模擬電路課程設計---半導體直流穩(wěn)壓電源的設計和測試

1、<p>　　模擬電路課程設計報告</p><p>　　設計課題：半導體直流穩(wěn)壓電源的設計和測試（一）</p><p>　　專業(yè)班級： 電子信息工程 </p><p>　　學生姓名： *** </p><p>　　學　　號：　　***********　　　 </p><p>　

2、　指導教師： *** </p><p>　　設計時間： </p><p>　　半導體直流穩(wěn)壓電源的設計和測試（一）</p><p><b>　　一、設計任務與要求</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┰O計目的</b></p>

3、<p>　　1、學習直流穩(wěn)壓電源的設計方法；</p><p>　　2、研究直流穩(wěn)壓電源的設計方案；</p><p>　　3、掌握直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和內阻測試方法；</p><p>　　（二）設計要求和技術指標</p><p>　　1、技術指標：要求電源輸出電壓為±12V（或±9V /±5V），

4、輸入電壓為交流220V，最大輸出電流為Iomax=500mA，紋波電壓△VOP-P≤5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤5%。</p><p><b>　　2、設計要求</b></p><p>　?。?）設計一個能輸出±12V/±9V/±5V的直流穩(wěn)壓電源；</p><p>　　（2）擬定測試方案和設計步驟； </p

5、><p>　?。?）根據設計要求和技術指標設計好電路，選好元件及參數(shù)；</p><p>　?。?）要求繪出原理圖，并用Protel畫出印制板圖； </p><p>　?。?）在萬能板或面包板或PCB板上制作一臺直流穩(wěn)壓電源；</p><p>　?。?）測量直流穩(wěn)壓電源的內阻；</p><p>　?。?）測量直流穩(wěn)

6、壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)、紋波電壓；</p><p>　?。?）撰寫設計報告</p><p><b>　　二、方案設計與論證</b></p><p>　　半導體直流穩(wěn)壓電源主要由濾波電路、穩(wěn)壓電路決定，采用不同的濾波電路、 穩(wěn)壓電路可以設計出不同的設計方案。</p><p>　　方案一：簡單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電源 并聯(lián)型穩(wěn)壓電源的調

7、整元件與負載并聯(lián)，因而具有極低的輸出電阻，動態(tài)特 性好，電路簡單，并具有自動保護功能；負載短路時調整管截止，可靠性高，但效 率低，尤其是在小電流時調整管需承受很大的電流，損耗過大，因此在本實驗中此 方案不適合。 </p><p>　　方案二：輸出可調的開關電源； 開關電源的功能元件工作在開關狀態(tài)，因而效率高，輸出功率大；且容易實 現(xiàn)短路保護與過流保護，但是電路比較復雜，設計繁瑣，在低輸出電壓時開關頻率 低，紋波大

8、，穩(wěn)定度極差，因此在本實驗中此方案不適合。 </p><p>　　方案三：由固定式三端穩(wěn)壓器（7812、7912）組成</p><p>　　由固定式三端穩(wěn)壓器（7812、7912）輸出腳 V0、輸入腳 Vi 和接地腳 GND 組成， 它的穩(wěn)壓值為+12V 和-12V，它屬于 CW78**和 CW79**系列的穩(wěn)壓器，輸入端接電容 可以進一步濾波，輸出端接電容可以改善負載的瞬間影響，此電路比

9、較穩(wěn)定。 根據實驗設計要求，本實驗采用方案三。</p><p>　　任務書要求輸入 220 伏的交流電，輸出為正負12V、9V、5V 的穩(wěn)壓直流電，則 首先應該進行降壓處理，然后要對降壓后的交流電進行整流，再其次是對含有交流成 分的脈動直流電進行濾波處理，最后對直流點進行最后的穩(wěn)壓處理。 </p><p>　?。ㄒ唬┙祲旱倪^程，直接選用實物降壓器進行降壓，并且要根據電路中所

