模电课程设计.docx
《模电课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模电课程设计.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
模电课程设计
模拟电路课程设计报告
设计课题：
集成直流稳压电源的设计
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
设计时间：
集成直流稳压电源
一、设计任务与要求
1、设计要求
（1）输出电压可调：
Uo=+3V~+9V
（2）最大输出电流：
Iomax=80mA
（3）输出电压变化量：
△Uop-p≤5mV
（4）稳压系数：
Sv≤3×10-3
2、设计任务
（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）掌握直流稳压电源的调试及主要技术指标的测试方法。
3．通过集成直流稳压电源的设计，要求学会：
（1）电源变压器只做选择性设计；
（2）合理选择集成稳压器；
（3）完成全电路理论设计、绘制电路图；
（4）撰写设计报告。
二、方案设计与论证
小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，首先变压器输入为220V交流电压,输出为12V交流电压,然后整流滤波用整流二极管4个组成单相桥式整流电路,最后经滤波电容滤除纹波,实现输出直流电压在3～9Ｖ可调。
方案一
方案二
方案三
整流方式
性能
半波整流
全波整流
桥式整流
输出电压平均值
0.45U2
0.9U2
0.9U2
整流管承受的反向电压URM
U2
2
U2
U2
流过整流管的平均电流IF
0.45U2/RL
0.45U2/RL
0.45U2/RL
负载上的平均电流Io
0.45U2/RL
0.9U2/RL
0.9U2/RL
特点
电路简单，输出电压的脉动性大
负载能力好，变压器有中心抽头
负载能力较强，需用四只整流管
分析
半波整流电路具有结构简单的优点，但它输出电压的脉动性大，直流成分比较低，而且这种电路交流电压只有半个周期可以利用，输出功率小，只适用于高电压小电流的场合
全波整流比半波整流的效率高，它输出电压的脉动性小，但全波整流电路要求电源变压器有两个二次侧绕组，这样既增大了体积又增加了重量；另外，二极管所承受的最大反向峰值电压是半波整流的二倍
桥式整流电路输出电压脉动小，正负半周均有电流流过，电源利用率高，输出的直流电压比较高，所以桥式整流电路中变压器的效率较高，在同等功率容量条件下，体积可以小一些，其总体性能优于半波整流电路和全波整流电路
通过上述三个方案的分析与比较，可以看出，桥式整流电路不仅保留了半波整流电路和全波整流电路的全部优点，而且克服了它们的缺点，所以决定选择方案三。
三、单元电路设计与参数计算
总原理图
3—1变压器：
将220V的交流电变成合适的交流电以后再进行交、直流转换。
根据稳压电源的输出电压Uo，最大输出电流Iomax,确定稳压器的型号及电路形式。
再根据稳压器的输入电压Ui，确定变压器副边的电压u2和有效值U2，然后根据稳压电源的最大输出电流Iomax，确定流过电源变压器副边的电流I2和变压器副边的功率P2。
接着从下表中查出变压器的效率η,从而确定电源变压器原边的功率P1，这样就可依据所确定的参数，选择电源变压器。
小型变压器的效率
副边功率P2/W
＜10
10～30
30～80
80～200
效率η
0.6
0.7
0.8
0.85
选择稳压管LM317,由于它的输入电压与输出电压差的最小值
（Ui-Uo）min=3V,输入电压与输出电压差的最大值（Ui-Uo）=40V，可得LM317的输入电压Ui的范围为
9V+3V≤Ui≤3V+40V
则：
12V≤Ui≤43V
U2≥Uimin/1.1=12/1.1V=11V
所以取U2=12V
变压器副边电流：
I2＞Iomax=0.08A，取I2=1A，变压器副边输出率P2≥I2U2=12W
由于变压器的效率η=0.7，所以变压器原边输入功率P1≥P2/η=17.14W
由上分析，，变压器副边输出电压U2为12V，输出电流为1A，为留有
余地，一般选功率为20W的变压器,为了安全，加上1A的熔断丝和散热片。
3—2整流电路：
主要将经变压器降压后的交流电变成单向脉动直流电。
（1）桥式整流电路的结构如图3.2所示。
图3.2（a）
图3.2（b）
（2）组成和工作原理：
如图3.2所示，桥式整流电路有四只二极管组成的一个电桥，
桥式整流电路的输入、输出电压上图3.2（a）、图3.2（b）所示。
在U2的正半周，二极管D1、D3加正向电压导通，D2、D4加反向电
压截止。
电流Io通过二极管和负载，在负载RL的两端产生上正下负的电压Uo,电流流通路径为：
