直流稳压电源设计实验报告附详图

1、直流稳压电源设计实验报告附详图 实训报告 题目名称： 直流稳压电源电路 系 部： 电气与信息工程系 专业班级： 机 制 14-3 学生姓名： 郭欣欣 学 号： 71 指导教师： 刘岩 完成日期： 2021 年 1 月 17 日 摘 要 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

2、。 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、滤波环节和集成元件 lm317 稳压电路将 220v 交流电压转化为 5v 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。 关键词 : 半波整流 电容滤波 稳压电路 稳压系数 纹波电压 目 录 一、 要求 1 二、原理分析与 步 1. 直流 路 构的 1 2. 交流 器 2 3. 整流 路 2 4. 波 路 2

3、5. 集成 路 集成 器件 lm317 3 lm317 典型接法 4 6. 参数 算与器件 4 路参数 算 4 元器件清 5 三、 步 与 果 1. 路搭接与 器 6 2. 性能参数 系数的 量 6 出 阻的 量 6 波 的 量 7 量 果分析 7 四、 小 7 一、设计要求 如下表所示： 输出电压 5v、 9v、 12v、 5v、 9v、 12v，固定、可调均可 输出电流 最大 600ma 其他要求 依据具体电路参数确定 二、原理分析与设计步骤 直流稳压电路结构选择 直流稳压电源的基本结构如图 2-1 所示，分为四个基本环节，即电源变压器、 整流电路、滤波电路和稳压电路。据此确定欲设计的电路

4、结构如图 2-2 所示 图 2-1 图 2-2 交流变压器 将 220v 交流电压降低至一定幅度以使后级稳压电路正常工作。 整流电路 将交流电压转换成脉动直流电压， 分为半波整流、 全波整流和桥式整流。 本实验采用二极管桥式整流电路，电路结构如图 2-3 所示。 图 2-3 整流原理如下： 1 u o t ) u 0 d( 0 输出电压平均值 1 2u 2 sin td ( t) u o 0 输出电流平均值 2 2u 2 0.9u 2 i o i d 0 二极管电流平均值 i d 二极管电流有效值 i 2 变压器副边电流有效值 i 0 u 0 / r l 0.9u 2 / r l u drm

5、二极管最大反向电压 i d 0 1 i 0 i d 1.57i d 0 i 2 21.57i d 0 2 u drm 2u 2 滤波电路 本实验采用电容滤波电路，如图所示。电容滤波电路充电时间常数 r d c （ r d 为二极管正向导通电阻）很小而放电时间常数 r l c 较大，充电快而放 电慢，达到滤波效果。该电路有如下特点： 输出电压平均值 u o 与时间常数 r l c 有关。 越大，电容放电越慢，输 出电压平均值越大。 纯电阻负载时， 一般取 r l c (5 10)t （t 为交流电源电压 周期）；非纯电阻负载时，一般取 r l c (3 5) t 。 2 图 2-4 集成稳压电路

6、 lm317 lm317 是一款可调节三端稳压器，在输出电压范围为到 25v 时能够提供最大 的电流 , 它只需要两个外部电阻来设置输出电压。 管脚排列见图。 管 脚 1. 调 整 端 adjust 图 2-2-1 图 2-5 lm317 典型接法 lm317 的典型接法如图 2-2-1 所示。 工作时， lm317 建立并保持输出端与调节端之间的标称参考电压（ vref ）， 该标称电压经过电阻 r1 转换成编程电流（ iprog ），经由 r2 流到大地。输出电压为： vout v ref (1 r 2 )i adj r 2 r 1 其中 i adj 为调整端电流，不大于 100 a 。调

7、节电位器 r2，便可以实现输出 电压可调的目的。 d 为保护二极管， 用以防止 c2 向调整端放电； c 1 0.1 f 为输 入旁路电容，用以减小稳压器对输入电源阻抗的敏感性； c 2 10 f 作为调整 端的旁路电容，用以提高纹波抑制比，防止输出电压增大时纹波被同步放大。 在保证一定的电源调整率时，要求 3.0v v in v out 40v （见 lm317 中文技 术手册），本实验规定 v out 5.0v ，因此有 8v v in 45v 。选择 v in 8.0v ，理由 是：由于 lm317 调整端电流极小，故输入电流约等于输出电流。负载一定时，其 消耗功率保持不变。输入电压越大

