串联型可调直流稳压电源的设计.docx
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串联型可调直流稳压电源的设计
一、引言...............................................................4
二、设计目的............................................................4
三、设计任务和要求......................................................4
四、设计步骤............................................................4
五、总体设计思路........................................................4
六、电子元器件介绍...................................................10
七、测试要求...........................................................13
八、设计报告要求........................................................14
九、注意事项...........................................................14
十、此电路的误差分析...................................................14
十一、设计总结........................................................14
十二、参考文献资料...................................................15
十三、个人体会...................................................15
一、引言
串联型可调直流稳压电源的设计
直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压可在1.5~12V可调。
关键词：
直流；稳压；变压；整流；
二、设计目的
1．学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与操作调试能力。
2．学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。
3．培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
三、设计任务及要求
1．设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求：
①输出电压可调：
Uo=+1.5V～+12V
②最大输出电流：
Iomax=1.5A
③输出电压变化量：
ΔUo≤15mV
④稳压系数：
SV≤0.003
2．设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。
3．自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指导教师审核。
4.批准后，进实验室进行组装、调试，并测试其主要性能参数。
四、设计步骤
1．电路图设计
（1）确定目标：
设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。
（2）系统分析：
根据系统功能，选择各模块所用电路形式。
（3）参数选择：
根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。
（4）总电路图：
连接各模块电路。
2．电路安装、调试
（1）为提高自身的动手能力，学习自行设计印刷电路板，并焊接。
（2）在每个模块电路的输入端加一信号，测试输出端信号，以验证每个模块能否达到所规定的指标。
（3）重点测试稳压电路的稳压系数。
（4）将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。
五、总体设计思路
1．直流稳压电源设计思路
（1）电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。
2．直流稳压电源原理
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压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图1。
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。
（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。
（4）稳压电路：
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。
整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图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3所示。
在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即。
电路中的每只二极管承受的最大反向电压为（U2是变压器副边电压有效值）。
在设计中，常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串联，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：
（I2是变压器副边电流。
的有效值。
），稳压电路可选集成三端稳压器电路
总体原理电路见图4。
图4
3．设计方法简介
（1）根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。
因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。
可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337。
317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为6V~13V，最大输出电流为1.5A。
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。
其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。
电路系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图5.
式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常取值，一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。
图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10µF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。
输出电压可调范围：
1.5V～12V
输出负载电流：
1.5A
输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：
能满足设计要求,故选用稳压电路。
（2）选择电源变压器
1）确定副边电压U2:
根据性能指标要求：
Uomin=3VUomax=9V
又∵Ui-Uomax≥（Ui-Uo）minUi-Uoin≤（Ui-Uo）max
其中：
（Ui-Uoin）min=3V，（Ui-Uo）max=40V
∴12V≤Ui≤43V
此范围中可任选：
Ui=14V=Uo1
根据Uo1=（1.1～1.2）U2
可得变压的副边电压：
2）确定变压器副边电流I2
∵Io1=Io
又副边电流I2=（1.5～2）IO1取IO=IOmax=800mA
则I2=1.5*0.8A=1.2A
3）选择变压器的功率
变压器的输出功率：
Po>I2U2=14.4W
（3）选择整流电路中的二极管
∵变压器的副边电压U2=12V
∴桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：
桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：
查手册选整流二极管IN4001，其参数为：
反向击穿电压UBR=50V>17V
最大整流电流IF=1A>0.4A
（4）滤波电路中滤波电容的选择
滤波电容的大小可用式求得。
1）求ΔUi:
根据稳压电路的的稳压系数的定义：
设计要求ΔUo≤15mV，SV≤0.003
Uo=+3V～+9V
Ui=14V
代入上式，则可求得ΔUi
2）滤波电容C
设定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S
则可求得C。
电路中滤波电容承受的最高电压为，所以所选电容器的耐压应大于17V。
注意：
因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。
六、电子元器件介绍
1.二极管
根据用途分类
A.检波用二极管
就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流小于100mA的叫检波。
锗材料点接触型、工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为2AP型。
类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。
也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。
整流用二极管 就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。
以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流大于100mA的叫整流。
面结型，工作频率小于KHz，最高反向电压从25伏至3000伏分A～X共22档。
分类如下：
①硅半导体整流二极管2CZ型、②硅桥式整流器QL型、③用于电视机高压硅堆工作频率近100KHz的2CLG型。
B.限幅用二极管
大多数二极管能作为限幅使用。
也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。
为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅材料制造的二极管。
也有这样的组件出售：
依据限制电压需要，把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个整体。
调制用二极管
通常指的是环形调制专用的二极管。
就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。
即使其它变容二极管也有调制用途，但它们通常是直接作为调频用
2.三极管
半导体三极管也称双极型晶体管,晶体三极管,简称三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.
