直流穩(wěn)壓電源模電課程設計--半導體直流穩(wěn)壓電路的設計

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　課題名稱：半導體直流穩(wěn)壓電源設計</p><p>　　模擬電子技術(shù)課程設計任務書 </p><p>　　系：電氣與信息工程系 年級：1102 專業(yè)：通信工程 </p&g

2、t;<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 引言…………………………………………1 </p><p>　　第二章 半導體直流穩(wěn)壓電路的設計………………2 </p><p>　　2.1課程設計要求……………………………………………………2</p><p>　　2.2整體設計方案……

3、………………………………………………3 </p><p>　　2.3電源變壓器………………………………………………………4 </p><p>　　2.4整流濾波電路……………………………………………………5 </p><p>　　2.5集成穩(wěn)壓器方案…………………………………………………6 </p><p>　　2.6整流二極管的參數(shù)計算……

4、……………………………………6 </p><p>　　2.7濾波電容的參數(shù)計算……………………………………………7 </p><p>　　2.8其他電路元件的選擇……………………………………………7 </p><p>　　第三章 半導體直流穩(wěn)壓電路的仿真與制作………7 </p><p>　　3.1直流穩(wěn)壓電源電路的仿真電路………………………

5、…………8 </p><p>　　3.2 PCB版的設計與制作……………………………………………8 </p><p>　　第四章 測試方法和實驗結(jié)果………………………10 </p><p>　　4.1測試方法和內(nèi)容…………………………………………………10 </p><p>　　4.2基本檢查…………………………………………………………11

6、 </p><p>　　4.3指標測試和測試結(jié)果……………………………………………11 </p><p>　　第五章 數(shù)據(jù)分析和討論……………………………12 </p><p>　　5.1數(shù)據(jù)分析…………………………………………………………12 </p><p>　　5.2結(jié)果討論…………………………………………………………12 <

7、/p><p>　　第六章 結(jié)束語………………………………………13 </p><p>　　附錄A 元件清單……………………………………15 </p><p>　　附錄B 參考文獻……………………………………16</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源一般由電源

8、變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姟Ｕ髌靼呀涣麟娮優(yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設計主要采用直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的±5V直流電，并實現(xiàn)電壓可在3-12V連續(xù)可調(diào)。 電源的發(fā)展經(jīng)歷了整

9、流器時代，逆變器時代、 變頻器時代并逐步向綠色靠攏。穩(wěn)壓電源的歷史可追溯到十九世紀，愛迪生發(fā)明電燈時，就曾考慮過穩(wěn)壓器，到二十世紀初，就有鐵磁穩(wěn)壓器以及相應的技術(shù)文獻，電子管問世不久，就有人設計了電子管直流穩(wěn)壓器，在四十年代后期，電子器件與磁飽和元件相結(jié)合，構(gòu)成了電子控制的磁飽和交流穩(wěn)壓器。五十年代晶體管的誕生使晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源成了直流穩(wěn)壓電源的中心。六十年代后期，科研人員對穩(wěn)定電源技術(shù)做了新的總結(jié)，使開關電源，可控硅電源得到快速

10、發(fā)展，與此同時，集成穩(wěn)壓器也不斷發(fā)展。直至今日，在直流穩(wěn)壓電源領域，以電子計算機為代表的要求供電電壓低，電流</p><p>　　第二章 半導體直流穩(wěn)壓電源電路的設計</p><p>　　2.1課程設計要求 </p><p><b>　?。ㄒ唬?、設計目的 </b></p><p>　　1、學習直流穩(wěn)壓電源的設計方法；&

11、lt;/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(nèi)阻測試方法；</p><p>　?。ǘ?、設計要求和技術(shù)指標 </p><p><b>　　1、技術(shù)指標：</b></p><p><b>　　要求：</b></

12、p><p>　　輸入電壓為交流220V； </p><p>　　電源輸出電壓為+12V、-12V、+5V、-5V； </p><p>　　最大輸出電流為Iomax=500mA； </p><p>　　紋波電壓△VOP-P≤5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤5%。 </p><p>　　2、設計基本要求： </p><

13、;p>　?。?）設計一個能輸出±12V/±5V的直流穩(wěn)壓電源； </p><p>　?。?）擬定設計步驟和測試方案； </p><p>　?。?）根據(jù)設計要求和技術(shù)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>　　（5）在PCB板上制作

