课程设计说明书正文定稿副本.docx
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课程设计说明书正文定稿副本
目录
1设计课题任务、功能要求说明及总体方案介绍1
1.1设计目的1
1.2设计任务及要求1
1.3设计步骤1
1.4总体设计思路2
2设计课题的仿真分析4
2.1电路的确定以及参数确定4
2.2电路的仿真以及仿真结果6
3设计课题硬件系统的设计8
3.1设计课题电路原理图、PCB图8
3.2设计课题元器件清单10
4设计结论、误差分析11
4.1设计课题的设计结论及使用说明11
4.2设计课题的硬件调试11
4.3设计课题的误差分析11
4.4设计体会11
结束语12
参考文献13
致谢14
1设计课题任务、功能要求说明及总体方案介绍
1.1设计目的
(1)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。
(2)学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。
(3)培养实践技能,提高分析和解决实际问题的能力。
1.2设计任务及要求
1.2.1设计并制作一个连续可调直流稳压电源,主要技术指标要求:
(1)输出电压可调:
Uo=+3V~+9V
(2)最大输出电流:
Iomax=800mA
(3)输出电压变化量:
ΔUo≤5mV
(4)稳压系数:
SV≤0.003
1.2.2设计电路结构,选择电路元件,计算确定元件参数,画出实用原理电路图。
1.2.3自拟实验方法、步骤及数据表格,提出测试所需仪器,元器件的规格、数量。
1.2.4进实验室进行组装、调试,并测试其主要性能参数。
1.3设计步骤
1.3.1电路图设计
(1)确定目标:
设计整个系统由那些模块组成,模块间的信号传输,画出直流稳压电源方框图。
(2)系统分析:
根据系统功能,选择各模块所用电路形式。
(3)参数选择:
根据系统指标的要求,确定各模块电路中元件的参数。
(4)总电路图:
连接各模块电路。
1.3.2电路安装、调试
(1)为提高动手能力,设计印刷电路板,并焊接。
(2)在每个模块电路输入端加一信号,测试输出端信号,验证每个模块能否达到所规定的指标。
(3)重点测试稳压电路的稳压系数。
(4)将各模块电路连起来,整机调试,并测量该系统的各项指标。
1.4总体设计思路
1.4.1直流稳压电源设计思路
(1)电网供电电压交流220V/50Hz,要获得低压直流输出,须采用电源变压器获得所需交流电。
(2)降压后的交流电压,通过整流电路变成单向直流电,但其幅度变化大(即脉动大)。
(3)脉动大的直流电压经过滤波电路变成平滑,脉动小的直流,交流成份滤掉,保留直流成份。
(4)滤波后的直流电压,通过稳压电路稳压,便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出。
1.4.2直流稳压电源原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置,它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成,见图1.1。
图1.1直流稳压电源方框图
各部分电路的作用如下:
(1)电源变压器
电源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
。
变压器副边与原边的功率比为
……………………………………………………1.1
式中,
为变压器的效率。
一般小型变压器的效率如表1.1所示。
表1.1小型变压器的效率
副边功率P2/VA
<10
10~30
30~80
80~200
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
(2)整流滤波电路
整流二极管D1——D4组成单相桥式整流电路,将交流电压
变成脉动的直流电压,再经滤波电容C滤除纹波,输出直流电压Vi。
Vi与交流电压
的有效值V2的关系为
………………………………1.2
每只整流二极管承受的最大反向电压
…………………………………1.3
通过每只二极管的平均电流
……………………………………1.4
式中,R为整流滤波电路的负载电阻。
它为电容C提供放电回路,RC放电时间常数
……………………………………1.5
式中,T'为50Hz交流电压的周期,即20ms。
(3)稳压电路
调整管
与负载电阻
相串联,组成串联式稳压电路。
T2与稳压管Dz组成采样比较放大电路,当稳压器的输出负载变化时,输出电压V0应保持不变,稳压过程如下。
