课程设计直流稳压电源设计与制作1.docx
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课程设计直流稳压电源设计与制作1
××××大学××学院××课程设计
直流稳压电源设计与制作
学生姓名
学号
所在系
专业名称
班级
指导教师
成绩
××××大学××学院
二○一一年六月
摘要:
在本次的直流电源的设计中,该设计主要利用可调式稳压器LM317实现直流稳压电源的输出。
整个电源主要由变压器、整流电路、滤波电路,以及稳压电路几部分组成。
其体积小,稳定性好且性价比较高。
主要介绍其具体实现及原理,并分析具体硬件电路的工作原理及具体实现方法。
结合指针电压表以及其他相关电路模块的相关原理实现了直流稳压电源的显示等具体功能。
经反复实验,结果表明其具有灵活的可调性,控制效果良好。
该电源可广泛运用于电力电子、仪表、控制等实验场合。
关键字:
稳压器,直流,电源,整流电路,滤波电路
Abstract:
Atthistime,thedirect-currentpowersupply'sdesign,DCregulatedpowersupply’sadjustionwascontrolledbyLM317.ItwasmainlycomposedofTransformer,Rectifiercircuit,FiltercircuitandRegulatorcircuit.Thesizeissmall,thestabilityisgood。
theCosteffectiveisperfect.It’smainlyintroducedaboutitsconcreterealizationandprinciple.Andtheanalysisofthespecificworkingprincipleofhardwarecircuitsandwaystoachievespecific.TheprincipleofcombiningThepointertypevoltmetercircuitsandotherrelatedmodulesrealizetherelevanceoftheprincipleofaDCregulatedpowersupply,suchasthespecificfunctionofthedisplay.Itisdemonstratedthatitsflexibleadjustionandsogreateffectofcontrolling.Thepowercanbewidelyappliedtopowerelectronics,instrumentation,controlandotherexperimentaloccasions.
Keywords:
Regulator,DC,Powersupply,Rectifiercircui,Filtercircuit
目录
前言………………………………………………………………………………………
1.总体设计方案………………………………………………………………………1
2.单元模块功能………………………………………………………………………1
2.1直流稳压电源原理………………………………………………………………1
2.2单元模块设计……………………………………………………………………2
2.2.1变压器……………………………………………………………………2
2.2.2整流电路…………………………………………………………………3
2.2.3滤波电路………………………………………………………………4
2.2.4保护电路部分设计………………………………………………………6
2.2.5稳压部分…………………………………………………………………7
(1)LM317原理………………………………………………………………8
(2)LM317电路………………………………………………………………9
2.3元件的选取……………………………………………………………………9
2.3.1变压器的选取…………………………………………………………9
2.3.2整流二级管的选取……………………………………………………10
2.3.3滤波电容的选取………………………………………………………10
2.2.4元件清单………………………………………………………………10
3.系统功能…………………………………………………………………10
4.设计总结…………………………………………………………………11
5.参考文献…………………………………………………………………11
6.附录………………………………………………………………………12
前言
在我们的生活中的各种应用中,电是我们必备的,电源是其必不可少的部分,电源系统质量的优劣和性能的可靠性直接决定着整个电子设备的质量。
直流稳压电源作为直流能量的提供者,在各种电子设备中有着极其重要的地位,它的性能良好与否直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。
随着电子技术的日益发展,电源技术也得到了很大的发展,它从过去一个不太复杂的电子线路发展到今天具有较强功能的模块。
人们对电源的质量、功能和性能要求也随之变得越来越高。
本文介绍一种以可调式稳压器为核心组成的正负输出可调的直流稳压电源。
该电源主要由电源变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和稳压电路等部分所组成。
