直流稳压电源设计

...wd...wd...wd课程设计任务书题目直流稳压电源设计〔写自己的〕设计的目的电源技术是一门很重要的技术，服务于各行各业。直流稳压电源是电子技术中常用的仪器设备之一，广泛应用于教学、科研等领域，是电子科技人员及电路开发部门进展实验操作和科学研究不可缺少的电子仪器。整个电源系统是由变压、整流、滤波、稳压四局部组成。家用电器和其它各类电子设备都需要电压稳定的直流电源供电，但实际生活中是由220V的交流电网供电，这就需要通过电源系统将交流电转换成低电压直流电。〔写自己的〕二、设计的内容及要求1)输入电压为220VAC，输出为直流电压2)输出电压可调：Uo=+3V～+9V；最大输出电流：Iomax=800mA；输出电压变化量：ΔVop_p≤5mV；4.稳压系数：SV≤3)学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法4)培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力〔写自己的〕三、指导教师评语四、成绩指导教师(签章)2017年06月16日承诺本人郑重承诺：所呈交的设计〔论文〕是本人在导师的指导下独立进展设计〔研究〕所取得的成果，除文中特别加以标注引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的设计〔研究〕成果。对本设计〔研究〕做出奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计〔论文〕中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承当一切后果。学生签名：摘要在电子电路及电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。本文实现了串联反响调整型稳压电源的设计，依据功能划分，文中论述了组成该稳压电源的各个局部。最后给出了总原理图及元器件清单，对整体电路用multisim软件进展了仿真分析。结果说明，该稳压电源电路能够到达预期目的，构造对比简单，有较高的精度，是一种对比实用的电路，具有较高的实用价值。关键词：直流稳压电源；串联反响；保护电路撰写说明：摘要要简明扼要，写大概100～200字，3-8个关键词。客观反映论文的主要内容和研究方法，具有相对独立性和完整性。关键词：关键词；关键词；关键词；关键词〔关键词之间分号隔开，并加一个空格〕AbstractIntheelectroniccircuitandelectronicdevice,usuallyneedaDCpowersupplyvoltagestability.Thispaperrealizesthedesignofseriesfeedbackregulatedpowersupply.Byfunctionaldivision,thispaperenlargedoneverypartsofthestabilizedvoltage.Finally,thegeneralschematicandcomponentlistisgiven,thewholecircuitissimulatedwithMultisimsoftware.Theresultsshowthatthestabilizedvoltagesupplycircuitcanachievetheexpectedpurpose.Ithassimplestructureandhighaccuracy,andit'samorepracticalcircuitwithhighpracticalvalue.Keywords:DCStabilizedVoltageSupply;SeriesFeedback;ProtectionCircuit目录第1章绪论11.1设计背景11.2直流稳压电源概述11.3本文研究的主要内容2第2章设计介绍42.1设计任务与要求42.2方案设计与论证4第3章电路设计与器件选择73.1电路设计73.2器件选择83.2.1集成三端稳压器83.2.2电源变压器93.2.3整流二极管103.2.4滤波电容103.3总原理图及元器件清单113.3.1总原理图、PCB图113.3.2元件清单12第4章仿真运行和调试144.1仿真搭建144.2仿真运行154.2.1输出电压与最大输出电流的测试154.2.2纹波电压的测试164.2.3稳压系数的测量17结论与心得20参考文献22第1章绪论1.1设计背景电源技术是一门很重要的技术，服务于各行各业。直流稳压电源是电子技术中常用的仪器设备之一，广泛应用于教学、科研等领域，是电子科技人员及电路开发部门进展实验操作和科学研究不可缺少的电子仪器。整个电源系统是由变压、整流、滤波、稳压四局部组成。家用电器和其它各类电子设备都需要电压稳定的直流电源供电，但实际生活中是由220V的交流电网供电，这就需要通过电源系统将交流电转换成低电压直流电。1.2直流稳压电源概述在电子电路及电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，作为电子电路中必不可少的组成局部，它的作用之一是为各级电路中的三极管提供适宜的偏置，其次是作为整个电子电路能量来源。