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6.2仿真电路的设计、调试以及结果:
14
6.3仿真电路时出现的问题及解决办法:
19
七、附录19
7.1元器件明细表19
7.2附图见单页20
八、参考文献:
20
一、设计任务和要求
1.设计目的
(1)进一步加深理解整流电路的工作原理及滤波电路的作用。
(2)掌握直流稳压电源电路的分析方法。
(3)学习电路的仿真。
2.设计任务
设计一个直流稳压电源,具体要求如下:
(1)同时输出电压为3V、5V、10V。
(2)输出电流为2A。
(3)稳压系数小于5×
10-3。
(4)输出内阻小于0.1Ω。
3.设计要求
(1)完成全电路的理论设计
(2)参数的计算和有关器件的选择
(3)可对电路进行局部或整体仿真
(4)撰写设计报告书一份;
A3图纸至少一张。
报告书要求写明以下主要内容;
总体方案的选择和设计;
各个电路单元的选择和设计;
仿真的过程的实现
4.参考资料
(1)李立主编,电工学实验指导,北京:
高等教育出版社,2005
(2)高吉祥主编,电子技术基础实验与课程设计,北京:
电子工业出版社,2004
(3)谢云,等编著,现代电子技术实践课程指导,北京:
机械工工业出版社,2003
(4)童诗白,华成英主编,模拟电子技术基础,北京:
高等教育出版社,2006
二、方案的选择设计
集成直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成,首先变压器输入为220V交流电压,输出为U2交流电压,然后经整流电路整成单项脉动电流,最后经滤波电容滤除纹波,实现输出直流电压。
框图如图一:
图一
各部分电路的作用如下:
1>
电源变压器:
变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2。
2>
整流电路:
主要将经变压器降压后的交流电变成单向脉动直流电。
3>
滤波电路:
滤除脉动直流中的交流成分,使输出电压接近理想的直流电压。
4>
稳压电路:
自动稳定输出电压,使输出电压不受电压波动和负载大小的影响。
三、电路设计与计算
2.1电源变压器的设计
电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。
电源变压器的效率为:
η=P2/P1
其中P2是变压器副边的功率,P1是变压器原边的功率,一般小型变压器的效率如下表所示:
副边功率P2
<10VA
10~30VA
30~80VA
80~200VA
效率η
0.6
0.7
0.8
0.85
因此,算出变压器的副边功率P2后,便可根据上表算出变压器的原边功率P1。
2.2整流电路的设计
2.2.1选择方案
通过查资料,我知道了有以下三种方案供我选择:
方案一
方案二
方案三
性能
整流
半波整流
全波整流
桥式整流
输出电压平均值
0.45U2
0.9U2
整流管承受的反向电压URM
√2U2
2√2U2
负载上的平均电流Io
0.45U2/RL
0.9U2/RL
特点
电路简单,使用元件少,输出电压的脉动性大,直流成分小,变压器利用率低。
负载能力好,变压器有中心抽头
负载能力较强,需要用四只整流管
分析
半波整流电路具有结构件的的优点,但它输出电压的脉动性大,直流成分比较低,而且这种电路交流电压只有半个周期可以利用,输出功率小,只适用于高电压小电流的场合。
全波整流比半波整流的效率高,它输出电压的脉动性小,但全波整流电路要求电源变压器有两个二次侧绕组,这样既增大了体积又增加了重量;
另外,二极管所承受的最大峰值电压是半波整流的二倍。
桥式整流电路输出电压脉动小,正负半轴均有电流流过,电源利用率高,输出的直流电压比较高,所以桥式整流电路中变压器的效率较高,在同等功率容量条件下,体积可以小一些,其总体性能优于半波整流单路和全波整流电路。
通过比较我选择方案三:
桥式整流电路。
一般用四个二极管组成桥式整流电路
构成原则:
保证在变压器副边电压U2的整个周期内,负载上的电压方向和电流方向始终不变。
作用:
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。
简化示意图如图二:
图二
2.2.2基本参数
输出电压平均值:
UO(AV)=2√2U2/π≈0.9U2
输出电流平均值(负载中的电流平均值):
IO(AV)=UO(AV)/RL≈0.9U2/RL
2.2.3二极管的选择
a)每只二极管的平均电流:
ID(AV)=IO(AV)/2≈0.45U2/RL
b)二极管承受的最大反向电压:
URmax=√2
考虑到电网电压的波动范围为±
10%,在实际选用二极管时,应考虑到至少10%的余量:
c)最大整流电流:
IF>1.1IO(AV)/2
d)最高反向工作电压:
URM>1.1√2U2
2.3滤波电路的设计
2.3.1选择方案
