直流稳压电源设计论文(G12101崔明宇)

1毕业设计(论文)题目：直流稳压电源设计系部：电子工程系专业：光电子技术学生姓名：崔明宇班级：G12101学号：3指导教师：翁基明题目类型：理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件发2016年4月1日目录摘要…………………………………………………………3第一章设计内容及要求………………………………………31.1设计目的………………………………………………31.2设计任务………………………………………………31.3设计要求………………………………………………32第二章设计方法与步骤…………………………………………42.1设计方法……………………………………………………42.2设计步骤……………………………………………………4第三章电路的设计……………………………………………53.1电源变压器……………………………………………53.2整流电路………………………………………………53.3滤波电路………………………………………………63.4稳压电路………………………………………………93.5总电路图和元件清单……………………………………113.6电源的参数测试与分析……………………………………12第四章制作与调试……………………………………………134.1安装与检查………………………………………………134.2稳压电源各项性能指标的测试…………………………14第五章结论和心得……………………………………………15参考文献…………………………………………………………163摘要本文主要采用变压器、整流、滤波、稳压的流程思路将输入220V交流电转换成电压5V的直流电源。其中，稳压电路采用三端固定稳压器LM317达到稳压效果，因此系统可根据实际需要对其设计进行适当的修改。本系统设计方便简单、易学易改、成本低廉、功能实用。关键词：变压；整流；滤波；稳压第一章：设计内容及要求1.1设计目的1、学习小功率直流稳压电源的设计与调试方法。2、掌握小功率直流稳压电源有关参数的测试方法。3、通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：(1)选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源；(2)掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。(3)通过电路的设计可以加深对该课程知识的理解以及对知识的综合4运用。1.2设计内容主要技术指标要求：1.输出电压UO=3~12V连续可调；2.输出电流Imax=1.2A；3.纹波电压的有效值ΔUO≤5mV；4．稳压系数Sv≤3×10-2；5．电压调整率Ku≤3%；6.电流调整率Ki≤1%；1.3设计要求(1)电源变压器只做理论设计；(2)合理选择集成稳压器；(3)完成全电路理论设计、计算机辅助分析与仿真、安装调试、绘制电路图，自制印刷板；(4)撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。第二章：设计方法与步骤2.1设计方法单元电路设计、印制板设计、电路的组装与调试。2.2设计步骤（1）功能和性能指标分析：对题目的各项要求进行分析，整理出系统和具体电路设计所需的更具体、更详细的功能要求和技术性指标数据，以求得设计的原始依据。5（2）选择元器件：很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，选择合理的元件参数，且应降低成本，减少器件品种，减少元器件的功耗和体积。（3）画出总体电路图，要求按相关规定，布局合理，图面清晰，便于对图的理解和阅读，为印制电路板，并组装、调试和维修时做好准备。（4）按总电路图安装电路，调试并改进。第三章：电路的设计3.1电源变压器过整流电路将交流变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流压含有较的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。电源变压器的作用是将交流220V的电压变为所需的电压值，然后通过的电压还随电网电压波动、负载何温度的变化而变化。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、负载何温度变化时，维持输出直流电压稳定。3.2整流电路利用二极管的单向导电性，将交流电压（电流）变成单向脉动电压（电流）的电路，称为整流电路。交流电分为三相交流电和单相交流电，在小功率电路中一般采用单相半波、全波、桥式整流电路和倍压整流电路。本节主要研究单相桥式整流电路，对于倍压整流电路及全波整流电路，可通过相应参考书来了解。6为简化分析，假定二极管是理想器件，即当二极管承受正向电压时，将其作为短路处理；当承受反向电压时，将其作为开路处理。单相桥式整流电路为了保留全波整流电路效率高、脉动系数小的优点而克服其反向电压高的缺点，若使二极管承受的反向电压和半波电路一样，比全波整流电路减少一半，使二极管成本下降，可在此基础上多用几只二极管，如图3.1所示电路就基本解决了上述问题。图3.1单相桥式整流电路1）电路组成及工作原理桥式整流电路由四只二极管组成的一个电桥，电桥的两组相对节点分别接变压器二次绕组和负载。这种电路有三种画法，如图所示。在工作时，D1、D2与D3、D4两两轮流导通。在u2正半周，二极管D1和D2正向导通，而D3、D4反向截止，形成负载电流i0，i0流通路径为：a→D1→RL→D2→b→a，u0=u2；在u2的负半周，二极管D3和D4正向导通，而D1、D2反向截止，形成负载电流i0，i0流通路径为：b→D3→RL→D4→a→b，u0=－u2。由此可见，不论哪两只二极管导通，负载电流的方向都始终保持不变。电路各处电压、电流波形如图3.2所示。2）输出电流电压U0=3~12V7由桥式整流电路的波形可知，其输出电压及流过二极管的电流与全波整流的波形相同：U0=0.9U2U2=2.7V~3.8V3）整流二极管的选择由桥式整流电路的波形可知，每只二极管截止时所承受的反向电压为变压器副边电压峰值，因此，各二极管所承受的最大反向电压为URM=2U2URM=3.8V~5.37V虽然是全波整流，由于二极管仍然是只有半个周期导通。