作用:
把微弱信号放大成辐值较大的电信号,也用作无触点开关.
工作原理
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）极基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流Ie。
由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：
Ie=Ib+Ic
这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：
β1=Ic/Ib
式中：
β1--称为直流放大倍数，
集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：
β=△Ic/△Ib
式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。
三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
3.电阻
a.电阻的概念
电子在物体内做定向移动会遇到阻碍作用，这种阻碍称为电阻。
具有一定的电阻数的元器件称为电阻器，习惯简称为电阻。
物体内电阻的大小与长度L成正比，与其横截面积S成反比，用公式表示为：
其中ρ叫做物体的电阻系数或电阻率，它与材料的性质有关。
不同的材料的电阻率不同的。
相同的材料做成的导体，直径越大的电阻越小，反之越大。
长度越长，电阻越大，反之则越小。
b.电阻器的分类
电阻的种类繁多，从构成的材料来分，有碳质电阻器、碳膜电阻器、金属膜电阻器、线绕电阻器等。
从结构形式来分，有固定电阻器、可变电阻器和电位器三种。
4.电容
电容器是一种储能元件，在电路中用于调谐、滤波、耦合、旁路、能量转换和延时。
电容器通常叫做电容。
按其结构可分为固定电容器、半可变电容器、可变电容器三种。
电容的用途非常多，主要有如下几种：
a．隔直流：
作用是阻止直流通过而让交流通过。
b．旁路（去耦）：
为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。
c．耦合：
作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路
d．滤波：
这个对DIY而言很重要，显卡上的电容基本都是这个作用。
e．温度补偿：
针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。
f．计时：
电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。
g．调谐：
对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。
h．整流：
在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。
i．储能：
储存电能，用于必须要的时候释放。
例如相机闪光灯，加热设备等等。
（如今某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准，一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天。
电容就是两块导体（阴极和阳极）中间夹着一块绝缘体（介质）构成的电子元件。
电容的种类首先要按照介质种类来分。
这当中可分为无机介质电容器、有机介质电容器和电解电容器三大类。
不同介质的电容，在结构、成本、特性、用途方面都大不相同。
5.ＬＭ１１７集成芯片
三端式集成稳压器
这类稳压器有输入、输出、公共接地端（或调整端）三个接线端子，并有固定式和可调式二种类型。
此外又分为正电压和负电压输出型。
如CW7800系列为三端固定正电压输出集成稳压器，其输出电压有5、6、9、12、15、18、24V共7个档次，该系列产品的最大输出电流可达1.5A。
同类型的产品还有CW78M00和CW78L00系列。
另外，CW7900（CW79M00、CW79L00）系列为二端式固定负电压输出集成稳压器，其输出电压系列值和输出电流与CW7800（CW78M00、CW79L00）系列相同。
这类产品具有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而得到了广泛的应用，已基本上取代了由分立元件组成的稳压电路。
6.变压器
变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。
当一交流电流（具有某一已知频率）流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。
一般指连接交流电源的线圈称之为「一次线圈」（Primarycoil）;而跨于此线圈的电压称之为「一次电压.」。
在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈问的「匝数比」所决定的。
因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。
大部份的变压器均有固定的铁芯，其上绕有一次与二次的线圈。
基于铁材的高导磁性，大部份磁通量局限在铁芯里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。
在一些变压器中，线圈与铁芯二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。
因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。