常见的供电方式有两种，一种是采用干电池、蓄电池或其他形式如光电池等向电路供电，这种供电方式是用化学能或其他形式的能量转化为电能之后，向电路提供能量，其缺陷在于能量的使用要受实际条件〔如电池的容量〕的限制；另一种是利用电网向电路供电，这种供电方式是把电网的交流电经过降压、整流、滤波和稳压之后，转化为直流电向电路提供能量，其优势在于电网所提供的能量是源源不断的。小功率稳压电源的组成可以用图1.1表示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四局部组成。图1.1直流稳压电源构造图和稳压过程电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动〔一般有±10%左右的波动〕、负载和温度的变化而变化。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、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。当负载要求功率较大、效率高时，常采用开关稳压电源。在电子设备中，所需的直流电能对比小，一般在千瓦以下，但要求电压的稳定性较高。通常对直流电源的要求是：输出电压稳定、纹波小、负载能力强等。直流电源的性能指标主要有如下几个参数：〔1〕输入电压Ui。电源所要求的〔交流〕输入电压，在我国一般是220V、50Hz的交流电。〔2〕额定输出电压U0。电源输出的直流电压值，可变电源为某个范围值。〔3〕最大输出电流IM。电源在额定输出电压U0，所能提供的最大输出电流。有时也用最大输出功率PM来表示。〔4〕纹波系数S。电源输出电压所含有的基波分量的峰值与输出直流电压之比，它反响了输出电压的稳定程度。本设计主要讨论的是把电网电压的单相交流电转换为直流电源的方法、实现的电路及直流电源的性能指标。最后简单介绍开关型稳压电源的电路组成原理及分析方法。1.3本文研究的主要内容通过集成直流稳压电源的设计，安装和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器及相关元器件设计直流稳压电源；掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。设计根本要求：1、根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案，计算和选取元件参数。2、完成各单元电路和总体电路的设计，并用计算机绘制电路图。3、完成电路的安装、调试，使作品能到达预定的技术指标。4、给出测试各项技术指标的方法〔包括所使用的仪器〕，撰写测试报告及使用说明书。撰写说明：绪论一般应包括：本研究课题的背景及理论与实际意义；国内外研究现状和进展；研究的根本思路与采用的方法等。由于是课程设计，有些选题的研究背景和实际意义不大的话，也可以按照上面写下所用的相关理论和软件简介也可以。正文要求用小四，首行空两个，1.5倍行距，后面正文同此。标题一律用1.1、1.1.1…、1.2、1.2.1…等，全部用阿拉伯数字，不能出现中文数字，标题格式设置最多到三级〔即到1.1.1…1.2.1等〕，后面章节标题也是同样如此。出现新的一章要另起一页。标题格式已经设置好，大家按照所给的格式来进展。绪论写2-3页即可。其他绪论写法参考：第1章绪论1.1×××××的研究目的与意义1.2×××××的研究现状与开展趋势1.3×××××的研究方法1.4设计的思路和实现方法第1章绪论1.1本论文的背景和意义1.2本论文的主要方法1.3本论文的主要内容1.4本论文的构造安排第2章设计介绍2.1设计任务与要求设计任务〔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：ΔVop_p≤5mV〔4〕稳压系数：SV≤设计要求〔1〕根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案，计算和选取元件参数。〔2〕完成各单元电路和总体电路的设计，并用计算机绘制电路图。〔3〕完成电路的安装、调试，使作品能到达预期的技术指标。〔4〕给出测试各项技术指标的方法，撰写测试报告。2.2方案设计与论证方案1：可调式三端稳压电源设计该方案需使用三端稳压芯片作为稳压电路可调局部，其输出电压调整范围宽。优点：该方案构造简单，使用方便，干扰和噪音小缺点：数字电位器误差较大，控制精度不够高。方案2：采用A/D或D/A采用A/D和D/A构成直流电源的电路如图2.1和所示。利用AVR单片机自带的D/A口DAC0输出0－2.5V的电压，然后经一级反相放大器和跟随器，此时可以输出0到－5V电压。但是因为A/D变换器只能采集0到+2.56V的电压，所以再在跟随器后面加一级反相放大器器然后送回到A/D采样，MCU对比发现DAC0输出为正确电压时，那么从跟随器后直接输出电压，这样就可以输出0到-5V的电压了。当需要正相电压时从DAC1口输出电压，这时就不需要反相，其它原理与DAC0相似。图2.1采用D/A和A/D方案的电路原理图优点：准确度高，纹波小，效率和密度对比高，可靠性也不错。缺点：电路相对复杂，AVR单片机的IO口不能容忍负电压，否那么会被损坏。