模电课程设计直流稳压电源设计说明书.docx

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模电课程设计直流稳压电源设计说明书

1设计目的

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。

学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。

培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

2设计任务及要求

2.1简要说明

在电子系统中，总是需要一种稳定输出电压大小的直流稳压电源，通常将这种电源称为可调直流稳压电源。

它输出电压Vo恒定，又较大的输出电压。

2.2设计要求

（1）设计任务：

设计电源变压器，整流电路和稳压电路。

（2）主要技术指标：

（3）输出电压：

3~9v连续可调

（4）输出电流:

Iomax=800mA

（5）输出电压变化量：

Uo<=15mV

（6）稳压系数：

Sv<﹦0.003

3设计步骤

设计将220V交流电转换为3—9V连续可调电源，有直流稳压电源原理，设计如下概要电路图1：

图1整体设计原理图

3.1变压器  

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。

  变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

原理演示

图2变压器基本原理图

 变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如图2-1）：

当一次侧绕组上加上电压Ú1时，流过电流Í1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势É1，É2，感应电势公式为：

E=4.44fNØm

式中：

E--感应电势有效值

   f--频率

   N--匝数

   Øm--主磁通最大值

 由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压Ú1和Ú2大小也就不同。

  当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（Í0），这个电流称为激磁电流。

当二次侧加负载流过负载电流Í2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流Í0，一部分为用来平衡Í2，所以这部分电流随着Í2变化而变化。

