稳压电流源课程设计.docx

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稳压电流源课程设计

第一章绪论

电子技术是当今高新技术的“龙头”，各先进国家无不把它放在优先的发展的地位。

电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，课程地显著特点之一是它的实践性。

要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理，电子电路的基本组成及分析方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。

本课程设计就是针对模拟电子技术这门课程的要求所做的，同时也将学到的理论与实践紧密结合。

电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。

随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。

只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

电源可分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。

交流电源一般为220V、50Hz电源，但许多家用电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电能源，如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等都离不开这种电源。

直流电源又分为两类：

一类是能直接供给直流电流或电压的，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等，本文不做具体介绍；另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压的，这类变换电路统称为直流稳压电源。

现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作，而最常用的是能将交流电网电压转换为稳定直流电压的直流电源，可见直流稳压电源在电子设备中起着主要作用，为设备能够稳定工作提供保证。

电子设备中都需要稳定的直流电源，功率较小的直流电源大多数都是将50HZ的交流电经过电源变压器，整流，滤波和稳压这四个基本部分后获得。

整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是将当输入交流电源电压的波动、负载和温度的变化时，维持输出直流电压的稳定。

由于集成稳压器具有体积小、重量轻、使用方便和工作可靠等优点，应用越来越广泛。

国产的稳压器种类很多，主要分为两大类。

稳压器中的调整元件工作在线性放大状态的称为线性稳压器，调整元件工作在开关状态的称为开关稳压器。

在电子仪器仪表中，经常要求有稳定的直流电源，所以在整流滤波后面，通常需要接直流稳压电路。

本设计是设计的直流稳压电源，是一种将220V交流电转换为稳压输出的直流电源装置，主要是采用一些简单的电子元件即可，它是有电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路四个部分组成。

通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。

我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养了我们团队合作的能力，在讨论设计方案，计算元件参数，购买元件，制作电路板，安装调试方面都体会到了团队的力量。

本次课程设计的课题是直流稳压电源的设计和调试，本课程设计将就直流稳压电源电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路调试等做详细的介绍和说明。

第二章系统设计方案论证及分析

2.1设计目的

1、学习直流稳压电源的设计方法

2、研究直流稳压电源的设计方案。

3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法：

2.2设计指标

设计一波形直流稳压电源，满足：

要求电源输出电压为±12V（或±9V/±5V），输入电压为交流220V，最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压△VOP-P≤5mV，稳压系数Sr≤5%。

2.3设计要求

（1）根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；

（2）要求绘出原理图，用Protel99画出印制板图；

（3）在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源；

（4）设计一个能输出±12V/±9V/±5V的直流稳压电源；

（5）拟定设计步骤和测试方案；

（6）测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压；

（7）撰写设计报告。

2.4设计方案的选择与论证

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个部分组成，如图2-1所示。

图2-1稳压电源的组成框图和整流与稳压过程

方案一：

简单的并联型稳压电源

并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因此在本实验中不适合此方案。

方案二：

输出可调的开关电源

开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因此在本实验中不适合此方案。

方案三：

可调式三段稳压器能输出连续可调的直流电压

常见产品有CW317，系列稳压器能输出连续可调的正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路。

纹波电压小，根据本设计，选择此方案。

2.5电路原理分析

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流、滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图2-2所示。

各部分的作用：

图2-2

（1）电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2。

变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。

（2）整流滤波电路：

整流电路将交流电压U1变换成脉动的直流电压。

再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U0。

常用的整流滤波电路有桥式整流滤波，如图2-3所示。

图2-3

整流桥将交流电压U2变成脉动的直流电压，再经滤波电容C滤波纹波，输出直流电压U0。

U0与交流电压U2的有效值u2的关系为

U0=（1.1-1.2）U2

每只整流二极管承受的最大的方向电压Vrm=U2

通过每只二极管的平均电流I=0.5Ir=0.45U2/R

式中,R为整流电路的负载电阻.它为电容C提供放电回路,RC放电时间常数应满足RLC≥（3-5）T/2

式中,T为50HZ交流电压的周期,即20ms。

（3）电压输出稳压器

由于输入电压U1发生发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。

为了维持输出电压UI稳定不变，需加一级稳压电路。

稳压电路的作用是当外界因素发生变化时，输出直流电压不受影响，维持稳定的输出。

采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。

2.6直流稳压电源的参数设计方法

稳压电源的设计，是根据电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流桥和滤波电路中所用元器件的参数，从而合理的选择这些器件。

直流稳压电源的参数设计可以分为以下三个步骤：

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。

根据稳压器的输入电压u1，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；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和电源变压器副边的功率P2；根据P2和效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。

然后根据所确定的参数，选择电源变压器。

确定整流桥的正向平均电流ID、整流桥的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。

根据所确定的参数，选择整流桥和滤波电容。

第三章单元电路设计及参数选择

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。

设计参数如下：

小型变压器的效率：

副边功率

效率

0.6

0.7

0.8

0.85

输入电压Vi的X围为

Vomax+（Vi-Vo）min≤Vi≤Vomin+（Vi-Vo）max

12V+3V≤Vi≤3V+40V

15V≤Vi≤43V

副边电压U2≥Vimin/1.1=15/1.1=13.64V

副边电流I2>0.5A

因为I2=（1.5～2）Iomax

故取I2=0.8A

则变压器副边输出功率P2≥I2×U2=11.2W

又因为变压器效率等于0.7

则原边输入功率P1=P2/0.7=16W

所以电源变压器功率选20W，副边电压输出为24V。

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。

这里应用单相桥式整流电路。

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，其电路图如3-1所示

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。

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。

图3.2单相桥式整流电路的波形图

2）输出电流电压U0

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=0.9U2

3）整流二极管的选择

整流二极管D选IN4001，其极限参数Vrm≥50V，If=1A。

满足Vrm≥1.41U2

If>0.8A的条件。

3.3滤波电路

（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，u0=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。

其电路和波形如图3-3所示。

图3.3单相桥式整流电容滤波电路及其波形图

（2）输出直流电压

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

对于全波或桥式整流电容滤波：

U0＝1.2U2

（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