方案3：晶体管串联式直流稳压电路晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图2.2所示，该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进展对比得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进展调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值(稳压值)。图2.2晶体管串联式直流稳压电路框图优点：单纯的电路很简单，易于连接缺点：增加辅助电源后电路构造复杂，多采用分立式原件，电路可靠性低直流稳压电源是电子设备能量的提供者，对直流电源要求是：输出电压的幅值稳定，平滑，变换频率高，负载能力强，温度稳定性好。综合以上3种方案，得出结论，第1种方案最可行。总体设计应该简单耐用。撰写说明：从第2章开场是课程设计〔论文〕主体，应构造合理，层次清楚，重点突出，文字简练、通顺。主体的内容应包括以下各方面：本研究内容的总体方案设计与选择论证；本研究内容各局部〔包括硬件与软件〕的设计计算；本研究内容试验方案设计的可行性、有效性以及试验数据处理与分析；本研究内容的理论分析。对本研究内容及成果应进展较全面、客观的理论阐述，应着重指出本研究内容中的创新、改良与实际应用之处。理论分析中，应将他人研究成果单独书写，并注明出处，不得将其与本人提出的理论分析混淆在一起。对于将其他领域的理论、结果引用到本研究领域者，应说明该理论的出处，并论述引用的可行性与有效性。第3章电路设计与器件选择3.1电路设计整流电路采用桥式整流电路，电路如图3.1所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3.2所示。图3.1整流电路图3.2输出波形图在桥式整流电路中，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，电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(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，以到达使输出波形根本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.1～1.2)U2，直流输出电流：Io1=I2/(1.5～2)〔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。总体原理电路见图3.3。图3.3稳压电路原理图3.2器件选择3.2.1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，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流为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系列的引脚功能一样，管脚图和典型电路如图3.4和图3.5。图3.4管脚图图3.5典型电路输出电压表达式为：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，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常取值，在这里，因为只买到10K的电位器，再串联一个R2，根据LM317输出电压表达式，取：R1=2.2k,R2=2k。我们一般使用精细电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。图中参加了二极管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：1.2V～37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：3～40V由于能满足设计要求，应选用LM317组成稳压电路。3.2.2电源变压器电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表2.1所示：表3.1小型变压器的效率副边功率效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值，输入电压与输出电压差的最大值，故LM317的输入电压范围为：即，取变压器副边电流：，取，因此，变压器副边输出功率：由于变压器的效率，所以变压器原边输入功率，为留有余地，选用功率为的变压器。3.2.3整流二极管由于：，。IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4001。3.2.4滤波电容根据，和公式可求得：所以，滤波电容：电容的耐压要大于，故滤波电容C取容量为，耐压为的电解电容。总原理图及元器件清单3.3.1总原理图、PCB图图3.6总原理图总原理图如图3.6所示。PCB图如图3.7所示。图3.7PCB图3.3.2元件清单元件清单如表3.2所示。表3.2元件清单元件序列型号元件参数值数量备注Ji变压器12V1实际输入电压大于12VD1D2D3D4D5D6二极管1N4001，1A6也可用1N4007D7发光二极管1FUSH熔断丝1A1C1C2电解电容4700uF/25V2C5电解电容0．1uF1C9电解电容1uF/25V1C7电解电容10uF/25V1SW开关1R3电阻2．