8、，输入功率就越大，输出功率不变，就会有更 多的功率消耗在 lm317 内部，器件容易过热烧坏。 因此在满足要求的范围内， 输 入电压越小越好，故取 v in 8.0v 。 参数计算与器件选择 电路参数计算 图 3-1 （ 1）稳压器件选择 lm317，稳压输出； （ 2）输出滤波电容 作用是使输出电压波形更平滑， 减少负载对电源的影响。 由于 lm317 稳压电路中已经采用调整端旁路电容 c 3 10 f 抑制输出纹波，相当于输出滤波电容。 （3）稳压器前小滤波电容 c2 根据 lm317 技术手册，选取稳压器前端小滤波电容 c 2 0.1 f 。由于电解电 容高频特性差， c3 使用无极性小

9、容量电容。 （4）滤波电容 c1 (3 5) t 。 r l c 1 2 10 滤波负载不是纯电阻时，一般有 取 r l 时，计算得 c 1 (3 5) 10 3 f ，结合实际情况，取 c 1 2200 f 。 （5）二极管与变压器 根据技术 手册，为使 稳压 器空载时能正常工 作， r1 中的电流 应取 i r1 (5 10)ma ， 则 r 1 vref (125 250) ， 选 取 r 1 200 i r1 u o vout v ref (1 r 2 ) 5v 得 r 600 。根据实际情况选取满量程为 10k 的 r 1 2 电位器。 vout vout 0.6 a 时， r 8.

10、3 。 最大输出电流等于时，即 i out max r 1 pr l r l l 由于调整端电流很小， 故输入输出电流基本相等， 即 i 4 i in i out max 0.6 a 。 根据电容滤波及桥式整流电路的特点，得到 u 4 1.2u 2 u 2 u 4 6.67v 1.2 i 3 i 4 0.6a 二极管电流平均值和有效值分别为 i d 0 0.5i 3 0.25 a ， i d 1.25i 3 0.625 a 变压器副边电流有效值 i 2 2i d 0.88a ，故副边功率 p u 2 i 2 5.87w ； 整流二极管承受的最大反向电压 u drm 2u 2 9.43v 根据以

11、上计算，选取相应型号的二极管和变压器。至此电路参数已完全确定。 元器件清单 实验所用元器件种类数目及测量仪器清单如表所示。 表 项目 型号 数目 二极管 5 电位器 10k 量程 1 电阻 200 1 电容 、10uf、 2200uf 各一个 变压器 220:14 1 滑动变阻器 0 100 1 面包板 1 示波器 1 万用表 充当电压表、电流表 2 三、实验步骤与测试结果 电路搭接与仪器调试 依据原理图在面包板上搭接实验电路，确认连接无误后接通电源测试。 稳压系数的测量 参数说明：稳压系数也叫电压调整率，是指环境温度和负载不变得情况下， 输入电压变化引起输出电压变化的程度， 定义为输出电压的

12、相对变化与输入电压 的相对变化的比值，即 s vo / v o 100% v i / v i 测量步骤：使输出电流保持在额定值，保持负载不变，改变输入电压，用万用表直流电压档测输出电压。 测量结果： 输入电压 /v 输出电压 /v 220 198 220 (5.026 5.025) / 5.025 3 稳压系数 s 100% 1.99 100.002 0.1 输出电阻的测量 参数说明：直流稳压源的输出电阻即直流电源的内阻， 越小越好。若电源内阻过大，则当负载电阻较小时，内阻分压将不可忽略， 对电源的精确度造成影响。 测量步骤：保持输入电压不变， 大范围改变负载阻值， 测量负载电压和负载 电流的

13、变化值， 由戴维宁定理可知， 两者的比值即稳压源的输出电阻。 测量电压和电流分别用万用表直流电压档和电流档，电流表外接。 测量结果： 输出电压 /v 输出电流 /ma 稳压源输出电阻 r o v o 5.012 4.967 0.18 i o (349.8 96.9) 10 3 纹波电压的测量 参数说明：尽管经过了整流和滤波， 也不可能将输出电压中的交流成分完全滤除，因此输出电压仍存在较小的波动，即纹波。纹波越小，表明稳压电源的性能越好，输出电压品质越好。 测量步骤：使电路工作在额定电流下， 用示波器观察输出电压， 并使用交流耦合档观察纹波电压，用 measure 档测量其峰峰值，做记录。 测量

