设计制作一串联型连续可调直流稳压正电源电路可行性报告.docx
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设计制作一串联型连续可调直流稳压正电源电路可行性报告
设计制作一串联型连续可调直流稳压正电源电路可行性报告
摘要
当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。
大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。
当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。
超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。
通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。
袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。
不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。
可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备，我们的生活也就不会这么丰富多彩了。
电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。
随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。
随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。
电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。
只有满足产品标准，才能够进入市场。
随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。
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。
目录
《模拟电路》课程设计任务书1
摘要2
一、设计任务与要求4
1.1稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求4
二、电路与原理分析与方案设计5
2.1电路设计5
2.2方案论证与比较6
三、单元电路分析与设计7
3.1基本方案介绍7
3.2单元电路分析7
3.2.1变压电路7
3.2.2整流电路8
3.2.3滤波电路10
3.2.4稳压电路12
3.3元件电路参数计算13
四、总原理图和仿真15
五、安装与调试及性能测试与分析16
六、结论与心得16
七、附录21
原件清单21
参考书目21
一、设计任务与要求
1.1稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求
（1）稳定性好
当输入电压U（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压Uo的变化应该一般要求很小。
由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数Sr来表示，Sr的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。
在同样的输入电压变化条件下，Sr越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。
通常情况下Sr约为10-2~10-4。
（2）.输出电阻小
负载变化时（从空载到满载），输出电压Uo，应基本保持不变。
稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。
输出电阻（又叫等效内阻）用r表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。
r反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，r越小，则电压变化时输出电压的变化也越小。
性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至0．01欧。
（3）.电压温度系数小
当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。
良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示。
（4）.输出电压纹波小
所谓纹波电压，是指输出电压中50Hz或100Hz的交流分量，通常用有效值或峰值表示。
经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数Sr。
1.2串联型连续可调直流稳压正电源的设计要求
设计要求：
（1）输出直流电压1.5V～10V可调；
（2）输出电流Iom=300mA（有电流扩展功能）；
（3）稳压系数Sr≤0.05；
（4）具有过流保护功能。
二、电路与原理分析与方案设计
2.1电路设计
根据目前所学知识，主要有以下两种设计方法
（1）晶体管串联式直流稳压电路
电路框图如图1所示的串联型稳压电路，稳压部分由取样电路、基准电路、比较放大和调整电路等部分组成。
其中R4、R6和RP组成取样电路，R4、R6和Rp为取样电阻；R1和D2组成基准电压电路，放大器是比较放大电路，R2和Q3的作用是限流保护电路，Q1、Q2两个晶体管合起来组成调整管，起调整作用。
稳压过程如下：
当输出电压Uo发生变化时，通过取样电路把Uo的变化量取样加到放大管V2的基极。
而由R1和Vz组成的基准电路为V2的发射极提供基准电压Uz。
由R2、晶体管和放大器组成的放大电路把取样电压和基准电压进行比较放大后，输出调整信号送到调整管的基极，控制调整管进行调整，以维持Uo基本不变。
图1晶体管串联型稳压电路
（2）采用三端集成稳压器
如图2所示，采用输出电压可调且内部有过载保护功能的三端集成稳压器（LM317），输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从1.5V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。
图2三段集成稳压电路
2.2方案论证与比较
方案一：
