直流稳压电源电路的设计实验报告

直流稳压电源电路的设计实验报告一、实验目的1、了解直流稳压电源的工作原理。2、设计直流稳压电路，要求输入电压：220V市电，50Hz，用单变压器设计并制作能够输出一组固定+15V输出直流电压和一组+1.2V~+12V连续可调的直流稳压电源电路，两组输出电流分别IO≥500mA。3、了解掌握Proteus软件的基本操作与应用。二、实验线路及原理1、实验原理（1）直流稳压电源直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的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：图2-1直流稳压电源的原理框图和波形变换其中：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，变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。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。滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。4）稳压电路：其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。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。（2）整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2-2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2-3所示。t023422Ut0234ou22U整流二极管采用1N4007，具有正向导通电压降低，导通电流高，泄露电流低，过载电流高，成本低等优点，其基本参数如下图所示，有黑色线圈一端表示负极。图2-41N4007基本参数（3）滤波电路经过整流后的直流电幅值变化很大，会影响电路的工作性能。可利用电容的“通交流，隔直流”的特性，在电路中并入两个并联电容作为电容滤波器，滤去其中的交流成分。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并联，以达到使输出波形基本平滑的目的。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）（U2变压器副边电压的有效值，I2是变压器副边电流的有效值。）（4）稳压电路集成串联型稳压电路有三个引脚，分别为输入端，输出端和公共端，因而称为三端稳压器。按功能可分为固定式稳压电路和可调式稳压电路；前者的输出电压不能进行调节，为固定值；后者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围，便于实时控制。本设计实现输出固定+15V输出直流电压时采用集成三端稳压7815。X78XX系列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为T0-220。它有一系列的固定电压输出，应用广泛。每种类型由于内部电流的限制以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本不会损坏。7815可输出+15V电压。其参数及引脚如下所示。图2-57815参数图2-67815引脚图7815标准应用如下图所示：图2-77815标准应用本设计实现输出+1.2V~+12V可调电压时采用可调式三端稳压器LM317。LM317可调式三端稳压器在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，有三个引出端，分别为输入端、输出端和电压调整端(简称调整端)。调整端是基准电压电路的公共端，其典型值为1.25V。LM317可调式三端稳压依靠外接电阻来调节输出电压的，为保证输出电压的精度和稳定性，要选择精度高的电阻，同时电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线上产生误差电压。LM317引脚图如下图所示。图2-8LM317引脚图LM317标准应用如下图所示。电路中的R1、R2组成可调输出的电阻网络。为了能使电路中的偏置电流和调整管的漏电流被吸收，所以设定R1为120~240欧姆。通过R1泻放的电流为5~10mA。图2-9LM317标准应用（5）单相变压器变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离。2．实验线路下图为+15V固定稳压电源的线路图。采用三端式稳压器7815构成单电源电压输出串联型稳压电源，220V的市电经变压器变压后变成电压值较小的交流，再经桥式整流电路和滤波电路形成直流。