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模电课设
课程设计任务书
学生姓名:
叶兆兵专业班级:
通信0903班
指导教师:
刘雪冬撒继铭工作单位:
信息工程学院
题目:
直流稳定电源设计
初始条件:
LM317三端稳压芯片,电阻,电容,电位器,变压器,二极管,三极管等。
还需模拟电子线路基础知识,电路板焊接知识。
要求完成的主要任务:
1.根据理论知识书写课程设计报告。
2.按照要求焊接实物,并调试电路功能。
时间安排:
第17周(7、8节):
理论讲解
第18周:
理论设计及实验室安装调试;
地点:
鉴主15通信工程实验室
(1),鉴主13通信工程专业实验室;
第19周:
撰写设计报告及答辩;地点:
鉴主17楼研究室。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要3
1电路工作原理分析方案讨论及确定5
1.1直流稳定电源设计要求5
1.2设计方案的选择及确定6
1.2.1直流稳压源6
1.2.2直流稳流电源电路设计8
1.2.3DC-DC变换器10
1.3电路图与主要工作原理11
1.4主要参数的选择与计算13
2安装14
3仿真12
3.1Multisim仿真14
3.2仿真结果15
4实物照片17
5调试及调试过程18
6设计心得19
7元件清单20
8参考文献资料21
附本科生课程设计成绩评定表22
摘要
电源是各种电子、电气设备工作的动力,是自动化部件不可缺少的组成部分,它广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面,是电子设备和机电设备的基础。
在电源的众多类型中,直流稳压电源应用最为广泛,它与国民经济各个部门息息相关,特别是在实验室、IT业、采矿、小型电器等领域中应用更为广泛。
本设计分别用LM317三端稳压芯片稳压电路,LM317三端稳压芯片稳流电路和反馈式逆变电路设计直流稳压电源,直流稳流电源和DC-DC变换器。
通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数,使电路性能达到设计要求中的电压调整率,电流调整率,负载调整率,纹波电压等各项指标。
关键词:
电源;LM317三端稳压芯片稳压电路;LM317三端稳压芯片稳流电路;反馈式逆变电路。
Abstract
Thepowersupplyisadynamicalofeverykindofelectronics,electricityequipmentswork,anditisanindispensabilitypartofautomatization.itisextensivetoapplytostudyofscience,economicdevelopments,nationaldefensefacilitiesandpeoplelifeandsoon,Itisthebaseofelectronicequipmentsandelectromotors.Innumeroustypesofthepowersupply,thedirectcurrentvoltage-stabilizedsourceapplicationmostforextensive,itisvitallyrelatedwiththenationaleconomyeachsection,inthelaboratory,ITindustry,mineforminerals,abbreviatedwiringwaitrealmespeciallymorewidespread.ThisdesignwereusedtoLM317three-terminalregulatorchipvoltageregulatorcircuit,LM317three-terminalregulatorchipsteadyflowcircuitandthefeedbackinvertercircuitdesignDCpowersupply,DC-stabilizedpowersupplyandDC-DCconverter.Throughtherelevantknowledgetocalculatethecircuitparametersofeachdevice,sothatthecircuitperformancetomeetthedesignrequirementsforvoltageregulation,currentregulation,loadregulation,ripplevoltageindicators.