单向交流电经过这几部分电路后即可转换成正负输出可调的稳定直流电压。
在本电源设计中,不仅制作了实用的稳压电源,更是结合单片机原理、汇编语言等学科,提高电源的性能和功能,使电源设备功能更加完善,使用方便,显示直观。
初步实现了电子产品的体积小、功能多、性能高、价格低、智能化等方面的功能。
1.总体设计方案
该方案是通过变压器变压,再经过整流电路、滤波电路进而将交流电变为直流电,在通过稳压器的稳压得到较稳定的电压,由于稳压器当输入电压固定时只能在它的电压差范围内调节输出电压,所以要在调出电压差的范围时自动调档,这是通过比较器将输出电压和基准电压进行比较,最后将稳压器的输出电压流经保护电路,最后输出。
如图1。
图1设计原理图
2.单元模块功能
2.1直流稳压电源原理
直流稳压电源是电子设备中最基本、最常用的仪器之一。
它作为能源,可保证电子设备的正常运行。
直流稳压电源由四个环节组成:
变压器、整流电路、滤波器及稳压电路。
如图2所示。
图2直流稳压电源原理图
变压器:
将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。
整流电路:
将交流电压变换为单向脉动电压。
其中的整流元件(晶体二极管)所以能整流,是因为它具有单向导电的特性。
滤波器:
利用电抗性元件(电容、电感)的贮能作用,以平滑输出电压,减小整流电压的脉动程度,以适合负载的需要。
稳压环节:
在交流电源电压波动或负载变动时,使直流输出电压稳定。
在对直流电压的稳定程度要求较低的电路中。
2.2单元模块设计
2.2.1变压器
变压器原理就是电磁感应原理,是变压器最基本的原理。
在发电机中,不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈,均能在线圈中感应电势,此两种情况,磁通的值均不变,但与线圈相交链的磁通数量却有变动,这是互感应的原理。
一种变换电压,电流和阻抗的器件。
变压器两组线圈圈数分别为N1和N2,N1为初级,N2为次级。
在初级线圈上加一交流电压,在次级线圈两端就会产生感应电动势。
当N2>N1时,其感应电动势要比初级所加的电压还要高,这种变压器称为升压变压器:
当N2 初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系: U1/U2=N1/N2式中n称为电压比(圈数比)。 当n<1时,则N1>N2,U1>U2,该变压器为降压变压器。 反之则为升压变压器。 另有电流之比I1/I2=N2/N1电功率P1=P2注意上面的式子只在理想变压器只有一个副线圈时成立。 当有两个副线圈时P1=P2+P3,U1/N1=U2/N2=U3/N3,电流则须利用电功率的关系式去求,有多个时依此推类。 如下图3、图4为变压器原理图: 图3变压器原理图a 图4变压器原理图b 按照上图规定变压器各物理量的参考方向,有 定义变比: 变压器工作原理: ▲变压器正常工作时,一次绕组吸收电能,二次绕组释放电能; ▲变压器正常工作时,两侧绕组电压之比近似等于它们的匝数之比; ▲变压器带较大的负载运行时,两侧绕组的电流之比近似等于它们匝数的反 比; ▲变压器带较大的负载运行时,两侧绕组所产生的磁通,在铁心中的方向相反。 2.2.2整流电路 该设计采用单相桥式整流电路(桥堆KBP307)。 其由四只二极管组成,其构成原则就是保证在变压器副边电压u: 的整个周期内,负载上的电压和电流方向始终不变。 为达到这一目的,需要在Uz的正、负半周内正确引导流向负载的电流,使其方向不变,设变压器副边两端分别为a和b,则a为“+”b为“一”时应有电流流出a点,a为“一”b为“+”时应有电流流入a点;相反,a为“+”b为“一”时应有电流流入b点,因而a和b点均应接两只二极管,以引导电流,具体电路原理如图5所示。 图5单相桥式整流电路 如果桥式整流电路变压器副边中点接地,就应将两个负载电阻相连接且连接中点接地。 根据桥式整流电路的工作原理,当a点为“+”b点为“一”时,Dl、D3导通,D2、D4截止,U01一L12,U02一一U2;而当b点为“+”a点为“一”时,D2、D4导通,D1、D3截止,U01一一U2,U02一U2,这样两个负载上就分别获得正、负电压。 若设变压器副边电压u2一U2sinwt,U2为其有效值。 当u2为正半周时,电流由a点流出,经Dl、&、聩流入b点,因而负载电阻&上的电压等于变压器副边电压,即Uo—u2,功和D4管承受的反向电压为一uz。 当tlz为负半周时,电流由b点流出,经岛、风、D4流入a点,负载电阻&上的电压等于一u2,即uo一一u2,01、n承受的反向电压为u2。 这样,由于D1、B和晚、D4两对二极管交替导通,致使负载电阻&上在U2的整个周期内都有电流通过,而且方向不变,则输出电压uo—IU2sinwtl。 2.2.3滤波电路 经过整流后的直流电幅值变化很大,会影响电路的工作性能。 可利用电容的“通交流,隔直流”的特性,在电路中并人两个并联电容作为电容滤波器,滤去其中的交流成分。 电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端(即负载电阻两端)并联一个电容即构成电容滤波电路。 滤波电容容量较大,因此一般均采用电解电容,在接线时要注意电解电容的正负极。 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。 