可調直流穩(wěn)壓電源(課程設計).doc

電子技術課程設計 學 院： 工學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動 班 級： 1303班 姓 名： 某某某 學 號： 2222222222 指導教師： 2015年12月7日工學院課程設計評審表學生姓名某某某專業(yè)機械設計制造及其自動化年級2013級學號設計題目可調直流穩(wěn)壓電源評價內容評價指標評分權值評定成績設計目的及設計方案有扎實的基礎理論知識和專業(yè)知識；能正確設計實驗方案；獨立進行實驗工作；能對課題進行理論分析，得出有價值的結論。選題合理、目的明確。設計方案正確，具有可行性、創(chuàng)新性。20課程設計結果論文結果有應用價值；圖紙繪制符合國家標準，質量符合要求；工作中有創(chuàng)新意識；對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。（電子CAD 圖紙、測試或仿真數據、在試驗箱上搭建電路或用電路板制作產品）計算及測試結果準確；能正確處理實驗數據。30課程設計態(tài)度準時到課，按期完成規(guī)定的任務，工作量飽滿；工作努力，遵守紀律；工作作風嚴謹務實。態(tài)度認真、學習刻苦。10課程設計報告實驗正確，分析處理科學；文字通順，技術用語準確，符號統一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確；設計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于3篇）。20答辯能運用所學知識和技能去發(fā)現與解決實際問題；綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；20合計100指導教師評語電子技術課程設計任務書設計題目： 電壓可調的直流穩(wěn)壓電源的設計指 導老 師參 加學 生設 計目 的（1）加深對理論知識的理解。（2）學習電子產品設計、制作、調試的一般方法和步驟。（4）掌握設計說明書的撰寫規(guī)范。（5）體會工程實踐與理論學習的異同。設 計內 容利用三端可調式集成穩(wěn)壓器LM317設計一個電壓可調的直流穩(wěn)壓電源。主要技術指標：（1）輸入電壓：單相交流220V10%（2）額定輸出電壓：DC 59V（3）額定輸出電流：1A制作PCB并安裝調試。設 計要 求（1）除了已給參數，電路結構及其他參數自己計算、選定。（2）完善電路，使之更接近實用。如：增加短路保護、防輸入振蕩、LED指示等。（3）為簡化設計可不考慮LM317的散熱設計。（4）報告包括：設計過程（設計任務及要求、設計思路、主要器件介紹、參數計算、原理圖）、原理說明、元件明細表、PCB圖、產品照片、實驗數據、波形及對數據、波形的分析、結論。摘要隨著科技的發(fā)展，電氣、電子設備已經廣泛的應用于日常、科研、學習等各個方面。電源作為電氣、電子設備必不可少的能源供應部件，需求日益增加，而且對電源的功能、穩(wěn)定性等各項指標也提出了更高的要求。對電源的研究和開發(fā)已經成為新技術、新設備開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，在推動科技發(fā)展中起著重要作用。本設計主要用串聯型穩(wěn)壓電路設計直流穩(wěn)壓電源，通過相關知識計算出各電路中各個器件的參數，使電路性能達到設計要求中的電壓調整率，電流調整率，負載調整率，紋波電壓等各項指標。16目 錄摘要I1緒論11.1電源技術11.2電源的分類12設計過程22.1設計目的22.2設計任務及要求22.3直流穩(wěn)壓電源設計思路22.4設計原理22.4.1直流穩(wěn)壓電源的基本原理22.5電路相關元件及電路指標簡介42.5.1 LM317集成穩(wěn)壓器的特性簡介42.5.2串聯型穩(wěn)壓電路的主要特點52.6.1選擇整流電路中的二極管62.6.2選擇集成三端穩(wěn)壓器62.6.3確定R1、R2的阻值72.6.4濾波電路中濾波電容的選擇82.7設計電路圖82.8元件明細表93組合硬件電路的調試及改進103.1輸出電壓113.2紋波電壓的測試113.3電源內阻的測量124結論135設計心得體會14致謝15參考文獻16可調直流穩(wěn)壓電源1緒論1.1電源技術電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。當今電源技術融合了電氣、電子、系統集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產生的誤差，會影響整個系統的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產品提出了不同要求并制定了一系列的產品精度標準。只有滿足產品標準，才能夠進入市場。