1电路工作原理分析方案讨论及确定
1.1直流稳定电源设计要求
1.1.1稳压电源
在输入电压220V、50Hz、电压变化范围+15%~-20%条件下:
a.输出电压可调范围为+9V~+12V
b.最大输出电流为1.5A
c.电压调整率≤0.2%(输入电压220V变化范围+15%~-20%下,空载到满载)
d.负载调整率≤1%(最低输入电压下,满载)
e.纹波电压(峰-峰值)≤5mV(最低输入电压下,满载)
f.效率≥40%(输出电压9V、输入电压220V下,满载)
g.具有过流及短路保护功能
1.1.2稳流电源
在输入电压固定为+12V的条件下:
a.输出电流:
4~20mA可调
b.负载调整率≤1%(输入电压+12V、负载电阻由200Ω~300Ω变化时,输出电流为20mA时的相对变化率)
1.1.3DC-DC转换器
在输入电压为+9V~+12V条件下:
a.输出电压为+100V,输出电流为10mA
b.电压调整率≤1%(输入电压变化范围+9V~+12V)
c.负载调整率≤1%(输入电压+12V下,空载到满载)
d.纹波电压(峰-峰值)≤100mV(输入电压+9V下,满载)
1.1.4发挥部分
(1)扩充功能
a.排除短路故障后,自动恢复为正常状态
b.过热保护
c.防止开、关机时产生的“过冲”
(2)提高稳压电源的技术指标
a.提高电压调整率和负载调整率
b.扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值
(3)改善DC-DC变换器
a.提高效率(在100V、100mA下)
b.提高输出电压
(4)用数字显示输出电压和输出电流
1.2设计方案选择及确定
1.2.1直流稳压源
方案一:
开关式稳压电源
如图1.2.1.3,该电路中的调整管工作在开关状态,即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。
由于管子饱和导通时管压降Vce和管子截止时电流Iceo都很小,管耗主要发生在状态开与关的转换过程中,电源效率可达到75%~95%。
由于省去了电源变压器和调整管的散热装置,所以体积小,重量轻。
图1:
开关时稳压电源
方案二:
采用LM7805,LM7812和LM7912组装,LM317共同组成稳压电路
LM7805固定式三端稳压器可输出+5V电压,固定式三端可调稳压器LM7812和LM7819组装电路可对称输出±12v.LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压,其电路图如图所示.
图2:
三端可调式稳压电路
方案三:
采用三端集成稳压器电路该电路采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器,输出电压调整范围较宽,设计一电压补偿电路可实现输出电压从0V起连续可调,因要求电路具有很强的带负载能力,需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。
该电路所用器件较少,成本低且组装方便、可靠性高。
最终决定的直流稳压电源电路设计方案
最终,我决定采用第三种LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源,主要因为它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM117/LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
集成芯片LM317制作工艺成熟,具有较好的稳压功能。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
方案二由三端可调式稳压器和三端固定式稳压器共同组成,所用器件多,考虑到经济性原则,我决定采用方案三。
电路图如下:
图3:
LM317集成稳压电路
LM317系列稳压器输出连续可调的正电压,可调范围为1.2~37V,最大输出电流为1.5A。
满足设计需要。
图中R1,R2,电位器组成电压输出调节电路,电容C1为滤波电容,电容C2与电位器并联组成输出滤波电容,减小输出的纹波电压。
二极管D6的作用是防止输出端与地短路时,电容C2上的电压损坏稳压器。
1.2.2直流稳流电源电路设计
方案一:
开关电源式高压恒流源电路图
