模电课设电路设计 直流稳定电源.docx
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模电课设电路设计直流稳定电源
本科生课程设计成绩评定表
姓名
xx
性别
男
专业、班级
信息工程学院通信0805班
课程设计题目：
直流稳定电源
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2010年1月30日
目录
一.目录………………………………………………1
二.课程设计任务书……………………………………2
三．摘要及注意事项…………………………………4
四．直流稳压…………………………………………5
1.变压………………………………………………5
2.整流………………………………………………5
3.滤波………………………………………………6
4.稳压………………………………………………7
5.仿真………………………………………………9
五．稳流电路……………………………………………11
1.原理………………………………………………11
2.参数确定…………………………………………11
3.仿真………………………………………………12
六．DC-DC转换………………………………………15
1.原理图确定………………………………………15
2.仿真………………………………………………15
七．完整电路与仿真……………………………………16
八．电路测试与分析…………………………………18
九.附录1.元件列表………………………………19
附录2.参考工具书……………………………20
附录3.Multisim简介……………………………21
课程设计任务书
学生姓名：
xx专业班级：
通信0805班
指导教师：
刘雪东工作单位：
信息学院
题目:
直流稳定电源
初始条件：
自己设计一个符合要求的电路。
元件自选，不得用成品。
参数自己选择，但要达到要规定中的要求。
变压器220->15、TS_PQ4_10、芯片LM317H*2、二极管1N4001、1N4007若干，三极管TIP31C、2N2222A若干。
电解电容、瓷片电容、电阻、电位器各型号若干。
保险丝、散热片及焊接用具，耗材若干。
调试用仪表以及仿真器材若干。
Multisim
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）
必做部分：
1．基本要求
（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）
选作部分：
（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19周理论讲解，时间：
礼拜一5，6，7、8节地点：
鉴三204
第20周理论设计、实验室安装调试，地点：
鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室
（1）。
序号
阶段内容
时间
1
安排任务
第19周
2
电路选择与绘制
第20周
3
撰写报告
第20周
4
答辩
第20周
合计
2周
指导教师签名：
2010年1月日
系主任（或责任教师）签名：
2010年1月日
摘要
随着现代科技的不断发展，各种各样的电气、电子设备已经广泛的应用于日常工作、科研、学习等各个方面。
直流稳压电源由电源变压器，整流滤波电路级稳压电路所组成。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器吧交流电变为直流电。
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。
本设计分别用LM317三端稳压芯片稳压电路，LM317三端稳压芯片稳流电路和反馈式逆变电路设计直流稳压电源，直流稳流电源和DC-DC变换器。
通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求中的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压等各项指标。
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。
3．3.按照原理图焊接时必须要保证可靠接地
必做部分
**首先设计直流稳压电路**
直流稳压电源是将交流电变换成功率较小的直流电，一般由变压、整流、滤波和稳压等几部分组成。
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；稳压电路的作用是输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
1变压：
从市电转换为实验用点。
电源变压器的作用是将交流电网提供的220V、50Hz市电变成所需的交流电压。
本实验中选用了将220V转换为15V的变压器。
2整流：
整流电路常用有半波整流电路和桥式整流电路。
1.半波
2.桥式整流电路
为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路，如右图所示，图中V1、V2、V3、V4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。
工作原理和输出波形：
设变压器二次电压u2=21/2U2sinωt，波形如电压、电流波形图（a）所示。
在u2的正半周，即a点为正，b点为负时，V1、V3承受正向电压而导通，此时有电流流过RL，电流路径为a→V1→RL→V3→b，此时V2、V4因反偏而截止，负载RL上得到一个半波电压，如电压、电流波形图（b）中的0～π段所示。
若略去二极管的正向压降，则uO≈u2。
电压、电流波形在u2的负半周，即a点为负b点为正时，V1、V3因反偏而截止，V2、V4正偏而导通，此时有电流流过RL，电流路径为b→V2→RL→V4→a。
这时RL上得到一个与0～π段相同的半波电压如电压、电流波形图（b）中的π～2π段所示，若略去二极管的正向压降，uＯ≈－u2。
由此可见，在交流电压u2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到单方向全波脉动的直流电压。
可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出电压平均值为uＯ=2×0.45U2=0.9U2。
桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，这样V2、V4就并联在u2上，其承受的反向峰值电压为URＭ=21/2U2。
