直流稳压电源毕业设计.doc

· 毕 业 设 计 (论 文)题 目：可调试直流稳压电源毕业设计 系 部： 电气工程系 专 业： 电气自动化 学生姓名： 刘明辉 班 级： 09213 学 号： 0921305 指导教师： 李芬 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2012年 05月 08 日 摘 要: 直流稳定电源按习惯可分为化学电源、线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：1.化学电源：平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。2.线性稳压电源：线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热,而且由于变压器工作在工频（50Hz)上,所以重量较大。该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品；缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。3.开关型直流稳压电源：电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹，功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态，开关电源因此而得名。开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般1%Vo(PP)，好的可做到十几mVPP或更小)。它的功率可自几瓦几千瓦均有产品。关键词: 直流稳定电压电路电压Key words: DC stabilized voltage circuitvoltage 目 录引言41. 设计目地及要求4.2. 功能电路整体分析42.1 电路模块分析.42.1.1电源变压器.42.1.2整流电路.42.1.3由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时52.1.4可调式三端集成稳压器53. 关于重要元件的的选择及参数计算63.1 稳压电源的设计步63.1.1选择集成稳压器，确定电路形式63.1.2选择电源变压器63.1.3选用整流二极管和滤波电容73.2 元件清单.73.3元件性能分析.83.3.1.色环电阻83.3.2桥式整流器83.3.3电解电容.83.3.4瓷片电容93.3.5LM317三端正电压稳压器93.4可调式直流稳压电源整体电路分析93.4.1整体电路图93.4.2整流电路103.4.3滤波电路114 仿真效果展示125 稳压电源各项性能指标的测试135.1 输出电压与最大输出电流测量135.2 稳压系数的测量145.3 输出电阻的测量145.4 纹波电压的测试145.5 纹波因数的测量146 结论157 谢辞168 参考文献17引言直流稳定电源按习惯可分为化学电源、线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：1.化学电源2. 线性稳压电源3. 开关型直流稳压电源。1 设计目的与要求1.1 本次设计的题目为“可调试直流稳压电源”1.2 在设计过程中应实现以下几点要求：1.输入电压为220V AC 输出为直流电压2.电压变化范围：312V3.连续可调1.3 主要技术指标要求：纹波电压的有效值UO5mV；稳压系数Sv3×10-2；电压调整率Ku3%；电流调整率Ki1%；2 功能电路整体分析若实现稳压电源，首先就要就电路进行稳压。在稳压方面可选用变压器来完成。由输入交流电压变为直流则须对电路进行整流。本次设计选用全波桥式整流电路进行整流。然后要对输入的电压进行调节。在调节方面。可选用可调节三端正电压稳压器进行调节（LM317）。通过整流后得电流幅值变化很大，所以需要用电容对电流进行滤波。然后输出即可。2.1 电路模块分析：电路模块分析：稳压>整流>调压>滤波>输出2.1.1电源变压器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。.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次级电压确定。电源变压器的效率为：21.2整流电路整流电路：在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UIoUI与交流电压u2的有效值u2的关系为：UI =(1.11.2)U2在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：URM=U2流过每只二极管的平均电流为：ID=其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：RC其中：T=20ms是50Hz交流电压的周期。2.1.3由于输入电压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。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。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。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，根据论文要求，本次选取的是可调式。2.1.4可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列中LM317三端稳压器；在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.237V，最大输出电流Iomax=1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为：UI-Uo=340V。3. 关于重要元件的的选择及参数计算稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。