A→D1→RL→D3。
在U2的负半周，二极管D2、D4加正向电压导通，D1、D3加反向电压截止。
电流Io通过二极管D2、D4和负载，在负载RL两端产生上正下负的电压Uo,电流流通路径为：
B→D2→RL→D4。
桥式整流电路能让交流电压U2的正、负半周分别通过二极管D1、D3和
D2、D4，整流输出为全波脉动直流电压Uo。
（3）基本参数：
Ⅰ、整流输出电压平均值
从图3.2（a）、图3.2（b）可以看出，在桥式整流电路中，
一个周期内两个半波均有电流通过负载，因此在负载上形成
的直流电压平均值与全波整流电路相同，即
≈2×0.45U2=0.9U2=10.8V
式中，U2为电源变压器交流电压的有效值。
Ⅱ、整流电流的平均值
根据欧姆定律可知，通过负载的整流电流平均值与全波整流电路相同，即
=
/RL=0.9U2/RL=0.09A
Ⅲ、流过整流管的正向平均电流
由于整流时D1、D3和D2、D4轮流导通，所以流过每只二极管的正向平均电流
均为流过负载平均电流的一半，即
=0.5
Ⅳ、整流管最大反向峰值电压URM
由图3.2（a）、图3.2（b）可以看出，在桥式整流电路中，二极管加反向电压截止时所承受的最大反向峰值电压为U2的峰值电压，即
URM=
U2=16.97V
二极管的选择：
整流二极管选1N4007，其极限参数为URM≥50V，而
U2 =16.97V，则URM满足要求。
电位器的选择：
取R1=240Ω，由可调式三端稳压器输出电压Uo=1.25（1+RPL/ R1），则RPL的取值在336K~1.49kΩ之间，应该选取一个比1.49kΩ大的电位器，由于这个参数的买不到，故取RP1为10kΩ的精密线绕可调电位器。
负载电阻RL的选择：
由于输出电压的可调范围为：
输出电压可调：
Uo=+3V~+9V，Iomax=80mA
所以RL=Uomax/Imax=112.5Ω，所以选取RL为120Ω。
3—3、滤波电路：
滤除脉动直流中的交流成分，使输出电压接近理想的直流电压
（1）如图3.3是桥式整流电容滤波电路
图3.3
经过整流后，输出电压在正负方向上没有变化，单输出电压波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。
电容有通高频、阻低频的作用，将其并在整流电路后面，可以让高频电流流回电源，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，减少了脉冲。
（2）滤波原理：
由于电容C并接于负载RL两端，则任意时刻由UL=UC。
电容C具有充放电功能。
在U2正半周，二极管D1、D3导通，电流分为两部分：
一部分流经负载RL形成负载电流。
如图（a）所示，电容上的电压很快接近于峰值电压
U2，充电电压的极性上正下负。
在U2的负半周，D1、D3由于反偏仍然处于截止状态，对于D2、D4，当U2的值小于时也处于截止状态；当U2的值大于VC时，D2、D4导通，这时电容又开始充电，UC又很快接近U2的峰值电压，当U2的值小于UC时，D2、D4也因反偏而截止，电容又开始放电，直至D1、D3再次导通.于是，输出电压的波形为略带锯齿形的直流电如图（b）所示。
（3）参数计算：
整流二极管选1N4007，其极限参数为URM≥50V，而
U2 =16.7V，则URM满足要求。
IF=1A，而Iomax=0.08A，则IF亦满足要求。
可得稳压系数Sv=（Uop-p/Uo）/（ △UiUi）
式中，Uo=9V，Ui=12V，△Uop-p=5mA Sv=3×10-3
则 △Ui=△Uop-pUi/UoSv
可求得滤波电容为C=Ict/ △Ui=363.6uF
电容C的耐压应大于
U2= 16.97V。
故取1只470μF/50V的电容并联，如图中C1所示。
3—4、稳压电路：
自动稳定输出电压，使输出电压不受电压波动和负载大小的影响。
（1）稳压部分如图所示
图4.1
（2）稳压原理：
当输入电压U1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压Ui会随着变化。
稳压电路在外界因素变化时，使输出直流电压不受影响而维持稳定的输出。
（3）选用三端稳压器LM317，有输入端、输出端、调节端。
LM317稳压器输出电压可调范围为Uo=1.2V～37V，最大输出电流Iomax=1.5A.输入电压和输出电压差的允许范围为Ui-Uo=3V～40V。
其引脚功能如下图所示：
四、总原理图及元器件清单
（1）总原理图
（2）PCB图
（3）元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
J1
变压器
12V
1
T1
三端稳压器LM317
可调范围1.2V～37V
1
D1、D2、D3、D4、D5
