模电 直流稳压电源的设计(23页).doc

-课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 直流稳定电源 初始条件：LM317 OP07CP 三极管 稳压管 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）一、设计任务设计并制作交流变换为直流的稳定电源。二、要求（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：a输出电压可调范围为+9V+12Vb最大输出电流为1.5Ac电压调整率0.2%（输入电压220V变化范围15%20%下，空载到满载）d负载调整率1%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）5mV（最低输入电压下，满载）f效率40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）g具有过流及短路保护功能（2）稳流电源 在输入电压固定为12V的条件下：a输出电流：420mA可调b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）DC-DC变换器 在输入电压为+9V+12V条件下：a输出电压为+100V，输出电流为10mAb电压调整率1%（输入电压变化范围+9V+12V）c负载调整率1%（输入电压+12V下，空载到满载）d纹波电压（峰-峰值）100mV （输入电压+9V下，满载）三、发挥部分（1）扩充功能a排除短路故障后，自动恢复为正常状态b过热保护c防止开、关机时产生的“过冲”（2）提高稳压电源的技术指标a提高电压调整率和负载调整率b扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值（3）改善DC-DC变换器a提高效率（在100V、100mA下）b提高输出电压（4）用数字显示输出电压和输出电流时间安排： 第18周：理论讲解，电路设计，实物焊接及测试；第19周：答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1.绪论41.1实验设计目的与意义41.2实验要求41.2.1.设计任务41.2.2.实验设计要求42. 方案设计52.1稳压电源的方案设计52.1.1直流稳压电源组成及工作原理52.1.2直流稳压电源的方案设计72.2稳流电源的方案设计92.3.DC-DC变换器的方案设计102.4整体电路图123. 仿真与调试123.1稳压电源部分123.1.1输出电压的调试123.2稳流电源部分143.2.1输出电流的调试143.3DC-DC转换器的调试154. 数据分析154.1稳压电路测试结果154.2稳流电路测试结果164.3整体分析165. 总结与体会166. 实物制作177. 元件清单198. 参考文献191.绪论1.1实验设计目的与意义从这学期开始，我们学习了模拟电子技术基础这一门课程，虽然也安排了相应的实验课程，但绝大多数的同学们依旧停留在理论知识上，并不能将理论运用于实践，所以这次模拟电子技术基础设计课程为我们提供了一个很好的机会，让我们能自己设计并亲自动手完成电子设计，能基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高自身设计能力和实验技能，为将来毕业走向社会工作打下坚实的基础。1.2实验要求1.2.1.设计任务设计并制作交流变换为直流的稳定电源。1.2.2.实验设计要求（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：a输出电压可调范围为+9V+12Vb最大输出电流为1.5Ac电压调整率0.2%（输入电压220V变化范围15%20%下，空载到满载）d负载调整率1%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）5mV（最低输入电压下，满载）f效率40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）g具有过流及短路保护功能（2）稳流电源 在输入电压固定为12V的条件下：a输出电流：420mA可调b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）DC-DC变换器 在输入电压为+9V+12V条件下：a输出电压为+100V，输出电流为10mAb电压调整率1%（输入电压变化范围+9V+12V）c负载调整率1%（输入电压+12V下，空载到满载）d纹波电压（峰-峰值）100mV （输入电压+9V下，满载）1.2.3.发挥部分（1）扩充功能a排除短路故障后，自动恢复为正常状态b过热保护c防止开、关机时产生的“过冲”（2）提高稳压电源的技术指标a提高电压调整率和负载调整率b扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值（3）改善DC-DC变换器a提高效率（在100V、100mA下）b提高输出电压（4）用数字显示输出电压和输出电流2. 方案设计2.1稳压电源的方案设计2.1.1直流稳压电源组成及工作原理1. 直流稳压电源几乎是所有电子设备不可缺少的。它由变压器、整流器、滤波器和稳压器四个部分组成。如图1所示： 图12. 直流稳压电源各部分的工作原理。（1） 变压器：将电网220V电压变成我们所需要的电压。（2） 整流器：利用二极管的单向导电性，把交流电压变为脉动直流电压，一般采用桥式电路，工作原理如如2所示，波形变化如图3、图4所示： 图2 图3 输入波形 图4 输出波形（3） 滤波器：滤波电路利用电抗性元件对交流、直流阻抗的不同来实现滤波，常用的有电容滤波。可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，使输出电压更加平滑。如图5所示： 图5 滤波后的波形（4）稳压器：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。2.1.2直流稳压电源的方案设计方案一：三端稳压器LM317作基准电压源构成稳压电路，可输出连续可调的正电压，可调范围为1.237V，最大输出电流为1.5A，满足设计需要。并且稳压内部含有过流、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。