隨著經濟全球化的發(fā)展，滿足國際標準的產品才能獲得進出的通行證。1.2電源的分類電源可分為交流電源和直流電源，它是任何電子設備都不可缺少的組成部分。交流電源一般為220V、50Hz電源，但許多家用電器設備的內部電路都要采用直流電源作為供電能源，如收音機、電視機、帶微處理器控制的家電設備等都離不開這種電源。直流電源又分為兩類：一類是能直接供給直流電流或電壓的，如電池、蓄電池、太陽能電池、硅光電池、生物電池等，本文不做具體介紹；另一類是將交流電變換成所需的穩(wěn)定的直流電流或電壓的，這類變換電路統稱為直流穩(wěn)壓電源?，F在所使用的大多數電子設備中，幾乎都必須用到直流穩(wěn)壓電源來使其正常工作，而最常用的是能將交流電網電壓轉換為穩(wěn)定直流電壓的直流電源，可見直流穩(wěn)壓電源在電子設備中起著主要作用，為設備能夠穩(wěn)定工作提供保證。220V、50HZ的單向交流電源經電源變壓器降壓后，再經過整流濾波可獲得低電壓小功率直流電源。然而，由于電網電壓可以有10%變化。為此必須將整流濾波后的直流電壓由穩(wěn)壓電路穩(wěn)定后再提供給負載，使負載上直流電源電壓受上述因素的影響程度達到最小。直流電源電壓系統一般由四部分組成，它們分別是電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。2設計過程2.1設計目的1、學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經驗，掌握模擬電路設計的基本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調試能力。2、學會直流穩(wěn)壓電源的設計方法和性能指標測試方法。3、培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。2.2設計任務及要求1、輸入電壓：單相交流220V10%2、額定輸入電壓DC 59（v）3、輸出的輸出電流I0=1A2.3直流穩(wěn)壓電源設計思路1、電網供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網電壓降低獲得所需要交流電壓。2、降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動大）。3、脈動大的直流電壓須經過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。4、濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給電壓表。2.4設計原理 2.4.1直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩(wěn)壓輸出的直流電的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成。一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如下：其中， 1、電源變壓器：是降壓變壓器，它的作用是將220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器的變比由變壓器的副邊按確定，變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=n，式中n是變壓器的效率。2、整流電路：利用單向導電元件，將50HZ的正弦交流電變換成脈動的直流電。 4圖1 單相橋式全波整流電路3、濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分濾除。濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。 圖2 電容濾波器的作用4、穩(wěn)壓電路:穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調節(jié)與穩(wěn)壓管串聯的限流電阻上的壓降來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。在本次課程設計中我準備采用串聯型穩(wěn)壓電路，集成穩(wěn)壓器選用LM317。電源變壓器選用9V/10W。由于輸入電壓U1發(fā)生波動、負載和溫度發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓U2會隨著變化。因此，為了維持輸出電壓U2穩(wěn)定不變，還需加一級穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當外界因素（電網電壓、負載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。