模拟电子课程设计--直流稳压电源的课程设计报告

模拟电子课程设计

题目名称：直流稳压电源的设计           

姓    名：     方淼  

学    号：   0809121046  

班    级：   08电信2班  

铜陵学院电气系

20##年6月

目   录

        1.绪论 ……………………………………………………………………3

      2.电路工作原理分析、方案论证和确定………………………………4

       2.1设计主要性能指标…………………………………………………4

       2.2设计方案选择………………………………………………………4

2.3方案确定……………………………………………………………5

      3.单元电路原理…………………………………………………………5

       3.1电源变压器…………………………………………………………5   

 3.2整流电路……………………………………………………………6

3.3滤波电路……………………………………………………………8

3.4稳压电路……………………………………………………………9

       4.参数计算及器件选择………………………………………………10

4.1集成稳压器的选择…………………………………………………10

4.2整流二极管及滤波电容的选择……………………………………11

5.调试……………………………………………………………………11

5.1PSpice仿真分析……………………………………………………11

6.课程设计心得体会……………………………………………………12

  附录 整体电路图………………………………………………………13

1绪论


在本学期开设的《模拟电子技术基础》第十章中，我们学习了直流稳压电源，通过学习我们了解到，在电子线路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源是由（图1-1）电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。

图1-1  集成直流稳压电源结构图

其中，交流电网220V的电压通过电源变压器将变为我们需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还是会随电网电压波动、负载和温度等的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还须接稳压电路，保证输出的直流电压稳定。

此次集成直流电源的课程设计，要求输出±5 、±12V以及±9V的电压，全部过程（从构思设计到实物制作及性能调试）都将由我们自行完成，这就需要我们不仅熟悉了解课本上的知识，还要学会将理论知识应用到我们的实践中，并学会利用书籍资料来帮助自己。

因此，动手参与设计直流稳压电源能巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，为以后的专业学习打下坚实的基础。除此之外，通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。通过此次课程设计，培养学生综合运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力，培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。

2电路的设计要求和方案的选择

2.1设计主要性能指标：

输出电压Vo及最大输出电流Iomax：

I档VO=±12V对称输出，Iomax=100mA；

Ⅱ挡VO =±5V，Iomax=300mA；

Ⅲ挡 VO=9±V，Iomax=200 mA）；

纹波电压：△Vop-p≤5mA;

稳压系数：SV  ≤5%；

设计要求：

选择适当方案设计电路

计算电源变压器的效率和功率

选择整流二极管及计算滤波电容

安装调试与测量电路性能

2.2设计方案选择

  小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其中最重要的就时选好稳压器，方案如下：

方案一：采用LM317及LM337分别组成独立的可调电压源

LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压，不过它只能允许可调的正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路；由一个电阻（R）和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路，它的输入电压Vi=± 15V，输出电路为一定值，输出电压为：Vo=1.25(1+RP/R)。LM337输出为负的可调电压，采用两个独立的变压器分别和LM317及LM337组装，正输出可调集成稳压器的输出电压范围为1.2～37V，输出电流可调范围为0.1～1.5A。，它可以连续输出±1.25V~±12V的电压。

这种方法的连线组成比较简单，它适用于输出连续可调的电压，但调节的时候不容易控制输出电压。

方案二：采用固定式三端集成稳压器

      固定式三端稳压器的常见产品及典型应用

                        

     此类稳压器有三个引出端：输入端、输出端和公共端。根据其输出电压极性可分为固定正输出集成稳压器（CW78系列）和固定负输出集成稳压器（CW79系列）。根据输出电流的大小又可分为CW78XX型（表示输出电流为1.5A）、CW78MXX型（表示输出电流为0.5 A）和CW78LXX型（表示输出电流为0.1A）。后面两位数字XX表示输出电压的数值，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，固定负输出集成稳压器相应也有CW79XX、CW79MXX和CW79LXX型。利用固定输出集成稳压器可组成各种应用电路。

方案三：采用LM317可调式三端稳压器以及78、79系列稳压电源

同方案一中，LM317可以输出+3~+9V的正相电压且稳压器内部含有过流，过热保护电路，而7805可以输出稳定的+5V电压、7812和7912可以分别输出+12和-12V的电压，将三路电路并联连接即可。相较方案一而言，此电路在制作上难度有所下降而且原理结构简单，所以该电源电路应采用LM317以及78、79系列集成稳压器。它分为三档输出，可以输出±12V、±9V、±5V的电压。