3.1 稳压电源的设计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UI，确定电源变压器次级电压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，计算查出变压器的效率，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。确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。按设计，性能指标要求为：Uo为312V纹波电压的有效值稳压系数Uov5mV，稳压系数SV3×10-23.1.1选择集成稳压器，确定电路形式集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：Uo1.237V，最大输出电流IoMAX为1.2A。3.1.2选择电源变压器由于CW317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)max=40V，故CW317的输入电压范围为：Uomax+( UI-UO)min)UIUomax+(UI-UO)max12V+3VUI3V+40V15VUI43VU2=13.6，取U2为15V变压器副边电流：I2IOmax=1.2A，取I2为1.5A.因此，变压器副边输出功率：P2I2U2=22W由于变压器的效率h=7，所以变压器原边输入功率为/h =30W，选用功率为30W的变压器。3.1.3选用整流二极管和滤波电容由于：URMU2=×14=19.8V，IOmax=1.2A。IN4001的反向击穿电压URM50V，额定工作电流ID=2AIOmax，故整流二极管选用IN4001。根据UO为312V纹波电压的有效值UO5mV稳压I0=常数T=常数系数Sv3×10-2，和公式 可求得：=0.005×14/12×3×10-3=1.94V所以，滤波电容：=0.8×1/50×0.5/1.94=0.004123即4123F电容的耐压要大于U2=×14=19.7V，故滤电容C取容量为4700F，耐压为25V的电解电容。3.2 元件清单注：制作实物所需其它设备：电烙铁 覆铜板 焊锡 漆包线 钳子等。3.3元件性能分析3.3.1.色环电阻电阻值计算示意图下如图所示：棕红橙黄绿兰紫灰白黑金银12345678905%10%3.3.2桥式整流器原理图： 桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路。用来将交流电转变成直流电。桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。 桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。 3.3.3电解电容电解电容是电容的一种，介质有电解液，涂层有极性，分正负，不可接错。电容(Electric capacity)，由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。一般不能用于交流电源电路，在直流电源电路中作滤波电容使用时，其阳极（正极）应与电源电压的正极端相连接，阴极（负极）与电源电压的负极端相连接，不能接反，否则会损坏电容器。3.3.4瓷片电容陶瓷电容无极性。陶瓷电容的容量一般较小，用于信号源滤波，可用于消除高频干扰3.3.5LM317三端正电压稳压器lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo1.25（1R2/R1）。仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。 首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo1.25V37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo1.25V45V），所以R2/R1的比值范围只能是028.6。 其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时（如图所示），没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。 在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。 3.4可调式直流稳压电源整体电路分析3.4.1整体电路图原理图PCB原理图3.4.2整流电路本设计采用单相桥式整流电路(桥堆KBP307)。其由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压u：的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。为达到这一目的，需要在Uz的正、负半周内正确引导流向负载的电流，使其方向不变，设变压器副边两端分别为a和b，则a为“+”b为“一”时应有电流流出a点，a为“一”b为“+”时应有电流流入a点；相反，a为“+”b为“一”时应有电流流入b点，因而a和b点均应接两只二极管，以引导电流，单相桥式整流电路+uoK如果桥式整流电路变压器副边中点接地，就应将两个负载电阻相连接且连接中点接地。根据桥式整流电路的工作原理，当a点为“+”b点为“一”时，Dl、D3导通，D2、D4截止，U01一L12，U02一一U2；而当b点为“+”a点为“一”时，D2、D4导通，D1、D3截止，U01一一U2，U02一U2，这样两个负载上就分别获得正、负电压。3.4.3滤波电路经过整流后的直流电幅值变化很大，会影响电万方数据路的工作性能。可利用电容的“通交流，隔直流”的特性，在电路中并人两个并联电容作为电容滤波器，滤去其中的交流成分。电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端(即负载电阻两端)并联一个电容即构成电容滤波电路。滤波电容容量较大，因此一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。如果将两个滤波电容相连接，且连接点接地，就可同时得到输出电压平滑的正负电源。在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压相等。而当其上升到峰值后开始下降，电容便通过负载电阻放电，其电压也开始下降，趋势与电容两端电压基本相同。4 仿真效果展示4.1关于示波器的原理和仿真说明 1.