直流稳压电源课程设计 .doc
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1、目 录第1章 绪 论 11.1 引 言11.2 本课题产生的背景和意义 11.3 本课题设计概要 11.4 本人主要工作 2第2章 设计流及方案的选择 32.1 设计流程 32.2 方案的选择 52.2.1 方案1:采用分立元件实现:串联反馈式直流稳压电源52.2.2 方案2:采用三端集成稳压电源实现 52.2.3 方案3:采用开关电源实现 62.2.4 方案的比较 7第3章 电路设计及分析83.1 选取、分析及总体功能说明83.1.1 整流电路设计及其电路原理分析83.1.2 滤波电路设计及其电路原理分析93.1.3 稳压电路设计及其电路原理分析93.1.4 电路总体功能说明103.2 元器
2、件选择和电路参数计算 113.2.1 选择集成稳压器113.2.2 电源变压器的选择113.2.3 选用整流二极管和滤波电容11第4章 电路仿真134.1 仿真软件介绍 134.2 仿真电路的建立 154.3 仿真结果分析 15第5章 电路硬件与性能指标 165.1 电路硬件 165.1.1 电路的PCB布线165.1.2 调试注意事项175.1.3 调试前的检测175.2 性能指标测试 185.2.1 输出电压与最大输出电流的测试185.2.2 稳压系数的测量185.2.3 输出电阻的测量195.2.4 纹波电压的测试205.2.5 纹波因数的测量205.2.6 电压电流调整率205.3 误
3、差分析 21结 束 语22鸣 谢23参考文献24附 录25元件清单 25PCB图 25总电路图 26第1章 绪 论1.1 引言电源技术一门实践性很强的工程技术,服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。当今社会,人类生存和发展都离不开直流电,随着电子技术的发展,给电力电子技术提供了广阔的发展前景,特别是电子计算机技术应用到各工业、科研领域后,几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源供电,在检定检修指示仪表时,除了要有合适的标准仪器外,还必须要有合适的直流电源及调节装置。直接供电已不能满足需要,直流稳压电源的出现解决
4、了这一问题。1.2 本课题产生的背景和意义本次课程设计是对我们学习模拟电子技术课程理论知识的一次实践,对我们学过模拟电子技术之后的总结,它能使的我们建立一定的知识框架结构,把我们所学过的知识做到融会贯通,从整体上去把握。它还让我们知道如何去学习,如何把理论和实践有效的结合起来。这不仅仅是对我们所学知识的考核,更是为了提高我们的动手能力和分工协作意识。通过这次电子线路课程设计,加深对电子设计理论的理解,将理论很好地应用到实际当中去,学会如何去培养创新精神,若何去查阅资料等。不断地战胜自己,超越自己。1.3 本课题设计概要本课题的设计,通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题,巩固和运用在模拟电子
5、技术中所学的理论知识和实验技能,掌握常用模拟电路的一般设计方法,提高设计能力和实践动手能力,为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。在加强的直接实验方法的同时,力求尽快掌握当前先进科学技术,本课题设计用到了Protel 99SE、Proteus ISIS、Microsoft Visio等技术的新手段,新工具,并且用Proteus ISIS软件对电路图进行了部分仿真。对仿真的结果还是比较满意。在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电,小功率的稳压电源是由电源变压器,整流电路,滤波电路和稳压电路等四部分组成。整流电路:将交流电压变换为单向脉动的直流电压;滤波电路:滤除整流后单
6、向脉动电压中的交流成分,使之成为平滑的直流电压;稳压电路:当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时,维持输出直流电压的稳定。它们对直流稳压电源的主要要求是:输入电压变化以及负载变化时,输出电压应保持稳定,即直流电源的电压调整率及输出电阻越小越好。本课题的设计达到的目的:通过课程设计,能够加深对电路理论知识的理解和掌握,更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。学会运用理论和实验两种研究方法,解决实际问题。 1.4 本人主要工作设计时间共三周(2009年5月17日2009年6月7日)主要工作如下:(1)阅读课题及格式要求,确定课题名称。根据课题,借阅相关图书资料;(2)从所借图书资料中了解电路工作原
