[VxR2/(Uo+VBE)]-R2=-330Ω3.2技术指示（1）最大输出直流电流表明该稳压电源的负荷能力,与整流管和调整管的最大允许电流l有关，1.2A。（2）额定输出稳压直流电压Uo:可调压式1.5V~12V（3）压系数S:表示在负载电流与环境温度保持不变的情况下,由于输入电压Ui的变化而引起的输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量的比值，即:S越小，电源的稳定性越好，S约为10-2~10-4(4)输出阻抗Ro:表示当输入电压和环境温度保持不变时,由于负载电流lo和变化而引起的输出电压的变化量与负载电流的变化量的比值，即Ro=AUo/lAto可见，如果Ro越小,则说明输出电压的变化越小。(5)纹波系数r:输出电压中交流分量占额定输出直流电压的百分比,即r=[(U-)/Uo]×100%显然,r越小越好,通常稳定电源的纹波电压只有几毫伏,甚至小于1毫伏22OV的交流电从插头经保险管送到变压器的初级线圈,并从次级线圈感应出约14V的交流电压送到4个二极管。二极管在电路中的符号有短线的一端称为它的负极(或阴极),有三角前进标志的一端称为它的正极(或阳极)。它的基本作用是只允许电流从它的正极流向它的负极(即只能按三角标示的方向流动),而不允许从负极流向正极。我们知道,交流电的特点是方向和电压大小一直随时间变化，用通俗的话说，它的正负极是不固定的。但是对照图1便由电容器向电路供电。这个过程叫作滤波。图中的C1便是用来完成这个工作的。经过C1滤波后的比较稳定的直流电经电阻R1.线性电阻器R2.R3送到调整管Q1的基极使Q1导通。稳压管V1和二极管D5提供基准电压,经取样电路R2.R3送至Q1的基极,通过输出藕合电容C4输出稳定的直流电压。改变线性电位器R3的阻值可以输出连续可调的直流电压。

第4章调试及仿真4.1技术指标1.稳压系数的测试.在负载电流、环境温度不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。2.调节可变电阻器的阻值，用万用表或直流电压表观察输出电压的变化情况(连续从1.5~10V)。3、外加负载滑动变阻器并串接电流表,改变滑动变阻器的阻值来观察电流表中输出电流的变化情况(最大输出电流为300mA)。4.2结果分析通过反复调试及测试，所设计的数控稳压电源完成了主要技术指标，完全符合设计要求桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，二极管承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。4.3仿真软件背景Multisim是Interctive Image Technologies公司推出的一个专门用于电子电路仿真和设计的软件，目前在电路分析、仿真与设计等应用中较为广泛。该软件以图形界面为主，采用菜单栏、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用。尤其是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表，使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员的工作习惯。下面主要针对Multisim11.0软件中基本的仿真与分析方法做简单介绍。EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。直流稳压电源仿真如图所示图7直流稳压电源总图4.4直流稳压电源说明通过以上实验反复调试和测试，论文设计的数控直流电源可以实现以下功能:(1)开机输出电压可预置在1.5～10V之间的任意一个值，步进值为0．1V;(2)最大输出电流Icm=300mA；(3)稳压系数Sr≤0.05；(4)具有过流保护功能；(5)系统性能稳定、安全。

结论本章主要阐述了小功率稳压电源、整流电路和滤波电路的基本概念和特性，针对桥式常见的整流电路，着重分析了单相桥式整流电路的性能指标、参数计算等。对于具体的应用问题，由于组合逻辑电路，元器件的多样性，为实现途径提供了多种可能的选择，本文实验过于单一，应该设计多种可能。掌握一般设计方法是基础，熟悉多样性有利于创新思维的培养。以全减器电路设计为例，举一反三，可开阔组合逻辑电路设计的视野，指导其他数字逻辑电路的设计实践。

参考文献王春梅．实验室简易数控直流稳压电源的设计［J］．化工自动化及仪表，2018，37(1):102－104．克强．数控直流稳压电源［J］．赤峰学院报，2018，39(10):