直流稳压电源设计实验报告附详图

时间：2020-11-23 11:42:13 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　 实训报告

　题目名称：

　直流稳压电源电路

　系

　部：

　电气与信息工程系

　专业班级：

　机

　 制

　14-3

　学生姓名：

　郭欣欣

　学

　号：

　71

　 指导教师：

　刘岩

　完成日期：

　2018

　年 1 月 17 日

　摘

　要

　随着电子技术的快速发展， 高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。

　直流稳压源为电路提供直流电压和能量， 其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。

　本实验旨在利用交流变压器、 整流环节、滤波环节和集成元件稳压电路将交流电压转化为直流电压输出， 并且对衡量稳压电路性能的几种主要参数进行了测试和分析。

　随着电子技术的快速发展， 高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来

　越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。

　直流稳

　压源为电路提供直流电压和能量， 其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。本实验旨在利用交流变压器、 整流环节、滤波环节和集成元件 LM317 稳压电路将

　220V 交流电压转化为

　5V 直流电压输出， 并且对衡量稳压电路性能的几种主要参

　 数进行了测试和分析。

　关键词 :

　半波整流

　电容滤波

　稳压电路

　稳压系数

　纹波电压

　目

　录

　一、

　要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　1

　 二、原理分析与

　步

　 1.

　直流

　 路 构的

　⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　1

　2. 交流

　器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　2

　3. 整流 路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　2

　4.

　波 路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　2

　5. 集成

　 路

　集成

　器件

　LM317⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　3

　LM317 典型接法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　4

　6. 参数 算与器件

　⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　4

　 路参数 算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　4

　元器件清 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　5

　 三、

　步 与

　 果

　1.

　路搭接与 器

　⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　6

　2. 性能参数

　系数的 量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　6

　 出 阻的 量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　6

　波

　的 量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　7

　 量 果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　7

　四、

　小 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

　7

　 一、设计要求

　 如下表所示：

　输出电压

　5V、 9V、 12V、

　5V、

　9V、

　12V，固定、可调均可

　 输出电流

　最大 600mA

　 其他要求

　依据具体电路参数确定

　二、原理分析与设计步骤

　 直流稳压电路结构选择

　直流稳压电源的基本结构如图

　2-1 所示，分为四个基本环节，即电源变压器、

　 整流电路、滤波电路和稳压电路。据此确定欲设计的电路结构如图 2-2 所示

　图 2-1

　 图 2-2

　交流变压器

　将 220V 交流电压降低至一定幅度以使后级稳压电路正常工作。

　 整流电路

　将交流电压转换成脉动直流电压， 分为半波整流、 全波整流和桥式整流。

　本实验采用二极管桥式整流电路，电路结构如图 2-3 所示。

　 图 2-3

　 整流原理如下：

　1

　U o

　t )

　u 0

　d(

　 0

　 输出电压平均值 1 2U 2

　sin td (

　t) U o

　0

　 输出电流平均值 2 2U 2 0.9U 2 I o

　I

　D 0

　二极管电流平均值

　 I

　D

　二极管电流有效值

　 I

　2

　变压器副边电流有效值 I 0

　U 0

　/ R L

　0.9U 2

　/ R L U

　DRM

　二极管最大反向电压

　I D 0 1 I 0

　 I

　D

　 1.57I

　D 0

　 I 2 21.57I D 0

　2

　U DRM

　2U 2

　滤波电路

　本实验采用电容滤波电路，如图所示。电容滤波电路充电时间常数

　r d

　C

　 （ r d

　为二极管正向导通电阻）很小而放电时间常数

　R L

　C 较大，充电快而放

　 电慢，达到滤波效果。该电路有如下特点：

　输出电压平均值 U

　o

　与时间常数

　R L C 有关。

　越大，电容放电越慢，输

　 出电压平均值越大。

　纯电阻负载时， 一般取 R L C

　(5 ~ 10)T （T

　为交流电源电压 周期）；非纯电阻负载时，一般取

　R L C

　(3 ~ 5) T

　。

　2

　图 2-4

　 集成稳压电路

　 LM317

　LM317 是一款可调节三端稳压器，在输出电压范围为到

　25V 时能够提供最大

　 的电流 , 它只需要两个外部电阻来设置输出电压。

　管脚排列见图。

　管 脚

　1.

