直流稳压电源电路设计

模拟电子技术课程设计报告 题目名称： 直流稳压电源电路设计 姓 名： 学 号： 班 级： 指导教师： 成 绩： 目 录1课程设计任务和要求 22方案设计 23单元电路设计与参数计算 44总原理图及元器件清单 95安装与调试 116性能测试与分析 127结论与心得 148参考文献 14课程设计题目：直流稳压电源电路设计一、 课程设计任务和要求:1） 用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计固定的正负直流电源（12V）。2） 输出可调直流电压，范围：1.515V；3） 输出电流:IOm1500mA；（要有电流扩展功能） 4） 稳压系数Sr0.05；具有过流保护功能。 二、 方案设计：稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如下图1所示，其整流与稳压过程的电压输出波形如图2所示。 图1稳压电源的组成框图图二 整流与稳压过程波形图电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。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，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。方案一、单相半波整流电路半波单相整流电路简单，电路及其电压输出波形分别如图3、图4所示，使用元件少，它只对交流电的一半波形整流，其输出波形只利用了交流电的一半波形则整流效率不高，且输出波形脉动大，其值为：S= U222 U2 = 2 1.57，直流成分小，U0= 2U20.45U2，变压器利用率低。图3 单相半波整流电路图 4 单相半波整流电路电压输出波形图方案二、单相全波整流电路使用的整流器件是半波电路的两倍，整流电压脉动较小，是半波的一半，无滤波电路时的输出电压U0=0.9U2，变压器的利用率比半波电路的高，整流器件所承受的反向电压要求较高。方案三、单相桥式整流电路单相桥式整流电路使用的整流器件较多，但其实现了全波整流电路，它将U2的负半周也利用起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电压的平均值是半波整流电路的两倍，且如果负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍，且其与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求一样，还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点。所以综合三种方案的优缺点决定用方案三。三、单元电路设计与参数计算整流电路采用单相桥式整流电路，电路如图5所示，图 5 单相桥式整流电路当U20时，电流由+流出，经D1、RL、D2流入-，即D1、D2导通，D3、D4截止；当U20时，电流由-流出，经D3、RL、D4流入+，即D3、D4导通，D1、D2截止。电路的输出波形如图6所示。图6 单相桥式整流电路输出波形在桥式整流电路中，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：If = 12I01电路中的每只二极管承受的最大反向电压为2U2(U2是变压器副边电压有效值)。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：U01=(1.11.2)U2，直流输出电流：I01= I2（1.52）（I2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。12V直流稳压电源电路总体原理电路图如图7所示，可调式直流稳压电源电路总体原理电路图如图8所示，电流扩展直流稳压电源电路总体原理电路图如图9所示：图712V直流稳压电源图8 可调式直流稳压电图 9 电流可拓展直流稳压电源电路1.选集成稳压器，确定电路形式(1)、在12V直流稳压电源电路实验中的稳压电路，采用固定式三端稳压器，主要使用了集成块78系列及79系列。78系列输出为正电压，输出电流可达1A，如7812的输出电流为5mA1A，它的输出电压为12V。和78系列对应的有79系列，它输出为负电压，如7912表示输出电压为12V和输出电流为5mA1A。故称之为三端式稳压器。典型应用电路图如图10所示。 