14、一臺直流穩(wěn)壓電源； </p><p>　?。?）測量直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻； </p><p>　?。?）測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)；</p><p>　?。?）撰寫設計報告；</p><p><b>　?。ㄈ?、設計提示 </b></p><p>　　1、設計電路框圖如圖所示：</p>

15、<p>　　1、設計電路框圖如圖所示： </p><p><b>　　圖2-1-1</b></p><p>　　穩(wěn)壓電路若使用分離元件要有取樣、放大、比較和調(diào)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7812，7912和7805，7905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

16、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(nèi)阻，在輸入交流為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?？蓪⑵浞糯蠛?，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△

17、Vo，由于紋波電壓不是正弦波，所以有有效值衡量存在一定誤差。</p><p><b>　　2、實驗儀器設備 </b></p><p>　　自耦變壓器一臺，數(shù)字萬用表，萬能板，智能電工實驗臺，示波器，交流毫伏表</p><p>　?。ㄋ模⒃O計報告要求</p><p><b>　　1、選定設計方案；</b&

18、gt;</p><p>　　2、擬出設計步驟，畫出電路，分析并計算主要元件參數(shù)值；</p><p>　　3、列出測試數(shù)據(jù)表格。</p><p><b>　　4、調(diào)試總結(jié)。</b></p><p><b>　?。ㄎ澹⒃O計總結(jié)</b></p><p>　　1、總結(jié)直流穩(wěn)壓電源的

19、設計方法和運用到的主要知識點，對設計方案進行比較。 </p><p>　　2、總結(jié)直流穩(wěn)壓電源主要參數(shù)的測試方法。 </p><p>　　2.2整體設計方案 </p><p><b>　?。ㄒ唬?電路原理</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源的工作流程如下：</p><p>　　圖2-2-1

20、 直流穩(wěn)壓電源的方框圖</p><p>　　從圖2.2.1我們得出直流穩(wěn)壓電源的工作原理：電路接入幅值為220V、頻率為50Hz的市電ui，通過圖1—1中的電源變壓器TRIAD，將市電220V的電壓幅值調(diào)整為合適的電路工作壓值u2。通過電源變壓器TRIAD輸送過來的交流電，再通過圖1—1中的橋式整流電路BRIDGE，得到單方向全波脈動的直流電壓。由于單方向全波脈動的直流電壓中含有豐富的交流成分，為了獲得平滑的直流

21、電壓，在整流電路的后面加一個濾波電路，以濾去交流成分，圖2.2.1中的電容C就起到這個作用；對于要求不高的電路，經(jīng)過濾波后的直流電壓可以直接應用，對于一些要求比較高的電路。我們在濾波電路的后面再接一個穩(wěn)壓電路，使輸出的直流電壓更加平滑，如集成穩(wěn)壓器LM7812，LM7912和LM7805,LM7905。一般來說，濾波電容C的容量比較大，本身就存在著較大的等效電感，因此對于市電引入的各種高頻干擾的抑制能力很差。為了解決這個問題， 在電容C

22、旁并聯(lián)一只小容量電容器C1、C2，就可有效地抑制高頻干擾。 另外，穩(wěn)壓器在開環(huán)增益較高、負載較重的狀態(tài)下時，由于分布參數(shù)的影響，有可能產(chǎn)生自激，C1、C2則兼有抑制高頻振蕩的作用。輸出端接</p><p><b>　　2.3電源變壓器</b></p><p>　　由公式P=U*I可知若輸出功率P一定，若輸出電壓U越高，則輸出電流I越低。舉例來說，一個輸出功率P=15

23、VA的變壓器，若輸出電壓U=12V,則輸出電流I=0.833A。</p><p>　　源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=η，式中η是變壓器的效率。 </p><p>　　表2-3-1變壓器的效率表</p><p>　　2.4整流濾波電路 </p><p>

24、　　整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。</p><p>　　圖2-4-1 全波整流波 圖2-4-2橋式整流濾波</p><p>　　各濾波電容C滿足RL-C＝（3~5）T/2，或中T為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負載電阻。