通过查资料,我知道了有以下四种方案供我选择:
性能
类型
电容滤波
电感滤波
LC滤波
RC或LC
π型滤波
UO(AV)/U2
1.2
0.9
θ
小
大
适用场合
小电流负载
大电流负载
适应性较强
通过比较,我选择电容滤波电路。
a)电容滤波是最常见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,如图三所示。
图三
b)滤波电容容量较大,因而一般均采用电解电容。
c)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。
d)电容充电时,回路电阻为整流电路的内阻,即变压器内阻和二极管的导通电阻之和,其数值很小,因而时间常数很小。
电容放电视,回路电阻为RL,放电时间常数为RLC,通常远大于充电的时间常数。
因此,滤波效果取决于放电时间。
电容愈大,负载电阻愈大,输出后滤波电压愈平滑,并且平均值愈大。
换言之,当滤波电容容量一定时,若负载电阻减小,则时间常数RLC减小,放电速度加快,输出电压平均值随即下降,且脉动变大。
2.3.2基本参数
a)输出电压平均值:
UO(AV)=(UOmax+Uomin)/2
=√2U2(1—T/4RLC)
b)当负载开路,即RL=∞时,
UO(AV)=√2U2
c)当RLC=(3~5)T/2时,
UO(AV)≈1.2U2
2.3.3器件选择
为了得到更好的滤波效果,在实际电路中,应选择滤波电容的容量满足RLC=(3~5)T/2的条件。
由于采用电解电容,考虑到电网电压的波动范围为±
10%,电容的耐压值应大于1.1√2U2。
其中,T=20ms是50Hz交流电压的周期。
2.4稳压电路的设计
虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较平滑的直流电压,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,整流滤波电路的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。
2.4.1选择方案
通过查资料,我知道了有以下两种大的方案供我选择:
1)
由稳压二极管和限流电阻所组成的稳压电路是一种最简单的直流稳压电源,如图四中虚线框所示,
图四
2)由集成稳压器组成的稳压电路:
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,此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型:
a)固定电压输出稳压器
:
常见的有CW78×
×
系列三端固定式正电压输出集成稳压器;
CW79×
系列三端固定式负电压输出集成稳压器。
三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。
型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值,有5V、6V、9V、15V、18V和24V。
其中W7805系列在25℃时的主要参数如图五(表10.5.1):
图五
由表中参数可得:
W7805输入端和输出端之间的电压允许值为3~13V;
输出交流噪声很小,温度稳定性很好。
b)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系列三端稳压器;
有输出负电压的CW337系列三端稳压器。
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。
其中W117系列在25℃时的主要参数如图六(表10.5.2):
图六
W117系列调整端电流很小,且变化也很小;
与W7805系列产品一样,W117系列在电网电压波动和负载电阻变化时,输出电压非常稳定。
通过比较,我选择第二套方案的b方案:
使用可调式三端集成稳压器(W117)构成稳压电路。
具体如图七(10.5.24):
图七
为了使电路更安全的运行,添加以下元件来保护电路,其中各项元器件的作用如下:
Ci:
抵消输入线较长时的电感效应,以防止电路产生自激震荡,容量较小,一般小于1µ
F;
R1与R2共同组成输出电压的采样电路;
C:
为了减少R2上的纹波电压,给R2并上一个10µ
F的电容C;
D2:
在输出开路时,C将向稳压器调整端放电,并使调整管发射结反偏,为了保护稳压器,加一个二极管D2,提供放电回路;
C0:
消除输出电压中的高频噪声,可取小于1µ
F的电容;
D1:
若C0容量较大,一旦输入端断开,C0将从稳压器输出端向稳压器放电,易使稳压器损坏,所以在稳压器输入端与输出端跨接一个二极管,起保护作用。
选可调式三端稳压器LM117,其特性参数如图八(表10.5.2):
图八
2.4.2参数计算
由于W117调整端的电流可忽略不计,输出电压为
UO=(1+R2/R1)×