　调 整 端

　 Adjust

　 图 2-2-1

　图 2-5

　LM317 典型接法

　LM317 的典型接法如图

　2-2-1 所示。

　工作时， LM317 建立并保持输出端与调节端之间的标称参考电压（

　Vref ），

　 该标称电压经过电阻 R1 转换成编程电流（ Iprog ），经由 R2 流到大地。输出电压为：

　Vout V ref

　 (1 R 2 )I adj

　R 2

　R 1

　其中 I

　adj

　为调整端电流，不大于 100 A 。调节电位器 R2，便可以实现输出 电压可调的目的。

　D 为保护二极管， 用以防止 C2

　向调整端放电； C 1 0.1

　F 为输 入旁路电容，用以减小稳压器对输入电源阻抗的敏感性； C 2

　 10 F 作为调整

　 端的旁路电容，用以提高纹波抑制比，防止输出电压增大时纹波被同步放大。

　在保证一定的电源调整率时，要求

　3.0V

　V in

　V out

　40V （见

　LM317

　中文技

　 术手册），本实验规定

　V out

　5.0V ，因此有

　8V

　V in

　45V 。选择

　V in

　8.0V ，理由

　 是：由于 LM317 调整端电流极小，故输入电流约等于输出电流。负载一定时，其

　 消耗功率保持不变。输入电压越大，输入功率就越大，输出功率不变，就会有更

　多的功率消耗在

　LM317 内部，器件容易过热烧坏。

　因此在满足要求的范围内， 输

　 入电压越小越好，故取

　V in

　8.0V 。

　 参数计算与器件选择

　 电路参数计算

　 图 3-1

　（ 1）稳压器件选择

　LM317，稳压输出；

　（ 2）输出滤波电容

　作用是使输出电压波形更平滑， 减少负载对电源的影响。

　由于 LM317 稳压电路中已经采用调整端旁路电容 C 3

　10 F

　抑制输出纹波，相当于输出滤波电容。

　（3）稳压器前小滤波电容

　C2

　根据 LM317 技术手册，选取稳压器前端小滤波电容

　C 2

　0.1

　F 。由于电解电

　 容高频特性差， C3 使用无极性小容量电容。

　（4）滤波电容 C1 (3 ~ 5) T

　。

　 R L C 1

　2 10

　滤波负载不是纯电阻时，一般有 取 R L 时，计算得

　C 1

　 (3 ~ 5)

　10 3

　 F ，结合实际情况，取

　 C 1 2200

　F 。

　（5）二极管与变压器

　根据技术 手册，为使 稳压 器空载时能正常工 作， R1 中的电流 应取

　I R1 (5 ~ 10)mA ，

　则 R 1 Vref (125~ 250) ，

　选

　取

　R 1 200

　 I R1

　u o Vout V ref

　 (1 R 2 )