同理，V2、V4导通时，V1、V3截止，其承受的反向峰值电压也为URＭ=21/2U2。
二极管承受电压的波形如电压、电流波形图（d）所示。
由上图可见，在交流电压u2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到单方向全波脉动的直流电压。
可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。
㈢滤波：
整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。
应在整流电路的后面加接滤波电路，滤去交流成分。
1.电容滤波①.电路和工作原理
设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，u2为正半周，当u2由零上升时，V1、V3导通，C被充电，同时电流经V1、V3向负载电阻供电。
忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此uo=uc≈u2，在u2达到最大值时，uc也达到最大值，然后u2下降，此时，uc>u2，V1、V3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=RLC一般较大，电容电压uc按指数规律缓慢下降，当下降到|u2|>uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。
其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。
②.波形及输出电压
2其他形式滤波电路
①.电感滤波电路:
电路如下图所示，电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。
直流分量被电感L短路，交流分 量主要降在L上 ，电感越大，滤波效果越好。
一般电感滤波电路只使用于低电压、大电流的场合。
②.型滤波:
为了进一步减小负载电压中的纹波可采用型LC滤波电路。
由于C1、C2对交流容抗小，而电感对交流阻抗很大，因此，负载RL上的纹波电压很小。
为了更好的控制电路，本实验中选择最常用的桥式整流电路。
㈣.稳压
1.引起输出电压不稳定的原因
引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见下图。
负载电
流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。
*输出电压变化原因示意图*
2.稳压电路的技术指标
用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。
VI和IO引起的VO可用下式表示
1）稳压系数Sr
有时稳压系数也用下式定义
2）电压调整率SV（一般特指ΔVi/Vi=±10%时的Sr）
3）输出电阻Ro
4）电流调整率SI
当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。
为了更稳定的输出+12V的直流电压。
我们采用LM317芯片来控制电压。
拟采用下图电路为原型。
加设电位器，制作可调稳定电源。
使用“MULTISIM”软件进行仿真，仿真电路图如下。
输入电压240V
输入电压220V
输入电压200V
输入电压200V
输入电压240V
输入电压220V
测量纹波电压
负载1兆欧
负载1毫欧
小结：
*当负载在满载和空载之间变化时，输出电压调整大小不超过0.2%。
*通过调整R4的值来测量通过负载的电流，当RL=1兆欧时，Io=12.67mA；当RL=1毫欧时，Io=241.25mA。
最大输出电流小于1.5A。
*纹波电压5.826uV。
*过流保护可以在变压器前面加上一个保险丝。
*短路保护体现在D7,D2上，当输入短路时，这两个二极管可以防止电容放电击穿芯片。
**设计稳流电路**
一、原理：
稳流指的是电流没有大的波动，输出稳定平滑，并不是指电流大小不变。
稳流电源的设计一般有以下要求。
1稳流电源的主要技术指标
（1）输出电流范围
本项指标是指在不稳流情况下，输出电流可以调节的范围，例如输出额定电流Io=2A,△Io=1A，则其可调范围为1.5～2.5A。
当然，相对于IO来说，偏离量也可能不是上下对称的，即不是±0.5A，可能上限值大于下限值，也可能相反。
（2）输出电压范围
交流稳流电源所提供的输出电压要根据负载性质及其阻抗、电流值等而变化，所以必须确定一个输出电压范围来衡量其性能。
（3）输出电流稳流精度
它表示输出电流在额定精度内允许“电流变化范围ΔI”。
设输出电流Io为2A，精度为±1％，则表示当用了稳流器后输出电流Io满足1.98A
2.稳流电源实验参数
在输入电压固定为＋12V的条件下：
输出电流：
4～20mA可调
，所以实际中采用阻值为500
的滑动变阻器，和一个定值电阻串联，所以
，
经计算，R3=125
，Vi=2.4V。
输入端电压为12V，可采用电阻分压的方式让同相输入端的电压Vi=2.4V。
分压电阻阻值为4.7K
，1.2K
。
实物中运放采用NE5532，NE5532是高性能低噪声运放，它具有较好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽。
（1）小信号带宽：
10MHz；
（2）输出驱动能力：
600Ω，10V；
（3）输入噪声电压：
5nV/√HZ（典型值）；（4）DC电压增益：
50000；
（5）AC电压增益：
10KHz时2200；（6）电源带宽：
140KHz；
（7）转换速率：
9V/μS；（8）大电源电压范围：
±3～±20V。
二、电路设计与仿真
负载200~~300欧姆
负载200~~300欧姆
本章小结
●直流稳压电源由整流电路、滤波电路和稳压电路组成。
整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，滤波电路可减小脉动使直流电压平滑，稳压电路的作用是在电网电压波动或负载电流变化时保持输出电压基本不变。
●整流电路有半波和全波两种，最常用的是单相桥式整流电路。
分析整流电路时，应分别判断在变压器副边电压正、负半周两种情况下二极管的工作状态，从而得到负载两端电压、二极管端电压及其电流波形并由此得到输出电压和电流的平均值，以及二极管的最大整流平均电流和所能承受的最高反向电压。
●滤波电路通常有电容滤波、电感滤波和复式滤波，本实验介绍了电容滤波电路。
●稳压管稳压电路结构简单，但输出电压不可调，仅适用于负载电流较小且其变化范围也较小的情况。
●在串联型稳压电源中，调整管、基准电压电路、输出电压取样电路和比较放大