25、</p><p>　　圖2-4-3等效電路圖</p><p>　　在穩(wěn)壓電源中一般用四個二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓u2變換成脈動的直流電壓u3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流電壓u3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓UI。UI與交流電壓u2的有效值U2的關系為： </p><p>　　在整流電路中，每只二極管所承受的

26、最大反向電壓為： </p><p>　　流過每只二極管的平均電流為： </p><p>　　其中：R為整流濾波電路的負載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時間常數(shù)RC應滿足： </p><p>　　2.5集成穩(wěn)壓器方案</p><p>　?。ㄒ唬?、穩(wěn)壓二極管：</p><p>　　穩(wěn)壓電路可以利用穩(wěn)壓二極管的反

27、向擊穿特性。由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化。</p><p>　?。ǘ⒓煞€(wěn)壓芯片</p><p>　　隨著半導體工藝的發(fā)展,現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小,可靠性高,使用靈活,價格低廉等優(yōu)點。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端,故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。常用的有L7800系列L7900系列三端集成穩(wěn)壓器。在L78xx系列中1腳接

28、輸入，2腳接地，3腳接輸出。L79xx系列中1腳接地，2腳接輸入，3腳接輸出。如要在同一電路中同時輸出正負電壓可采用如下圖2.5.1接法。</p><p>　　2.6整流二極管的參數(shù)計算</p><p>　　在含穩(wěn)壓器LM7812,LM7912的電路中的二極管選擇:由于二極管最大瞬時反向工作電壓Urm>1.414U2=12×1.414=17V</p><

29、p>　　在含穩(wěn)壓器LM7805,LM7905的電路中的二級管的選擇: 由于二極管最大瞬時反向工作電壓Urm>1.414×U2=15×1.414=21V</p><p>　　IN4001的反向擊穿電壓大于50V,額定工作電流I=1A>Iomax.故整流二極管選用IN4001。</p><p>　　2.7 濾波電容的參數(shù)計算</p><

30、p>　　濾波電容的容量可由下式估算：</p><p>　　C=ICt/ΔVip-p</p><p>　　式中ΔVip-p——穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰-峰值；</p><p>　　T——電容C放電時間，t=T/2=0.01S</p><p>　　IC——電容C放電電流 ，可取IC= Iomax，濾波電容C的耐壓值應大于1.4 V2。<

31、;/p><p><b>　　在本實驗中</b></p><p>　　Sv=ΔVo/Vo/ΔVi/Vi</p><p>　　式中，Vo=9v 、Vi=12v、ΔVop-p=5mv、Sv=0.005</p><p>　　則 ΔVi =ΔVop-p Vi / Vo Sv=1.4v</p><

32、;p><b>　　所以濾波電容</b></p><p>　　C= ICt/ΔVip-p = Iomax t/ΔVip-p =0.003636uF</p><p>　　C的耐壓值應大于1.4 V2=21v。</p><p>　　由于之前模電實驗可知，我們在實際制作過程中采用比理論值小的電容同樣能達到很好的濾波效果，因此采用2200μF的電容

33、。</p><p>　　2.8其他電路元件的選擇</p><p>　　用LED指示電路時，因輸出的電壓比較高，如果直接接在電路中會將其燒壞，所以應該串聯(lián)以各電阻。LED的工作電流為3~10mA。12V/10mA=1200,5V/10mA=500Ω。因為LED存在一定內(nèi)阻，所以選擇的電阻分別為1200Ω,470Ω。</p><p>　　第三章 半導體直流穩(wěn)壓電路的仿

34、真與制作</p><p>　　3.1直流穩(wěn)壓電源電路的仿真電路 </p><p><b>　　圖3-1-1 </b></p><p>　　3.2 PCB版的設計與制作</p><p>　?。ㄒ唬⒃韴D的設計 </p><p>　　綜上對電路的分析，與各元器件的參數(shù)計算，用Protel99繪制的原

35、理圖如附圖所示。 </p><p>　?。ǘ?、PCB圖的繪制 </p><p>　　Protel99是專門制作PCB印制電路板的軟件，能夠在原理圖上生成網(wǎng)絡表，創(chuàng)建一個PCB文件，導入網(wǎng)絡表，就能夠?qū)﹄娐钒迳显骷M行布局，布線，設計的PCB如下圖3.2.1。</p><p><b>　　圖3-2-1</b></p><p