示波器介绍 示波器是一种多用途的现代测量工具，它可直接观察电型号的波形也能测定电压型号的幅度和周期及频率等参数。双踪示波器不仅能独立观察两种信号的波形，以便对他们进行对比和分析，还能测量两个信号之间的时间差和相位差。一切可以转化为电压的其他电学量和非电学量都可用示波器来进行观察。用示波器研究物理现象和规律已经成为一种物理试验方法。 4.2 仿真试验操纵方法 4.2.1 系统的启动 在系统主界面上选择“示波器”并单击，即可进入示波器仿真实验平台，显示平台主窗口实验室场景（图1）。单击鼠标右键可弹出实验主菜单，用鼠标单击菜单选项，即可进入相应的实验内容（若单击“退出”，则退出示波器实验）。图1 2.系统主菜单（1）示波器原理：单击主菜单上的“示波器原理”，打开示波器原理窗口。在窗口中单击鼠标右键，可弹出示波器触发方式选择菜单，如图2所示。分别选择不同的触发方式将显示示波器的成象原理，选择“退出”将返回示波器实验平台主窗口。（2）示波器方框图 选择主菜单的“示波器方框图”，弹出示波器方框图窗口，如图3所示。单击鼠标，将返回示波器实验平台主窗口。图3图2（3）实验内容 单击主菜单中的“实验内容”，将会弹出一个确认是否正式进行示波器实验的对话窗口。 单击“正式完成实验”按钮，正式完成实验。实验中的待测信号为随机产生，信号真实值将在做完实验后自动传入实验报告。单击“只做示波器练习”按钮，只做示波器练习，不记录数据。图4 在确认完是否正式完成示波器实验后，对话窗口消失，弹出一个示波器面板（图4）。面板上的按钮、开关的作用和真实示波器的旋钮、开关的作用是相同的。对面板上的旋钮、开关功能不清楚时，可将鼠标移动到该旋钮（或开关）的位置上，停留几秒种不动，系统将会给出该旋钮（或开关）的名称，此时按下F1键时，会得到相应的功能解释，如上图所示（以上操作时，若没有出现提示，请稍微移动一下鼠标位置）。 【校准示波器】 校准示波器的步骤是： (1) 调节示波器聚焦。在示波器使用前必须调节好聚焦。必须在校准示波器后，示波器才能用直接法准确测量信号。图5 (2) 如图5所示，在通道CH1输入校准信号。用鼠标点击校准信号输入口，则在通道CH1的输入端出现红色插头，表明校准信号已经接入CH1（同样当把垂直方式选择开关拨到CH2档处便可把校准信号接入CH2通道，校准通道CH2）。(3) 分别调节通道1的 V/DIV衰减开关，通道1的位移调整，同步（LEVEL）钮，水水平位移及×10扩展，水平时基开关调节扫速及细调开关。 【直接法测量未知信号电压】 可利用CH1，CH2中任意一路进行测量，现在以CH1为例说明测量过程（如图6）。 (1) 将鼠标移到CH1的INPUT处单击，弹出信号选择菜单，从中选取一个待测信号。当CH1的输入端出现黑色插头时，表明已经接入信号。 (2) 分别调节通道1的 V/DIV衰减开关，通道1的位移调整，同步（LEVEL）钮，水平位移及×10扩展，水平时基旋钮调节扫速，根据V/DIV和波形在示波器的格子数算出待测波形的电压。 【测量未知信号频率】 直接测量法： (1) 利用CH1，CH2中任意一路进行测量，现在以CH1为例说明实验过程。 (2) 将鼠标移到CH1的INPUT处单击，弹出信号选择菜单，从中选取一个待测信号。CH1的输入端出现黑色插头时，表明已经接入信号。 (3) 分别调节通道1的V/DIV衰减开关，通道1的位移调整，同步（LEVEL）钮，水平位移及×10扩展，水平时基旋钮调节扫速，根据水平时基刻度和格数算出待测波的频率。数据处理1整理观察波形时的记录，并绘出观察到的波形。2计算出被测信号的电压、频率等。 整体电路仿真效果图示波器仿真效果图5. 稳压电源各项性能指标的测试5.1 输出电压与最大输出电流测量一般情况下，稳压器正常工作时，输出电压与最大输出电流的测试测试电路如图其输出被测电流IO要小于最IO大输出电流IOmax，取IO=0.5A，可算出RW=18，工作时RW上消耗的功率为：PL=UOIO=9×0.5=4.5W。故Rw取额定功率为5W，阻值为18的电位器。测试时，先使Rw=18，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是UO。然后慢慢调小RW，直到UO的值下降5%，此时流经RW的电流就是Iomax，记下Iomax后，要马上调大Rw的值，以减小稳压器的功耗。5.2 稳压系数的测量按图5所示连接电路，在U1=220V时，测出稳压电源的输出电压UO。然后调节自耦变压器使输入电压U1=242V，测出稳压电源对应的输出电压UO1；再调节自耦变压器使输入电压U1=198V，测出稳压电源的输出电压UO2则稳压系数为：·5.3 输出电阻的测量按图5所示连接电路，保持稳压电源的输入电压U1=220V，在不接负载Rw时测出开路电压Uo1，此时Io1=0，然后接上负载Rw，测出输出电压Uo2和输出电流Io2，则输出电阻为：5.4 纹波电压的测试用示波器观察Uo的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量Uop-p的值（约几mV）。5.5 纹波因数的测量输出电压的直流分量的有效值输出电压交流分量的有效值用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值，用万用表（或数字万用表）的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。则纹波因数为： 结论本次课程设计涉及到所学的电路及模拟电路知识。在学习方面，通过查阅书籍，网上资料等方法了解了相关的电路知识并巩固了所学的电子知识。在实物制作过程中，通过对元件的选购了解了一些相关元件的性能、作用、价格以及购买地点等信息。例如在元件方面学习到色环电阻的计算、LM317的性能原理、电容在电路中的作用等等。制作过程涉及到电焊、组装，进而强化了动手能力。谢 辞本毕业论文是在我的导师李芳老师的亲切关怀并严格要求、悉心指导下完成的，从论文选题到完成，每一步老师都给了我不懈的支持以及严格的批评。她严谨的科学态度、治学精神以及丰厚的学识、开阔的艺术眼界感染着我，我忘不了老师“尊重传统、广博专精、激励创造、培养个性”的良言教诲。三年来，她不仅是一位严师，在学业上给予我们指导，也是一位慈祥的长者，在生活及思想上给予我们关心，在此向我的恩师致谢，您辛苦了！参考文献1石生.电路基本分析M.高等教育出版社，2007年2葛中海.模拟电子技术M机械工业出版社，2011年3李源生.全国高职高专应用型规划教材J北京大学出版社，2011年- 23 -