当电流乘以匝数时，就是磁势。

上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。

3.1.1变压器选择

根据相关题目要求，设计电路。

输出功率：

P=U*I=9*800=7.2（W）

根据电路实用性，可选择电路的最大输出功率为12瓦特。

匝数比：

当变压器出入电压为220V时，考虑应用电路有10%电压波动：

输入电压范围为198V-242V,则设计变压器匝数比如下：

令原变电压为U1匝数为N1，副边电压为U2匝数为N2，设定原边匝数为2000由变压器原理可得：

U1*N2=U2*N1

输出为3V-9V时，由于后面整流输出电压为（1.1-1.2）U2设定变压输出U2的大小为9V以满足变压最大输出。

198V*N2=9V*2000

解得：

N2=90（匝）

3.2整流原理

利用二极管的单向导电性可实现整流。

–全波桥式整流

前述半波整流只利用了交流电半个周期的正弦信号。

为了提高整流滤波效率，使交流电的正负半周信号都被利用，则应采用全波整流，现以全波桥式整流为例，其电路和相应的波形如图3所示。

图3全波整流原理及整流前后波形对比

若输入交流电为

………………..3.1

则经桥式整流后的输出电压为（一个周期）

………3.2

其相应直流平均值为

………3.3

由此可见，桥式整流后的直流电压脉动大大减少，平均电压比半波整流提高了一倍。

3.2.1整流电路设计

根据题目要求，两种输出电压要两套整流电路，但是在本题目中两种电压相差不大，可以用同样的整流电路来实现两种不同电压大小的整流。

图4设计全波整流电路

   图4中二极管D1、D2、D3、D4均为1N4002；RL为整流电路负载。

3.3滤波电路原理

经过整流后的电压（电流）仍然是有“脉动”的直流电，并不能用为电子产品的电压共给，为了减少波动，通常要加滤波器，常用的滤波电路有电容、电感滤波等。

–电容滤波电路

电容滤波器是利用电容充电和放电来使脉动的直流电变成平稳的直流电。

我们已经知道电容器的充、放电原理。

图4-1所示为电容滤波器在带负载电阻后的工作情况。

设在t0时刻接通电源，整流元件的正向电阻很小，可略去不记，在t=t1时，uc达到峰值为

。

此后ui以正弦规律下降直到t2时刻，二极管D不再导电，电容开始放电，uc缓慢下降，一直到下一个周期。

电压ui上升到和uc相等时，即t3以后，二极管D又开始导通，电容充电，直到t3。

在这以后，二极管D又截止，uc又按上述规律下降，如此周而复始，形成了周期性的电容器充电放电过程。

在这个过程中，二极管D并不是在整个半周内都导通的，从图上可以看到二极管D只在t3到t4段内导通并向电容器充电。

由于电容器的电压不能突变，故在这一小段时间内，它可以被看成是一个反电动势。

图5直流滤波原理图

由电容两端的电压不能突变的特点，达到输出波形趋于平滑的目的。

经滤波后输出的波形如图6所示。

图6直流滤波后的波形

当空载时，在V2的正、负半周，D1、D3和D2、D4轮流导通，均有单方向电流对电容充电。

Vc≈1.414V2,并保持不变。

当接上负载RL后，设V2从零开始上升，在V2

按指数规律缓慢下降，如图中的Vc波形的ab段。

当V2上升至V2>Vc时，D1、D3正

偏导通，iD1、3的其中一部分提供负载电流，另一部分对C充电。

充电时间常数

图7直流滤波后的近似波形

τd=（Rint//RL）C=RintC较小,Vc上升很快，如图中Vc波形的bc段。

Vomax=1.414V2为充电的最大值，Vomin为电容C放电结束时的最小值。

根据三角形相似关系可得

（Vomax-Vomin）/Vomax=T/2RLC　　

即

　Vomin=（1-1/2fRLC）Vomax

通常C使放电时间常数满足下列关系式

τd=RLC=（3～5）T/2

所以

Vo≈1.2V2

表3.2电容大小及对应输出电流

输出电流

2A左右

1A左右

0.5-1A左右

0.1-0.5A

100-50mA

50mA以下

滤波电容

4000u

2000u

1000u

500u

200u-500u

200u

3.3.1滤波电路设计

按照题目要求和对应电容的滤波效果、输出电流设计如下电路。

图8设计滤波电路图

　　　　　Ｃ１＝10ｕＦ　　　　Ｃ２＝0.1ｕＦ

4．1稳压电路

4.1.1LM117H三端稳压器

图9LM117H三端稳压器

4.1.2原理框图

LM117H的原理框图如图所示。

它有三个引出端，分别为输入端、输出端和电压调整端（简称调整端）。

调整端是基准电压电路的公共端。

T1和T2组成复合管为调整管；比较放大电路是共集-共射放大电路；保护电路包括过流保护、调整管安全区保护和过热保护三部分。

R1和R2为外接的取样电阻，调整端接在它们的连接点上。

当输出电压UO因某种原因（如电网电压波动或负载电阻变化）而增大时，比较放大电路的反相输入端电压（即采样电压）随之升高，使得放大电路输出端电位下降，UO势必随之减小；当输出电压UO因某种原因减小时，各部分的变化与上述过程相反；因而输出电压稳定。

可见，与一般串联型稳压电路一样，由于LM117H电路中引入了电压负反馈，使得输出电压稳定。

4.1.3主要参数

LM117、LM217M和LM317L的最大输出电流分别为1.5A、0.5A、0.1A。

LM117H、LM217M和LM317L具有相同的引出端、相同的基准电压和相似的内部电路。

主要参数如下表所示。

对表说明

◆对于特定的稳压器，基准电压UREF是1.2V~1.3V中的某一个值，典型值为1.25V；

◆LM117、LM217M和LM317L的输出端和输入端电压之差为3~40V，过低时不能保证调整管工作在放大区，从而使稳压电路不能稳压；过高时调整管可能因管压降]过大而击穿；

