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可调直流稳压电源课程设计报告

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2020年4月19日
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可调的直流稳压电源电路设计
目录

一、设计目的 2
二、设计任务及要求 2
三、实验设备及元器件 3
四、设计步骤 3
1．电路图设计方法 3
2、设计的电路图 3
五、总体设计思路 4
1．直流稳压电源设计思路 4
2．直流稳压电源原理 4
1、直流稳压电源 4
2、整流电路 5
3、滤波电路——电容滤波电路 6
4、稳压电路 7
5、设计的电路原理图 8
3．设计方法简介 8
六、 课程设计报告总结 10

一、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。
二、设计任务及要求
1、设计一个连续可调的直流稳压电源，主要技术指标要求：
① 输入（AC）：U=220V，f=50HZ；
② 输出直流电压：U0=9→12v；
③ 输出电流：I0<=1A；
④ 纹波电压：Up-p<30mV；
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。
3、自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量。
4、在实验室MultiSIM8-8330软件上画出电路图，并仿真和调试，并测试其主要性能参数。
三、实验设备及元器件
1、 装有multisim电路仿真软件的PC
2、三端可调的稳压器 LM317一片
3、电压表、滑动变阻器、二极管、变压器
四、设计步骤
1．电路图设计方法
（1）确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并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。
（5）将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。
（6）采用三端集成稳压器电路，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 0 V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。
2、设计的电路图

图1 可调的直流稳压电源
五、总体设计思路
1．直流稳压电源设计思路
（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
（2）降压后的交流电压，经过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（4）滤波后的直流电压，再经过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给电压表。
2．直流稳压电源原理
1、直流稳压电源
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。
直流稳压电源方框图
图2 直流稳压电源的方框图

其中：
（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电
（3）滤波电路：能够将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
2、整流电路
（1）直流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3所示。
图3 单相桥式整流电路

（2）工作原理
设变压器副边电压u2=√2U2sinωt，U2为有效值。
在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。如图4

图4单相桥式整流电路简易画法及波形图

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，因此流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即 电路中的每只二极管承受的最大反向电压为 (U2是变压器副边电压有效值)。
3、滤波电路——电容滤波电路
采用滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。
在整流电路的输出端，即负载电阻RL两端并联一个电容量较大的电解电容C，则构成了电容滤波电路，如图5所示电路，由于滤波电容与负载并联，也称为并联滤波电路。

图5单相桥式整流电容滤波电路
从图4能够看出，当u2为正半周时, 电源u2经过导通的二极管VD1、VD3向负载RL供电，并同时向电容C充电（将电能存储在电容里，如t1～t2），输出电压uo＝uc ≈ u2；uo达峰值后u2减小，当uo≥u2时，VD1、VD3提前截止，电容C经过RL放电，输出电压缓慢下降（如t2～t3），由于放电时间常数较大，电容放电速度很慢，当uC下降不多时u2已开始下一个上升周期，当u2＞uo时，电源u2又经过导通的VD2、VD4向负载RL供电，同时再给电容C充电（如t3～t4），如此周而复始。电路进入稳态工作后，负载上得到如图中实线所示的近似锯齿的电压波形，与整流输出的脉动直流（虚线）相比，滤波后输出的电压平滑多了。
显然，放电时间常数RLC越大、输出电压越平滑。若负载开路（RL=∞），电容无放电回路，输出电压将保持为u2的峰值不变。
（1）输出电压的估算
显然，电容滤波电路的输出电压与电容的放电时间常数τ=RLC有关，τ应远大于u2的周期T，分析及实验表明，当
τ=RLC≥（3～5）T /2

时，滤波电路的输出电压可按下式估算，即

UO≈1.2U2

（2）整流二极管导通时间缩短了，存在瞬间的浪涌电流，要求二极管允许经过更大的电流，管子参数应满足
IFM＞2IV=IO

（3）在已知负载电阻RL的情况下，根据式子选择滤波电容C的容量，即

C≥（3～5） T /2RL

若容量偏小，输出电压UO将下降，一般均选择大容量的电解电容；电容的耐压应大于u2的峰值，同时要考虑电网电压波动的因素，留有足够的余量。
电容滤波电路的负载能力较差，仅适用于负载电流较小的场合。

4、稳压电路

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.1～1.2)U2，直流输出电流：（I2是变压器副边电流的有效值），稳压电路可选集成三端稳压器电路。稳压电路原理电路见图6

图6 稳压电路原理图

5、设计的电路原理图

图7 可调（2.5V——36V）的直流稳压电源
3．设计方法简介
（1）根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。
因为要求输出电压可调，因此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2.5V~36V，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。
输出电压表示式为：

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经过输出电压调节电位器 ， 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。
输出电压可调范围：2.5V～36V
输出负载电流：1.5A
能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。
（2）选择电源变压器
1）确定副边电压U2:
根据性能指标要求：Uomin=3V Uomax=9V
又 ∵ Ui-Uomax≥(Ui-Uo)min Ui-Uoin≤(Ui-Uo)max
其中：（Ui-Uoin）min=3V，(Ui-Uo)max=40V
∴ 12V≤Ui≤43V
此范围中可任选 ：Ui=14V=Uo1
根据 Uo1=(1.1～1.2)U2
可得变压的副边电压：
2）确定变压器副边电流I2
∵ Io1=Io
又副边电流I2=(1.5～2)IO1 取IO=IOmax=800mA
则I2=1.5*0.8A=1.2A
3）选择变压器的功率
变压器的输出功率：Po>I2U2=14.4W
（3）选择整流电路中的二极管
查手册选整流二极管IN4001，其参数为：反向击穿电压UBR=50V>17V
最大整流电流IF=1A>0.4A
（4）滤波电路中滤波电容的选择
滤波电容的大小可用下式求得。
1）求ΔUi:
根据稳压电路的的稳压系数的定义：
设计要求ΔUo≤15mV ，SV≤0.003
Uo=+3V～+9V
Ui=14V
代入上式，则可求得ΔUi
2）滤波电容C
设定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S
则可求得C。
电路中滤波电容承受的最高电压为 ，因此所选电容器的耐压应大于17V。
注意： 因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，因此稳压器的输入、输出端常 并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。
六、 课程设计报告总结
经过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关模拟电子技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，经过亲自动手操作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及她人对你的认可！
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。经过这次课程设计，我掌握了常见元件的识别和测试；熟悉了常见仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，掌握了可调直流稳压电源构造及原理。
我认为，在这学期的实验中，不但培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不论有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都能够在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面正确事情。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，能够说得是苦多于甜，可是能够学到很多很多的东西，同时不但能够巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。经过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，能够说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。