模电直流稳压电源的设计.docx

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模电直流稳压电源的设计

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

　　c．电压调整率≤%（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

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。

实验要求

设计任务

设计并制作交流变换为直流的稳定电源。

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

　　c．电压调整率≤%（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）

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

稳压电源的方案设计

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。

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~37V，最大输出电流为，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

Vz

Vz

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

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

DC-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。

整体电路图

图13

3.仿真与调试

稳压电源部分

输出电压的调试

1.最小输出电压为满足要求。

图14

2.中间可调。

图15

3.最大电压输出满足要求。

图16

纹波电压的调试,从图中可以看出纹波电压显示，远小于5mv，满足要求。

图17

稳流电源部分

输出电流的调试

1.最小输出电流，仿真的最小输出电流为，小于4mA满足要求。

图18

2.中间可调。

图19

3.最大输出电流为大于20mA，满足要求。

图20

转换器的调试

1.输入电压为9V时输出电压为满足要求。

图21

4.数据分析

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，满足要求9~12V可调。

2.纹波电压为。

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.输出电流为可调。

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稳压管）

1

固定电阻1K欧

1

固定电阻欧

2

固定电阻100欧

1

固定电阻900欧

1

固定电阻92欧

1

固定电阻欧

1

固定电阻欧

1

固定电阻欧

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