直流稳压电源设计实验报告

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：2013211171指导教师：刘岩完成日期：2018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。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、设计要求………………………………………………………………………1二、原理分析与设计步骤1.直流稳压电路结构的选择…………………………………………………12.交流变压器…………………………………………………………………23.整流电路……………………………………………………………………24.滤波电路……………………………………………………………………25.集成稳压电路5.1集成稳压器件LM317…………………………………………………35.2LM317典型接法………………………………………………………46.参数计算与器件选择………………………………………………………46.1电路参数计算…………………………………………………………46.2元器件清单……………………………………………………………5三、实验步骤与测试结果1.电路搭接与仪器调试………………………………………………………62.性能参数测试2.1稳压系数的测量……………………………………………………62.2输出电阻的测量……………………………………………………62.3纹波电压的测量……………………………………………………72.4测量结果分析………………………………………………………7四、实验小结………………………………………………………………………71一、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2.1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结构如图2-2所示图2-1图2-22.1.1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。2.1.2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。2图2-3整流原理如下：2.1.3滤波电路本实验采用电容滤波电路，如图4.1所示。电容滤波电路充电时间常数drC（dr为二极管正向导通电阻）很小而放电时间常数LRC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oU与时间常数LRC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(5~10)LRCT（T为交流电源电压周期）；非纯电阻负载时，一般取oU输出电压平均值oI输出电流平均值0DI二极管电流平均值DI二极管电流有效值2I变压器副边电流有效值DRMU二极管最大反向电压0020221()12sin()220.9oUudtUtdtUU002/0.9/LLIURUR0012DII01.57DDII2021.57DII22DRMUU(3~5)2LTRC。3图2-42.2集成稳压电路2.2.1LM317LM317是一款可调节三端稳压器，在输出电压范围为1.25V到25V时能够提供最大1.5A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5.1.1。图2-2-1图2-5管脚1.调整端Adjust2.输出端Vout3.输入端Vin42.2.2LM317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1.25V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：221(1)outrefadjRVVIRR其中adjI为调整端电流，不大于100A。调节电位器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；10.1CF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；210CF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3.040inoutVVVV（见LM317中文技术手册），本实验规定5.0outVV，因此有845inVVV。选择8.0inVV，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，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8.0inVV。52.3参数计算与器件选择2.3.1电路参数计算图3-1（1）稳压器件选择LM317，稳压输出5.0V；（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310CF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20.1CF。由于电解电容高频特性差，C3使用无极性小容量电容。（4）滤波电容C1滤波负载不是纯电阻时，一般有取10LR时，计算得31(3~5)10CF，结合实际情况，取12200CF。（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1(5~10)RImA，则11(125~250)refRVRI，选取1200R21(1)5ooutrefRuVVVR得2600R。根据实际情况选取满量程为10k的电位器。最大输出电流等于0.6A时，即max10.6outoutoutLLVVIARRR时，8.3LR。由于调整端电流很小，故输入输出电流基本相等，即1(3~5)2LTRC。64max0.6inoutIIIA。根据电容滤波及桥式整流电路的特点，得到44221.26.671.2UUUUV340.6IIA二极管电流平均值和有效值分别为030.50.25DIIA，31.250.625DIIA变压器副边电流有效值220.88DIIA，故副边功率225.87PUIW；整流二极管承受的最大反向电压229.43DRMUUV根据以上计算，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。2.3.2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3.2所示。表3.2项目型号数目二极管5电位器10k量程1电阻2001电容0.1uF、10uF、2200uF各一个变压器220:141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27三、实验步骤与测试结果3.1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。3.1.1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，定义为输出电压的相对变化与输入电压的相对变化的比值，即/100%/ooiiVVSVV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/V2205.0261985.0252205.026稳压系数3(5.0265.025)/5.025100%1.99100.0020.1S3.1.2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/mA5.01296.94.967349.8稳压源输出电阻35.0124.9670.18(349.896.9)10oooVRI83.1.3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。测量结果：8.0ppVmV3.2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5.0V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。9四、电路板装配及要求4.1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、代号和文字等。（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。4.2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。10四、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