《《模拟电子课程设计》课程设计直流稳定电源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《模拟电子课程设计》课程设计直流稳定电源.docx（30页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、武汉理工大学模拟电子课程设计课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 直流稳定电源 初始条件： 变压器HB8604、三端可调稳压器LM317T、电容、电阻及二极管若干、开关、电位器若干。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）设计并制作交流变换为直流的稳定电源，使之达到以下要求：稳压电源模块在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下： 输出电压可调范围为+9V+12V；稳流电源模块 在输入电压固定为12V的条件下输出420mA可调电流；DC-DC变换器模块在输入电压为+9V+1
2、2V条件下：输出电压为+100V，输出电流为10mA。时间安排：1.第15周：理论讲解2.第16周：理论电路设计，实际电路搭建相关测试3.第17周：答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘 要人类社会已经进入信息化时代，信息社会的发展离不开电子产品的发展。而现代电子产品又离不开电源、如果没有一个好的直流电源，我们的大多数的电子产品将无法使用，现在在实际的电路中，需要的大多数是大于等于3V和小于18V的直流电，我们不可能去买干电池去满足这一要求，为此我们的电子产品一定需要一个能把市电转变成我们所需要的直流电的稳压电源。由于不同的电子产品可能需要不同的电源，做可调电源
3、就会使需不同电源的电子产品得到与它匹配的电源，从而使得它能正常工作，使它的工作效率达到最高。电源的优劣将会决定电子产品的使用寿命，因此，我们需要的是高质量的直流电源。关键词：信息、电源、直流AbstractHuman societies have entered the information age, the information society cannot develop without the development of electronic products. Modern electronics and cannot be separated from the power su
4、pply, DC power supply if you dont have a good, will not be able to use most of our electronic products, now in the actual circuit, most in need is greater than or equal to 3V, 18V DC, it is impossible for us to buy batteries to meet this requirement, one of our electronic products need to put AC int
5、o DC regulated power supply we need. Because of different electronic products may require a different power supply, adjustable power supply will need different power supply electronic products are matched with it power, to make it work, so that its efficiency to achieve the highest. Pros and cons of
6、 power will determine the service life of electronic products, so we need to be of high quality DC power supply.Keywords: Information. Power supplies. DC目录摘要21引言42设计目的42.1学会实践42.2学会方法42.3培养技能43设计任务与要求53.1基础部分53.2发挥部分64设计思路74.2直流稳定电压实际原理74.3DC-DC模块155设计步骤165.1电路图设计165.2仿真165.3电路安装、调试166实验设备与元器件176.1所
7、需实验设备177实验电路仿真187.1直流稳定电压源仿真187.2直流稳定电流源仿真208实物制作228.1电路板正面，如图8.1.1228.2电路板背面，如图8.1.2228.3变压器，如图8.1.3239实验数据测量2310实物实验数据分析处理2410.1直流稳压电源部分2410.2直流稳流电路部分2411注意事项与电路误差分析2412设计报告2513综合分析与感悟25参考文献26 正 文1 引言直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压220V变为所需要的低压交流电。整流器把交流电转换成为直流电。经电容等波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流
8、电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压可在9-12V可调。直流稳流电源，是用过LM317，5V的基准电压，通过一个可调电位器来提取电流，实现稳定的直流输出的功能。DC-DC电源通过直流转换为交流，再通过变压器的变压，在转换为直流。从而实现了DC-DC的直流电压转换。2 设计目的2.1 学会实践学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。2.2 学会方法直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。2.3 培养技能陪养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力
9、。3 设计任务与要求设计并制作交流变换为直流的稳定电源，使之达到以下要求：3.1 基础部分3.1.1 稳压电源 3.1.1.1 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：输出电压可调范围为+9V+12V3.1.1.2 最大输出电流为1.5A3.1.1.3 电压调整率0.2%（输入电压220V变化范围15%20%下,空载到满3.1.1.4 负载调整率1%（最低输入电压下，满载）3.1.1.5 纹波电压（峰-峰值）5mV（最低输入电压下，满载）3.1.1.6 效率40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）3.1.1.7 具有过流及短路保护功能3.1.2 稳流电源在输入电压
10、固定为12V的条件下：3.1.2.1 输出电流：420mA可调3.1.2.2 负载调整率1%（输入电压12V、负载电阻由200300变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）3.1.2.3 DC-DC变换器再输入电压912V的情况下：3.1.2.4 输出电压为+100V，输出电流为10mA3.1.2.5 电压调整率1%（输入电压变化范围+9V+12V）3.1.2.6 负载调整率1%（输入电压+12V下，空载到满载）3.1.2.7 纹波电压（峰-峰值）100mV （输入电压+9V下，满载）3.2 发挥部分3.2.1 扩充部分3.2.1.1 排除短路故障后，自动恢复为正常状态3.2.1.2 过热保
