模电直流稳压电源设计.docx
《模电直流稳压电源设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《模电直流稳压电源设计.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
模电直流稳压电源设计
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:
LM317OP07CP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~+12V
b.最大输出电流为1.5A
c.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:
4~20mA可调
b.负载调整率≤1%(输入电压+12V、负载电阻由200Ω~300Ω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10mA
b.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
1.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~+12V
b.最大输出电流为1.5A
c.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:
4~20mA可调
b.负载调整率≤1%(输入电压+12V、负载电阻由200Ω~300Ω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10mA
b.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1
2.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1.2~37V,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)≈VO
VO=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
VzVz
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9
2.3DC-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13
3.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14
2.中间可调。
图15
3.最大电压输出13.34V满足要求。
图16
3.1.2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17
3.2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18
2.中间可调。
图19
3.最大输出电流为20.045mA大于20mA,满足要求。
图20
3.3DC-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21
4.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9~12V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23
7.元件清单
元件
数量
OP07P
1
1B4B42(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470uF
1
电解电容1uF
1
2N2222
4
TIP31C
1
稳压管1N4735
1
二极管1N4007
1
8.参考文献
[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,2007
[3]康华光.《电子技术基础-模拟部分》第五版.高等教育出版社,2006
[4]孙梅生.《电子技术基础课程设计》.高等教育出版社,2005
[5]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,2003
[6]吴友宇.《模拟电子技术基础》.清华大学出版社,2009