设输出负载电阻
变化,使
↑,则
↑—
↓—
↓—
↑—
↓……………………………………1.6
2设计课题的仿真分析
2.1电路的确定以及参数确定
集成稳压电源设计的主要内容是根据性能指标,选择合适的电源变压器、集成稳压器、整流二极管及滤波电容。
2.1.1集成稳压器
因为要求输出电压可调,所以选择三端可调式集成稳压器。
可调式集成稳压器,常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。
317系列稳压器输出连续可调的正电压,337系列稳压器输出连可调的负电压,可调范围为1.2V——37V,最大输出电流
为1.5A。
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。
LM317系列和lM337系列的引脚功能相同,管脚图和典型电路如图2.1和图2.2
图2.1管脚图图2.2典型电路
输出电压表达式为:
…………………………………2.1
式中,1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压
,此电压加于给定电阻
两端,将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器
,电阻
常取值
,
一般使用精密电位器,与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。
图中加入了二极管D,用于防止输出端短路时10µF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。
LM317其特性参数:
输出电压可调范围:
1.2V~37V
输出负载电流:
1.5A
输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo:
3~40V
2.1.2电源变压器
通常根据变压器副边输出的功率P2来选购(或自绕)变压器。
变压器副边的输出电压V2与稳压器输入电压Vi的关系。
V2的值不能取大,V2越大,稳压器的压差越大,功耗也就越大。
一般取V2≧Vimin/1.1,I2>IOmax。
2.1.3整流二极管及滤波电容
整流二极管D2的反向击穿电压VRM应满足
,其额定工作电流应满足IF>Iomax。
滤波电容C可由下式估算:
.…………………………………2.2
式中,
为稳压器输入端纹波电压的峰-峰值;t为电容C的放电时间,t=T/2=0.01s;Ic为电容C的放电电流,可取Ic=Iomax,滤波电容C的耐压值应大于
。
2.1.4选集成稳压器,确定电路形式
选可调式三端稳压器CW317(实际制作中用LM317代替),其特性参数Vo=+1.2V~+37V。
Iomax=1.5A,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1.5.2所示。
又Vo=1.25(1+RP1/R1),取R1=220Ω,则RP1min=336Ω,RP1max=1.49kΩ,故取为5kΩ的高精密线绕可调电位器。
2.1.5选电源变压器
输入电压Vi的范围为
Vomax+(Vi-Vo)min≦Vi≦Vomax+(Vi-Vo)max……………………………2.3
9V+3V≦Vi≦3V+40V……………………………2.4
12V≦Vi≦43V……………………………2.5
副边电压V2≧Vimin/1.1=12/1.1V,取V2=11V,副边电流I2>Iomax=0.8A,取I2=1A。
则变压器副边输出功率P2≧I2V2=11W。
由表1.4.1可得变压器的效率0.7,则原边输入功率P1≧P2/0.7=15.7W。
为留有余地,选功率为20W的电源变压器。
2.1.6选整流二极管及滤波电容
整流二极管D选1N4001,其极限参数为VRM≧50V,IF=1A。
满足
,IF=Iomax的条件。
滤波电容C可由纹波电压
和稳压系数Sv来确定。
已知,Vo=9V,Vi=12V,
=5mA,Sv=3×10-3,则可得稳压器的输入电压的变化量
…………………………2.6
则滤波电容
……………………2.7
电容C的耐压应大于
。
故取2只2200µF/25V的电容相并联。
综上直流稳压电源的整体设计原理图如下图2.3所示
图1.5.3直流稳压电源实验电路
图2.3直流稳压电源原理图
2.2电路的仿真以及仿真结果
图2.4直流稳压电源输出最小电压以及最小电流
图2.5直流稳压电源输出最大电压以及最大电流
3设计课题硬件系统的设计
3.1设计课题电路原理图、PCB图