10、需的合 適電壓適當選擇降壓器，具體情況根據實際需求而定。在此次我們選用的是 12V 變壓 器。 </p><p>　?。ǘ┤缓笫钦鬟^程，自然而然選擇了優(yōu)點突出的橋式整流電路，它由 4 只二 極管構成，連接方法此不做說明，在以后的原理圖中將做詳細的說明。 </p><p>　　（三）對于濾波過程，我們用電容濾波電路來實現(xiàn)，它的方法是在橋式整流電路 輸出端并聯(lián)一個較大的電容 C 來構成一個

11、電容濾波電路。 </p><p>　　（四）最后的穩(wěn)壓器選擇，我們選擇了集成電路，又根據任務書中的提示，選擇 了三端可調輸出集成穩(wěn)壓器， 它主要由 LM317 芯片和兩個電解電容以及兩個二極管和 若干電阻和電容構成，具體不再介紹，后面的原理圖將會給出三端可調輸出集成電路 的構成圖。 </p><p>　　(五) 直流穩(wěn)壓電源也可由硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)，下面僅做簡單的論 述，本次課程設

12、計主要論述三端可調輸出集成穩(wěn)壓器。 硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號如圖 1 所示。</p><p>　　濾波電路：將脈動的直流電變成平滑的直流電。</p><p>　　穩(wěn)壓電路：抑制電網電壓和整流電路負載的變化引起的輸出電壓變化，將平滑的 直流電變成穩(wěn)定的直流電。 </p><p>　　1．硅穩(wěn)壓二極管的特性</p><p>　　(1) 穩(wěn)壓管工作

13、在反向擊穿狀態(tài)。 </p><p>　　(2) 當工作電流 I Z 滿足 I A < I Z < I B 條件時，穩(wěn)壓管兩端電壓 VZ 幾乎不變。 </p><p>　　2．穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) </p><p>　　(1) 穩(wěn)定電壓 VZ ——穩(wěn)壓管在規(guī)定電流下的反向擊穿電壓。 </p><p>　　(2) 穩(wěn)定電流 IZ——穩(wěn)

14、壓管在穩(wěn)定電壓下的工作電流。</p><p>　　(3) 最大穩(wěn)定電流 IZmax——穩(wěn)壓管允許長期通過的最大反向電流。</p><p>　　(4) 動 態(tài) 電 阻 rZ — — 穩(wěn) 壓 管 兩 端 電 壓 變 化 量 與 電 流 變 化 量 的 比 值 ， 即rZ????VZ/?IZ。此值越小，管子穩(wěn)壓性能越好。</p><p>　　圖 1 硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符

15、號</p><p>　　3．穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理</p><p>　　(1) 電路圖 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖 2 所示。V 為穩(wěn)壓管，起電流調整作用；R 為限流電阻，起電壓調整作 用。 </p><p>　　(2) 電路的穩(wěn)壓過程： VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑</p><p>　　(3) 應用：小功率場合。</p>

16、<p>　　圖2硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號</p><p>　　電路優(yōu)點是結構簡單，調試方便；缺點是輸出電流較小、輸出電壓固定，穩(wěn)壓性能較差。因此， 只適用于小型電子設備。 </p><p>　　4）電路圖見下圖，如圖 3 所示：</p><p>　　圖 3 硅穩(wěn)壓電路圖</p><p>　?。?）穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如上圖所示。Dz 為穩(wěn)

17、壓管，起電流調整作用；R 為限流電阻 ，起電壓 調整作用。</p><p>　　(2) 電路的穩(wěn)壓過程： VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑ 5）測量硅穩(wěn)壓管兩端電壓 得 6.33v 用開短路法測得測量硅穩(wěn)壓管兩端電流、電阻分別為： 59.8mA 106Ω</p><p>　　三、單元電路設計與參數(shù)計算</p><p>　　1、設計電路框圖如圖所示</p&

