可调温压直流电源doc.docx
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可调温压直流电源doc
课程设计说明书
题目：
可调直流稳压电源设计
课程名称：
模拟电子技术基础
学院：
电子信息与电气工程学院
学生姓名：
学号：
专业班级：
指导教师：
2013年6月7日
课程设计任务书
设计题目
可调直流稳压电源设计
学生姓名
所在学院
电子信息与电气工程学院
专业、年级、班
自动化2011级
1班
设计要求：
1、设计制作一个可调直流稳压电源电路；
2、输入电压为220V的交流电压，频率为50Hz；
3、输出直流电压为1.25V~15V可调；
4、最大输出电流为Iomax=1A；
5、纹波电压小于10mA，稳压系数Sr小于5％。
学生应完成的任务：
设计一个可调直流稳压电源电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。
利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。
根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。
参考文献：
[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2005.
[2]秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京：
北京大学出版社，2012.
[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：
高等教育出版社，2006.
[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：
高等教育出版社，2005.
工作计划：
5月27日—29日完成原理图的设计；
5月29日—31日进行PCB设计；
6月3日—4日制作PCB板；
6月5日—7日电路板安装与调试，提交课程设计报告。
任务下达日期：
2013年5月27日
任务完成日期：
2013年6月7日
指导教师（签名）：
学生（签名）：
可调直流稳压电源设计
摘要：
首先介绍变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路的原理。
再由变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源。
已知输入电压为220V的交流电压，频率为50Hz，要求稳压电源输出直流电压为1.25V~15V并且可调，此外最大输出电流为Iomax=1A，纹波电压小于10mA，稳压系数Sr小于5％。
在这个过程我们通过使用Multisim软件仿真，再经过AltiumDsigner设计出电路板。
最后焊接，调试，给出实验结果。
关键词：
可调直流稳压电源；变压器；二极管单相桥式整流；电解电容滤波
1.设计背景……………………………………………………………1
1.1设计需求…………………………………………………………1
1.2设计目的…………………………………………………………1
2.设计方案……………………………………………………………1
2.1直流稳压电源的基本组成………………………………………1
2.2电源变压器……………………………………………………………2
2.3整流电路…………………………………………………………2
2.4滤波电路…………………………………………………………4
2.5稳压电路…………………………………………………………6
3.方案实施……………………………………………………………9
3.1设计步骤…………………………………………………………9
3.2实际采用电路图…………………………………………………9
3.3AltiumDesigner设计结果……………………………………10
4.结果与结论………………………………………………………10
4.1Multisim仿真结果……………………………………………10
4.2AltiumDesigner设计结果…………………………………11
4.3结论………………………………………………………………11
5.收获与致谢………………………………………………………12
5.1收获………………………………………………………………12
5.2致谢………………………………………………………………12
6.参考文献…………………………………………………………12
7.附件…………………………………………………………………12
7.1所需原清单……………………………………………………………13
7.2实物拍摄………………………………………………………………13
1.设计背景
1.1设计需求
直流稳压电源是指能为负载提供稳定直流电源的电子装置。
它的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。
直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。
提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。
直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。
1.2设计目的
在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。
这里所介绍的直流电源为单相小功率电源，是将频率为50Hz.有效值为220V的单相交流电源电压转换成幅值稳定.