采用集成穩(wěn)壓器設計的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結構簡單等優(yōu)點。集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調式，此外又可分為正電壓輸出或負電壓輸出兩種類型。本課程設計中采用三端可調穩(wěn)壓器LM317.2.5電路相關元件及電路指標簡介 2.5.1 LM317集成穩(wěn)壓器的特性簡介LM317可調式三端穩(wěn)壓器電源能夠連續(xù)輸出可調的直流電壓. 不過它只能連續(xù)可調的正電壓,穩(wěn)壓器內部含有過流,過熱保護電路;由一個電阻(R)和一個可變電位器(RP)組成電壓輸出調節(jié)電路,輸出電壓為:Vo=1.25(1+RP/R).由此可見此穩(wěn)壓器的性能和穩(wěn)壓穩(wěn)定都比上一個三端穩(wěn)壓電源要好,所以此此方案可選,此電源就選用了LM317三端穩(wěn)壓電源.三端可調穩(wěn)壓器的輸出電壓可調，穩(wěn)壓精度高，輸出波紋小。其一般的輸出電壓為1.2535V或-1.25-35V。比較典型的產品有LM317和LM337等。其中LM317的輸出電壓范圍是1.2V至37V，LM337的輸出電壓范圍是-1.2V至-37V，負載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM317內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。特性簡介： 1、可調整輸出電壓低到1.2V。2、保證1.5A輸出電流。3、典型線性調整0.01%。4、典型負載調整0.1%。5、80dB紋波抑制比。6、輸出短路保護。7、過流、過熱保護。8、調整管安全工作區(qū)保護9、標準三端晶體管封裝。電壓范圍：1、LM317 1.25V至37V連續(xù)可調。2、輸入輸出最小壓差降為0.2V 圖3是三端可調輸出集成穩(wěn)壓器的一般應用電路。電路中的R1、R2組成可調輸出的電阻網絡。為了能使電路中的偏置電流和調整管的漏電流被吸收，所以設定R1為120240歐姆。通過R1瀉放的電流為510mA。輸入電容器C1用于抑制紋波電壓，輸出電容器C2用于消震，緩沖沖擊性負載，保證電路工作穩(wěn)定。由于加外接保護電路C2的存在，容易發(fā)生電容器發(fā)電而損壞穩(wěn)壓器。若有外接保護二極管D2，電容器C2放電時，D1導通鉗位，使穩(wěn)壓器得到保護。D1是為了防止調節(jié)端旁路電容器C3放電時而損壞穩(wěn)壓器的保護二極管。旁路電容器C3也是為了抑制波紋電壓而設置的。當C3為10uF時，能提高紋波抑制比15dB。圖3 LM317應用電路圖穩(wěn)壓電源的技術指標可以分為兩大類：一類是特性指標，如輸出電壓、輸出電濾及電壓調節(jié)范圍；另一類是質量指標，反映一個穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內阻（輸出電阻）、紋波電壓及溫度系數等。2.5.2串聯型穩(wěn)壓電路的主要特點1、穩(wěn)定性好 當輸入電壓Usr （整流、濾波的輸出電壓）在規(guī)定范圍內變動時，輸出電壓Usc 的變化應該很小。由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標，常用穩(wěn)壓系數S 來表示：S的大小，反映一個穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，S越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高。2、輸出電阻小 負載變化時（從空載到滿載），輸出電壓Usc ，應基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。輸出電阻（又叫等效內阻）用rn 表示，它等于輸出電壓變化量和負載電流變化量之比。rn 反映負載變動時，輸出電壓維持恒定的能力，rn 越小，則Ifz 變化時輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到1歐，甚至001歐。3、電壓溫度系數小 當環(huán)境溫度變化時，會引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源，應在環(huán)境溫度變化時，有效地抑制輸出電壓的漂移，保持輸出電壓穩(wěn)定，輸出電壓的漂移用溫度系數KT來表示.4、輸出電壓紋波小 所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。