模拟电路课程设计报告-直流稳压电源设计

模拟电路课程设计报告设计课题：直流稳压电源设计专业班级：通信工程直流稳压电源设计一、设计任务与要求1．设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求：①输出电压可调：Uo=+3～+9V②最大输出电流：Iomax=80mA③输出电压变化量：ΔUo≤5mV④稳压系数：SV≤0.0032．设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。3．自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量。4.批准后，进实验室进行组装、调试，并测试其主要性能参数。最后交指导教师审核。二、方案设计与论证稳压直流电源设计的总体思路就是把电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，降低到实验所需的稳定的低压直流电流。而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。综上所述，要完成本实验的设计需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节。大体示意图如下：在此说明一下四个环节各自的作用：（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。在本实验中，如何更好地把交流电变成脉动的直流电，也就是说整流电路的选择的恰当与否是本实验成功与否的一个重因素。下面分两个方案去设计和论证。方案一：单相半波整流电路单相半波整流电路利用二极管的单向导电性，在变压器二次侧电压u2的正半周内，二极管正向偏置，处于导通状态，负载RL上得到半个周期的脉动直流电压和电流；而在u2的负半周内，二极管反向截止，电路输出电流i0基本上等于零。二极管的单向导电作用将变压器二次侧的交流电压变换成为负载RL上的单向脉动电压，达到了整流的目的。由于这种电路只在交流电压的半个周期内有电流流过负载，因而称为单相半波整流电路。其电路图如下：图2单相半波整流电路方案二、单相桥式整流电路这种整流的特点是在u2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由TR次级上端经D1→RL→D3回到TR次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。在u2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→RL→D4回到Tr次级上端，在负载RL上得到另一半波整流电压，流过负载RL的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。其电路图如下：单相桥式整流电路图3输出波形图与单相半波整流电路相比，单相桥式整流电路将交流电的负半周也利用起来了，从而使整流电路输出电压的平均值得到提高。因此，在本实验中，采用单相桥式整流电路。三、单元电路设计与参数计算（一）电源变压器的选择（1）选择电源变压器变压器的选择：由于LM317的输入电压与输出电压差值最小值（Ui-Uo）min=3v,最大差值（Ui-Uo）max=40v,故LM317的输入电压范围为Uomax+（Ui-Uo）min≦Ui≦Uomax+（Ui-Uo）max即12v≦Ui≦43vU2≧Uimin/1.1=11v故U2=12v变压器的副边电流，I2≧80mA=0.08A故I2=0.1A因此变压器副边输出功率为：P2≧U2I2=1.2W根据小型变压器效率表可知﹤10V.A时，P2效率取0.6。所以变压器原边输入功率为：P1=P2/0.6=2W,为了保险起见，变压器功率可选用大于2W的。（二）单相桥式整流电路单相桥式整流电路的原理特点是在u2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由TR次级上端经D1→RL→D3回到TR次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。在u2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→RL→D4回到Tr次级上端，在负载RL上得到另一半波整流电压，流过负载RL的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。其电路图如下：0单相桥式整流电路图3输出波形图

(三)电容滤波电路电容滤波电路一般用于负载电流较小的场合，因为它可以满足Td>>TC的条件，因而输出电压波形的放电段比较平缓，输出脉动系数S减小，输出电压平均值UO(AV)增大，具有较好的滤波特性。此外，由负载电阻RL与滤波电容C改变时，对输出电压平均值UO(AV)的影响关系可知，当RL你愈小，即IO愈大时，UO(AV)下降愈快，电路的输出特性变软，带负载能力变差。所以电容滤波电路适合于固定负载或输出电流较小、负载电流变化不大的场合。电容滤波电路图如下：电容滤波电路图图4输出波形图（四）三端集成器稳压电路根据设计所要求的性能指标，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。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6V~13V，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。