2.3方案确定

对方案一，适用于输出连续可调的电压，但是调节不容易控制；方案二要用多哥78、79系列的集成稳压器组装，比较麻烦，而且成本也较大。方案三是一个相对综合的电路。它分为三档输出，可以输出±12V、±9V、±5V的电压。

从手工操作及可行性上考虑，我们选择方案三。

3 单元电路原理

集成稳压电源可简化成四部分(图3—1 )                             

图3-1 直流稳压电源框图及各级输出波形

3.1电源变压器

电源变压器将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率。电源变压器的效率为：

其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：

表1  小型变压器的效率

因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。

实际电路中我们选择一个中间带抽头的多路输出稳压器，其输出电压分别是（交流）12V、5V、20V。分别对应78系列，79系列和317稳压器。

3.2 整流电路

1.单相桥式整流电路如图（3—2）所示，四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。单相桥式整流电路的工作原理为简单起见，二极管


用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

图3 —2 整流电路图

在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图中实线箭头表示。

在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图中虚线箭头所示。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

单相桥式整流电路常画成图3—3所示的简化形式。


图3—3  单相桥式整流电路简化图

结合上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图5。


图3—4 桥式整流电路的工作波形

由图可见，通过负载桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向RL的电流iL以及电压vL的波形都是单方向的全波脉动波形。电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51A～G、QL62A～L等，其中QL62A～L的额定电流为2A，最大反向电压为25～1000V。

3.3  滤波电路

经过整流后得到的脉冲直流纹波还是很大的，所以要经过滤波电路的滤波，滤波电路通常有电容滤波，电感滤波，II型滤波等。

电容滤波                    适应小电流负载    VL＝1.2V2

电感滤波                    适应大电流负载    VL＝0.9V2

LC滤波                     适应性较强            VL＝0.9V2

RC或LC ∏ 型滤波         适应小电流负载    VL＝1.2V2


图3-5 RC滤波电路

由于电感的体积和制作成本等原因，我们多采用电容滤波，其作用是把脉动直流电压U3中的大部分纹波加以虑除，一得到较平缓的直流电压U1

图3-6电容滤波电路中二极管的电流和导通角

3.4稳压电路

由于稳压电路发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随着变化。因此，为了维持输出电压稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）等发生变化时，使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成。采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。

集成稳压器的种类很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按照输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可以分为正电压输出和负电压输出两种类型。按照设计要求本设计要用到可调式三端稳压器。其常见产品有CW317、CW337、LM317、LM337。其中317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连续可调的负电压，可调范围为1.2～37V，最大输出电流为1.5A。此外三端集成稳器还有78系列和79系列。如下图是78系列的外形和接线图。78系列又分三个子系列，即78xx,78Mxx,78Lxx.其主要差别在于输出电流和外形，78 xx输出电流为1.5A ,78 Mxx输出电流为0.5A,而78Lxx的输出电流为0.1A.

79系列和78系列的外形相似但是接续不一样，79的1端接地，2端接负的输入，3端为输出。

固定式三端稳压器的引脚图及典型应用电路

                      

       CW78XX                1  CW78XX  3                     CW79XX

       1  2  3     UI       C1   2       Co     Uo          1  2  3      UI       C1    1       Co      Uo

                                                                              2  CW79XX  3

       Ui  地 Uo                                              地 Ui Uo

（a）  CW78系列的引脚图及应用电路    （b） CW79系列的引脚图及应用电路

（其中：C1 = 0.33μF,Co = 0.1μF ，C1、              （其中：C1 = 2.2μF，CO = 1μF）

     Co采用漏电流小的钽电容）

图3-7 固定式三端稳压器的引脚图与应用电路

    说明：稳压器输入端的电容C1用来进一步消除纹波,此外，输出端的电容Co与C1起到了频率补偿的作用，能防止自激振荡，从而使电路稳定工作。

1．可调式三端稳压器的引脚图及其典型应用电路

     在图B (a)中，R1与Rw组成输出电压                   3  LM317  2 

调节电路，输出电压Uo≈1.25 (1 + Rw / R1 )， LM317              1          R1     D5 Uo

R 1的值为120 ~ 240Ω，流经R 1的泄放电     1 2 3 arj U o U i     U I     C 1    R W   C 2          

流为5 ~ 10mA。Rw为精密可调电位器。电                   

容可以进一步消除纹波，电容C1与Co                      

还能起到相位补偿作用，以防止电路产生  

自激振荡。电容C2与Rw并联组成滤波电     其中：C1= 0.01μF，C2 =10μF，CO =1μF，

路。                                      R1 =200Ω，RW =2kΩ，D5用IN4007

4、参数计算及器件选择

4.1集成稳压器的选择

选择集成稳压器：

集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：，最大输出电流为1.5A。所确定的稳压电源电路如图4-1所示。             