1N4007
URM≥50V1A
5
也可用1N4001
D0
发光二极管
工作电流20mA
C1
电解电容
470uF
1
Ci
涤纶电容
0.1uF
C2
电解电容
220uF
1
Rp1
电位器
10kΩ
1
R1
电阻
240Ω
1
RL
电阻
120Ω
1
R2
电阻
1kΩ
1
FUSE1
熔断丝
1A
1
五、安装与调试
（1）按总电路图所示安装电路，为了保证集成稳压器能在额定输出电流下正常工作，稳压器LM317必须加适当大小的散热片。
先调节稳压部分，即断开a、b端（使稳压电路与整流滤波电路分开），然后从稳压器的输入端加入直流电压Ui≤12V，调节RL，使输出电压也跟着发生变化，说明稳压电路工作正常。
用万用表测量整流二极管的正反向电阻，正确判断出二极管的极性后，先在变压器的副边接上额定电流为1A的熔断丝，然后安装整流滤波电路。
安装时要注意，二极管和电解电容的极性不能接反。
经检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，发光二极管发亮，说明电路接通。
用万用表检查整流后输出电压的极性，若Ui的极性为负，则说明整流电路没有接正确，此时若接入稳压电路，就会损坏稳压器。
因此确定Ui的极性为正后，关凯电源，将整流滤波电路与稳压电路连接起来，然后接通电源，调节RL，若测出电压满足设计指标，说明稳压电路中各级电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标测试。
仿真图
测得U01=3.08V
测得U02=9.07V
硬件中当Rp1=170Ω时，用万能表测得Uo为3.08V；
当Rp1=336Ω时，用万能表测得Uo为9.07V
所以电位器在170Ω~336Ω之间，输出电压可调3.08V~9.07V
六、性能测试与分析
1、输出电压和输出最大最小输出电流的测量
当U0max=11.15V时，I0=92.92mA
当U0min=1.25V时，I0=10.42mA
2、纹波电压的测量
所以△Uop-p=20mV
3、稳压系数的测
当U2=242V时，UI=12.9V,U01=9.98V
当U2=198V时，UI=11.1V,U02=9.97V
当U2=220V时，UI=12.4V,U0=9.98V
所以SV=（U01-U02）/U0
=5×（9.98-9.97）/9.98
=0.00501
设计要求
测试结果
误差
Uo=+3V～+9V
1.25V～11.15V
（11.15-9）/9=23.8%
Iomax=80mA
92.92mA
（92.92-80）/80=16.15%
△Uop-p≤5mV
20mV
20mV＞5mV
Sv≤3×10-3
0.00501
（0.00501-0.003）/0.003=67%
误差分析：
电位器阻值与实际相差大，得出的输出电压范围大于规定指标；
由于电路受干扰比较大，导致输出电流不稳定。
七、结论与心得
经过一个月的时间，才完成设计。
因为是第一次接触课程设计，很多地方都不了解，在制作过程中，出现了许多问题。
起初真的是一点头绪都没有，经过上网和图书馆以及同学的帮助，懂得了集成直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标。
开始确定电路图时，我们组的成员有些争议，经过商量和改装，决定用这个电路图。
对电路图进行仿真，由于没有掌握，很多地方都需要同学来指导，边做边学习，虽然不是很理想，但毕竟有一定的认识。
导入PCB图时，要注意封装，特别是LM317的管脚，1脚是控制端，2脚是输出端，3脚是输入端。
这次的PCB做得不够完善，把输出端放在了输入端旁，不方便调试，也不美观。
购买的元器件，由于有些等值器件买不到，测出的参数指数存在误差。
在制作硬件时，根据PCB来安装比较好，因为二极管和电容有极性之分，极性接反了会造成电路错误，所以在焊接之前，为了确保不出错，还要检查一下电路。
首次焊接电路，效果不是很好，有些管脚焊锡太多，有些太少。
经过这次课程设计，可以说是受益匪浅，既培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力，和实际联系起来，也比较清楚地认识到自己掌握这方面知识的程度，要继续加强动手能力，思考能力，同时也体现了同学之间的团结互助精神。
有了这一次的制作，相信对以后的课程设计、毕业论文以及毕业答辩等有很大帮助。
八、参考文献
<<电子线路设计>>,（第二版）华中科技大学谢自美主编，华中科技大学出版社，2000年5月.
《电子技术基础》陈梓城、孙丽霞主编，机械工业出版社，2004年8月
《模拟电子技术》姚正祥主编，机械工业出版社，2001年6月
《电子线路》高卫斌主编，电子工业出版社，2004年2月
升级会员 