电路系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图3-8.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，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。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能满足设计要求,故选用稳压电路。二极管及滤波电容的选择：根据设计性能指标：Uomax=9V△Uop-p≦5mV,Sv≦0.003根据公式Sv=△Uo/Uo÷△UI/UI得，△UI=△Uop-p.UI/Uo.Sv=2.2V所以，滤波电容C1=Iomax./△UI=363.6uF 故滤波电容取1000uF,由于：URM＞U2=×12=17V,Iomax=0.08A,所以二极管可选用反向击穿URM≧50V,额定工作电流ID=1A＞Iomax的IN4001二极管。Uo=1.25[1+(Rp+R2)/R1]V,R1取2K,R2取2.2K，当Uomin=3V时，Rp=0.6k;当Uomax=9V时，Rp=9.8K,所以电位器选择10K.四、总原理图及元器件清单型号元件参数值数量备注Ji变压器12V1D1、D2、D3、D4、D5、D6二极管IN4001URM≧50V1A6LED发光二极管1FUSE保险管1A1C1电解电容1000uF1C2电解电容0.1uF1C3电解电容10uF1C4电解电容1uF1R1电阻2K1R2电阻2.2K1RL电阻1.5K1Rp电位器10K1U三端稳压器LM3171.2～37V1SW开关1说明：Uo=1.25[1+(Rp+R2)/R1]V,R1取2K,R2取2.2K，当Uomin=3V时，Rp=0.6k;当Uomax=9V时，Rp=9.8K,所以电位器选择10K.五、安装与调试按PCB图所示，制作好电路板。安装时要按照PCB板的顺序（从左到右）逐个安装，这样比较不容易安装错误。安装时要注意，二极管、电解电容、发光二极管的极性不要接反，LM317的管脚不要接错；用万用表测试电路板上元件的焊接情况，经检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路接通。接通后，用万用表检查整流后输出LM317的输入端电压U1的极性，若U1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R2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。以下是调试的电压输出结果：电位器取最大值时，UO=8.78V图5电位器取最小值时，UO=3.36V电位器在0~10K之间，输出电压连续可调：约为3~9V。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右图所示。一般情况下，稳压器正常工作时，其输出电流IO要小于最大输出电流IOmax，取IO=0.06A，可算出RL=150Ω，由于没有150Ω的电阻，所以取RL=200Ω。工作时，RL上消耗的功率为：PL=UOIO=9×0.07=0.63W。故RL取额定功率为1W，阻值为200Ω的电位器。测试时，先使RL=200Ω，交流输入电压为220V，用数字电压表测出的电压就是UO。然后慢慢调小RL，直到UO下降到5%，此时流经RL的电流就是IOmax，记下后，要马上调大RL的值，以减小稳压器的功耗。RL=200Ω时，UO=8.78V，IO=0.02UO下降5%（8.332V）时IO=0.0585A，即Iomax》=2.纹波电压的测试用示波器观察UO的峰峰值，测量△Uopp-p的值。△Uopp-p=0.0022mV3.稳压系数的测量按图5所示连接电路，在UI=220V时，测出稳压电源的输出电压UO，然后调节自耦变压器输入电压UI=242V，测出稳压电源对应的输出电压UOI：再调节自耦变压器使输入电压UI=198V，测出稳压电源的输出电压UO2，则稳压系数为：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）；UI=198VUi=10.8VUI=220VUi=12.0VUI=242Ui=13.2VUi=12VUO=8.726V↑Ui=10.8VUO=8.72v↑Ui=13.2VUO=8.740V↑所以，稳压系数：Sv=5*（8.740-8.720）/8.726=0.0022设计要求测试结果误差分析UO=+3V~+9V3.36V~8.78V4.5%IOmax≤80mA0.03%△Vop-p≤5mV106.845uV106.845uV<<5mVSV≤3×10-30.00222%在误差允许的范围内，本设计达到要求。七、结论与心得或许是因为之前的模电学得不够好吧，理论知识不够扎实，忙前忙后地做这个实验，花了将近两周的时间才做做出来，其中也遇到了不少的困难。比如说怎么去选购器件，因为之前没有太多的接触过真实的元器件，所以到我们去买的时候竟然连三端稳压器、电位器、电解电容这些器件都不认识。还有的就是在单元电路的设计和方案的选定上也花了不少时间，不太懂得对比哪个方案更好或是比较简洁一点。再有一个就是我们在做实物焊接的时候，也是因为之前没用过电烙铁，所以焊得很糟糕，用的时间也很长。最令人感到沮丧是我们做好了实物，但调试不到实验所需的输出电压3到9V的要求，后来经过分析，原来是负载电阻太小了，最后加大了负载电阻后，才符合实验的要求。