18、gt;<p>　　穩(wěn)壓電路若使用分離元件要有取樣、放大、比較和調整四個環(huán)節(jié)，晶體管選用3DD或3DG等型號；若用集成電路選78XX和79XX穩(wěn)壓器。</p><p>　　測量穩(wěn)壓系數(shù)：在負載電流為最大時，分別測得輸入交流比220V增大和減小10%的輸出Δvo，并將其中最大一個代入公式計算Sr， 當負載不變時，Sr=ΔVoVI/ΔVIVO。</p><p>　　測量內阻：在輸入

19、交流為220V，分別測得負載電流為0及最大值時的ΔVo，ro=ΔVO/ΔIL。</p><p>　　紋波電壓測量：疊加在輸出電壓上的交流分量，一般為mV級。可將其放大后，用示波器觀測其峰－峰值△VOP-P；用可用交流毫伏表測量其有效值△VO，由于紋波電壓不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定誤差。</p><p>　　四、總原理圖及元器件清單</p><p><

20、b>　　1．總原理圖</b></p><p><b>　　2．元件清單</b></p><p><b>　　五、安裝與調試</b></p><p><b>　　1 靜態(tài)調試</b></p><p>　　當連好電路板的線路時，先不要急著通電，而因該從以下幾個方面

21、進行檢測： A、對照原理圖，用萬用表一一檢查線路的各個接口是否接通，是否有短路、斷 路或漏接的現(xiàn)象，如果有，因該及時改好電路連線。 B、對照原理圖，檢查各元件是否接正確。</p><p><b>　　2 動態(tài)調試</b></p><p>　　a、穩(wěn)壓電源的性能指標的測試</p><p>　　1） 、輸出電壓的測量 接通 220V 的電源，用數(shù)字

22、萬用表對所設計的電路實物進行測試，得到正源輸 出電壓為+10.50V，負電源輸出電壓為-10.48V。</p><p>　　2） 、內阻的測量 在輸入交流為 220V，分別測得負載電流為 0 及最大值時的△VO，即用開短路 法可測得電源內阻。測得數(shù)據如下</p><p>　　IA+=0.22A， VO+=10.50V IA-=0.218A， VO-=10.48V </p>&

23、lt;p>　　根據以上數(shù)據可得電源內阻為： r+=VO+∕IA+ =10.50V/0.22A = 47.70Ω r-=VO-／IA- =10.48V/0.218A =48.01Ω </p><p>　　3） 、穩(wěn)壓系數(shù)的測量 穩(wěn)壓系數(shù)是指在負載電流 I0、環(huán)境溫度 T 不變的情況下，輸入電壓的相對變 化引起輸出電壓的相 對變化，即穩(wěn)壓系數(shù) Sr=（△VO/VO）/（△VI/VI） Sr 的測量電路如

24、圖 5 所示： IO=常數(shù)，T=常數(shù)</p><p><b>　　圖5</b></p><p><b>　　六、性能測試與分析</b></p><p>　　a.測試過程是：先調節(jié)自耦變壓器使輸入電壓增加 10%，即 Vi=242V，測量此時 對應的輸出電壓 VO1；再調節(jié)自耦變壓器使輸入電壓減少 10%，即 Vi=198V

25、，測量此 時對應的輸出電壓 VO2，然后再測出 Vi=220V 時對應的輸出電壓 VO，則穩(wěn)壓系數(shù) </p><p>　　Sr=（△VO/VO）/（△Vi/Vi） =[220/（242-198）][（VO1-VO2）/VO]</p><p>　　根據上述測量方法，可對正負雙電源進行測試，測試數(shù)據如下：</p><p>　　當 Vi=198V 時，測得數(shù)據為： VO1

26、+=10.12 V， V01-=10.09V</p><p>　　當 Vi=242V 時，測得數(shù)據為： VO2+=10.14V， VO2-=10.11V</p><p>　　當 Vi=220V 時，測得數(shù)據為： VO+=10.00V， VO-=9.98V 由以上所測數(shù)據，可得穩(wěn)壓系數(shù)為： Sr + =（△VO+/VO+）/（△Vi/Vi）</p><p>　　=[2