此值与半波整流电路相同，负载上的电流是这个数值的2倍。ID=I0/2ID=0.6A图3.2单相桥式整流电路的波形图3.3滤波电路经过整流后，输出电压在正负方向上没有变化，但输出电压波8形仍然保持正弦波的形状，起伏很大。为了能够得到平滑的直流电压波形，需要有滤波的措施。在直流电源上多是利用电抗元件对交流信号的电抗性质，将电容器或电感器与负载电阻恰当连接而构成滤波电路。电容有通高频、阻低频的作用，将其直接并在整流电路后面，可以让高频电流通过电容流回电源，从而减少了流入负载的高频电流，降低了负载电压的高频成分，减小了脉动。下面讨论电容滤波电路的工作原理，为讨论问题的方便，我们以半波整流电容滤波电路为例进行分析，电路如图3.3所示。图3.3单向半波整流电容滤波电路及其波形图（1）工作原理：设u2波形如图3.3（b）所示，未接电容时，输出电压如图3.3（b）中的虚线所示。在u2正半周，设u2由零上升，二极管D导通，9u0=u2，此时电源对电容充电，由于充电时间常数很小，电容充电很快，所以电容上升的速度完全跟得上电源电压的上升速度，uC=u2。当u2上升到峰值时，电容充电达到1.4U2，二极管D截止，随后u2下降，电容C向负载RL放电，放电时间常数为RLC，其值较大，所以电容电压下降的速度比u2下降到速度慢得多，此时负载电压靠电容C的放电电流来维持，u0=uC。当电容放电到b点时，uC＜u2，二极管D又导通，电容又被充电。充电至1.4U2后，又放电。如此重复进行，就得到输出电压的波形如图3.3（b）中实线所示。由图可见，经电容滤波后，负载电压变得平稳，且平均值提高了。桥式整流电容滤波电路的原理与半波时相同，其电路和波形如图3.4所示。图3.4单相桥式整流电容滤波电路及其波形图（2）输出直流电压：10在有滤波电容的整流电路中，要对其输出直流电压进行准确的计算是很困难的，工程上一般按下列经验公式进行估算。当电容的容量足够大，满足RLC≥（3－5）T/2（T为电网电压的周期）时，对于半波整流电容滤波：U0≈U2=2.7V~3.8V对于全波或桥式整流电容滤波：U0＝1.2U2＝3.24V~4.56V（3）滤波电容的选择：为了得到比较好的滤波效果，在实际工作中常根据下式选择滤波电容的容量。对于半波整流：RLC≥（3－5）T对于全波或桥式整流：RLC≥（3－5）T/2由于电容值比较大，约为几十至几千微法，一般选用电解电容，接入电路时，注意极性不要接反，电容器的耐压值应大于1.4U2。（4）整流二极管的选择：对于半波整流滤波电路：ID=I0，URM=1.4U2对于全波或桥式整流电容滤波电路：ID=I0/2，桥式整流URM=2U2，全波整流URM=2.8U2由图3.3、图3.4可见，加上电容滤波，流过整流管的电流变成脉冲电流，由于电源接通的瞬间，电容相当于短路，有一个很大的冲击电流流过二极管，其瞬间值可以是正常工作时的好几倍，故在选择整流管最大允许的正向平均电流时，应留有充分的裕量，一般选IF=（2～3）ID。(5)纹波的测试和连接方式：纹波就是直流电源中的交流成分，用示波器，调成交流输入就可以看到了，但纹波一般都很小，所以示波器的量程要打到20mV左右，还要注意测量时线不能拉太长，这容易受干扰。113.4稳压电路集成三端稳压器具有体积小，外围元件少，调整简单，使用方便且性能好，稳定性高，价格便宜等优点，因而获得越来越广泛的应用。常见的有固定式和可调式两类集成三端稳压器，内部多以串联型稳压电源为主，还有适当的过流、过热等保护电路。一般固定式较便宜，可调式较贵，性能也好些，功率相对也较大。故本次设计采用LM317是可调节3端正电压稳压器图3.5是外形图和电路符号。在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。图3.5固定式集成三端稳压器外形及电路符号12图3.6LM317示例图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＝1.25V—37V（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＝1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。经计算可知R1的最大取值为R1≈0.83KΩ。又因为R2/R1的最大值为28.6。所以R2的最大取值为R2≈23.74KΩ。在使用317稳压块的输出电压计算公式计算其输出电压时，必须保证R1≤0.83KΩ，R2≤23.74KΩ两个不等式同时成立，才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。测量稳压系数：用数字万用表测量稳压系数，测出来的稳压系数误差就很小，在负载电流为最大时，分别测得输入交流比220V增大和减小10％的输出。3.5总电路图和元件清单（1）总电路图总电路图13（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1N4001VURM50，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1uF/25V114容C7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~37V13.6电源的参数测试与分析输出电压与最大输出电流的测试：测试电路如右图所示。一般情自耦变压器Io电流表况下，稳压器正常工作时，其输出被测I电流oI要小于最大输出电流maxoI，~220V稳压UoV电压表RL取AI6.00，可算出RL=20Ω，电路工作时LR上消耗的功率为：WIUPooL3.67.09故LR取额定功率为10W，阻值为稳压电源性能指标的15测试电路20Ω的电位器。测试时，先使20LR，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LR，直到Uo的值下降5%，此时流经LR的电流就是maxoI，记下