11、护3.2.1.3 防止开、关机时产生的“过冲”3.2.2 提高稳压电源的技术指标3.2.2.1 提高电压调整率和负载调整率3.2.2.2 扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值3.2.3 改善DC-DC变换器3.2.3.1 提高效率（在100V、100mA下）3.2.3.2 提高输出电压3.2.4 用数字显示输出电压和输出电流4 设计思路4.1 直流稳定电源总体设思路电源的设计共分了两个模块，一部是电压模块，一部分是电流模块，两个模块之间通过开关进行级联，电压源可以给电流源供电。鉴于CDDC模块情况复杂，自身实力有限无力完成，故不在此讨论。图4.1 直流稳定电源4.2 直流稳定电压实际原理直
12、流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，示意图如图4.2.1所示。图4.2.1 直流稳压电源方框图4.2.1 直流稳压电源设计思路4.2.1.1 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。4.2.1.2 降压后的交流电压，通过整流电路变单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。4.2.1.3 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。4.2.1.4 滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本
13、不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。4.2.2 设计电路图电路图如图4.2.2所示图4.2.2 直流稳压电源模块4.2.3 各部分具体分析4.2.3.1 电源变压电路本次设计中我采用220V15V 、10W的变压器为电路转换获取15V电压。设计电路图如图4.2.3所示。图4.2.3 变压模块4.2.3.2 整流电路单相桥式整流电路如图4.2.4所示，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。单相桥式整流电路的工作原理为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。图4.2.4 整流电路图在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经
14、过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图中实线箭头表示。在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图中虚线箭头所示。综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端
15、相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。电压波形如图4.2.5。图4.2.5 全波整流4.2.3.3 滤波电路 经过整流后得到的脉冲直流纹波还是很大的，所以要经过滤波电路的滤波，滤波电路通常有电容滤波，电感滤波，II型滤波等。由于电感的体积和制作成本等原因，我们多采用电容滤波，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以虑除，一得到较平缓的直流电压。本次采用两个470uF的电容与一个0.1uF的电容并联滤波。理论上，在同一频率下容量大的电容其容小，这样一大一小电容相并联后其容量小的电容C不起作用。但是，由于大容量的电容器存在感抗特性，等效为一个电容与一个电感串联。在高频情况下的阻抗反而大于
16、低频时的阻抗，小电容的容量小，在制造时可以克服电感特性，几乎不存在电感。在大电容 上并联一个小电容 可以补偿其在高频下的不足。当电路的工作频率比较低时，小电容不工作（容抗大相当于开路）。大电容的容量越大滤波效果越好。当电路的工作频率比较高时（输入信号的高频干扰成分），大电容由于感抗大而处于开路状态。这时高频干扰成分通过小电容流到地线，滤除各种高频干扰成分。电路的输出波形如图所示抗小，这样一大一小电容相并联后其容量小的电容不起作用。但是，由于大容量的电容器存在感抗特性，等效为一个电容与一个电感串联。在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗，小电容的容量小，在制造时可以克服电感特性，几乎不存在电感。
17、在大电容上并联一个小电容C2 可以补偿其在高频下的不足。电路如图4.2.6。整流后电压波形如图4.2.7。图4.2.6 电容滤波电路图4.2.7 电容了传播后的波形4.2.3.4 稳压电路由于设计要求输出912V连续可调的电压，因此这里我们采用LM317来设计电路。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317系列稳压块的型号很多：例如LM317HVH、W317L等。电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。 稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电
18、源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。 首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V45V），所以R2/R1的比值范围只能是028.6。 其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流
19、大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时，没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。电路如图4.2.8。图4.2.8 保护电路因此根据LM317三端稳压器的特性，本次设计电路如图4.2.8。 图4.2.8 稳压电路图则Uo=1.251+(R1+R2)/R4，首先选择一个01k的电位器，然后根据上公式可以计算出R2=2.5k,R4=410欧。通
20、过调节电位器R1，即可输出9-12V连续可调的直流电压。4.2.4 直流稳流源电路设计4.2.4.1 输入端输入12V直流电压，要获得可调的直流电流输出4.2.4.2 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。4.2.4.3 使用LM317的基准电压1.25V，iD约为0的特性，用可调电位器提取电流4.2.4.4 输出稳定的直流4.2.4.5 设计电路图电路图如图4.2.9所示图4.2.9 直流稳定电源电路图4.2.4.6 设计分析本设计中直流稳流电源由本实验设计中的电压源供给12V直流电，经过稳压芯片LM317的稳压给AB点之间以一个稳定电压。