图3.1直流稳压电源原理图
图3.2直流稳压电源PCB图
3.2设计课题元器件清单
直流稳压电源元件清单
名称
型号规格
数量
备注
变压器
NLT_PQ_4_20w
1
整流电桥
1B4B42
1
正负电容
2200uf/25v
2
正负电容
1uf/25v
1
正负电容
10uf/25v
1
电容
0.1uf
1
线绕可调电位器
5k
1
电阻
220Ω
1
电阻
20Ω
1
二极管
1n4007
2
可调式三端稳压器
LM317
1
4设计结论、误差分析
4.1设计课题的设计结论及使用说明
本直流稳压电源是根据模拟电子技术的知识设计而成,用来测量直流电压,测量范围为+3V——+9V(理论值),仿真值为1.257V——21.392V,实物为1.5V——16.5V连续可调。
该直流稳压是一种当电网电压波动或温度负载改变时,能保证输出电压基本不变的电源。
4.2设计课题的硬件调试
先装集成稳压电路,再装整流滤波电路,最后安装变压器。
安装一级测试一级。
对于稳压电路则主要测试集成稳压器是否能正常工作。
其输入端加直流电压Vi≦12V,调节RP1,输出电压Vo随之变化,说明稳压电路正常工作。
整流滤波电路主要是检查整流二极管是否接反,安装前用万用表测量其正、反向电阻。
接入电源变压器,整流输出电压Vi应为正。
断开交流电源,将整流滤波电路与稳压电路相连接,再接通电源,输出电压Vo为规定值,说明各级电路均正常工作,可以进行各项性能指标的测试。
4.3设计课题的误差分析
本课程设计的主要误差来源:
(1)元件的选择,标称阻值的电阻和实际实际的电路中的值有各种不同程度的误差;
(2)实际电路中由于接线和焊点存在不同程度的电阻,从而影响到整个电路的输出;
(3)变压器的输出电压和理论值存在误差。
4.4设计体会
4.4.1设计过程中的注意事项
(1)焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试,需要时可设计一些临时电路用于调试。
(2)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。
(3)注意LM317芯片的输入输出管脚和桥式整流电路中二极管的极性,不应反接。
(4)按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。
4.4.2本设计的重点难点以及精妙之处
(1)本实验运用几个典型的电路,包括典型的电桥整流滤波电路,典型的可调式三端稳压电路两个典型的应用,结合二极管和电容的特性,合理的变交流为直流连续可调。
(2)本设计其精妙之处就是无论负载如何改变都能稳定的输出固定范围的直流电压值,并巧妙的运用一个高精度的线绕式电位器实现电压电流的同时可调。
(3)本设计的不足之处主要在于输出电压的可调节范围有限,且输出电流值很小,当电流超过1A后电路就很可能会烧坏。
为了确保安全,应该在电桥前面串联一个保护电路,即在变压器的副边串联一个保险丝,确保其他元件的安全。
结束语
通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,通过这次课程设计,重温以前所学过的知识,进一步巩固了所学的知识。
万事开头难,首次接触课程设计从对multisim的熟悉操作,到不断学习protel99,不断的仿真,不断的测试,不断的修改自己的设计,不断的查看参考文献,直到完成原理图,完成pcb图为止才觉得有一点点成就感,但是在后期的制板和焊接到测试的漫长过程中,各种挑战,各种新知识,各种意志的考验,直到最后测试成功为止。
在本次课程设计过程中一路走来其实重要的不是我们有多成功或者多失败,重要的是经验的积累,重要的是对整个流程的熟悉,重要的是信息的收集和合理运用,考察的是一个人的综合素质,锻炼的是综合能力。
由于时间有限和个人能力的不足,对电路的设计不够完善,但是在以后的时间里我继续学习以来提高自己对知识的理解和应用。
参考文献
[1]秦曾煌.电工学简明教程(第二版)高等教育出版社,2009年版
[2]赵家贵.电子电路设计中国计量出版社,2005年版
[3]曲学基,王增福.稳定电源实用手册.北京:
电子工业出版社,1994年版
[4]赵家贵.电子电路设计.中国计量出版社,2005年版
[5]康华光.电子技术基础(第四版).高等教育出版社,1999年版
致谢
衷心感谢本次课程设计提供全面指导的模拟电子技术任课老师何淑珍老师,以及负责课程设计指导以及答辩的贾雅琼老师,感谢她们的指导和帮助。
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