模电集成直流稳压源课程设计报告.docx
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模电集成直流稳压源课程设计报告
课程设计任务书
工作单位:
信息工程学院
题目:
集成直流稳压源的设计
初始条件:
副边电压15V、功率20W的变压器一个,IN4001型号的二极管四个,型号为IN4148的二极管一个,2200uF/25V的电解电容两只,10uF电容一个,1uF及0.1uF的钽电容各一个,可调式三端稳压器CW317一个,电阻器240Ω、18Ω和4.7KΩ的滑动变阻器各一个,散热片、电路板、导线若干。
要求完成的任务:
已知条件:
集成稳压器CW317。
性能指标要求:
输出电压+3V~+9V可调,输出电流Iomax=1A;
纹波电压:
小于或等于5mV电压调整率:
Ku≤3%
电流调整率:
Ki≤1%
时间安排:
第14周理论讲解,时间:
礼拜一5,6节地点:
鉴四605
第14-20周理论设计、实验室安装调试,地点:
鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室
(1)
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
集成直流稳压源的设计
目录:
设计任务与要求………………………………………3
设计报告的具体内容…………………………………..4
考虑过的方案……………………………………………11
元件参数的选择…………………………………………13
电路安装与指标测试………………………………….15
性能测试数据……………………………………………16
实际调试过程…………………………………………..18
收获与体会………………………………………………19
元件清单………………………………………………….20
参考文献…………………………………………………21
1、设计任务与要求
1.1设计目的:
通过集成直流稳压源的设计、安装、和调试,要求学会:
1.1.1选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源;
1.1.2掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。
1.1.3学习基本理论在实践中综合运用的初步经验,掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤,培养综合设计与调试能力。
、设计报告的具体内容:
直流稳压电源的一般设计思路为:
由输出电压Uo、电流Io确定稳压电路形式,通过计算极限参数(电压、电流和功耗)选择器件;由稳压电路所要求的直流电压、直流电流输入确定整流滤波形式,选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压的有效值,电流的有效值及变压器功率。
最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。
输入电压U1的确定:
为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态,要求
Ui ≥Uomax +(Ui-Uo)min…………………….(2-1)
式中,(Ui-Uo)min是稳压器的最小输入输出压差,典型值为3V。
按一般电源指标的要求,当输入交流电压220V变化±10%时,电源应稳态。
所以稳态电路的最低输入电压
UImin≈[Uomax +(Ui-Uo)min]/0.9。
………………(2-2)
另一方面,为保证稳压器安全工作,要求
Ui≤Uomin +(Ui-Uo)max………………………(2-3)
式中(Ui-Uo)max是稳压器允许的最大输入输出压差,典型值为35V。
直流稳压电源一般由直流电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成,基本框图如下。
图2.1直流稳压源基本框图
2.1变压电路
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。
变压器副边与原边的功率比为
P2/P1=η……………………………………….(2-4)
式中,η为变压器的效率。
经变压器后,电压的波形图如下:
2.2整流电路:
整流电路将交流电压ui变换成脉动的直流电压。
常用的直流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流电路。
各滤波电容C满足:
RL1C=(3~5)T/2………………………..….(2-5)
式中T为输入交流信号周期;RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。
次实验的整流部分主要采用桥式电路,即由四个二极管交叉而成。
图2.3桥式整流典型电路
但使用二极管时应注意以下问题:
①最大整流电路If指二极管长期运行允许通过的最大反向平均电流。
若使用时超过此值,有可能烧坏二极管。
②最高反向工作电压Urm指允许施加在二极管两端的最大方向电压通常为击穿电压的一半。
③反向电流Ir指二极管未击穿时的反向电流值。
其值会随温度的升高而急剧增加,其值越小,二极管的单向导电性越好。
但是反向电流值会随温度的上升而显著增加。
④最高工作频率f指保证二极管单向导电时的最高导电频率。
当工作频率超过其限度时,二极管的单向导电性能就会变差。
桥式整流电路相当于理想二极管,及正偏时导通,电压降为零,相当于理想开关闭合;反偏时截止,电流为零,相当于理想开关断开。
在交流电压的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻R,故R上得到单方向全波脉动的直流电压。
在桥式整流电路中,由于每两只二极管只导通半个周期,故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半,在输入电压的正半周期,D1和D3导通时,可将它们看成短路,这样D2和D4就并联在输入电压上,其承受的反向峰值电压为
VRM=√2V2……………………………………………(2-6)
同理D2和D4导通时,D1和D3截止,其承受的反向峰值电压值,大小与上式相同。
整流后电压波形图如下:
2.3滤波电路