◆外接取样电阻不可少，根据最小输出电流IOmin可以求出R1的最大值；

◆调整端电流很小，且变化也很小；

◆LM117、LM217M和LM317L在电网电压波动和负载电阻变化时，输出电压非常稳定。

表1LM117/LM217M/LM317L主要性能参数

参数名称

符号

单位

LM117/LM217M

LM317L

典型值

典型值

输出电压

UO

V

1.2~37

1.2~37

电压调整率

SU

%/V

0.01

0.01

电流调整率

SI

%

0.1

0.1

调整端电压

Iadj

μA

50

50

调整端电流变化

ΔIadj

μA

0.2

0.2

基准电压

UREF

V

1.25

1.25

最小负载电流

IOmin

mA

3.5

3.5

Ui—输入电压，在允许范围内选2个不同的值，定为Uih、Uil，由数字电压表V1测量；

Uo—直流稳压电源DW的输出电压，由数字电压表V2测量；

A1—电流表，测量直流稳压电源DW的输出电流Io；

R1、R2—负载。

当输入电压为Uih时，得到Uoh，和Io，

当输入电压为Uil时，调节R1，使Io保持不变，得到Uol，

稳压系数S=（Uoh－Uol）／（Uih－Uil）。

用三端可调式集成稳压器LM117构成的稳压电路。

LM117的3、1端间电压UREF=1.25V，

当电位器R2调到最上端时，有：

当电位器R2调到最下端时，有：

为了防止电路产生自激振荡，应当在输出端对地接一个电容C。

接上C后，如果输入端出现短路，电容C上存储的电荷将会产生很大的电流反向流入稳压器，并使之损坏。

因此，必须接入二极管D1进行保护。

电容C2的作用是减小电阻R2上的电压波动。

但在输入端短路时，电容C2上存储的电荷也会产生很大的电流反向流入稳压器并使之损坏。

必须接入二极管D2进行保护。

4总体电路设计

图10模拟仿真图

图11.PCB图

5元件列表

元件名称

相关参数

元件数量

备注

电位器

0—1K欧可变

1

RL

二极管

1N4002

2

D2D3

电容电阻

215欧

1

R1

300欧

1

R2

0.47UF

1

C2

100欧

1

R3

10uF/20V

1

C1C3

2200uF/20V

1

C4

单相桥

3N246

1

D1

变压器

12V

1

T1

集成稳压芯片

LM117

1

U1

表2原件列表

6课程设计总结

一学期的模电课结束了，四个星期的课程设计也接近尾声，在整个课程设计中查资料，上网搜信息，从书中找原理，忙活了几星期有成功有失败感触颇深。

首先，在设计中遇到难题到图书馆找资料，和同学讨论问题，向老师咨询问题讨教经验，将问题一一解决，增进了不少的实际操作设计经验。

其次，设计同时与同学交流设计心得，大大提高了设计的效率和资源的利用率。

最后，课程设计是对上课理论内容的实际操作检验，通过直流稳压电源的设计，加强了知识的整合、分析，解决为题，进一步体会课程内容的真正用途，加强对课程的重视度，进一步了解所学知识的实际应用。

在设计的同时也深感课本知识的重要性，使用性，学好知识的必要性。

时间：

2012年6月4日

设计人：

自本1003班颜涛

参考文献资料

[1]孙余凯．模拟电路基础与技能实训教程[M]．北京：

电子工业出版社，2006.7；　　　

[2]杨洋．电子电路设计与制作[M]．北京：

科学出版社，2005.9；

[3]李万臣．模拟电子技术基础实验与课程设计[M]．哈尔滨：

哈尔滨工程大学出版社，2001.1。

致谢

感谢贾雅琼老师在课程设计过程中给予的指导与指正，使我提升了对模电理论知识的理解，加强了动手实践的能力。

感谢电子协会会长盆荣建同学的帮住，指导我完成软件硬件方面的使用。

感谢黄枭雄同学对我的无私帮助，在设计过程中我所遇到的技术问题都给我细心指导。

附录A

附录B

注：

合同范本有风险，使用需谨慎，法律是经验性极强的领域，范本无法思考和涵盖全面，最好找专业律师起草或审核后使用，谢谢您的关注！