电路是基本组成部分。
电路中引入了深度电压负反馈，从而使输出电压稳定。
●集成稳压器仅有输入端、输出端和公共端三个引出端，使用方便，稳压性较好。
**设计DC-DC转换**
选择DC-AC-DC转换升压电路
如图所示，这一电路依靠自激震荡电路，将直流电源输入的电能转化为交流电压，经变压器升压后再恢复为直流。
此种电路结构简单，设计合理，且升压范围比较大，能够达到设计要求。
缺点在于输出的电压不稳定，有较大波动，而且交流纹波电压比较大。
电路测试与分析
1稳压模块的数据结果
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+8.978V～+15.252V
b．最大输出电流为1.25A
c．电压调整率为0.15%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）
d．负载调整率0.20%（最低输入电压下，满载）
e．纹波电压（峰-峰值）5.826uV（最低输入电压下，满载）
f．效率44.46%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）
2稳流模块的数据结果
稳流电源在输入电压固定为＋12V的条件下：
a．输出电流：
3.096～19.334mA可调
b．负载调整率为<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）
3DC-DC变换器的数据结果：
DC-DC变换器在输入电压为+9V～+12V条件下：
a．输出电压为+99.502
V，输出电流为36mA
b．电压调整率<0.1%（输入电压变化范围+9V～+12V）
c．负载调整率0.1%（输入电压+12V下，空载到满载）
d．纹波电压（峰-峰值），2.4mV（输入电压+9V下，满载）
数据分析
由以上数据可见，稳压模块、稳流模块以基本完成题目要求，达到了各项要求指标，说明设计合理，制作正确。
而DC-DC变换器变换器模块的各项数值没有明显达到题目要求，我分析原因有以下几点：
1设计中原理参数存在问题。
2电子元件存在误差，不稳定。
附录1元件列表
稳压源
主要器件
型号参数
数量
稳压芯片
LM317
1
变压器
18V
1
二极管
1N4007
2
1N4001
5
电解电容
470uF
1
100uF
1
10uF
1
滑动变阻器
501
1
电阻
120
1
650
1
稳流源
主要器件
型号参数
数量
芯片
LM317
1
滑动变阻器
501
2
电阻
95
1
三极管
2N869A
1
DC—DC变换器
主要器件
型号参数
数量
变压器
18V
1
DC/DC芯片
TIP31C
1
电解电容
1uF
1
瓷片电容
103
1
三极管
2N2222A
2
二极管
1N4001
1
电阻
3.9K
1
4.7K
1
1K
1
680K
2
10M
4
保险管
100V
1
保险管1A
散热片
开关
板子，跳线
焊接用具
附录3参考文献
《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社
《新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学出版社
《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社
《实用单元电路及其应用》黄继昌，张海贵；；人民邮电出版社
《模拟电子电路基础》王卫东，江晓安.西安电子科技大学出版社，2003
《电路与电子简明教程》王槐斌吴建国周国平.华中科技大学出版社，2006
附录2Multisim简介
Multisim本是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，被美国NI公司收购后，更名为NIMultisim，而V10.0是其（即NI，NationalInstruments）最新推出的Multisim最新版本。
目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。
Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4个部分相互独立，可以分别使用。
Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4个部分有增强专业版（PowerProfessional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。
NIMultisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。
NIMultisim10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
NIMultisim10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。
NIMultisim10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
NIMultisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。
NIMultisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。
可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。
NIMultisim10有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。
另外，NIMultisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。
支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。
利用NIMultisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：
设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。
NIMultisim10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。
END
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