2.设计方案
2.1直流稳压电源的基本组成
单相交流电经过电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压的直流电压，其方框图及各电路的输出电压波形如图所示，下面就各部分的作用加以介绍。
图1直流稳压电源的方框图
直流稳压电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。
变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。
变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图所示。
可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作。
为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。
理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。
然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。
对于稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。
交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。
稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。
2.2电源变压器
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Ui。
实际上，理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。
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。
根据输出电压的范围，可以令变压器副边电压为22V，即变压系数为0.1。
2.3整流电路
分析整流电路，就是弄清电路的整流原理，求出主要参数，并确定整流电路二极管的极限参数。
先以下图所示的单项半波整流电路为例说明整流电路的分析方法及其基本参数。
（a）（b）
图2半波整流
（a）半波整流电路（b）半波整流波形图
1.半波整流
整流电路如图2所示，其输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值Uo（AV）。
从图3所示波形图可知，当t=0～π时，Uo=
U2sint;当t=π～2π时，Uo=0。
所以，求解Uo的平均值Uo（AV），就是将0～π的电压平均在0～2π时间间隔之中，如图3所示，
负载电流的平均值:
Io（AV）=Uo（AV）/RL
（1）二极管的选择
a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即IF＞IDO=ULO/RL=0.45U2/RL
b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=
U2
单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。
但是由于它只是利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。
因此，这种电路仅适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。
2.全波桥式整流电路
为了克服单相半波整流电路的特点，在使用电路中多采用单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。
如图3所示
图3全波桥式整流电路
设变压器次级电压U2=U2msint=
U2sint，其中U2m为其幅值，U2为有效值，负载电阻为100Ω。
在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。
U2和UL的波形如图4所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。
由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为
图4全波整流电路的波形
UOL=2U2m/=
U2≈0.9U2=0.9×22≈20V
（1）全波整流电路中的二极管安全工作条件为：
a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。
由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有IF＞IDO=0.5ULO/RL=0.45U2/RL=0.45×20/100≈90mA
b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=
U2=1.4×20=28V
单相桥式整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用高、脉动小等优点，因此得到广泛的应用。
它的主要缺点是所需二极管的数量比较多，由于实际上二极管的正向电阻不为零，必然使得整流电路内阻较大，当然损耗也就比较大。
2.4滤波电路
电容滤波电路是最常见的也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路，如图5所示：
（a）
（b）（c）
图5单相桥式整流电容滤波电路
（a）Multisim仿真电路图，（b）实际电路图（c）波形图
该电路工作原理：
设U2=U2msint=
U2sint，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向RL供电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很快充满电荷，使电容两端电压UC基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。
现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升，因为此时电容上电压UC基本接近U2m，因此U2＜UC，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过RL放电，由于放电时常数d=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，UC下降很少。
与此同时，U2仍按
U2sint的规律上升，一旦当U2＞UC时，D1、D3导通，U2对C充电。
然后，U2又按
U2sint的规律下降，当U2＜UC时，二极管均截止，故C又经RL放电。
同样，在U2的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。
这样在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压UL=UC，使负载电压的纹波大为减小。
由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：
a）RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。
为了得到平滑的负载电压，一般取RLC≥（3～5）T/2式中，T为交流电源电压的周期。
由上式可以解得C=（3～5）T/2RL≈400μF
b）RL越小输出电压越小。
若C值一定，当RL∞，即空载时有ULO=
U2≈1.4U2。
当C=0，即无电容时有ULO≈0.9U2。
当整流电路的内阻不太大（几）和电阻RL电容C取值满足上式时，有ULO≈（1.1～1.2）U2
总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合
2.5稳压电路
虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生相反的变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。
因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。
为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。
1.简单稳压电源
稳压二极管组成的稳压电路如图6所示：
图6稳压二极管组成的稳压电路
稳压管稳压的原理实际上是利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基本不变的特点而实现的。
当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压管中的电流也将随之同步变化，结果输出电压基本不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压管中的电流却随之作反向变化，结果仍是输出电压基本不变。
显然，稳压管反向击穿特性曲线越陡峭，稳压特性越好。
下面讨论R的取值范围。
参见图7，设为保证稳压作用的所需的流过稳压二极管的最小电流为Izmin，为防止电流过大从而造成损坏所容许的流过稳压二极管的最大电流为Izmax，即要求Izmin＜Iz＜I2max。
当UI最大和RL开路时，流过稳压二极管的电流最大，此时应有
；当UI最小（不小于Uz）和RL最小（不允许短路）时，流过稳压二极管的电流最小，此时应有
。
即
一般来说，在稳压二极管安全工作的条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。
稳压管稳压电路的优点是电路简单，所用元器件少；但是，因为受稳压管自身参数的限制，其输出电流较小，输出电压不可调，因此只适用于负载电流较小，负载电压不变的场合。
2.三端集成稳压器电路
集成稳压器与简单稳压电路相比其电路结构简单，它可以通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。
并且内部有过热保护、过流保护等保护电路，可以很安全的保护电路的正常工作。
图7时由LM317组成的基准电压源电路，电容Co用于消除输出电压中的高频噪音，可取小于1μF的电容。
输入端和调整端之间的电压时非常稳定的电压，其值为1.25V。
输出电流可达1.5A。
图7由LM317组成的稳压电路
由于调整端的电流可忽略不计，输出电压为
Uo=（1+R2/R）×1.25V
为了减少R2上的纹波电压，可在其上并联一个10μF电容C。
但是，在输出开路时，C将向稳压器调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D2，提供一个放电回路，D1,D2起保护作用。
如图8所示：
图8加保护二极管的电路
由于设计要求电压从零开始调起，LM317集成稳压器不能直接满足要求，需要设计一个电压补偿电路来抵消LM317的1.25V最小输出电压，如图9所示，
图9电压补偿电路
电压补偿电路由R3和二极管D组成，其输出电压Uo=U-UD,其中，U为LM317的输出端电压，UD为二极管D的正向压降。
UD即为补偿电压。
其值略大于LM317的基准电压（1.25V），这里用两只串联的硅材料整流二极管的导通压降来实现。
当调节R2减少,使U3达到与UD相等时,输出电压即为0V。
之后,当调节R2逐渐增大时,U0即由0V开始增大。
由于负载电流流过D,故D的最大工作电流应能适应负载电流的要求。
上图中输出电压的表达式为：
Uo=（1+R2/R1）×1.25-1.4。
由于LM317工作时必须大于其最小工作电流，所以一般R1小于240Ω,在此令R1=100Ω，根据上式可以求出R2max≈1.5KΩ。
3.方案实施
3.1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。
2.电路安装、调试
（1）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。
（2）重点测试稳压电路的稳压系数。
（3）将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。
3.2实际采用电路图
图10Multisim仿真图
3.3AltiumDesigner原理图
图11AltimDesigner原理图
4.结果与结论
4.1Multisim仿真结果
图12是当P1开关闭合，电路是固定直流电压源，输出电压理论值为5V。
图12P1闭合固定电源输出
图13 是当P2开关闭合，电路是固定直流电压源，输出电压的理论值为12V。
图13P2闭合固定电源输出
图14是当P3开关闭合，电路是连续可调直流输出电压源，输出范围理论值为1.25～15V
（a）（b）
图14连续可调电路
（a）输出电压最大值（b）输出电压最小值
4.2AltiumDesigner设计结果
图15pcb图
4.3结论
直流电源为单相小功率电源，是将频率为50Hz.有效值为220V的单相交流电源电压转换成幅值稳定的直流源。
稳定值分别为5.04V.11.99V。
以及连续可调稳压直流源，其输出电压最大为15.50输出最小电压为1.27V。
电流为几十的直流电流。
5.收获与致谢
5.1收获
鉴于是第一次设计做板，所以作品也不是非常的好，以后有时间还是会多做，尽量的做出最好的。
这一次的课程设计是一次理论与实际相结合的具体体现。
它使我受益非浅：
1、它锻炼及培养了我的耐性，将会让我做每一件事情都会耐心地对待；2、经过这次课程设计，我学会了如何使用Protel绘制原理图以及导入PCB图，增强了我自学的信心；它培养了我的动手能力（在这次设计之前我都是很少自己动手做设计的），让我对动手产生了更大的兴趣；4、它让我认识到了：
成功地制板的严格工序，它的每一步都必须严格地按要求实际操作；5、它也让我懂得了仔细检查的重要性，也增强了我的细心度；6、从中我深深地体会到动手能力对于我们专业的重要性，也验证了实践才是检验真理的唯一标准的正确性。
5.2致谢
非常感谢本系导师为我们安排了这次课程设计，让我们不仅深化理解了所学的课程，更加让我们获得了自己动手的能力，也让我们敢于去自己动手做些东西。
与此同时也让我们知道了自己知识储备的不足。
感谢张天鹏老师和李琪老师对我们的这次课程设计的整体安排和耐心指导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，教会我对DXP和Multisim的使用，以及搭档在设计原理图中所做的帮助，我再次表示深深的感谢！
也感谢我的合作伙伴的团结协助。
6.参考文献
[1]童诗白.《模拟电子技术基础》[M].北京：
高等教育出版社，2005.
[2]秦长海，张天鹏，翟亚芳.《数字电子技术》[M].北京：
北京大学出版社，2012.
[3]邱关源，罗先觉.《电路（第五版）》[M].北京：
高等教育出版社，2006.
[4]阎石.《数字电子技术（第五版）》[M].北京：
高等教育出版社，2005.
7.附件
7.1所需器件清单
表1元器件清单
原件标号
名称
型号与规格
数量
备注
T
变压器
24V
1个
D1.D2.D3.D4
二极管
IN4007
4个
C1
极性电容
2200μF
1个
C3
极性电容
1μF
1个
C4
极性电容
μF
1个
C2
无极性电容
330nF
1个
C5
无极性电容
330nF
1个
R1
电阻
700Ω
1个
R2
电阻
2KΩ
1个
R3
电阻
240Ω
1个
R4
电位器
5KΩ
1个
USB
USB母口
1个
LM317T
三端稳压器
LM317T
1个
7.2实物拍摄
图16实物图
指导教师评语：
课程设计报告成绩：
，占总成绩比例：
40％
课程设计其它环节成绩：
环节名称：
原理设计，成绩：
，占总成绩比例：
20％
环节名称：
PCB设计，成绩：
，占总成绩比例：
20％
环节名称：
安装调试，成绩：
，占总成绩比例：
20％
总成绩：
指导教师签字：
年月日
本次课程设计负责人意见：
负责人签字：
年月日
升级会员 