如果将两个滤波电容相连接,且连接点接地,就可同时得到输出电压平滑的正负电源。 在理想情况下,变压器副边无损耗,二极管导通电压为零,所以电容两端电压相等。 而当其上升到峰值后开始下降,电容便通过负载电阻放电,其电压也开始下降,趋势与电容两端电压基本相同。 但是由于电容按指数规律放电,所以当其下降到一定数值后,电容将继续通过负载放电,电容两端电压按指数规律缓慢下降。 总之,在电容充电时,回路电阻为整流电路的内阻,即变压器电阻和二极管的导通电阻,其数值很小,因而时间常数很小。 电容放电时,回路电阻为RL,放电时间常数R。 。 C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,滤波后输出电压愈平滑,并且其平均值愈大。 换言之,当滤波电容容量一定时,若负载电阻减小(即负载电流增大),则时间常数RLC减小,放电速度加快,输出电压平均值即下降,且脉动变大。 故在此选择一个滤波电容2200。 输出电压的平均值U似蝴与放电时间常数RLC有关。 RLC越大,电容器放电速度越慢,则输出电压所包含的纹波成分越小,U驭㈣越大。 为获得平滑的输出电压,一般取放电时间常数为: t>=(3--5)*T/2,式中: T为交流电的周期,在滤波电路放电时间常数满足上式的关系时,可用下式对输出电压的平均值约为电容两端电压的1.2倍。 滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述,近似估算时,其波形近似为锯齿波,此时脉动系数S可按下式近似估算,其中T为电网电压的周期。 当滤波电容选定后,输出电压平均值U0和输出电流平均值Io的关系称为输出特性,脉动系数S和输出电流平均值10的关系称为滤波特性。 输出特性和滤波特性如图6所示。 图6输出特性及滤波特性 曲线表明,电容愈大电路带负载的能力愈强,滤波效果愈好;电流平均值愈大(即负载电阻的RL愈小),电压平均值愈低,S的值愈大。 为减小输出电压的脉动成分,采用的滤波电容器的容值越大越好,交流电源的频率越高越好。 目前在计算机、电视机等电子设备中采用了高频整流电源,它的滤波电容的容量就比50赫兹工频交流电的滤波电容小得多。 电容滤波电路的特点: ▲电流的有效值和平均值的关系与波形有关,在平均值相同的情况下,波形越尖,有效值越大。 在纯电阻负载时,变压器副边的有效值I2=1.11IL,而有电容滤波时I2=(1.5~2)IL。 ▲负载平均电压VL升高,纹波(交流成分)减小,且RLC越大,电容放电速率越慢,则负载电压中的纹波成分越小,负载平均电压越高。 为了得到平滑的负载电压,一般取RL*C≥(3--5)T/2(式中T为电源交流电压的周期)。 ▲负载直流电压随负载电流增加而减小。 VL随IL的变化关系称为输出特性或外特性。 ▲电容滤波电路简单,负载直流电压VL较高,纹波也较小,它的缺点是输出特性较差,适用于负载电压较高,负载变动不大的场合。 2.2.4保护电路部分设计 如图7,该保护电路采用了一个二极管加在三端稳压电路上,其工作原理如下: 当电源输入Vi端短路时,给输出电容器C3一个放电通路,防止C3两端电压作用于调整管的be结击穿而损坏。 图7保护电路 2.2.5稳压部分 集成串联型稳压电路有三个引脚,分别为输入端,输出端和公共端,因而称为三端稳压器。 按功能可分为固定式稳压电路和可调式稳压电路;前者的输出电压不能进行调节,为固定值;后者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。 便于实时控制,此设计采用可调式三端稳压器LM317。 封装如图8。 图8LM317封装形式 (1)LM317原理 LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。 我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用,是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。 LM317的输出电压范围是 1.25V 至 37V,负载电流最大为2.2A。 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。 LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。 通常LM317不需要外接电容,除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过 6 英寸(约 15 厘米)。 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。 LM317能够有许多特殊的用法。 比如把调整端悬浮到一个较高的电压上,可以用来调节高达数百伏的电压,只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。 当然还要避免输出端短路。 还可以把调整端接到一个可编程电压上,实现可编程的电源输出。 用LM317T制作可调稳压电源,常因电位器接触不良使输出电压升高而烧毁负载。 如果增加一只三极管,在正常情况下,T1的基极电位为0,T1截止,对电路无影响;而当W1接触不良时,T1的基极电位上升,当升至0.7V时,T1导通,将LM317T的调整端电压降低,输出电压也降低,从而对负载起到保护作用。 