结构简单，用的元器件大多是常用的，容易实现，技术成熟，能够达到技术参数的要求，用的元器件大多是常用的，造价成本不会高，但电路复杂，元器件太多，不利于实际操作，且精确度不太高；
方案二：
稳压部分需采用一块三端稳压器其他分立元器件，元器件先进，技术成熟，完全能达到题目要求，虽成本比方案一高点，但精确度较方案一高，且电路没那么复杂。
所以，综合考虑，选择方案二较好。
三、单元电路分析与设计
3.1基本方案介绍
本电路包括四部分：
变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路。
变压电路：
本电路使用的降压电路是单相交流变压器，选用电压和功率依照后级电路的设计需求而定。
整流电路：
整流电路的主要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向的直流电。
但是这种直流电的幅值变化很大。
它主要是通过二极管的截止和导通来实现的。
常见的整流电路主要有半波整流电路、桥式整流电路等。
我们选取桥式整流电路实现设计中的整流功能。
滤波电路：
采用电容滤波电路。
由于电容在电路中也有储能的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑。
由于本电路后级是稳压电路，因此可以使用电容滤波电路进行简单滤波。
稳压电路：
因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。
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。
其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。
3.2单元电路分析
3.2.1变压电路
变压电路由电源变压器组成，变压器电路原理图及其波形变换如图3所示，变压器的功能是交流电压变换部分，作用将电网电压变为所需的交流电压，即将直流电源和交流电网隔离。
图3变压器及其波形变换
变压器的工作原理如图4所示
图4变压器工作原理图
3.2.2整流电路
由于本次设计选择的是桥式整流电路，所以在此只讨论桥式整流电路的特性
（1）电路图：
如图5所示，二极管D1、D2、D3、D4四只二极管接成电桥的形式。
图5桥式整流电路
（2）工作原理：
在V2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，通过D1、D3给RL提供电流，方向由上向下，图5中实线所示；在V2的负半周期，D2、D4D导通，D1、D3截止，通过D2、D4给RL提供电流，方向由上向下，图5中虚线所示。
（3）
整流以后的波形图（图6）
图6整流前与整流后的波形图
（4）参数计算
①整流以后输出的电压值
②整流以后流过负载的平均电流：
Io=Vo／RL≈0.9V2／RL
③流过整流二极管的平均电流：
Id=0.45V2／RL
④整流二极管最大反向电压：
Vd=1.414V2
⑤二极管的选择：
最大整流电流I必须大于实际流过二极管的平均电流IdI：
I＞Id=0.45V2／RL
二极管的最大反向工作电压V必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压Vd：
V＞Vd=1.414V2
3.2.3滤波电路
作用：
对整流电路输出的脉动直流进行平滑，使之成为含交变成份很小的直流电压。
说明：
滤波电路实际上是一个低通滤波器，截止频率低于整流输出电压的基波频率。
本次设计用的是电容滤波电路。
①电路组成：
如图7所示（桥式整流、电容滤波）
图7电容滤波电路
②电容滤波原理：
电容是一个能储存电荷的元件。
有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。
在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。
时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。
③工作原理及其作用后波形图（图8、图9所示）：
图8滤波前后的波形图
Ⅰ、负载未接入（开关S断开）时：
设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当V2为正半周时，V2通过D1、D3向电容C充电；V2为负半周时，经D2、D4向电容C充电。
充电时间常数为：
C=RintC。
其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。
由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压V2的最大值V2，由于电容无放电回路，故输出电压（电容C两端的电压）保持在V2不变。
Ⅱ、1、接入负载RL（开关S合上）时：
设变压器副边电压V2从0开始上升时接入RL，由于电容已到V2，故刚接入负载时，V2＜VC，二极管在反向电压作用下而截止，电容C经RL放电，放电时间常数为：
d=RLC。
因d一般较大，故电容两端电压Vc（即Vo）按指数规律慢下降（图中a,b段）。
2、当V2升至V2＞VC时，二极管D1、D3在正向电压作用下而导通，此时V2经D1、D3一方面向RL提供电流，一方面向C充电（接入RL后充电时间常数变为C=RL//RintC≈RintC）。
VC将如图中b、c段所示。
3、3、当V2又降至V2＜VC时，二极管又截止，电容C又向RL放电，如图中c、d段所示.电容如此周而复始充放电，就得到了一个如图所示的锯齿波电压Vo=VC，由此可见输出电压的波动大大减小。
4、为了得到平滑的负载电压，一般取d=RLC≥（35）T/2（T为交流电周期20ms）此时：
Vo=（1.1～1.2）V2。
图9电容滤波时的波形变化
3.2.4稳压电路
稳压可用稳压管也可用三端集成稳压管，但由于稳压管没有过流过热等保护功能，且设计要求要实现连续可调电压，所以选用可调式三端稳压器较为好。
①三端集成稳压器的特点：
随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。
最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。
三端集成稳压器只有三个端子，安装和使用都很方便。
②三端可调式集成稳压器
三端可调集成稳压器克服了固定三端稳压器输出电压不可调的缺点，继承了三端固定式集成稳压器的诸多优点。
三端可调集成稳压器LM317是一种悬浮式串联调整稳压器。
外形如图所示（图10）。
LM317
图10LM317的外形图
说明：