1.25
四、器件选择
1、变压器的选择:
选择稳压管W117
由于它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
可得W117的输入电压Ui的范围为
10V+3V≤Ui≤3V+40V
则
13V≤Ui
≤43V
U2≥Uimin
/1.1=13/1.1V=12V
所以取U2=12V
变压器副边电流:
I2>Iomax=2,取I2=2A
变压器副边输出率:
P2≥I2U2
=24W
由于变压器的效率η=0.7,所以变压器原边输入功率
P1≥P2/η=35W
由上分析,变压器副边输出电压U2为12V,输出电流为2A,
为留有余地,一般选功率为36W的变压器
2、电阻R1的选择:
由表10.5.2中最小负载电流(取5mA)可以计算出R的最大值,
Rmax=(1.25/0.005)Ω=250Ω
为保证稳压器的输出性能,实际取值应略小于250Ω,取R1=240Ω
3、电阻R2的选择:
在本设计中,输出电压的范围:
V0=3~10V则由式:
V0=1.25×
(1+R2/R1)
可得R2min=336Ω,R2max=1.68kΩ
故取R2为3.36kΩ。
4、负载电阻RL的选择:
由于输出电压的可调范围为:
Uo=+3V~+10V,Iomax=2A
所以
RL=Uomax/Imax=5
所以选取RL为5Ω。
5、滤波电容C2的选择:
>
RLC=(3~5)T/2
其中T=20ms,所以C2=6~10mF,取C2为7.5mF。
五、原理图
六、仿真设计分析
6.1仿真软件
Multisim是加拿大图像交互技术公司(InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术,PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
变压电路:
由220V,50Hz的交流电模仿市电,并通过220:
12的变压器实现变压作用,电路图如下:
变压电路图
通过Multisim12仿真,得到仿真图如下:
变压仿真图
②整流电路:
利用四个二极管将变压后正负都有的电压值变为只有正值,具体电路如下:
整流电路图
通过Multisim12仿真,得到仿真图如下:
整流仿真图
③滤波电路
利用一个电解电容使得整流后形成的脉动的直流电压转变为平滑的直流电压,具体电路图如下:
滤波电路图
通过Multisim12仿真,得到的仿真图如下:
滤波仿真图
④稳压结果仿真图
当R2调节为本身的10%时,整个电路输出电压为恒定3.024V,仿真图如下:
稳压3V仿真图
当R2调节为本身的20%时,整个电路输出电压为恒定4.792V,仿真图如下:
稳压5V仿真图
当R2调节为本身的50%时,整个电路输出电压为恒定10.083V,仿真图如下:
稳压10V仿真图
⑤输出电流
当R2调节为本身的50%时,整个电路输出电流为恒定2.017A,仿真图如下:
恒流2A仿真图
①问题:
软件为英文的,很多想要的都找不到。
解决方法:
通过查资料,翻阅书籍
案例:
滤波时用的电解电容不知道是哪个,最终在“base”库里面找到。
②问题:
自己想要的元器件在软件中找不到。
通过查资料,选择性质相仿的元器件来代替。
变压器中应该使用36W的变压器,却找不着可以调节功率的变压器,最终决定使用220:
12的变压器。
③问题:
连接好电路后开始仿真时软件提示出现错误,不能仿真。
解决办法:
通过查资料,检查电路后,发现未接地。
从刚开始仿真就一直出现这个问题,最终熟练了就不会有了。
④问题:
连好电路图后开始仿真,仿真几秒后系统提示“Timesteptoosmall”。
查资料,利用互联网查询改善方法。
最后仿真稳压的时候出现了错误提示,后来在互联网上看到了将“Selectsimulation→Interactivesimulationsettings→maximumtimestep”里的“1e-005”改为“1e-003”
七、附录
7.1元器件明细表
元器件
数量
交流电源(220V50Hz)
1
变压器(220:
12)
二极管桥(1B4B42)
电解电容(7.5mF)
电容(0.33ɥF)
2
电容(10ɥF)
电阻(240Ω)
电阻(5Ω)
稳压器(LM117)
二极管(IN4001)
7.2附图见单页
(5)李立主编,电工学实验指导,北京:
(6)高吉祥主编,电子技术基础实验与课程设计,北京:
(7)谢云,等编著,现代电子技术实践课程指导,北京:
(8)童诗白,华成英主编,模拟电子技术基础,北京:
(9)注:
图一~图八均来自童诗白,华成英主编,模拟电子技术基础第十章直流电源内容。
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- 直流 集成 稳压电源 设计
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