研制仪器需要一个能在0到3兆欧姆电阻上产生1mA电流的恒流源,用UC3845结合12V蓄电池设计了一个,变压器采用彩色电视机高压包,其中L1用漆包线在原高压包磁心上绕24匝,L3借助原来高压包的一个线圈,L2借助高压包的高压部分.L3和LM393构成限压电路,限制输出电压过高,调节R10可以调节开路输出电压
方案二:
采用运放作为稳流电源
根据设计要求(输入电压+12V,负载电阻300欧,输出电阻20毫安),反馈电阻最大压降为12-0.02×300=6V,起最大值为6÷0.02=300欧。
为了尽可能提高输出电流,电路中R2取为150欧姆,并串联电位器Rw1,可在一定范围内调节反馈量的大小,使电路更加灵活。
电路图如下:
图4:
用运放的稳流电源
方案三:
LM317构成的可调稳流源电路
用12V供电,依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点,用R3与RS2的阻值控制输出电流的大小,达到输出稳定可调电流的目的。
最终决定的直流稳流电源电路设计方案
最终我决定采用第三种设计方案,用LM317制作这一电路简单易行,在性能上又能达到设计要求指标,是最合理和最理想的方案之一。
电路图如下:
图5:
LM317集成稳流电路
1.2.3DC-DC变换器
方案一:
采用专用开关升压芯片。
美国Maxim公司生产的Max系列DC-DC变换器有各种类型的型号。
有降压、升压、负电压变换等。
大部分型号采用的是开关脉宽调制(PMW),其效率高,外围电路也比较简单。
方案二:
集成运算放大器的升压电路
不过此电路只能由5V升至30V,达不到设计要求。
方案三:
NE555芯片的升压电路
图6:
NE555芯片的升压电路
方案四:
DC-AC-DC转换升压电路
如图所示,这一电路依靠Q1、Q2、Q3组成的自激震荡电路,将直流电源输入的电能转化为交流电压,经变压器升压后再恢复为直流。
此种电路结构简单,设计合理,且升压范围比较大,能够达到设计要求。
缺点在于输出的电压不稳定,有较大波动,而且交流纹波电压比较大。
图7:
DC-DC变换器电路
最终决定的DC-DC转换电路设计方案
鉴于制作难度、电路性能、工作效率、元器件取得的难易程度等多方面考虑,我最后选择了第四种设计方案。
而且经过仿真完全符合要求。
1.3电路图与主要工作原理
经过以上分析我决定,我已有了总体电路的布局,下面先介绍各部分的工作原理:
1.3.1稳压模块工作原理
本电路的稳压电源模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳压电路,将220V-18V变压器变出的18V交流电压,经过全波桥式整流后得到直流脉动电压,在经过滤波电容减小电压脉动,最终经过LM317稳压后得到稳定的1.25V带隙电压。
再依靠R1电阻固定电流,经R2与RS1调整输出端的电压。
达到输出稳定可调电压的要求。
1.3.2稳流模块工作原理
本电路的稳流电源模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳流电路,将上一级产生的12V稳定电压转换为输出端的4-20mA的稳定电流。
由稳压源供电,仍然是依靠LM317的带隙电压,通过R3与RS2电阻的调节控制输出端电流,实现稳定输出可调电流的题目要求。
1.3.3DC-DC转换器模块工作原理
同样是依靠第一级的稳定电压输出供电,依靠Q1、Q2、Q3和R7、R8、C5构成的自激振荡电路,由上一级的直流供电产生一个交流电信号,在经过变压器升压,再度转换为直流信号输出,同时达到升压的目的。
图8:
整体设计电路图
1.4主要参数的选择与计算
(公式1)
(公式2)
(公式3)
(公式4)
选二极管(公式5)
电流平均值:
(公式6)
承受最高反压:
(公式7)
选二极管应满足:
IF(23)ID(公式8)
可选:
2CZ55C(IF=1A,URM=100V)或1A、100V整流桥,此电路中选择2A、100V整流桥,满足要求。
2.选滤波电容
(公式9)
(公式10)
可选:
1000F,耐压50V的电解电容
根据输出直流电压UO=15(V)的要求,由式(7-8)稳定电压
(公式11)
由输出电压VO=15(v)及最小负载电阻RL=3KΩ的要求,负载电流最大值
(公式12)
由式(7-8)计算
mA
查半导体器件手册,选择稳压管2CW20,其稳定电压UZ=(13.5~17)(V),稳定电流
mA,
mA。
2.安装
