直流稳压电源设计毕业论文

北京信息职业技术学院毕业论文 编号：JX/GC7.5-04-JL06 学校代码 10857 学 号20122111322 1分类号 1密 级 公 开 毕业设计(论文) （直流稳压电源的设计） 学历层次 高职 教学系名称 电子工程系 专业名称 电子信息工程技术 学生姓名 郑磊 指导教师 国佳 2015年4月2日 2 摘 要 直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。直流稳压电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使直流稳压电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。本文主要采用变压、整流、滤波、稳压的流程思路将输入220V交流电转换成电压9V的直流电。直流开关稳压器中所使用的大功率开关器件价格较贵,其控制电路亦比较复杂,另外,开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件组成的电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。保护电路的种类很多,本文介绍了极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等电路。通常选用几种保护方式加以组合,构成完善的保护系统。直流高压稳压电源的长期稳定性主要受温度的影响，文中分析了直流高压稳压电源的构成原理，建立了温度稳定性的数学模型，给出了精确和可行的定量计算方法，并应用到具体的实例中加以验证，说明了该模型的应用价值，对直流高压稳压电源的设计具有指导作用。本文设计的直流稳压电源具有方便简单、易学易改、成本低廉、功能实用的特点。 关键词 直流稳压电源；设计；制作；调试 I 目 录 摘 要 I 第1章 绪论 2 1.1课题背景 2 1.2课题研究的目的和意义 3 第2章 直流稳压电源简介 4 2.1直流稳压电源的定义 4 2.2直流稳压电源执行标准 4 2.3直流稳压电源的作用及用途 4 2.4直流稳压电源的构成 5 2.5直流稳压电源的分类 5 2.6直流稳压电源的基本功能和要求 6 2.7直流稳压电源的技术指标 6 第3章 直流稳压电源的设计 9 3.1设计目的及要求 9 3.2直流稳压电源的基本组成 9 3.3直流稳压电源的电路原理图 11 3.4三端式直流稳压电源电路原理图 11 3.5开关型直流稳压电源的设计 12 第4章 直流稳压电源的电路制作 13 4.1元器件的识别 13 4.2开关型降压直流稳压电源PCB板图 15 4.3开关型直流稳压电源元器件清单 15 4.4电路的焊接 16 第5章 直流稳压电源的电路调试 17 5.1调试方法 17 5.2容易出现的问题及解决方法 17 5.3制作、调试完成的开关型直流稳压电源 18 结 论 19 致 谢 21 参考文献 22 I 2 第1章 绪论 几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源，因此直流稳压电源的应用非常的广泛。直流稳压电源的电路形式有很多种,有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。 在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏）但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的。输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变。电子设备电源电压的不稳定,将会引起很多问题。设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。因此,直流稳压电源的研究就颇为重要。 目前产生直流稳压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法，另一种是数字方法。前者的电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制。直流稳压电源朝着数字化方向发展。因此对于数控恒压源的研究是必要的。随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高,利用D/ A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。 1.1课题背景 随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，直流稳压电源变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。