經過穩(wěn)壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數反比于穩(wěn)壓系數S 。 2.6電路元件選擇2.6.1選擇整流電路中的二極管 因為變壓器的伏變電壓 橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為： 橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為： 查手冊選整流二極管IN4001,其參數為：反向擊穿電 最大整流電流 故選擇二極管IN4001作為整流二極管2.6.2選擇集成三端穩(wěn)壓器 LM317內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓高得多的紋波抑制比?？烧{整輸出電壓低到1.2V，保證1.5A輸出電流，典型線性調整率0.01%，80dB紋波抑制比，輸出短路保護，過流、過熱保護，調整管安全工作區(qū)保護，標準三極管封裝。LM317其特性參數：可調范圍為1.25V-37V最大輸出點流為1.5A輸入與輸出工作壓差為：3V-40V。輸出表達式為：其中，UREF是集成穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V 。如圖所示，改變R2的值，Uo的值即可改變。當R2短路時，Uo最小，UREF為即1.25V；當R2大于零時，Uo都大于UREF，最大可達37V,如右圖所示。選穩(wěn)壓器：LM3172.6.3確定R1、R2的阻值電路圖如下所示：圖4 LM317電路圖輸出電壓計算公式 帶入數據可得 （1） （2）有（1）（2）可得： 取滑動變阻器： ， 則的阻值不是標稱值，取標稱阻值。2.6.4濾波電路中濾波電容的選擇1、求： 根據穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數的定義： 設計要求Vo1=510（V），Vo2=-5-10（V）Sv1=Sv2=0.5%Vo3mv Ui=14V代入上式，則可求得 ； 2、求濾波電容C 設定 所以濾波電容： 電路中濾波電容承受的最高電壓為,所以所選電容器的耐壓應大于11.3V.2.7設計電路圖設計電路原理圖圖5 電路原理圖2.8元件明細表3組合硬件電路的調試及改進 安裝時，先安裝比較小的原件，所以先安裝整流電路，在安裝穩(wěn)壓電路，最后再裝上電路（電容）。安裝時要注意，二極管和電解電容的極性不要接反。檢查無誤后，才將電源變壓器與整流濾波電路連接，通電后，用萬用表檢查整流后輸出LM317輸入端電壓Ui的極性，若Ui的極性為負，則說明整流電路沒有接對，此時若接入穩(wěn)壓電路，就會損壞集成穩(wěn)壓器。然后接通電源，調節(jié)Rw的值，若輸出電壓滿足設計指標，說明穩(wěn)壓電源中各級電路都能正常工作，此時就可以進行各項指標的測試。 實際組裝出的電路如下：圖6 實物圖正面 圖7 實物圖反面3.1輸出電壓將萬用表打到直流電壓檔，接到電路的正端輸出端，然后給該電路通電,通過調節(jié)滑動變阻器的旋鈕改變其阻值可改變輸出電壓，還有電壓表讀書知，該電路正端電壓完全符合7.07V12.7V的設計要求。3.2紋波電壓的測試 紋波電壓即疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測器峰峰值，一般為毫伏級；也可用交流毫伏表測器有效值，但因紋波電壓不是正弦波，所以又一定誤差。將示波器接到輸出端，并將示波器打到毫伏檔，觀察其紋波電壓，通過觀察示波器知紋波電壓約為3mv,符合設計要求。測試波形如下：3.3電源內阻的測量只要測量輸出電壓在負載開路時(E)和接入負載時(U)的兩個數值，就能算出內阻r.負載開路時測得的是電源電勢E，接入負載R時，測得端電壓為U。則：U=(E-Ir)=E-r*U/R ;r=(E-U)R/U 將正端輸出端空載，接通電源，測得其輸出電壓為9.88V,斷開電源，然后再在輸出端加100歐姆的電阻，通過萬用表測得輸出電壓為9.07V,計算的電源內阻約為8.9歐姆；通過同樣方法測得負端電源內阻約為7.2歐姆，均小于10歐姆符合設計要求。 4結論本設計電路運用模擬電路的基本知識，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓等步驟，輸出理論可變電壓范圍為7.0712.7(V),而實際可調節(jié)電壓范圍為7.812(V)的直流穩(wěn)壓電源。通過設計電路發(fā)現：串聯型線性穩(wěn)壓電路具有結構簡單，輸出電壓穩(wěn)定，調節(jié)方便，紋波值小，經濟實惠等優(yōu)點。5設計心得體會 本次課程設計，培養(yǎng)了我運用互聯網查找資料和綜合應用課本理論知識解決實際問題的能力。啟發(fā)了我，在今后的學習過程中不能懶懶散散，學的要懂不懂，要把課本上的知識學精通，同時也要多學習課外知識來擴張自己的知識面；在計算和動手方面要