1端是调整端；2端是输出端；3端是输入端
LM317的典型应用电路（图11）
图11LM317的典型应用电路
为了使电路正常工作，一般输出电流不小于5mA。
输入电压范围在2～40V之间，输出电压可在1.25～37V之间调整。
负载电流可达1.5A，由于调整端的输出电流非常小（50μA）且恒定，故可将其忽略，那么输出电压可用如下表示：
Vo=（1＋R2／R1）×1.25V
式中，1.25V是集成稳压器输出端与调整端之间的固定参考电压；R1取值120～240Ω（此值保证稳压器在空载时也能正常工作），调节RP可改变输出电压的大小（RP取值视RL和输出电压的大小而确定）。
3.3元件电路参数计算
①稳压管的选择
选用LM314可调集成稳压管，其特性参数为Vo=1.2V~37V，Iomax=500mA，最小输入、输出压差（Vi-Vo）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-Vo）max=40V。
组成的稳压电源电路如图12所示。
由计算得Vo≈1.25（1+RP1/R1），取R1=40欧，R2=200欧，故取RP1为1.36千欧的精密线绕可调电位器。
图12设计的电路图及相应的参数数据
②选电源变压器：
输入电压的范围为（13～41.5）V。
故选匝数比为17:
1的就行。
③选整流二极管及电容：
整流电路选整流桥1B4B42，电容的选择见电路图12,
④三极管、二极管：
由于实验室无图12所示型号的三极管故用3DG130代替、二极管都用1N4007。
1N4007额定电流1A，最大反向电压100V。
3DG130的Icm=300mA，
四、总原理图和仿真
总原理图（图12所示）
图12总原理图
仿真图：
（图13所示）
图13仿真图
五、安装与调试及性能测试与分析
安装与调试
①根据图12所示总原理图绘制出装配电路图，标清楚各元件的位置
②根据图12所示原理图列出元件清单，备好元件，检查各元件的好坏。
③正确识读LM317的引脚，根据装配图完成可调输出的三端集成稳压器组成的稳压电源安装，如图14所示。
图14焊接好的电路板
④焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试。
⑤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。
⑥按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。
⑦调节电位器Rp，测量输出电压的变化范围是否在1.5V～10V之间。
若不是，分析原因，找出故障，排除之。
测试与分析
①测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。
②测量输出电阻Ro。
③测量稳压系数。
用改变输入交流电压的方法，模拟Ui的变化，测出对应的输出直流电压的变化，则可算出稳压系数Sr（注意：
用调压器使220V交流改变±10％。
即ΔUi=44V）
④用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察、记录其波形。
⑥分析测量结果，并讨论提出改进意见。
此电路的误差分析：
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
①测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;
②电流表内阻串入回路造成的误差;
③测得纹波电压时示波器造成的误差;
④示波器,万用表本身的准确度而造成的系统误差;
可以通过以下的方法去改进此电路:
①减小接触点的微小电阻;
②根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正;
③测得纹波时示波器采用手动同步;
④采用更高精确度的仪器去检测;
六、结论与心得
经过自己独立自主的设计电路，自己翻阅查找各种资料，我不仅学到了关于集成流稳压电源有关的知识，更加了解了三端稳压器，而且增强了自己运用书本所学的理论知识到实践中的能力，使自己对模拟电路充满了兴趣，增加了我对模拟电路学习的热情。
在课程设计过程中，有很多不懂的问题，通过与指导老师的沟通及向同学的请教，终于完成了课程设计的要求的电路图部分和仿真部分。
通过自己预先设计的电路，然后再参考一些书籍上的电路并经过修改和创造，设计成了最终符合要求的电路原理图，并进一步了解和学习了整个电路的各个部分的具体工作原理，达到了理论的要求。
最后用Multisim软件对电路图进行了部分仿真。
经过对前面部分电路的仿真我掌握了仿真的具体方法。
总的来说我对仿真的结果还算是比较满意。
这次的设计实验我不仅进一步学习了稳压电路的原理和设计，以及对电路的更深一步的了解，特别是掌握了仿真的方法，学会了仿真软件的应用，获益匪浅。
经过这次的课程设计我收获了很多，也学习到了很多有关专业方面的知识！
在这次的实验设计过程中，我初步掌握了直流稳压电源的调试方法，学会了直流稳压电源电路的安装及使用，同时也熟悉了电子技术设计的一些基本方法和技巧，收获颇大。
希望以后能将自己设计的直流稳压电源运用到实际应用中去。
虽然在这次的实验设计和参数的确定以及试验结果的测试的过程当中也遇到了一些困难和迷惑，但是通过查阅相关的资料和书籍，并且跟同学互相探讨和研究，基本上解决了所遇到的问题。
但是由于对专业知识具备的不足，所以在设计好的电路中难免会存在一定的差错，而且由于对很多电子器件的实际性能和型号的不了解会在选择器件的时候选不到最好的器件使电路工作在最佳状态，所以试验结果可能与理论值相差较大，但是经过我的调试尽量使实验结果与理论值间的差别减小到最小，从而达到了试验的基本要求。
综上所述，在本次的课程设计中，遇到了一些困难。
但是，经过上网查阅和借书查阅，我克服了困难，也学习到了很多与专业相关的知识，虽然自己的专业知识仍然有所欠缺，设计的电路图可能会有一些不确切的地方，但是通过这次设计我新学到了很多，我觉得很值得。
因为这是第一次单独设计，难免会出现错误和不足，但在整体上我还是比较满意的，因为这是我自己的劳动成果。
在此，十分感谢老师对我们的指导。
七、附录
原件清单
序号
元件名
型号
数量
1
稳压管
LM317
1
2
桥堆
1B4B42
1
3
变压器
17:
1
1
4
二极管
1N4007
2
5
三极管
3DG130
1
6
电容
470uF
1
7
电容
470nF
1
8
电容
10uF
1
9
电容
1.0uF
1
10
滑动变阻器
1.36kΩ
1
11
电阻
200Ω
1
12
电阻
40Ω
1
升级会员 