直流稳压电源已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要庞大的空间，体积小，安全性能高；已广泛应用于各种各样的电子设备中，给人们的生活、带来极大的方便。因此，得到了广泛的应用。在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。由于，本电路广泛应用于人们的日常生活中，所以，有很大的重用作用，能够使人们在不知不觉中感受方便。 1.2课题研究的目的和意义 研究目的：通过这次的课题研究我们希望在理清它的发展脉络上进一步了解它的发明原理，将平时所学习的知识运用到实验探索上，这对提高我们的动手能力，创新意识，及锻炼思维活动无疑是一个莫大的帮助。同时我们也希望这次的研究能让同学进一步地了解直流稳压电源，而不是仅局限与课本知识以内。从小的突破点入手，掌握又一项科技知识，从而实现课堂外的又一次提高,为现代教育科学尽一份力量！ 研究意义：通过本次设计，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存在的问题；而通过不断的努力去解决这些问题。在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获。我们这次设计的这个直流稳压电源电路；采用了电压调整管和外加调整管来实现电压的调整部分；而稳流部分用可调式三端稳压电源管来实现。 19 第2章 直流稳压电源简介 第2章 直流稳压电源简介 2.1直流稳压电源的定义 能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。 2.2直流稳压电源执行标准 国际电工委员会（IEC）已经制定了一些有关电源的标准，如直流稳压电源源标准：IEC478.1－1974《直流输出稳定电源术语》；IEC478.2－1986《直流输出稳定电源额定值和性能》；IEC478.3－1989《直流输出稳定电源传导电磁干扰的基准电平和测量》；IEC478.4－1976《直流输出稳定电源除射频干扰外的试验方法》；IEC478.5－1993《直流输出稳定电源电抗性近场磁场分量的测量》。这一套标准颁布实施的时间较早，我国相应的国家标准尚未颁布。而有关直流稳定电源的电子行业标准SJ2811.1－87《通用直流稳定电源术语及定义、性能与额定值》、SJ2811.2－87《通用直流稳定电源测试方法》已发布实施13年了。长期以来，这两份标准对我国直流稳定电源的科研生产起到了很大的作用。 2.3直流稳压电源的作用及用途 直流稳压电源是做电子实验的必备仪器。电子电路要能完成所具备的功能，都必须有直流电源为其提供能量。直流稳压电源为电子电路提供电压连续可调的直流电压，同时还应具备电压电流显示、报警、过流保护等功能。 直流稳压电源也可广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等。 (1)可用于各种电子设备老化，如PCB板老化，家电老化，各类IT产品老化，CCFL老化，灯管老化。 (2)适用于需要自动定时通、断电，自动记周期数的电子元件的老化、测试。 (3)电解电容器脉冲老练。 (4)电阻器，继电器，马达等测试老练 (5)整机老练；电子元器件性能测试，例行试验。 2.4直流稳压电源的构成 许多电子产品如电视机、电子计算机、音响设备等都需要直流电源，电子仪器也需要直流电源，实验室更需要独立的直流电源。为了提高电子设备的精度及稳定性，在直流电源中还要加入稳压电路，因此称为直流稳压电源。典型的直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分构成。电源变压器把50Hz的交流电网电压变成所需要的交流电压；整流电路用来将交流电变换为单向脉动直流电；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分（即波纹电压），是指成为平滑的直流电；稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变化时，维持输出直流电压的稳定。 2.5直流稳压电源的分类 直流稳压电源的发展已有几十年的历史，已从分立器件发展到集成电路。集成稳压电路具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，随着功率集成电路的发展，集成稳压电路已有多个品种、多种型号问世，按输出电压、输出电流形成系列产品，已成为直流稳压电源的主流产品，特别适用于小型电子设备使用。 目前生产直流稳压电源种类很多，可以从不同的角度分类： 1、按稳定的方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。