36、><b>　　（三）、實物圖</b></p><p><b>　　圖3-3-1</b></p><p><b>　　圖3-3-2</b></p><p><b>　　測試方法和實驗結(jié)果</b></p><p>　　4.1測試方法和內(nèi)容</p&g

37、t;<p><b>　?。ㄒ唬y試方法</b></p><p>　　1、目光檢測法：根據(jù)設計的要求和指標，需對成品進行參數(shù)的測試。在進行參數(shù)的測量前必須保證元器件的安裝沒有發(fā)生錯誤。所以可以用目眼檢測的方法進行。</p><p>　　2、儀器測量法：設計要求測試電源的穩(wěn)壓系數(shù)，內(nèi)阻，和紋波電壓。這些數(shù)據(jù)的測試必須用到實驗儀器設備。</p>

38、<p><b>　?。ǘy試項目</b></p><p>　　1、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>　　2、測量內(nèi)阻：在輸入交流為220V，分別測得負載電流為0及最大值時的ΔVo，ro=ΔVO/ΔIL。&l

39、t;/p><p>　　3、紋波電壓測量：疊加在輸出電壓上的交流分量，一般為mV級?？蓪⑵浞糯蠛?，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><b>　　4.2基本檢查</b></p><p>　　在通電前認真檢查安裝電路，必須對電路進行以下事項的檢查：

40、</p><p>　　1、電源變壓器的一次和二次繞組是否搞錯，否則將會造成變壓器損壞.。</p><p>　　2、三端穩(wěn)壓器的輸入、輸出和公共一定要識別清楚，不能搞錯。特別是公共端不能開路，如果開路，很可能導致負載損壞。</p><p>　　3、或整流橋的引腳和濾波電容器的極性不能接反，否則將會損壞元器件。</p><p>　　4、檢查負載端

41、是否有短路現(xiàn)象。</p><p>　　4.3指標測試和測試結(jié)果</p><p><b>　?。ㄒ唬┓€(wěn)壓系數(shù)測試</b></p><p>　　先將變壓器的輸入電壓調(diào)為交流220V，用萬用表的直流電壓檔分別測量電源的各個輸出端，記錄數(shù)據(jù)在表4.3.1中。</p><p>　　表4-3-1穩(wěn)壓系數(shù)測量數(shù)據(jù)</p>

42、<p><b>　　（二）測量內(nèi)阻 </b></p><p>　　1、不接負載，直接用萬用表直流檔測量電源輸出端的電壓，如上表3所示輸入220V時各輸出的電壓。</p><p>　　2、在±12V輸出端外接一個電位器，使電流達到規(guī)定的最大電流500mV，用萬用表直流檔測量輸出端口的電壓得到的電壓值分別為10.83V和-11.15V。</p&

43、gt;<p>　　3、在±5V輸出端外接一個電位器，是電流達到規(guī)定的最大電流500mV，用萬用表直流檔測量輸出端口的電壓得到的電壓值分別為4.98V和-5.06V。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)分析和討論</b></p><p><b>　　5.1數(shù)據(jù)分析</b></p><p><b&g

44、t;　　穩(wěn)壓系數(shù)分析：</b></p><p>　　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).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。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)最大的Δvo=±0.01V，ΔVI=220V×10％=22

45、V所以穩(wěn)壓系數(shù)=0.01×220/22×11.97≈0.0084。</p><p>　?。? 0.01）×220/22×（-12.03）≈0.0083≤5% </p><p><b>　　5.2結(jié)果討論</b></p><p>　　1、穩(wěn)壓系數(shù)是表征穩(wěn)壓電源應對輸入電壓的波動而保持輸出電壓穩(wěn)定的能力。穩(wěn)壓

46、系數(shù)越小，表示穩(wěn)定電壓的能力越強。所以一個電源的穩(wěn)壓系數(shù)越小表示其性能越好。經(jīng)試驗測量和計算得到制作的電源穩(wěn)壓系數(shù)為0.0083，小于設計要求的5﹪。所以設計的電源是符合要求的。</p><p>　　2、內(nèi)阻也是電源質(zhì)量好壞的一個重要的指標，它表征的是電源接負載的能力，內(nèi)阻越小，接負載時分得的電壓越小，從而保證接大電流負載時能夠保證有足夠的輸出電壓，保證負載能夠正常工作。經(jīng)測量和計算得到電源正負輸出的內(nèi)阻分別為2