图10应用电路图(2)、在可调式直流稳压电源电路中要求输出电压可调，所以选可调式三端稳压器LM317，其特性参数V0=+1.2V+37V，I0max=1.5A，最小输入、输出压差（Vi-V0）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-V0）max=40V，能满足设计要求，故选用LM317组成的稳压电路。稳压器内部含有过流、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。电路系列的引脚功能相同，典型电路如图12所示.。R1与RP1组成电压输出调节电路，输出电压V01.25(1+RP1R1)式中1.25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120240，取R1=240，则RP1min=48，RP1max=2.64k,故取RP1为5k的精密线绕可调电位器，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。图12(3)、在电流扩展中用大功率三极管TIP41C和LM7812稳压器，TIP41C三极管为NPN管，主要参数为：最大工作电压100V，最大工作电流6A，最大耗散功率65W。设三端稳压器的最大输出电流为I0max，则晶体管的最大基极电流IBmax=I0max-IR，因而负载电流的最大值为ILmax=（1+）（I0max-IR），故其负载采用大功率的电阻，取RL=3.9，为10W的电阻。图中二极管用于消除UBE对输出电压的影响。2.选择电源变压器电源变压器的作用是将电网220V的交流电压U1变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2，通常根据变压器副边输出的功率P2来选用变压器。变压器副边与原边的功率比为：P1P2=，式中，为变压器的效率。一般小型变压器的效率如表1所示。功率P2VA 101030308080200功率0.60.70.80.85由LM317输入电压与输出电压最小压差：（Vi-V0）min=3V，最大压差为：（Vi-V0）max=40V,可得到LM317的输入电压范围为:V0max+(Vi-V0)minViV0min+(Vi-V0)max 15V+3VVi1.5V+40V18VVi41.5V副边电压V2Vimin1.1=181.1V，取V2=17V，副边电流I2I0max1.5A，取I2=1A,通过电流扩展可达到I21.5A，则变压器副边输出功率P2I2V2=25.5W。 由表1可得到变压器的效率=0.7，则原边输入功率P1P2=36.43W。为留有余地，选功率为50W的电源变压器。3选整流二极管及滤波电容(1)、在12V直流稳压电源电路设计中整流二极管D选1N4007即可，其极限参数为VRM1000V，IF=1A，满足VRM2 V2。滤波电容容量较大，一般采用电解电容器，选用3300F/50V即可。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。(2)、在可调式直流稳压电源电路及电流扩展直流稳压电源电路中整流二极管D选1N4007，其极限参数为VRM1000V，IF=1A。满足VRM2V2，IF=I0max的条件。滤波电容C可由纹波电压和稳压系数来确定，滤波电路的电路图如图14(a)所示，其输出电压波形如图14(b)、(c)所示，将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。已知，V0=15V，Vi=18V，取V0P-P=9mV, Sr=0.0050.05,符合要求，则稳压器的输入电压的变化量：Vi=V0P-PViV0Sr=2.2V滤波电容: C= ItVi = I0max tVi =3636电容的耐压应大于2V2=24V。故取2只3300F/50V的电容相并联。（a） （b） （c）图14 滤波电路及其输出波形四、总原理图及元器件清单1可调式直流稳压电源总原理图如图15所示，12V直流稳压电源总原理图如图16所示，电流扩展直流稳压电源电路总原理图如图17所示：图15 可调式直流稳压电源总原理图图16 12V直流稳压电源总原理图图17 电流可拓展直流稳压电源电路2元件清单：元件序号型号主要参数元件序号型号主要参数U1保险管1AC7、C8电解电容220F50VT1变压器15VC3、C4电解电容10F50VD1、D2、D3D4、D5、D6二极管1N4007URM1000V,1AC4电解电容1F50VD6二极管1N4148URM75V，25nAU3三端稳压器LM7912-12VQ1三极管TIP41C100V，6A，65WU2三端稳压器LM7812+12VLED1 、LED2发光二极管U2三端稳压器LM3171.2537VC1 、C2电解电容3300F50VR1、R2、R3电阻1KC3 、C4电解电容0.22F50VR1大功率水泥电阻10W，3.9C5、C6电解电容0.47F50VR2电阻120五、安装与调试因以上各电路非常相似，很接近，只是在小范围有点差别，所以在安装和调试时是类似的，安装调试如下：1. 