电路如图6所示： 图6方案二：可调串联型反馈式稳压电源。电路如图7所示： 图7它经过滤波后的部分由基准电压、比较放大器、调整管、取样电路最后加上限流式保护组成。由运放构成深度度负反馈电路，通过调节负反馈电阻的大小来调节输出电压，这里调节R3即可实现+9+12V输出。限流式保护电路，当发生短路或过流时，调整管的电流超过额定值，限流式保护电路通过电路中的取样电阻的反馈作用，起到使调整管基极电流分流的作用，从而达到限制输出电流的目的。电路的稳压过程：当输入电压Vi增加，或负载电阻RL增大时，都使得Vo增加，于是Vf减小，Vo1减小，管压降Vce增加，使VO基本保持不变。当输入电压Vi减小，或负载电阻RL减小时，使得Vo减小，于是Vf减小，VO1增加，管压降Vce减小，使Vo基本保持不变。参数确定：该反馈放大器属于电压串联负反馈，调整管的电路组态属于射极跟随器；如果运算放大器为理想的条件下，输出电压计算如下：Vo1=Av(VREF FVO)VOVO= VREF 由于理想运算放大器其开环增益无穷大，故反馈深度 >>1，有 Vo=VREF F= Vo=VREF=VZ 从上式可以看出，在基准电压VZ确定后，改变可调电位器R2滑动触点的位置，就能改变输出电压Vo的大小。显然，当R2的滑动头移至下端时，=0,还可看出，Vo最大，即： Vomax=Vz同理，R2的滑动头移至上端时，Vo最小，及： Vomin= Vz所以 Vz<Vo< Vz为了提高电源的稳压效果，首先是提高放大电路的增益；其次，应提高取样系数n，减小信号电压的损失；第三，基准电压要稳定，否则也会造成 Vo的不稳定，而且基准电压的不稳定是不能由稳压电路的调整过程进行补偿的。调整管的调整作用是依靠输出电压和给定电压之间的偏差来实现的，必须有偏差才能调整。如果绝对不变，调整管的电路参数也绝对不变，那么电路也就不能起着调整作用了，所以不可能达到绝对稳定，只能基本稳定。因此串联负反馈型稳压电路是一个闭环有差的调整系统。稳压系数Sr为： Sr=可以看出，稳压系数Sr的大小主要决定于取样比n和比较放大器的电压增益Av，n和Av越大，Sr值越小，电源的稳定程度越高。最后决定选择方案二因为其稳压性能较好，适合小电流，调节范围宽广。仿真电路如图8所示： 图8 2.2稳流电源的方案设计方案一：用12V供电，依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点，用R6与R7的阻值控制输出电流的大小，达到输出稳定可调电流的目的。如图9所示： 图92.3 DC-DC变换器的方案设计方案一：采用UC3843芯片集成电路，精度高，但是点路过于复杂，元件多所以不易制作。如图10所示： 图10方案二：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。如图11所示： 图11方案三：采用Boost型DC-DC升压器。这种电路结构简单，容易实现，但输入输出电压比太大，占空比大，输出电压范围小，难以达到较高的指标。如图12所示： 图12最终确定采用方案二，因为方案一电路太过复杂，使用元器件太多，方案三又难以达到较高的指标。2.4整体电路图 图133.仿真与调试3.1稳压电源部分3.1.1输出电压的调试1. 最小输出电压为8.816V满足要求。 图142. 中间可调。 图153. 最大电压输出13.34V满足要求。 图163.1.2纹波电压的调试,从图中可以看出纹波电压显示247.391uv，远小于5mv，满足要求。 图173.2稳流电源部分3.2.1输出电流的调试1. 最小输出电流，仿真的最小输出电流为3.117mA，小于4mA满足要求。 图182. 中间可调。 图193. 最大输出电流为20.045mA大于20mA，满足要求。 图203.3DC-DC转换器的调试1. 输入电压为9V时输出电压为105.327V满足要求。 图214. 数据分析4.1稳压电路测试结果在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：1. 输出电压为8.816-12.341V，满足要求912V可调。2. 纹波电压为247.391uV。4.2稳流电路测试结果稳流电源 在输入电压固定为12V的条件下：1. 输出电流为3.117-20.045mA可调。4.3整体分析这次的设计由测试数据可以看出基本成功，稳压电源、稳流电源和DC-DC转换器各个部分的调试结果都和要求相差不大，但是仍然存在一些偏差，这是由于元件本身参数的误差，设计方案也还有待改进的地方。5. 总结与体会在这次模电课设当中，遇到了很多的困难。首先是欠缺理论知识，其次是对仿真软件的不熟悉，最后是在实物制作上缺乏技巧。刚开始的时候真的觉得摸不着头脑，不知道该怎么办，很多原理不清楚，后来经过多方查阅资料和同学们的帮助，才有了思路，设计了几种方案。但是仿真的时候也由于对仿真软件的不熟悉，仿真了很多次也没仿真出正确的结果，摸索了很久才慢慢熟悉，经过多次的修改最终调试出了正确的结果。最后的难题就是实物的制作，在DC-DC转换器里用的线圈要自己手工绕制而成，这对我们来说真的是一个很大的挑战，因为对绕制线圈完全没有经验。花费了较多的时间，最后终于完成了整个课程设计。虽然比较艰难，但在这个过程也学到了很多的东西，学会了如何将理论运用到实践，学会如何设计电子电路并焊接成实物，对仿真软件也更加的熟悉，对将来的学习会有很大的帮助。同时此次课程设计也让我发现了许多学习中的问题，今后，将更加努力学习，弥补漏洞，进一步提高自己。6. 实物制作 图22 图237. 元件清单元件数量OP07P11B4B42(6.2V稳压管)1固定电阻 1K欧1固定电阻 1.5K欧2固定电阻 100欧1固定电阻 900欧1固定电阻 92欧1固定电阻 8.7K欧1固定电阻 4.7K欧1固定电阻 1.5K欧1固定电阻680K欧1可变电阻500欧1可变电阻1K欧1电解电容470uF1电解电容1uF12N22224TIP31C1稳压管1N47351二极管1N400718. 参考文献1谢自美.电子线路设计·实验·测试第三版.华中科技大学出版社，2005 2陈永珍. 全国大学生电子设计竞赛试题精解选.电子工业出版社，20073康华光.电子技术基础-模拟部分第五版.高等教育出版社，20064孙梅生.电子技术基础课程设计.高等教育出版社，20055王卫东，江晓安.模拟电子电路基础.西安电子科技大学出版社，20036吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社，2009-第 23 页-