参数型稳压器电路简单，主要是利用电子组件的非线性实现稳压，例如，1只电阻和1只稳压管可构成参数型稳压器。反馈调整型稳压器具有负反馈，是闭环调整系统，利用输出电压的变化，经样、比较、放大得到控制电压，去控制调整元件，从而达到稳定输出电压的目的。 2、按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。调整元件与负载并联的称为并联式稳压器，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。 3、按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳压器等。 4、按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。调整器件工作在线性放大状态的为线性稳压器，调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。 5、按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开关稳压器和分立元器件组成的稳压器。 2.6直流稳压电源的基本功能和要求 1、输出电压值能够在额定输出电压值以下任意设定和正常工作。 2、输出电流的稳流值能在额定输出电流值以下任意设定和正常工作。 3、直流稳压电源的稳压与稳流状态能够自动转换并有相应的状态指示。 4、对于输出的电压值和电流值要求精确的显示和识别。 5、对于输出电压值和电流值有精准要求的直流稳压电源，一般要用多圈电位器和电压电流微调电位器，或者直接数字输入。 6、要有完善的保护电路。直流稳压电源在输出端发生短路及异常工作状态时不应损坏，在异常情况消除后能立即正常工作。 2.7直流稳压电源的技术指标 稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标，前者标识稳压电源的功能又称试用指标，后者反映了稳压电源质量的优劣。 1、特性指标 2、输入电压及适用范围。 3、输出电压及输出电压调整范围 4、额定输出电流（指电源正常工作时的最大输出电流）以及过流保护电流值。 （1）电压调整率 负载电流Ｉ0 及温度T不变而输入电压U1变化时，输出电压U0的相对变化量△U0/U0与输入电压变化量△U1之比值，称为电压调整率，即 一般直流稳压电源的电压调整率SU为1%、0.1%、0.01%不等，其值越小，稳压性能越好。电压调整率也可定义为：在负载电流和温度不变时，输入电压变化 时，输出电压的变化量△U0，单位为毫伏。 （2）稳压系数 稳压系数定义为负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，即 式中，U1为稳压电路输入直流电压，即整流电路的输出电压。 一般情况下S′在10-2〜10-4数量级。显然，S′越小稳压电路输出电压的稳定性越好。 （3）负载调整率（亦称电流调整率） 在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量用百分数表示 （4）输出电阻（内阻） 当输入电压固定时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻R0，亦称内阻，即 R0= 其单位为欧母（Ω）。R0的大小反映了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳压的能力。R0越小负载能力越强，一般R0<1Ω。 （5）最大纹波电压与纹波抑制比 叠加在输出电压上的交流分量的峰—峰值称为最大纹波电压△U，一般为毫伏级。在电容滤波电路中，负载电流越大，纹波电压也越大。因此，纹波电压应在额定输出电流情况下测出。 纹波抑制比SR定义为稳压电源输入纹波电压峰—峰值△U 与输出纹波电压峰—峰值△U 之比，并取对数，即 SR=20lg 单位为分贝（dB）。在质量指标中第（1）、（2）项是描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标，第（3）、（4）项是描述负载变化对输出电压影响的技术指标，第（5）项反映了稳压电源对其输入端引入的交流纹波电压的抑制能力。 北京信息职业技术学院毕业论文 第三章 直流稳压电源的设计 3.1设计目的及要求 （1）学习基本理论在实践中综合运用的初步体验，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。 （4）设计并制作一个开关稳压电源，主要技术指标要求： 该电源的技术参数： 输入电压：交流220V/50Hz； 直流稳压输出电压：9V： 最大输出电流 3A； 电压调整率 ≤0．001％／V； 纹波系数 ≤0．002％： 等效内阻≤0．15Ω； 稳压系数 ≤0.005％。 （5）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。 （6）自拟试验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交给指导教师审核。 （7）批准后，进行组装、调试，并测试其主要性能参数。 3.2直流稳压电源的基本组成 直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路、稳压及过载保护电路等部分组成。 图1 直流稳压电源的组成 各部分作用如下： 变压器：调整输入交流电压ui幅度到合适值。一般采用降压变压器。 整流电路：将交流电压变为单向脉动的非正弦电压。 常用的整流电路有： 1、半波整流电路 半波整流就是利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压V只有半个周期可以到达负载，造成负载电压V是单方向的脉动直流电压。 2、全波整流电路 利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如下图所示的全波整流电路。从图中可见，正负半周都有电流流过负载，提高了整流效率。 全波整流的特点： 输出电压V高；脉动小；正负半周都有电流供给负载，因而变压器得到充分利用，效率较高 滤波电路：滤除整流输出脉动电压中的交流成分，输出比较平滑的直流电压。 稳压及过载保护电路：将滤波输出的直流电压变成几乎不受交流输入电压ui、负载以及环境温度等变化影响的、稳定的直流电压过载保护电路是防止因过载或输出端短路等现象发生时造成电子器件烧毁，致使整个电源损坏。 3.3直流稳压电源的电路原理图 图2 直流稳压电源的电路原理图 3.4三端式直流稳压电源电路原理图 用集成稳压器设计一个能固定输出+8V的直流稳压电源。 图3 用7808构成固定输出+8V的直流稳压电源 根据稳压器输入电压确定变压器2次端电压，进而确定变压器的匝数比。 7808的输入电压为10.5～25V，可以按输入电压大小为12V设计。 交流输入电压经降压(设为U2)、全波整流和滤波后（滤波电容C＝4700μF），获得12V电压，则有 即： U2＝12V/0.9 ≈13.3V 于是匝数比为：U1:U2＝220:13.3≈16.5:1（变压比） 选择整流二极管 整流二极管承受的最大反向电压为： 所以可选择反向击穿电压为：UBR≥38V的整流二极管（即按最大反向工作电压的二倍选取UBR）。 3.5开关型直流稳压电源的设计 图4 开关型直流稳压电源电路原理图 LM2576ADJ是开关型降压稳压器，能提供开关型降压稳压器的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，只需4个外部器件支持。可通过调整电位器改变输出电压，在线性负载条件下，输出电压范围为1.23-37V，误差最大不超过4%。 开关型直流稳压电源的优点是效率高（可以达到70-80%甚至更高的效率），工作稳定，本项目选择制作开关型直流稳压电源 第四章 直流稳压电源的电路制作 4.1元器件的识别 电容的极性的区分： 可用万用表判断，正接时漏电流小（阻值大），反接时漏电流大。也可直接读出其极性，对于新的电解电容，管脚较长的一端为“–”极，电容上有标志的一端为“–”极。 二极管极性的区分： Ω 1K Ω 1K IN4148 IN4148 图5 二极管极性判别 用模拟万用表欧姆档测量二极管的电阻，当电阻显示为较小值时，黑表笔所接的一端为二极管的阳极，如上图所示。用数字万用表正相反，当电阻显示为较小值时，红表笔所接的一端为二极管的阳极。也可直接读出二极管的极性，一般有标记的一端为二极管阴极。对于发光二极管，管脚较长的一端为阳极。 整流桥管脚识别： 标“+”“－”的是输出端，标“~”的是输入端。 三端式集成稳压器管脚的识别： 图6 三端式稳压器管脚图 开关式稳压器管脚识别： 开关式降压稳压器LM2575管脚图 图7 LM2576管脚图 北京信息职业技术学院毕业论文 4.2开关型降压直流稳压电源PCB板图 图8 PCB板图 4.3开关型直流稳压电源元器件清单 表1 开关型直流稳压电源元器件清单 序号 电子元器件名称 规格 数量 代号 1 变压器 12V/220V/5W 1 2 整流桥 2A/400V(长方) 1 QD1 3 二极管 IN5822 1 VD1 4 开关稳压器 LM2576-ADJ 1 IC1 5 电阻 2.2K/1/4W 2 R1，R2 6 电位器 20K-3296 1 VR1 7 电解电容 1000μF/25V 1 C1 8 1000μF/16V 1 C3 9 电容器 104/100V 3 C2，C4，C5 10 电感 100Μh 1 L1 11 发光二极管 Ф3红 1 VD2 12 插座 2P-5mm 2 S1，S2 13 印制电路板 4048mm 1 14 电源线 2相/220V 1 15 直流输出线（带头） 双芯Ф5.5 1 16 电源盒 5582mm 1 17 散热片 19207mm 1 18 自攻锣钉 316mm 4 19 热缩管 Ф315 mm 若干 20 热溶胶 若干 4.4电路的焊接 焊接时要注意： 1）焊点要焊实，不要虚焊。 