滤波电容C1一般选取几百～几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C2（数值为0.33μF），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C3(0.1μF)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。图2-10+15V稳压电源线路图下图为+1.2~+12V可调稳压电源的线路图。输入电容器C1用于抑制纹波电压，输出电容器C2用于消震，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定，调节滑动变阻器的阻值即可得到相应的电压。图2-11+1.2~+12V可调稳压电源线路图三、实验内容及步骤1、根据搭接的仿真原理图领取相应的电阻电容等元器件，根据原理图以及芯片引脚图布置电路结构，同时注意走线平整、美观。2、开始焊接电路，按照布局好的电路焊接。焊接时需要注意（1）电解电容的极性不能接反，否则要爆炸。（2）凡电路板上要流过较大电流的连线，都要换上线径稍粗的导线。由于实验室提供变压器（二次侧2*15V）和假负载（0～50Ω/2A的可调电阻RW和防止调节不慎而限流保护的电阻R），接线图如下所示。15V～15V～123+15可调电压1’2’3’456AVRWRM1M2220V～图3-1接线图在电路板上分别焊接大电流三针接线座子，1′、2′、3′和4、5、6。在1′-2′间焊接整流桥，3′悬空，以便与变压器二次侧的一组15V引出线相连。3、焊接完成后，使用万用表测试焊点是否牢固，防止虚焊。将万用表调至蜂鸣档，用两个探针接触整流桥正端引脚与1000uF电容正端，发出蜂鸣声说明焊点牢固，其余焊点之间也同样测试。测试完成后连接电路，验证效果，连接好的电路如下图所示。图3-2焊接好的电路4、焊接完毕后开始测试并记录实验数据。（1）首先测试输出电路能否实现相应功能。将变压器接到大电流三针接线座子1′、2′、3′上，测+15V输出（4）与参考地（5）的电压是否为一固定输出15V。测可调电压（6）与参考地（5）的电压能否按要求可调？（2）测试输出电流是否≥500mA。将变压器接到大电流三针接线座子1′、2′、3′上，将+15V输出（4）与一可变电阻相连，并串联一电流表，电流表负端接参考地（5），测量电流能否输出0～0.5A。同样方法测试+1.2V~+12V连续可调的直流稳压电源电路。四、仿真运用protues软件对其进行系统仿真，仿真原理图如下图所示：图4-1直流稳压电源仿真图1、固定+15V输出直流稳压电源仿真图中上部分为固定+15V输出直流稳压电源。输入为220V，50Hz市电，经变压器降压为AC24V，如下图所示。图4-2220V市电降压为24V变压器参数设置如下图所示。图4-3变压器参数设置降压后24V电压经过桥式整流后变为直流电压，如下图所示：图4-4桥式整流最后经过滤波电容C1、C2、C3和稳压器7815输出15V的直流电压，如下图所示：图4-5输出15V直流电压使用示波器观测整体波形，A观测220V市电（黄色），B观测降压后的波形（蓝色），C观测整流后的波形（红色），D观测输出的直流电压（绿色），如下图所示。图4-6整体波形观测2、+1.2V~+12V连续可调的直流稳压电源仿真图中下半部分为+1.2V~+12V连续可调的直流稳压电源。采用LM317可调稳压器，D5、D6起保护稳压器的作用。当可调电阻短路时，输出电压为1.26V，如下图所示：图4-7可调电阻短路时，输出直流电压当可调电阻的86%接入电路时，输出电压为12.1V，如下图所示：图4-8可调电阻的86%接入电路时，输出直流电压五、实验设备实验时所用的仪器设备如下表所示。表5-1实验设备序号设备数量1变压器（二次侧2*15V）12假负载（0～50Ω/2A的可调电阻RW和防止调节不慎而限流保护的电阻R）13数字万用表24镊子15剪刀16导线若干7洞洞板18电烙铁19焊锡丝若干10一字起1六、元器件清单表6-1元器件清单序号元器件数量1三端稳压器781512三端稳压器LM31713整流桥141000uF电容150.33uF电容3610uF电容17散热片282k可调电阻19120欧电阻110大电流三针接线座子2七、实验数据及分析1、仿真数据记录分析（1）+15V固定直流稳压电源电路可实现输出+15V固定电压的功能。（2）+1.2V~+12V连续可调的直流稳压电源电路数据记录表7-1仿真数据记录序号滑动变阻器阻值（k）理论计算值（V）仿真数据(V)101.251.2620.355.0330.57.57.5540.71010.150.861212.1分析仿真数据与理论数据误差极小，可以验证仿真结果的正确性。2、实验数据记录及分析（1）+15V固定直流稳压电源电路空载时输出电压为15.190V。接可调负载，输出电流为0.5A时，输出电压为14.952V。（2）+1.2V~+12V连续可调的直流稳压电源电路空载时输出电压最小为1.233V，输出电压可达到12V。接可调负载输出12V电压，当输出电流为0.499A时，测得实际输出电压为11.866V。输出1.2V电压，当输出电流为0.587A时，测得实际输出电压为1.225V。