　 5V 得 R

　600 。根据实际情况选取满量程为 10k 的

　 R 1

　2

　 电位器。

　Vout Vout 0.6 A 时，

　R 8.3

　。

　最大输出电流等于时，即

　 I out max

　R 1

　PR L R L L

　由于调整端电流很小， 故输入输出电流基本相等， 即 I

　4

　I

　in

　I

　out max 0.6 A 。

　根据电容滤波及桥式整流电路的特点，得到

　U 4

　 1.2U 2

　U 2 U 4 6.67V 1.2

　I 3

　I 4

　0.6A

　二极管电流平均值和有效值分别为

　I D 0

　0.5I 3

　0.25 A ，

　I

　D

　1.25I 3

　0.625 A

　 变压器副边电流有效值

　I 2

　2I D

　0.88A ，故副边功率

　 P

　U 2

　I 2

　5.87W ；

　 整流二极管承受的最大反向电压

　U DRM

　2U 2

　9.43V

　根据以上计算，选取相应型号的二极管和变压器。至此电路参数已完全确定。

　 元器件清单

　实验所用元器件种类数目及测量仪器清单如表所示。

　 表

　 项目

　型号

　数目

　 二极管 5

　电位器

　10k

　量程

　1

　电阻 200 1

　电容

　、10uF、 2200uF

　各一个

　 变压器 220:14 1

　滑动变阻器 0 ~100 1

　面包板 1

　 示波器 1

　 万用表

　充当电压表、电流表

　2

　 三、实验步骤与测试结果

　 电路搭接与仪器调试

　 依据原理图在面包板上搭接实验电路，确认连接无误后接通电源测试。

　稳压系数的测量

　参数说明：稳压系数也叫电压调整率，是指环境温度和负载不变得情况下，

　 输入电压变化引起输出电压变化的程度，

　定义为输出电压的相对变化与输入电压

　 的相对变化的比值，即

　S Vo / V o

　100%

　V i

　 / V i

　 测量步骤：使输出电流保持在额定值，保持负载不变，改变输入电压，用万用表直流电压档测输出电压。

　测量结果：

　输入电压 /V

　输出电压 /V

　 220

　 198

　 220

　 (5.026

　5.025) / 5.025 3 稳压系数 S 100%

　1.99

　100.002 0.1

　 输出电阻的测量

　参数说明：直流稳压源的输出电阻即直流电源的内阻， 越小越好。若电源内阻过大，则当负载电阻较小时，内阻分压将不可忽略， 对电源的精确度造成影响。

　测量步骤：保持输入电压不变， 大范围改变负载阻值， 测量负载电压和负载

　 电流的变化值， 由戴维宁定理可知， 两者的比值即稳压源的输出电阻。

　测量电压和电流分别用万用表直流电压档和电流档，电流表外接。

　测量结果：

　输出电压 /V

　输出电流 /mA

　 稳压源输出电阻

　R o V o 5.012

　4.967 0.18 I o (349.8

　96.9)

　10 3

　纹波电压的测量

　参数说明：尽管经过了整流和滤波， 也不可能将输出电压中的交流成分完全滤除，因此输出电压仍存在较小的波动，即纹波。纹波越小，表明稳压电源的性能越好，输出电压品质越好。