47、.28Ω和1.76Ω，這個內(nèi)阻非常的小，說明接負載的能強。</p><p><b>　　第六章 結(jié)束語</b></p><p>　　在做課程設計之前曾在模電實驗中接觸過集成直流穩(wěn)壓電源，對直流穩(wěn)壓電源的設計有一定的了解。我在知道模擬電子課程設計中要做直流穩(wěn)壓電源是還暗自高興這是個自己比較熟悉的項目。但在看到要求時才知道自己高興的太早，因為在模電實驗中我們只做到了基本的

48、直流穩(wěn)壓電源的測量，而本次課程設計要求我們自主的設計并測設參數(shù)，并且要用軟件仿真。此刻我才意識到自己對知識的了解和掌握并不全面，也不扎實。做課程設計對從沒經(jīng)驗的我并不是簡單的事。</p><p>　　為完成這次設計我查閱了很多資料和書籍，我發(fā)現(xiàn)查資料也是一門學問，要會查才能找到你所需的內(nèi)容，我在網(wǎng)上查閱了相關的電子設計和電源設計資料，同時也查閱了一些書籍，也和班上多名同學和小組之間進行了交流，隨著了解的深入對設計

49、有了基本的思路。</p><p>　　這次課程設計給我?guī)砹撕艽蟮氖斋@，讓我學到了很多，第一次用PCB做電子產(chǎn)品,不僅掌握了簡單的電子電路的設計與制作，也掌握了一些芯片的原理與作用。在制作的過程中,我基本掌握了Protel99軟件的使用，同時我也遇到了困難，在仿真環(huán)節(jié)中由于對軟件的實用不熟練，仿真基本上都沒有成功，并且由于時間關系沒有對仿真軟件進行進一步的學習，這讓我覺得很可惜，以后一定會找時間補一下仿真軟件方面

50、的知識，以免以后做課設是讓同樣的問題難倒我。但總體上比沒有做課設之前還是有了一定的進步。</p><p>　　通過本次課程設計使我對集成直流穩(wěn)壓電源有了更為深刻的了解，對其構(gòu)造組成及參數(shù)計算掌握的比以前熟練很多，特別是對穩(wěn)壓器的認識比以前更廣泛，雖然在課本中接觸過穩(wěn)壓器的知識，但課本上的介紹十分簡單也十分有限，并且我對課本的記憶不是很深刻，但通過本次自己動手動腦設計之后記憶的就深刻了。尤其是本次設計中用到的78&

51、#215;×，79××系列的掌握比以前好了很多，不過仍然會有不足。 </p><p>　　總體來說，這次電源的制作是比較成功的。因為我制作的這個電源穩(wěn)壓系數(shù)比較的小，能夠很好的保持電源輸出的穩(wěn)定，內(nèi)阻比較的小，接負載的能力也比較的強。</p><p>　　在接電路之前，一定要通過查資料把電路中的每個元件的作用弄明白和把每個芯片的管腳的功能弄清楚，明白每個元件的

52、各個管腳與它哪里相對應。在電路設計中，應該仔細認證，從中我們可以學到很多東西，可以提高自己發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，使自己的動手能力有一定的提高。出現(xiàn)故障時要積極面對，在檢查線路時一定要有耐心，不要因為麻煩就放棄。遇見錯誤要一步一步的按照原理圖來，先一步一步的測試，然后整體測試。不要沒順序沒條理，這里測一下那里測一下，最后又什么都沒查出來，那樣既浪費了時間又浪費了精力。</p><p>　　這次電源的制作我不是一次

53、性成功的，我做了兩次，主要原因是在腐蝕時走線上有很多的孔，有些導線都斷了，為了避免焊接好元器件后測試發(fā)現(xiàn)不符合設計的要求，我重新腐蝕了一塊PCB板，最后經(jīng)過測試，做出的直流穩(wěn)壓電源還算是成功的。</p><p>　　附錄A 元器清單：</p><p>　　附錄B 參考文獻</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