2）分清PCB板的正反面，防止焊错。 3）1000μ/25V电容要平放（以减小电路板所占的空间），电位器和指示灯平放（使电位器调节端和指示灯能够从外壳开口中露出）。 4）LM2576和散热片要先用螺钉连接好再往电路板上焊，防止焊好后两者螺口对不上。 电源的安装 选择大小合适的电源外壳，在外壳合适的地方打孔，便于指示灯和电位器调节钮露出。将调试好的电路板和变压器连接，接好输入、输出线，安装好外壳。安装是要注意： 1）分清变压器的一次端和二次端。 2）注意输出线的极性。 3）连接线处要用热缩管包裹，防止出现裸线。 北京信息职业技术学院毕业论文 第五章 直流稳压电源的电路调试 5.1调试方法 调试方法: 电路板焊接完成后，检查电路连接情况。先不要连接变压器，在输入端输入12V直流电压，调节电位器旋钮，观察输出电压变化，并使输出电压为9V。 安装完成后，接220V交流电，测量输出端电压，调节电位器旋钮，使输出电压为9V。 5.2容易出现的问题及解决方法 1、综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有： 1) 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差； 2) 电流表内阻串入回路造成的误差； 3) 测得纹波电压时示波器造成的误差； 4) 示波器，万用表本身的准确度而造成的系统误差； 5) 无输出电压 6) 电源是否接通、地线是否接上 7) 稳压器管脚是否接错、整流桥是否接反 2、可以通过以下的方法去改进此电路； 1) 减小接触点的微小电阻； 2) 根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正； 3) 测得纹波时示波器采用手动同步； 4) 采用更高精确度的仪器去检测； 5) 根据设计可添加可调电压：UO=+3V～+9V所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。 6) 输出电压不能调节 7) 稳压器外围元件是否接错。 5.3制作、调试完成的开关型直流稳压电源 图9 开关型降压直流稳压电源实物图 北京信息职业技术学院毕业论文 结 论 本毕业设计利用变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器设计输出电压为9V的开关型直流稳压电源。开关稳压电源由整流滤波电路、变换电路、开关调整管导通和截止控制电路、采样比较和放大电路、保护电路、抗干扰电路、直流输出电路等组成。开关型稳压电源通过直接整流，获得高压直流，再由高频振荡器控制开关管的通断时间比例调整输出电压。开关型电源可以在较大的电压范围内正常工作。其结构简单，使用元器件较少，系统的可靠性好，其精度高，成本低，便于维修，且可作为一个独立的模块为其他电子设备提供电能。 通过本次毕业设计，我掌握了交流输入经过整流、变压、检测、反馈到输出稳定的直流输出的全部过程，同时学习了正确的设计思想和培养了分析、解决问题的能力。经过本次毕业设计，我深深地体会到严谨、认真、仔细、有耐心是一个学生必备的素质。由于水平有限以及所学知识的不足，在设计中有许多不足，还请老师指正。 致 谢 这次毕业设计可以圆满的完成，得益于老师的指导与自己的辛勤努力，通过在网络上搜索相关资料，老师的解答与同学之间的讨论交流解决了很多的问题，最后圆满完成了整个毕业设计。 在整个设计过程中，我首先要感谢我的指导老师，没有老师不辞辛苦的解答与帮助，仅凭我个人能力是很难圆满完成这次毕业设计的。在论文撰写过程中，国佳老师细致的检查，帮我找出许多不当之处并提供解决方案，在老师一步一步的教导下完成了此次毕设，再次感谢老师的指导与帮助。 另外还要感谢我的同学，在这个过程中大家相互支持，遇到有问题就在一起相互讨论，在日常中通过讨论与讨教解决了不少的问题，此外，我还需感谢网络论坛上的很多前辈帮忙解决问题出主意，十分感谢！ 参考文献 [1]《DC/DC变换器集成电路及应用》.王水平.西安电子科技大学出版社.2003年11月 [2]《串联型直流稳压电源的仿真分析》.广西师范学院学报 第21卷第2期 [3]《电子技术基础》.康华光 .高等教育出版社.2006年1月 [4]《新型开关电源及其应用》.何希才 .人民邮电出版社.1996年 [5]《数字电路分析制作与调试》.毛瑞丽、林海峰 .大连理工大学出版社.2013年5月 [6]《模拟电路分析与制作》.毛瑞丽、林海峰 .大连理工大学出版社.2013年