这次课设过程中安装元件虽然不多,但对于新手上路的我还是有一定挑战性的,在采购时,有的元件无法买到,只能用相近的元件替代。
而且电路的焊接比较花费时间。
3.仿真
3.1Multisim仿真
●这次仿真分析我选用的是Multisim软件,它是一种基于PC平台的电子设计软件,具有方便、使用的人机图形界面。
它能提供各种电子元器件和常用仪器仪表,是设计、运行和验证电子线路的理想仿真软件。
图9Multisim启动时的界面
3.2仿真结果
3.2.1稳压模块仿真
图10稳压仿真图
3.2.2稳流模块仿真
图11稳流仿真图
3.2.3DC-DC模块仿真
图12DC-DC仿真图
4实物照片
图13实物正面
图14实物背面
5调试及调试过程
完成电路板后,将电源与变压器接至电路的输入端口,用万用表在电压输出端测量,得到输出电压v,调节电位器R,输出电压可以实现9-12V的输出变化,证明原理正确,电路图绘制正确,且电路板此模块制作无误。
但是由于有的元件无法买到,用替代品是输出范围不是很精确。
用万用表测量电流输出端,得到电流。
调节电位器R’,电流输出端可以实现4-20mA的稳定输出变化,证明恒流部分原理正确,电路图绘制正确,且电路板此模块制作无误。
在调试过程有遇到些困难,但通过自己分析电路图及向同学请教,最终解决了问题,使实物成功运行。
、
6设计心得
我是一个转专业的学生,以前对焊接,电子设计这方面有一定的缺乏,但通过一个学期的模电课程学习,我对电子类产生了浓厚的兴趣。
在这次课设过程中,我遇到了一些困难,在焊接过程也不太熟练,不过经过了一次电工实习,我也有了一定的基础,在调试过程中发现错误解决错误也使我锻炼了能力,获益匪浅。
为完成这次设计我查阅了很多资料和书籍,我发现查资料也是一门学问,要会查才能找到你所需的内容,我在图书馆查阅了相关的电子设计和电源设计书籍,同时也大量的浏览了网络资源,随着了解的深入对设计有了基本的思路。
通过本次课程设计使我对集成直流稳压电源有了更为深刻的了解,对其构造组成及参数计算掌握的比以前熟练很多,特别是对稳压器的认识比以前更广泛,虽然在课本中接触过稳定电源的知识,但课本上的介绍十分简单也十分有限,并且我对课本的记忆不是很深刻,但通过本次自己动手动脑设计之后记忆的就深刻了。
尤其是本次设计中用到的317和78××,79××系列的掌握比以前好了很多,不过仍然会有不足。
这次课程设计让我体会到了动手的乐趣,同时也让我对这个专业有了更进一步的认识。
在今后的学习中,我会更加努力的去弥补自己的缺点,发展自己的优点,去充实自己,是自己一步一步的走向优秀,走向成功!
认真对待每一个实验,珍惜每一分一秒,学到最多的知识和方法,锻炼自己的能力,这个是我在课程设计中学到的最重要的东西,也是以后都将受益匪浅的!
本次课程设计是我第一次做课设,为我以后再做课设积累了一定的经验,但由于和考试一起进行,使我在时间上不很充裕,设计中有很多缺陷不能在认真查阅修改。
希望在以后的设计中能尽量做好,弥补这次的不足。
7元件清单
名称
型号
数量
备注
变压器
15V/15W
1
二极管
IN4001
4
IN4007
2
电解电容
1μF
2
470μF
1
10μF
2
稳压集成器
LM317
2
可调电位器
500Ω
2
电阻
各阻值若干
三极管
9012
2N222A
TIP31C
1
2
1
8.参考文献资料
1.梁宗善.《新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计》.华中科技大学出版社,2004
2.孙梅生.《电子技术基础课程设计》.高等教育出版社,2005
3.王槐斌,吴建国,周国平.《电路与电子简明教程》.华中科技大学出版社,2006
4.康华光编《电子技术基础模拟部分》,北京高等教育出版社,2001年1月版
5.张宪编《电子电路制作指导》,北京化学工业出版社,2005年8月版
6.张友汉编《电子技术基础教学参考书》,北京高等教育出版社,2005年6月版
7.杨刚编《模拟电子技术基础实验》,北京电子工业出版社,2003年11月版
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目:
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
2011年月日
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