7、理,及各部分电路功能;(3)学习Protel 99SE、Proteus ISIS、Microsoft Visio等软件。(4)运用Protel 99SE、Proteus ISIS绘制电路图及对电路进行仿真。(5)根据原理图,对元件进行封装,绘制出PCB图,制作PCB板。(6)安装元器件和对电源进行调试及测试。编 者2009年6月7日第2章 设计流程及方案的选择2.1 设计流程稳压电源的设计可以分为以下三个步骤:1、根据稳压电源的输出电压、最大输出电流,确定稳压器的型号及电路形式。2、根据稳压器的输入电压,确定电源变压器副边电压的有效值;根据稳压电源的最大输出电流,确定流过电源变压器副边的电流和
8、电源变压器副边的功率;根据,查出变压器的效率,从而确定电源变压器原边的功率。然后根据所确定的参数,选择电源变压器。3、确定整流二极管的正向平均电流、整流二极管的最大反向电压和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数,选择整流二极管和滤波电容。直流稳压电源稳压过程:交流变压器将交流电压变换为单向脉动的直流电压;滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分,使之成为平滑的直流电压;稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动,负载和温度变化时,维持输出直流电压的稳定。设计电路框图及稳压波形示意图如图2-1、图2-2所示,本设计具体过程图如图2-3所示:交流电源稳压电路滤波电路整流电路变压器图2-1
9、电路框图U0 U1 U2 U3 U4 图2-2 稳压波形示意图图2-3 具体设计过程图2.2 方案的选择2.2.1 方案一 采用分立元件实现:串联反馈式直流稳压电源图2-2-1是由分立元件组成的串联型稳压电源的电路图。其整流部分为单相桥式整流、电容滤波电路。稳压部分为串联型稳压电路,它由调整元件(晶体管T1);比较放大器T2、R7;取样电路R1、R2、RW,基准电压DW、R3和过流保护电路T3管及电阻R4、R5、R6等组成。整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统。其稳压过程为:当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时,取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器,并与基准电压进
10、行比较,产生的误差信号经T2放大后送至调整管T1的基极,使调整管改变其管压降,以补偿输出电压的变化,从而达到稳定输出电压的目的。图2=2-1 串联型稳压电源电路2.2.2 方案二 采用三端集成稳压电源实现由电源变压器、整流滤波电路及三端稳压器构成的稳压电路,三端稳压器如图2-2-2所示。78XX,79XX系列稳压器具有比较完善的的保护电路,主要用来保护调整管。它具有过流、过压和过热保护功能。当输出过流和短路时,过流保护电路动作以限制调整管电流的增加;过热保护电路是集成稳压器独特的保护功能,当芯片温度较低,过热保护电路不起作用,反之则保护电路迫使输出电流减少,芯片功耗减少,从而避免稳压过热而损坏
11、。此方案由提高输出电压电路、输出正负电源电路、恒流源电路组成。注意:79XX系列集成压器是常用的固定负输出电压的三端集成稳压器,除输入电压和输出电压均为负值外,其他参数和特点与78XX系列集成稳压器相同。但是,79XX系列集成稳压的三个引脚与78XX系列集成稳压的三个引脚有所区别:1脚为接地端,2脚为输入端,3脚为输出端。其稳压过程为:由电源变压器将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压,整流二极管组成单相桥式整流电路将交流电压变成脉动的直流电压,再经滤波电容滤除纹波。图2-2-2 三端稳压器7805典型应用电路图2.2.3 方案三 采用开关电源实现 开关电源是一种电压转换电
12、路,主要的工作内容是升压和降压,广泛应用于现代电子产品。因为开关三极管总是工作在 “开” 和“关” 的状态,所以叫开关电源。开关电源实质就是一个振荡电路,这种转换电能的方式,不仅应用在电源电路,在其它的电路应用也很普遍,如液晶显示器的背光电路、日光灯等。开关源与变压器相比具有效率高、稳性好、体积小等优点,缺点是功率相对较小,而且会对电路产生高频干扰,电路复杂不易维修等。开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方
13、框图如图2-2-3所示。图2-2-3 开关电源电路方框图其稳压过程为:交流电源输入经整流滤波成直流,通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上,开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载,输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。2.2.4 方案的比较方案一:结构简单,可用常用分立元器件,容易实现,技术成熟,完全能够达到技术参数的要求,造价成本低,精确度不是太高。方案二:稳压部分需采用一块三端稳压器其他分立元器件,所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,元器件先进,技术成熟,完全能达到题目要求,性