27、20/（242-198）][（VO1+-VO2+）/VO+] </p><p><b>　　≈0.00167</b></p><p>　　Sr - =（△VO-/VO-）/（△Vi/Vi）</p><p>　　=[220/（242-198）][（VO1--VO2-）/VO-] </p><p><b>　　≈0

28、.00168 </b></p><p><b>　　b、誤差分析</b></p><p><b>　　1）誤差計算 </b></p><p>　　+Vcc%=（12.00-10.50）/12.00=12.5% </p><p>　　-Vcc%=︱10.48-12.00︱/12.00=12

29、.67% </p><p><b>　　2）誤差原因 </b></p><p>　　綜合分析可以知道在測試電路的過程中可能帶來的誤差因素有:</p><p>　　a)元件本身存在誤差；</p><p>　　b)焊接時，焊接點存在微小電阻；</p><p>　　c)萬用表本身的準確度而造成的系統(tǒng)誤差

30、；</p><p>　　d)測量方法造成的認為誤差。</p><p>　　調試中注意事項: 調試結果是否正確，很大程度受測量正確與否和測量精度的影響。為了保證高 度準確的效果，必須減小測量誤差，提高測量精度。為此，需注意以下幾點：</p><p>　　1.正確使用測量儀器的接地端</p><p>　　凡是使用低端接機殼的電子儀器進行測量，儀器

31、的接地端應和儀器的接地端接 在一起，否則儀器機殼引入的干擾不但會使儀器的工作狀態(tài)發(fā)生變化，而且將使測 量結果出現(xiàn)誤差。若使用干電池的萬用表進行測量，由于電表的兩個輸入端是浮動 工作的，所以允許直接跨接在測量點之間。</p><p><b>　　2.正確選擇測量點</b></p><p>　　用同一臺測量儀進行測量時，測量點不同，儀器內部引進的誤差大小將不同。</

32、p><p>　　3.測量方法要方便可行</p><p>　　需要測量電路的電流時，一般盡可能測電壓而不測電流，因為測電壓不必改 動被測電路，測量方便。若需知道某一支路的電流值，可以通過測該支路上電阻 兩端的電壓，經過換算而得到。</p><p><b>　　七、結論與心得</b></p><p>　　很榮幸這個學期我們專業(yè)開

33、設了本次課程設計的課程，這一次的設計對于我來 說都是一種考驗。也為了我以后能設計出更多更好的電子產品打下堅實的基礎。 現(xiàn)代社會是一個電子盛行的社會。隨著現(xiàn)代電子設計技術的不斷發(fā)展，對于我 們新一代的電子設計人才來說是一種挑戰(zhàn)， 也是一種機遇。 會更加激發(fā)我們的斗志！ 在這次課程設計中,我學到了在課本上學習不到的東西,進一步的了解和熟練 了 Protel 制作原理圖,并且學會了在 Protel 里怎樣繪制元器件和怎么把所繪制的 元器件放入

34、元件庫。學會了各元件的功能分析及元件內部電路的結構。在動手技能 方面有了很大進步，也知道了理論知識的重要性，在沒有理論知識的條件下，你又 沒有經驗，你是很難做好這次課程設計的。我們這次課程設計要有理論知識后，動手的時候就快了許多。在做的時候，布線是一個很重要的環(huán)節(jié)，如果你布線整齊、 美觀就給別人留下了好的第一感覺。 通過這學期的模電課程設計，使我從中受益匪淺，我認識到了自己的以前許多許 多的不足和缺點。我明白了要想把理論和實際，還是有一

35、定距離的。我懂得了一個實 用的實物來，并不是自己想象中的那樣簡單。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　《電工學》電子工業(yè)出版社；《晶體管直流穩(wěn)壓電源》遼寧科技出版社；</p><p>　　《電子線路設計?實驗?測試》華中科技大學出版社</p><p>　　《模擬電子技術基礎》高等教育出