整流电路将交流电变为脉动直流电,但其中含有大量的交流成分(称为纹波电压)。
为了获得平滑的直流电压,应在整流电路的后面加接滤波电路,以滤去交流部分。
在整流器的输出端并联一个电容器,就是电容滤波器,一个实际的单相桥式整流滤波电路图如
图2.5滤波的典型电路
其工作原理为:
当负载R未接入时的情况,设电容两端初始电压为零,接入交流电源后,当输入电压v为正半周期时,v通过 D1 、D3向电容C充电,v为负半周期时,经D2、D4向电容充电,充电电流方向相同。
充电时间常数τ=RC…………………………………………….(2-6)
式中R为包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。
由于R一般很小,故充电的时间常数也就很小,因此电容器上的电压很快充电到交流电压v的最大值1.414v。
因而使整流二极管的外加要么为反向电压,要么为零电压;此时,电容器无放电回路,故输出电压Vo(即电容两端的电压)保持在1.414V2,输出为恒定的直流,如图所示:
图2.6滤波后的电压波形
滤波电路通常由电抗元件组成,由于电抗元件在电路中有储能的作用,并联的电容C在电源供给的电压升高时,可以把部分能量储存起来,而当电源电压降低时,又可以把电场能量释放出来,使负载电压比较平滑,即电容C具有平波的作用。
滤波电路形式多种多样,依不同的划分标准又可进行不同的分类,根据需要选择。
在整流电路采用电容滤波后使二极管得到的时间缩短,由于电容C充电的瞬时电流较大,形成了浪涌电流,容易损坏二极管,故在选择二极管时,必须留有足够的电流余量,以免烧坏。
2.4稳压电路
2.4.1三端集成稳压器分为固定式和可调式两种。
在此选用LM317可调式三端集成稳压器。
LM317三端可调正输出稳压器的输出电压范围为1.2-37V,最大输出电流为1.5A,最小输入输出电压差(Vi-Vo)min=3V,最大输入输出电压差(Vi-Vo)max=40V。
为保证稳压器能正常工作,对输入直流电压也有所要求,一般输入直流电压比输出直流电压高出3-5V,不宜高出太多,高出太多会使稳压器功耗过大,易损坏稳压器。
同时电阻要紧靠稳压器,防止输出电流在连线电阻上产生误差。
317系列集成稳压器的典型应用电路如下:
图2.7317系列集成稳压器典型应用电路
2.4.2稳压器主要参数及测试方法
2.4.2.1稳压系数SV
当输出电流不变(且负载为确定值)时,输入电压变化将引起输出电压变化,则输出电压相对变化量于输入电压相对变化量之比,定义为稳压系数,用SV表示
SV=ΔVOVi/ΔViVo……………………………………(2-7)
测量时,如选用多位直流数字电压表,可直接测出当输入电压Vi增加或减少10%时,其相应的输出电压Vo、Vo1、Vo2,求出ΔVO1、ΔVo2,并将其中数值较大的ΔVO代入SV表达式中。
显然
SV愈小,稳压效果愈好。
2.4.2.2输出电阻RO
输入电压不变,当负载变化使输出电流增加或减小,会引起输出电压发生很小的变化,则输出电压变化量与电流变化量之比,定义为稳压电源的输出电阻,用RO表示。
RO=ΔVO/ΔIL……………………………………………(2-8)
式中ΔIL=ILmax-ILmin(ILmax为稳压器额定输出电流,ILmin=0)。
测量时,令Vi=常数,用直接测量法分别测出Ilmax时的Vo1和ILmin=0时的VO2,求出ΔVO,即可算出RO。
2.4.2.3纹波电压
纹波电压是指输出电压交流分量的有效值,一般为毫伏数量级。
测量时,保持输出电压VO和输出电流IL为额定值,用交流电压表直接测量即可。
3、考虑过的方.1方案一
按照通常的设计方案,经变压器变压获得所需的电压值,然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压,整流电路有四个二极管(IN4001)组成;在此脉动的直流电压中还含有较大的纹波,所以必须通过滤波电路加以滤除,选用两个2200uF/25V的电容用来滤波,案
3从而可以得到平滑的直流电压。
经滤波之后也并不能保证输出稳定的电压,它还会随电网电压波动、负载和温度的变化而变化,故在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路,这里采用LM317可变三端集成稳压器,稳压器内部含有过流、过热保护电路,用以稳定输出直流电压。
R1与R2组成电压输出调节电路,输出电压
Vo=1.25(1+R1/R2)……………………………………(2-9)
R2的值为120Ω~240Ω,流经R2的泄放电流为5mA~10mA.R1为精密可调电位器,通过调节RP就能改变输出电压。
选用一个型号为IN4181的二极管作为保护二极管,当输入端短路时,给输出电容C一个放电通路,防止C两端电压作用于调整管的be结,击穿损坏稳压器。
电容C3与R1并联组成滤波电路,以减小输出的纹波电压。
二极管D的作用是防止输出端与地短路时损坏稳压器。
集成稳压器的输出电压VO与稳压电源的输出电压相同。
稳压器最大允许电流ICM﹤Iomax,输入电压Ui的范围为:
Uomax+(Ui-Uo)min≤Ui≤Uomin+(Ui-Uo)max…(2-9)
式中,Uomax为最大输出电压;Uomin为最小输出电压;(Ui-Uo)min为稳压器的最小输入、输出电压差;(Ui-Uo)max为稳压器的最大输入、输出压差。
图3.1方案一完整电路设计
3.2方案二
具体变压方案与上述相同,根据桥式整流电容滤波,通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。
选择整流二极管IN5401,滤波电容C1为2200uF/25V的电解电容。
如果集成稳压器离滤波电容C1较远时,应在W317靠近输入端处接上一只0.33uF的旁路电容C2。
接在调整端和地之间的电容C3,是用来旁路电位器RP两端的纹波电压。
当C3的容量为10uF时,纹波抑制比可提高20dB,减到原来的1/10。
另一方面,由于在电路中接了电容C3,此时一旦输入端或输出端发生短路,C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器。
为了防止这种情况下C3的放电电流流过稳压器,在R1两端并接一只二极管VD2。
W317集成稳压器在没
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