14、能较方案一优越,使用起来可靠 、方便 ,而且价格便宜。方案三:开关电源的功能元件工作在开关状态,因而效率高,输出功率大;且容易实现短路保护与过流保护,但是电路比较复杂,设计繁琐,在低输出电压时开关频率低,纹波大,稳定度极差,因此在本实验中不适合此方案。综合考虑,采用方案二实现。第3章 电路设计及分析3.1 电路选取、分析及总体功能说明3.1.1 整流电路设计及其电路原理分析 整流电路的功能是将交流电变为直流电;常见的整流电路有单相半波、全波和桥式整流电路。单相半波的整流电路结构简单,输出波纹大,效率低;全波整流电路输出的电压低,波纹电压大;而单相桥式整流电路如图3-1-1,输出电压高,波纹电压
15、小,管子承受的最大反向电压低,效率高,通过电流小,变压器的利用系数比较高。经过分析,初步确定整流电路为单相桥式整流电路。1234DTR图3-1-1 单相桥式整流电路在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路,整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。在整流电路中,每只二极管所承受的最大反向电压为: 流过每只二极管的平均电流为:其中:R为整流滤波电路的负载电阻,它为电容C提供放电通路,放电时间常数RC应满足:其中:是交流电压的周期。3.1.2 滤波电路设计及其电路原理分析滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹,一般由电抗元件组成,如在负载电阻的两端并联一个电容C或与负载串联一个电感
16、L,以及由电容、电感组合而成的复式滤波电路。经分析,我们选择电容滤波电路如图3-1-2。滤波电路一般由电容组成,其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为: 图3-1-2 电容滤波电路3.1.3 稳压电路设计及其电路原理分析稳压电路有串联稳压电路和线性集成稳压电路。而集成稳压电路的外接元件少,有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点。由前面方案对比,我们选择使用三端集成稳压电路,如图3-1-3 a、b所示。图4-1-3 a 三端集成稳压电路7812 图4-1-3 b 三端集成稳压电路7912稳压单元包括基准电压、取样电路、比
17、较放大器、调整元件等基本电路和保护电路。1、基准电压,基准电压UVD的稳定性直接关系到整个稳压电源的稳定性,通常由稳压管电路获得。 2、取样电路,取样电路的作用是将输出电压按比例取出一部分,作为控制调整元件的依据。3、比较放大器,由晶体管和集电极电阻组成的比较放大器是一个直流放大器,它对取样电压与基准电压的差值进行放大。4、调整元器件,是稳压单元的执行元器件,一般由一个工作于线性放大区的功率管构成,它的基极输入电流受比较放大器输出电压的控制。5、保护电路,为了防止输出端不慎短路或过载而造成调整管损坏,直流稳压电源通常都设计有过流自动保护电路。3.1.4 电路总体功能说明直流稳压电源的电路图见图
18、3-1-4。我们知道,直流稳压电源的功能,就是将交流220V电压转换为稳定的直流电压输出。因此,图3-1-4电路图中,左边交流220V端为输入端,右边端为输出端,信号处理流程方向为从左到右。本稳压电源电路可分为2个单元,从左到右依次为:以整流二极管为核心的整流滤波单元,包括交流降压电路、整流电路、滤波电路;以为核心的稳压单元,包括基准电压、取样电路、比较放大器、保护电路;以上单元电路组成了直流稳压电源的整体电路。 本直流稳压电源总体工作原理是:交流220V电压经电源变压器降压、整流二极管桥式整流、电容器滤波后,得到直流电压。再经由组成的稳压电路稳压调整后,输出稳定的直流电压,在经由组成的稳压电
19、路稳压调整后,输出稳定的直流电压。图3-1-4便是由设计方案确定的电路图,其中,是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压。电容是为了用来改善纹波和抑制输入的过电压,保证的输入-输出电压不会瞬间超过允许值,电容是为了用来实现频率补偿,防止稳压电路产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。 图3-1-4 稳压电源的总设计电路3.2 元器件选择和电路参数计算稳压电源的设计,是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压 VOP-P等性能指标要求,正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数,从而合理的选择这些器件。3.2.1 选择集成稳压
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