14、结果： v pp 8.0mv 测量结果分析 从以上三个参数的测量结果来看，直流稳压源稳压系数较小，说明输入变化 对输出电压的影响较小。 这项指标的意义在于， 即使稳压源所处的环境温度等因 素发生剧烈变化而导致输入电压大幅变化， 也能保证输出电压变化控制在一定的 较小的范围内。 输出电阻为 0.18 ，是一个比较小的值。 相对于的直流输出， 8mv 峰峰值的纹波几乎可以忽略。 综上，本次实验所设计的直流稳压源基本满足设计 要求。 四、电路板装配及要求 元器件的安装 印制电路板装配是用来表示元器件及零部件、 整件与印制电路板连接关系的 图样。主要包括元器件的安装和焊接两个方面的内容。 在焊接前必须

15、画一张与电 路板大小的原理图，并且贴在板的上面。 在 pcb 装配图的绘制和元器件的安装过程中，要遵循下面的要求： 安装的元器件必须经过检验合格。 （1） 装配图上的元器件一般以图形符号表示， 有时也可用简化的外形轮廓表示。采用外形轮廓表示时，应标明与装配方向有关的符号、和文字等。 （2）元器件安装要进行焊前清洁工作，元器件的安装顺序应该按照先安装体积小的元器件，再安装体积较大的元器件； 并按照从左到右，从上到下的顺序。 （3）在安装带有极性的元器件时，应注意其方向；元器件表面有标注的，要使标注朝上；各器件的安装应整齐、规范。 元器件的焊接 焊接的工艺过程一般可按照五个步骤进行： 第一步，焊前

16、准备。用刮刀、砂纸或助焊剂除去元器件表面的氧化层，以保持焊前清洁。 第二步，焊件装配。将元器件按工艺要求插装到 pcb 板上。 第三步，加热焊接。焊接的过程可以通过手工或自动焊接进行。 第四步，焊后清理。用无水酒精或香蕉水清洁焊点周围的焊剂残留物。 第五步，质量检查。包括外观检查和电气性能检查。 对于元器件的焊接，应遵循如下的要求： 1）保持烙铁头的清洁。 2）增加烙铁头与元件的接触面积来加快传热。 3）加热要靠焊锡桥，也就是说要保持烙铁头上有少量焊锡，作为加热时烙铁头与焊件之间传热的桥梁。 4）在焊锡凝固之前不能动，以免造成焊点结构疏松或虚焊。 5）焊锡、焊剂的用量要适当。 一般说来，焊锡丝

17、的直径要小于焊盘的直径。 6）不要使用烙铁头作为运输焊锡的工具。一方面，待焊件没有预热；另一 方面，会造成助焊剂的过高温度而碳化。 最重要的是，要掌握焊接的温度和加热时间。 焊接的温度过低或加热时间不够，会造成焊料不能充分浸润焊件，形成虚焊；反之，除了可能会造成元器件损坏以外，还会造成助焊剂的碳化和损伤 pcb 板。 四、实验小结 通过本次实验， 我对直流稳压电源的工作原理有了更深刻的认识， 对整流环节、电容滤波环节、集成三端稳压器典型电路等有了一定的把握。同时，在实验过程中，我们遇到了不懂的问题， 通过查阅课本、 请教老师和组员之间的相互讨论，最终弄明白了原理，解决了问题，理论应用到实践的能

18、力得到提升。由于是设计性实验，电路结构和器件参数完全自己计算确定， 这时我学会了衡量元器件性能好坏的指标和选择器件的依据。 在实习中，我锻炼了自己动手能力， 提高了自己解决问题的能力。 通过本次实践也培养了我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力， 增强了独立工作的能力。在这次设计中，我也遇到了不少的问题，幸运的是，最终一一解决了遇到的问题。 在我们遇到不懂的问题时， 利用网上和图书馆的资源，搜索查找得到需要的信息及和队友之间相互讨论显得尤其重要了， 我明白了团队合作的重要性。 这次的制作也让我们感受到， 我们在电子方面学到的只是很小的一部分知识，我们需要更多的时间来自主学习相关

19、知识。 参 考 文 献 1、王卫平主编，电工产品制造工艺，高等教育出版社， 2021 2、唐程山主编，电子技术高等教育出版社， 2021 3、王扬帆主编，电子技术实训教程大连理工出版社， 2021 4、胡宴如主编，模拟电子技术高等教育出版社， 2021 5、杨志忠主编，数字电子技术高等教育出版社， 2021 实训评定意见 设计题目 直流稳压电源电路 系 部 电气与信息工程系 专业班级 机制 14-3 学生姓名 郭欣欣 学生学号 71 评定意见： 评定成绩： 指导教师（签名）： 年 月 日 .工程学院 电气与信息工程 系 ( 部) 实训任务书 2021/2021 学年上学期 2021 年 1 月 5 日 机械设计制造及 机制 专业 班级 课程名称 其自动化 14-