如去掉三极管、断开W1中心点连线,3.8V小电珠立刻烧毁,测输出电压高达21V。 而加有T1时,小电珠亮度减小,此时 LM317T输出电压仅为2V,从而有效的保护了负载。 LM317可调式三端稳压器有三个引出端,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,其典型值为1.25V。 其典型线性调整率为0.01%,负载调整率为0.1%,80dB的纹波抑制比,其工作温度范围为o℃至+125℃。 LM317可调式三端稳压依靠外接电阻来调节输出电压的,为保证输出电压的精度和稳定性,要选择精度高的电阻,同时电阻要紧靠稳压器,防止输出电流在连线上产生误差电压。 为了减小电位器上的纹波电压,可在其上并联了一个电容,由于电容容量较大,一旦输入端断开,电容将从稳蘸器输出端向稳压器放电,易使稳压器损坏,因此在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管,并置在输出短路时,曦套将向稳压器调熬端放电,并使调整管发射结反偏,为了保护稳压器,故加一个二极管。 利用电容可以抵消输入线较长时的电感效应,以防止电路产生壹激振荡,其容量较小,一般小于1,故在此选择0.1。 (2)LM317电路 如图9所示的关于LM317DE应用电路 图9LM317应用电路 2.3元件的选取 2.3.1变压器的选取 根据设计指标,稳压电源的最高输出电压为12V,则滤波电路最小输出电压为15V。 而Uo=1.2U2 则U2的最小值为12.5V。 又额定输出电流为300mA,则变压器的输出功率为3.75W。 考虑到电源电压的允许变化范围为±10%,为了在最低电压时U2=12.5V,并留有一定的电压和功率余量,变压器可取220V/15V/5W。 2.3.2整流二极管的选取 在滤波电路中,二极管中的最大整流平均电流IF通常选择大于负载电流的2~3倍。 IF=3×300mA=900mA,二极管的最高反压UBR=1.414×15V=21.21V。 考虑到留有一定的余量,可选电流为1.5A,耐压为50V的整流二极管,如IN4007等。 2.3.3滤波电容的选取 为了获得较好的滤波效果,应使滤波电容满足RLC=(3~5)T/2的条件。 此时UO≈1.2U2。 由于滤波电路的最小输出电压为15V,负载额定电流为300mA,所以RL=15/0.3A=50Ω。 取C1=4×T/2RL=(4×0.02s)/(2×50Ω)=800uF,取标称值C=1000uF。 2.3.4元件清单 ▲LM317集成块2块,散热器2个,螺丝螺母各2个; ▲220伏变15伏的变压器一个,电源线一根; ▲0.1uf的瓷片电容4个,470uf或1000uf的电解电容4个,220uf的电解电容2个,10uf的电解电容2个,电容抗压16伏; ▲IN4007的二极管8个;LM1208、LM1209各一个 ▲电阻200Ω2个,5.1KΩ的电位器2个;510Ω可保证LED电流在20-30mA之间; ▲绿色、红色发光二极管各一个。 ▲PCB版一张 3.系统功能 ▲可以输出稳定的直流电压,±12V、+5V; ▲精度高且在调节范围内连续可调,5~12V; ▲当输出两接线短路时由于保护功能而不烧坏电源; ▲本系统的显示通过指针电压表显示; ▲输出端介绍: 红线-12V,黄线+12V,白线5~12V可调,蓝线+5V。 4.设计总结 在本次的课程设计中,我主要负责硬件的设计,我们利用220V交流电通过一定的技术产生直流稳压电,并利用它为电子器件提供必要的电压,该电源能提供一定的稳定的电压,并且在它的量程范围内连续可调,同时具有保护作用。 但是这次的设计还有不足之处: 在输出端还可以添加一个数模转换模块,它可以实现将输出的电压通过显示管直接将电压显示出来。 在这近两周的时间里,在指导老师的精心指导之下,顺利完成了设计,通过这次的课程设计,我从中获得了很多有用的东西。 学习到了很多知识,将上课的遗留的问题解决了,在做实物过程中,进一步了解了焊接元件的质量直接影响电路的实现,在设计电路版的时候,我们知道了怎么样注意元件与元件之间的影响,使的电路版更加的美好完美。 在论文方面也进一步了解了对设计论文的格式要求,对我以后的毕业设计进行打下了深厚的基础,我相信在下次的毕业设计中可以很轻松的操作。 在本次的课程设计中,我收获了很多,弥补了不足,这些得感谢学院再次给我们提供这次机会,即将毕业的我们,在这次的课程设计中,让我们能够动手去锻炼自己,得到了很多知识,在设计中我们又复习了以前学习的知识,对我们的就业有较强的促进作用,为以后就业打好了良好的实践基础。 感谢××主任,给我们提供了一次理论联系实际的机会,深深的了解了自己的专业方向。 感谢××老师无微不至对我们的精心指导,感谢实验中心。 5.参考文献 [1]康华光.电子技术基础(模拟部分)第五版.高等教育出版社,2006.480-500 [2]何希才.新型稳压电源及其应用.国防工业出版社,2003.89-98 [3]段九州.电源电路实用设计手册.辽宁科学技术出版社,2003.12-26 [4]阎石.数字电子技术基本教程.清华大学出版社,2007.11-23 [5]李锋刘小魁.模拟电子技术.湖南大学出版社,2004.56-64 [6]陆秀令陈罗湘黄建科.数字电路.湖南大学出版社,2004.66-98 附录 系统原理图1(整流过滤部分) 系统原理图2(稳压部分) 系统原理图3(PCB图)
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