　测量步骤：使电路工作在额定电流下， 用示波器观察输出电压， 并使用交流耦合档观察纹波电压，用 Measure 档测量其峰峰值，做记录。

　测量结果：

　V pp

　8.0mV

　 测量结果分析

　从以上三个参数的测量结果来看，直流稳压源稳压系数较小，说明输入变化

　 对输出电压的影响较小。

　这项指标的意义在于， 即使稳压源所处的环境温度等因

　 素发生剧烈变化而导致输入电压大幅变化，

　也能保证输出电压变化控制在一定的

　较小的范围内。

　输出电阻为 0.18

　，是一个比较小的值。

　相对于的直流输出， 8mV

　 峰峰值的纹波几乎可以忽略。

　综上，本次实验所设计的直流稳压源基本满足设计

　 要求。

　四、电路板装配及要求

　 元器件的安装

　 印制电路板装配是用来表示元器件及零部件、

　整件与印制电路板连接关系的

　图样。主要包括元器件的安装和焊接两个方面的内容。

　在焊接前必须画一张与电

　 路板大小的原理图，并且贴在板的上面。

　 在 PCB 装配图的绘制和元器件的安装过程中，要遵循下面的要求：

　 安装的元器件必须经过检验合格。

　 （1）

　装配图上的元器件一般以图形符号表示， 有时也可用简化的外形轮廓表示。采用外形轮廓表示时，应标明与装配方向有关的符号、代号和文字等。

　（2）元器件安装要进行焊前清洁工作，元器件的安装顺序应该按照先安装体积小的元器件，再安装体积较大的元器件； 并按照从左到右，从上到下的顺序。

　（3）在安装带有极性的元器件时，应注意其方向；元器件表面有标注的，要使标注朝上；各器件的安装应整齐、规范。

　元器件的焊接

　 焊接的工艺过程一般可按照五个步骤进行：

　 第一步，焊前准备。用刮刀、砂纸或助焊剂除去元器件表面的氧化层，以保持焊前清洁。

　第二步，焊件装配。将元器件按工艺要求插装到

　PCB 板上。

　 第三步，加热焊接。焊接的过程可以通过手工或自动焊接进行。

　 第四步，焊后清理。用无水酒精或香蕉水清洁焊点周围的焊剂残留物。

　 第五步，质量检查。包括外观检查和电气性能检查。

　 对于元器件的焊接，应遵循如下的要求：

　 1）保持烙铁头的清洁。

　 2）增加烙铁头与元件的接触面积来加快传热。

　 3）加热要靠焊锡桥，也就是说要保持烙铁头上有少量焊锡，作为加热时烙铁头与焊件之间传热的桥梁。

　4）在焊锡凝固之前不能动，以免造成焊点结构疏松或虚焊。

　 5）焊锡、焊剂的用量要适当。

　一般说来，焊锡丝的直径要小于焊盘的直径。

　 6）不要使用烙铁头作为运输焊锡的工具。一方面，待焊件没有预热；另一

　 方面，会造成助焊剂的过高温度而碳化。

　 最重要的是，要掌握焊接的温度和加热时间。

　焊接的温度过低或加热时间不够，会造成焊料不能充分浸润焊件，形成虚焊；反之，除了可能会造成元器件损坏以外，还会造成助焊剂的碳化和损伤 PCB 板。

　 四、实验小结

　通过本次实验， 我对直流稳压电源的工作原理有了更深刻的认识， 对整流环节、电容滤波环节、集成三端稳压器典型电路等有了一定的把握。同时，在实验过程中，我们遇到了不懂的问题， 通过查阅课本、 请教老师和组员之间的相互讨论，最终弄明白了原理，解决了问题，理论应用到实践的能力得到提升。由于是设计性实验，电路结构和器件参数完全自己计算确定， 这时我学会了衡量元器件性能好坏的指标和选择器件的依据。

　在实习中，我锻炼了自己动手能力， 提高了自己解决问题的能力。

　通过本次实践也培养了我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力，

　增强了独立工作的能力。在这次设计中，我也遇到了不少的问题，幸运的是，最终一一解决了遇到的问题。

　在我们遇到不懂的问题时， 利用网上和图书馆的资源，搜索查找得到需要的信息及和队友之间相互讨论显得尤其重要了， 我明白了团队合作的重要性。

　这次的制作也让我们感受到， 我们在电子方面学到的只是很小的一部分知识，我们需要更多的时间来自主学习相关知识。

　 参

　考

　文

　献

　 1、王卫平主编，《电工产品制造工艺》，高等教育出版社，

　2005

　 2、唐程山主编，《电子技术》高等教育出版社，

　2005

　 3、王扬帆主编，《电子技术实训教程》大连理工出版社，

　2008

　4、胡宴如主编，《模拟电子技术》高等教育出版社，

　2005

　 5、杨志忠主编，《数字电子技术》高等教育出版社，

　2007

　 实训评定意见

　设计题目

　直流稳压电源电路

　系

　部

　电气与信息工程系

　专业班级

　机制 14-3

　 学生姓名

　郭欣欣

　学生学号

　71

　 评定意见：

　 评定成绩：

　 指导教师（签名）：

　年

　月

　日

　新疆工程学院

　 电气与信息工程

　系 ( 部) 实训任务书

　2017/2018 学年上学期

　2018

　年 1 月 5 日

　 机械设计制造及

　机制

　专业

　班级

　课程名称

　其自动化

　14-3

　设计题目

　直流稳压电源电路

　指导教师

　起止时间

　周数

　2

　设计地点

　 实训目的：

　电工电子综合实训

　 刘岩

　 实验楼

　1、贯彻理论联系实际的教学原则，巩固和扩大已学过的电子技术的基础知识，为技术基础课和专

　 业课程的学习建立初步的感性认识并提高学生的工程实践能力。

　2、掌握印刷电路板的设计与制作的基本方法。

　3、了解电子产品的生产过程，包括生产工艺流程，电子元器件的识别、老化、筛选、测试、焊接、

　 装配及调试，掌握电子线路的安装、焊接和调试的基本技能。

　4、了解一种电子设备主要零部件加工过程的技术要求、结构原理以及装配调试工艺。

　5、培养学生的劳动观念，加强组织性和纪律性，促进学生综合素质的全面提高。

　 实训任务或主要技术指标：

　1、电子电路设计能力训练，熟悉所制作电路的工作原理，能画出原理图和安装图。

　实训进度与要求：

　第一周：电子设计与制作

　要求：学生根据设计要求，自己设计电路；掌握电子电路的设计方法；熟悉各种电子元件、集成电

　 路的性能及使用方法；了解焊料与焊剂，熟悉焊接工艺；较好地掌握焊接技术，保证焊接质量；了

　主要参考书及参考资料：

　1、王卫平主编，《电工产品制造工艺》，高等教育出版社，

　2005

　3、唐程山主编，《电子技术》高等教育出版社，

　2005

　3、王扬帆主编，《电子技术实训教程》大连理工出版社，

　2008

　3、胡宴如主编，《模拟电子技术》高等教育出版社，

　2005

　3、杨志忠主编，《数字电子技术》高等教育出版社，

　2007

　 教研室主任（签名）

　系（部）主任（签名）