首先在变压器的原边接入保险丝FU，以防电路短路损坏变压器或其他元器件，其额定电流要略大于I0max，选FU的熔断电流为1A，各元器件按理论电路图正确焊接，注意布局紧密，不出现虚焊或漏焊。2. 先选好适当大小的电路板，再合理布局。3. 安装时先安装较小的元器件，先安装集成稳压电路，再安装整流电路，最后安装滤波电路，有三极管时因三极管对温度很敏感，所以要最后安装，但在安装的过程中要特别注意电容、二极管和三极管TIP41C的极性，并且要注意LM 7812 、LM 7912和LM317管脚的接法。注意安装要一级测试一级，检查电路安装无误后，再连接安装变压器。4.接通电源后，静置一会待电路稳定后没出现任何故障（如芯片被烧等）再进行测量，若出现类似状况应立即断开直流电源，检查问题所在并及时排除故障再进行测量。用万用表分别测量变压器原、副边线圈的输出电压，滤波后的输出电压，7812，7912的输入和输出电压。对于稳压电路则主要测试集成稳压器是否能正常工作。其输入端加直流电压Vi18V，调节RP1，输出电压V0随之变化，说明稳压电路正常工作。整流滤波电路主要是检查整流二极管是否接反，安装前用万用表测量其正、反向电阻。接入电源变压器，整流输出电压Vi应为正。断开交流电源，将整流滤波电路与稳压电路相连接，再接通电源，输出电压V0为规定值，说明各级电路均正常工作，可以进行各项性能指标的测试。六、性能测试与分析1.12V直流稳压电源的性能测试：依次用万用表的250V的交流档测量变压器的原边电压，25V的交流档测量变压器的副边电压，25V直流档测量滤波后的输出电压、稳压器的输入电压和电路的最后输出电压，并记录测试结果如下表：相对误差计算:其中变压器的副边电压的理论值为15V，滤波后的输出电压的理论值为UO1=1.2U2=1.2*15V=18V，UO1 =1.2U2=1.2*（-15）V=-18V，输出电压的理论值为UO2=+12V，UO2=-12V，则有： 变压器副边电压的相对误差： a1=（15-15）15*100%=0%a2=（15-15）15*100%=0%;滤波后的输出电压的相对误差：b1=|18-18.1|18.1*100%=0.55%b2=（-18+18.1）18.1*100%=0.55%输出电压的相对误差： c1=|12-12.05|12.05*100%=0.41%c2=|-12+11.95|11.95*100%=0.42%2.可调式直流稳压电源的性能测试按图18电路的连接方法进行稳压电源性能指标测试，输出端接负载电阻RL，连接好测试电路图检查无误后通电，输入端接220V的交流电压，先将万用表打到25V电压的直流档，然后接上万用表对输出电压进行测量，由小到大慢慢地调节稳压电路中的5K电位器，观察万用表的读数，并记录测试的结果为输出电压可调范围为：1.5V15V，记录完数据后迅速调节电位器使输出端电压减小，再断电。理论输出最小电压为1.5V，输出最大电压为15V。则相对误差计算：d1=(1.5-1.5) 1.5*100%=0%d2=(15-15) 15*100%=0%3.电流扩展直流稳压电源的性能测试先将万用表打到5A直流档，再接通电源，直接将用万用表串联到电路中大功率的电阻的输出端，然后读数并记录数据后断电，输出电流为I0=1.6A，理论输出电流为I0=(1+)( I0max-IR)1.5A，也可按图18电路连接方法测量输出电流。测试的实验结果符合要求I01.5A，所以不存在误差。4.稳压系数的测试在本实验中由于没有自藕变压器，不能调节输入交流电的电压，从而无法测试稳压系数但稳压系数的测试方法为：用图18测试，先调节自藕变压器使输入电压增加10%，即Vi=242V，测量此时对应的输出电压V01；再调节自耦变压器使输入电压减少10%，即=198V，测量这时的输出电压V02，Vi=220V时对应的输出电压V0，则稳压系数为：Sv= V0V0ViVi = 220242-198 V01-V02V0 5.产生误差的原因：综上数据计算与处理和误差计算分析，本实验在误差允许的范围内，符合实验设计要求，存在误差的主要原因有：(1). 实验测量仪器万用表本身存在缺陷，不精确，可采用更高精确度的仪器去测量；(2). 实验器材受环境温度的影响。如二极管和三极管对温度比较敏感，易受温