由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，吾人可以如是说，倘无变压器，则现代工业实无法达到目前发展的现况。
七、测试要求
1．测试并记录电路中各环节的输出波形。
2．测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。
3．测量输出电阻Ro。
4．测量稳压系数。
用改变输入交流电压的方法，模拟Ui的变化，测出对应的输出直流电压的变化，则可算出稳压系数SV.（注意：
用调压器使220V交流改变±10％。
即ΔUi=44V）
5．用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察、记录其波形。
6．分析测量结果，并讨论提出改进意见。
八、设计报告要求
1．设计目的。
2．设计指标。
3．总体设计框图，并说明每个模块所实现的功能。
4．功能模块，可有多个方案，并进行方案论证与比较，要有详细的原理说明。
5．总电路图设计，有原理说明。
6．实现仪器，工具。
7．分析测量结果，并讨论提出改进意见。
8．总结：
遇到的问题和解决办法、体会、意见、建议等。
九、注意事项
1．焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于调试。
2．测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。
4.按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。
十、此电路的误差分析
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
①测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;
②电流表内阻串入回路造成的误差;
③测得纹波电压时示波器造成的误差;
④示波器,万用表本身的准确度而造成的系统误差;
可以通过以下的方法去改进此电路:
①减小接触点的微小电阻;
②根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正;
③测得纹波时示波器采用手动同步;
④采用更高精确度的仪器去检测;
十一、设计总结
通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题;而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获.我们这次设计的这个直流稳压电源电路;采用了电压调整管（uA723）外加调整管（2SC3280）来实现电压的调整部分;还通过单片机（89C51）来实现电路的控制,也实现了扩充多功能;而稳流部分可调式三端稳压电源管来实现。
十二、参考文献资料
◆<<电子线路基础>>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社。
◆<<电子技术基础>>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。
◆<<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。
◆<<模拟电子技术>>,胡宴如主编高等教育出版社
◆<<电子线路实验与实训>>，张思金韩宏旺主编，北京邮电大学出版社。
◆<<通用集成电路应用与实例分析>>，陈有卿主编，中国电力出版社。
十三、个人体会
通过这次对直流串联可调稳压电源的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于交直流转换的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真成功之后才实际接线的。
但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为在实际接线中有着各种各样的条件制约。
但也有些电路在仿真中无法成功，而在实际中因为芯片本身的特性而成功的。
所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。
通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
这次课程设计终于顺利完成了，虽然在设计中遇到了很多问题，但是都被我们一一克服。
同时，对给过我帮助的所有同学和指导老师再次表示忠心的感谢！
心
得
体
会
通过这个课程设计，我对一些专业知识和稳压源设计有了更深的了解，同时也尝试着去应用自己的所掌握的知识。
本次稳压源课程设计主要是对已学习的模拟电子技术、数字电子技术和电力电子技术的综合应用。
一开始我们从参考书上找来了课题，但是毕竟是参考书，做到后来发现很多程序都是不完整的，这让我伤透了脑筋。
看着别的同学都弄得有模有样了，可是我们连一个课题都还没有定好。
好不容易又找到了课题，可是结果还是很不尽人意。
电子线路和一些元件就是无法达到预期想要的结果。
一个星期就快结束了，参考书毕竟只是一个参考，设计这种东西最后还是要靠自己动脑筋。
然后从平时做的实验﹑老师上课的举例﹑书本上的知识以及老师的辅导和其他同学的帮助下终于完成了。
我觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。
很感谢学校和老师给我安排了这次课程设计，让我真正感受到的是合作的重要，许多时候都是同学的讨论，老师的指导中的一句半句启发了我，就出现的让人欣喜的结果；理论知识同样很重要，有些问题都是由于基础知识掌握不好才出现的。
2011年1月3日
教
师
评
语
2011年1月4日
成
绩
及
签
名
2011年1月4日
升级会员 