2kΩ1R4电阻1K1R1电阻2kΩ1R2电位器10K1U三稳压器LM317可调范围1.2V~37V1撰写说明：以上只是结合本设计题目的设计列出了局部标题层次，大家可以结合自己的题目自行安排有关内容和层次。层次的安排和划分要求有一定的逻辑性和条理性。要把所设计的图形进展截图，并且写上图号和图注〔图号要写出如图3.1、图3.2等以此写下去，要根据章节号来写，第3章的图，就写3.×，等，图注就写上相应内容，比方前面图号和图注就是“图3.1整流电路〞〕，并且对图的内容和功能大概有个说明和介绍，起什么作用等。出现的一些非软件截图，比方用到的有些硬件组成图或其他辅助图一律重画，有些同学在网上找的图除非是实物图片什么的可以不用画，其他的但凡电路图、组成图、流程图等都要重新绘制。仿真运行和调试4.1仿真搭建按PCB图制作好电路板。安装时，先安装较小的元件，故先安装整流电路，再安装稳压电路，最后再装上滤波电路。安装时二极管和电解电容的极性不要接反。检查无误后，将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UI的极性，假设UI的极性为负，那么说明整流电路没有接对，此时假设接入稳压电路，就会损坏集成稳压器。然后接通电源，调节RW的值，假设输出电压满足指标，说明稳压电源中各级电路都能正常工作，此时就可以进展各项指标的测试。因在multisim没有LM317元件，故用同一系列的LM117代替。使用multisim仿真调试图如图4.1所示。电位器在0到10K之间，输出电压连续可调：约为3V~9V。(a)电位器R2取最大值时，Uo=9.088V↑(b)电位器R2取最大值时，Uo=2.983V↑图4.1仿真搭建仿真运行4.2.1输出电压与最大输出电流的测试测试电路如图4.2所示。一般情况下，稳压器正常工作时，其输出被测电流要小于最大输出电流，取，可算出RL=20Ω，工作时上消耗的功率为：故取额定功率为10W，阻值为20Ω的电位器。图4.2稳压电源性能指标的测试电路测试时，先使，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是Uo。然后慢慢调小，直到Uo的值下降5%，此时流经的电流就是，记下后，要马上调大的值，以减小稳压器的功耗。仿真运行结果如图4.3和4.4所示。图4.3R5〔RL〕=20欧姆，Uo=8.78V,Io=438.979mA↑图4.4Uo下降5%〔8.332V〕时，Io=846.644mA,即Iomax=Io.↑4.2.2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ΔUop-p的值〔约几mV〕。仿真运行结果如图4.5所示。图4.5纹波电压的测试结果由示波器得出：ΔUop-p=106。845uV4.2.3稳压系数的测量按图4.2所示连接电路，在时，测出稳压电源的输出电压Uo。然后调节自耦变压器使输入电压，测出稳压电源对应的输出电压Uo1；再调节自耦变压器使输入电压，测出稳压电源的输出电压Uo2。那么稳压系数为：因为，在本调试中，无法得到自耦变压器，所以只能把电压归算到降压器的输出电压(Ui)：U1=198V,Ui=10.8VU1=220V,Ui=12.0VU1=242V,Ui=13.2V〔a〕Ui=12时，Uo=8.726V↑〔b〕Ui=10.8V时，Uo=8.72V↑〔c〕Ui=10.8V时，Uo=8.72V↑图4.6稳压系数的测量所以，稳压系数：=0.0022根据上面分析，可以给出按设计要求，测试结果及误差分析参见表4.1所示。表4.1测试结果及误差分析设计要求测试结果误差分析Uo=+3V～+9V2.983V~9.088V0.01%Iomax=800mA846.644mA0.05%ΔVop_p≤5mV106。845uV106．845uV〈〈5mVSV≤0.00222%撰写说明：说明仿真运行情况，以及实现的功能等。除过第1章叫“绪论〞和最后叫“结论〞固定外，其余各章根据每个人情况自行命名。比方，本章也可以叫“测试和结果分析〞等等。结论与心得经过一个多月的努力，终天完成的这个设计。从选题到画图制板花了差不多一个星期的时间，后面的调试占了大局部的时间。由于没有找到示波器，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展的。在这里选用了multisim进展仿真，虽然multisim不是很难学，但由于自己对multisim还没有熟练的掌握，仿真过程中还是会有一定的误差。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给出的LM317的原理图管脚，花费了大量的时间去调试。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异的，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。虽然输出电压增加或减少由LM317的调整脚上的串联电位器〔R2〕来控制，但是并联在LM317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；我觉得课程设计对我们的帮助是很大的，它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力！在设计的