21、通过调节电路中电阻的串联大小可以调节电路中11之路输出电流的大小，而由于LM317控制端此时电流Id几乎为零，可以忽略不计，而且由于电阻较大，所以其接进去一定范围内变化的的负载时，电流变化很小从而达到稳流目的。设计要求输出电流420毫伏可调，1.25/(R3+R5)=0.004|1.25/R5=0.020,由此可以计算出两个电阻的阻值，从而输出恒定的电流。4.3 DC-DC模块 带变压器的开关电源。由于使用变压器，可做到输出电压范围宽，开关管占空比合适。 电路如下图4.3.1所示： 图4.3.1 DCDC变换电路Q2作为开关管，Q1,Q3以及R1,R3,R4起稳压作用。Q1,Q3选择2N222
22、2，Q2选择TIP31C，R1选择为1K，R3选择为3.9K，R2选择10K可变电阻，R4选为1.2M。调节R2的电阻可是输出电压大于100V。D1整流，用1N4007。C1滤波，选择一个2200uF的电容。电感则自己买磁环和漆包线绕，在磁环上绕一个20T，一个30T和一个100T的电感构成耦合电感。5 设计步骤5.1 电路图设计5.1.1 确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。5.1.2 系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。5.1.3 参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。5.1.4 总电路图：连接各模块电路
23、。5.2 仿真依据自己设计的电路，用Multisim对电路进行仿真，并观察仿真结果，验证自己是设计，并对错误之处和不足之处进行修改，直至达到设计目的。5.3 电路安装、调试5.3.1 为提高学生的动手能力，学生自行设计电路板布线，并焊接。5.3.2 在每个模块电路的输入端加一信号，测试输出端信号，以验证每个模块能否达到所规定的指标。5.3.3 重点测试稳压电路的稳压系数。5.3.4 将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。6 实验设备与元器件6.1 所需实验设备实验台电烙铁焊锡电脑示波器万用表交流毫伏表6.2 实验所需原件变压器HB86041稳压芯片LM317AH2镇流桥2w10
24、1二极管IN40012滑动变阻器0-5002滑动变阻器0-10002滑动变阻器0-1001电阻2k1电阻5001电阻2002瓷片电容100nF1电解电容1uF1电解电容10uF1电解电容470uF4开关17 实验电路仿真7.1 直流稳定电压源仿真7.1.1 变压部分，如图7.1.1图7.1.1 变压电路7.1.2 整流部分，如图7.1.2图7.1.2 整流电路7.1.3 输出电压7.1.3.1 最小输入电压，如图7.1.3图7.1.3 最小输出电压7.1.3.2 最大输出电压，如图7.1.4图7.1.4 最大输出电压7.2 直流稳定电流源仿真7.2.1 输入情况，如图7.2.1图7.2.1 恒
25、流源输入7.2.2 输出情况7.2.2.1 最大输出电流，如图7.2.2图7.2.2 最大输出电流7.2.2.2 最小输出电流，如图7.2.3图7.2.3 最小输出电流7.2.2.3 负载调整率检测，如图7.2.4R=300欧时R=200欧时图7.2.4 负载调整率8 实物制作8.1 电路板正面，如图8.1.1图8.1.1 实物正面8.2 电路板背面，如图8.1.2图8.1.2 实物背面8.3 变压器，如图8.1.3图8.1.3 变压器9 实验数据测量(1).测试并记录电路中各环节的输出波形。(2).测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。(3).测量输出电阻Ro。(4).测量稳压系数，
26、用改变输入交流电压的方法，模拟Ui的变化，测出对应的输出直流电压的变化，则可算出稳压系数SV. （注意： 用调压器使220V交流改变10。即Ui=44V） (5).用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察、记录其波形。(6).分析测量结果，并讨论提出改进意见。10 实物实验数据分析处理10.1 直流稳压电源部分本次焊接的直流稳压电源输出电压8.9012.03V可调，纹波电压为0.31.2mV, 电压调整率=0, (Sv= Uo/UoUi/Ui)公式1，符合设计要求。10.2 直流稳流电路部分本次焊接的直流稳流电源输出电流4.0520.2mV可调，负载为200欧时，输出最小
27、电流为4.05mA,最大输出电流为20.2mA，负载为300欧时，输出最小电流为4.05mA，最大输出电流为20.2mA，负载调整率为0%。（输入电压12V、负载电阻由200300变化时，输出电流为20mA时的相对变化率），符合设计要求。11 注意事项与电路误差分析11.1 注意事项11.1.1 焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于调试。11.1.2 测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。11.1.3 按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。11.2 误差分析综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:11.2.1 测得输出电流时
28、接触点之间的微小电阻造成的误差; 11.2.2 电流表内阻串入回路造成的误差;11.2.3 测得纹波电压时示波器造成的误差;11.2.4 示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差;11.3 改进电路11.3.1 减小接触点的微小电阻;11.3.2 根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正;11.3.3 测得纹波时示波器采用手动同步;11.3.4 采用更高精确度的仪器去检测。12 设计报告(1).设计目的。(2).设计指标。(3).总体设计框图，并说明每个模块所实现的功能。(4).功能模块，可有多个方案，并进行方案论证与比较，要有详细的原理说明。(5).总电路图设计，有原理说明。(6).实现仪
29、器，工具。(7).分析测量结果，并讨论提出改进意见。(8).总结：遇到的问题和解决办法、体会、意见、建议等。13 综合分析与感悟本次设计，完成了仿真，做出了实物，从实物与仿真的结果来分析，设计的电路基本达到了课程设计的目标与要求，虽然部分指标未能完成，总体来说设计还是比较成功的。通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题，从而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获. 参考文献1 吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社. 2009.5.2 刘岚.电路分析基础.高等教育出版社.2010.13 邱关源.电路.高等教育出版社.2006.54 谢自美.电子线路设计.实验.测试（第二版）.华中科技大学出版社.2003.5 童诗白.模拟电子技术基础.高等教育出版社.1992.本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级 课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日30