集成稳压器的输出电压Uo应与稳压电源要求的输出电压的大小及范围相同。稳压器的最大允许电流Iom<Iomax，稳压器的输入电压范围为：

Uomax+（Ui-Uo）min≤Ui≤Uomin+（Ui-Uo）max

式中，Uomax——最大输出电压；

      Uomin——最小输出电压；

     （Ui-Uo）min ——稳压器的最小输入电压差；

（Ui-Uo）max——稳压器的最大输入电压差；

在图4-1所示的电路中，取C1 = 0.01μF，C2 =10μF，C0 = 1μF，R1 = 200Ω，RW = 2kΩ，二极管用IN4007，和组成输出电压调节电路，输出电压  ，取，流过的电流为。取R1 = 200Ω，则由，可求得：，Rwmax=1860Ω，故取为的精密线绕电位器。

              

 

选择电源变压器

Uomax+（Ui-Uo）min≤Ui≤Uomin+（Ui-Uo）max

即                       9V+3V≤Ui≤3V+40V

取                          12V≤Ui≤43V

U2≥Uimin/1.1=12/1.1=10.91V

取U2=12V

变压器副边电流：I2≥Iomax=0.2A

取I2=0.5A

则变压器的副边输出功率P2为    P2≥I2U2=6W

   由表1知，变压器的效率η=0.7，则原边输入功率P1≥P2 /η=8.57W。为留有余地，故选用功率为10W的变压器。所以变压器选用12V/10W的即可。

4.2整流二极管及滤波电容的选择

由于：URM=/¯2U2＝/¯2×12＝16.968V, Iomax=0.2A

IN4001的反向击穿电压URM≥50V，额定工作电流ID=1A，故整流二极管选用IN4001。

 

式中，Uo＝9V,Ui=12V, ?Uop–p≤5Mv, Sv≥3×10¨³

则ΔUi＝?Uop–p Ui/ Uo Sv＝2.2V

则滤波电容C为

C=Ict/ΔUi=  C=Iomaxt/ΔUi=3636μF

因此我们可以采用4700μF的电容。对于78、79系列的电路图,如下图所示：

 

5 调试

5.1 PSpice仿真

这次仿真分析我选用的是PSpice软件，它是一种基于PC平台的电子设计软件，具有方便、实用的人机图形界面。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。

新建一个PSpice Project,按照步骤把电路图画在模板中，但是由于元件选择和对该软件不熟悉等原因，仿真分析没有得出理想的结果。在今后的学习中，一定要加强这方面的能力，为今后的学习做好准备，打下基础。

6.课程设计心得体会

之前本以为直流稳压电源设计会很简单，而实际做起来发现并非想象中的那么简单。但最终还是有所成功的。

现在觉得，作设计就应该有种踏实的态度，简单也好，难做也罢，只要我们静下心来投入到其中，也就成功了一半。

而自己掌握的比较差，但我仔细看了看课本，所以在设计此次电源时，我脑海中就有了最初的单元电路，翻模电课本在结合自己的设计之后我完成了自己的设计，但是在做仿真的时候，本来想先熟悉一下EWB用它来做仿真的，但是掌握了EWB的基本用法之后，发现其元件库所含元件太少，尤其是其中没有LM317，集成稳压器很难找到，所以我又改用了PSPICE来做仿真，但是，由于时间仓促，而且完全不熟悉这个仿真软件，所以结果并不是很理想。但是，通过本次设计，懂得了制作过程中电路处理的方法，并了解了直流稳压电源的系统方案论证与选择和各模块方案设计与论证，让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标，也让我们认识到在此次设计电路中所在的问题；而通过不断的努力去解决这些问题。

附录 整体电路图

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