模电课设直流稳压电源.docx
《模电课设直流稳压电源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模电课设直流稳压电源.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
模电课设直流稳压电源
半导体直流稳压电源的设计和测式
一、设计目的
1、 学习直流稳压电源的设计方法；
2、 研究直流稳压电源的设计方案；
3、 掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法。
二、设计要求和技术指标
1、 技术指标：
要求电源输出电压为±12V（或±9V/±5V），输入电压为交流220V，最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压△Vop-p≤5mv,温压系数Sr≤5%。
2、 设计要求：
（1）设计一个能输出±12V/±9V/±5V的直流稳压电源；
（2）要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图；
（3）根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；
（4）要求绘出原理图，并用Protel画出印制版图；
（5）在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源；
（6）测量直流稳压电源的内阻；
（7）测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压；
（8）撰写设计性报告。
三、 设计提示
1、设计电路框图如图所示
稳压电路若使用分离元件要有取样、放大、比较和调整四个环节，晶体管选用3DD或3DG等型号；若用集成电路选78XX和79XX稳压器。
测量稳压系数:
在负载电流为最大时，分别测得输入交流比220V增大和减小10%的输出△Vo，并将其中最大一个代入公式计算Sr，当负载不变时，Sr=△VoVI/△VIVo.
测量内阻:
在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的△Vo，Ro=△Vo/△II.
纹波电压测量:
叠加在输出电压上的交流分量，一般为mV级。
可将其放大后，用示波器观测其峰—峰值△Vop-p;用可用交流毫伏表测量其有效值△Vo,由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定误差。
2、实验仪器设备
自耦变压器一台、数字万用表、数字电压表、变压器、面包板或万能板、
智能电工实验台、示波器
3、设计用主要器件：
变压器、整流二极管、集成稳压器、电容、电阻若干
4、参考书：
《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社
《模拟电子技术基础》高等教育出版社
四、设计报告要求
1、选定设计方案；
2、拟出设计步骤，画出电路、分析并计算主要元件参数值；
3、列出测试数据表格；
4、测试总结。
五、设计总结
1、总结直流稳压电源的设计方法和运用到的主要知识点，对设计方案进行比较。
2、总结直流稳压电源的主要参数的测试方法。
第1章绪论…………………………………………………5
直流稳压电源研究的意义………………………………5
直流稳压电源的发展状况………………………………5
第2章设计概述……………………………………………7
设计目的………………………………………………7
设计要求与性能指标…………………………………7
设计原理………………………………………………7
设计方案的分析………………………………………9
第3章单元电路设计与元器件的选择……………………10
变压器的确定………………………………………10
整流电路的确定………………………………………10
滤波电路的确定………………………………………13
稳压电路的确定………………………………………15
电路的整合连接………………………………………16
第4章电路仿真与测试……………………………………17
仿真软件简介………………………………………17
仿真电路图…………………………………………19
仿真结果及分析……………………………………20
第5章安装与调试………………………………………21
PCB板制作…………………………………………21
万能板安装电路……………………………………22
调试与检测…………………………………………22
技术指标测量………………………………………23
第6章误差分析…………………………………………24
第7章心得体会…………………………………………25
参考文献……………………………………………………27
附录【1】…………………………………………………28
附录【2】…………………………………………………29
附录【3】…………………………………………………30
附录【4】…………………………………………………31
第1章绪论
直流稳压电源的研究意义
电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分，直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。
直流稳压电源是常用的电子设备，它能保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压。
一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着重要的实际应用价值。
直流稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路、稳压控制电路所组成，具有体积小，重量轻，性能稳定可等优点，电压从零起连续可调，可串联或关联使用，直流输出纹波小，稳定度高，稳压稳流自动转换、限流式过短路保护和自动恢复功能，是大专院校、工业企业、科研单位及电子维修人员理想的直流稳压电源。
适用于电子仪器设备、电器维修、实验室、电解电镀、测试、测量设备、工厂电器设备配套使用。
几乎所有的电子设备都需要有稳压的电压供给，才能使其处于良好的工作状态。
家用电器中的电视机、音响、电脑尤其是这样。
电网电压时高时低，电子设备本身耗供电造成不稳定因家。
解决这个不稳定因素的办法是在电子设备的前端进行稳压。
直流稳压电源广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等的直流供电。
直流稳压电源的发展状况
1955年美国的科学家罗那（）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。
此后，利用这一技术的各种形式的精益求精不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。
由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。
由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。
60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。
省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。
开关电源在世界各国迅速发展，但在初期价格较高
直到八十年代，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，随着元件工艺的成熟，直流稳压电源的价格也日益下降，应用也变的日益广泛，应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。
近几年随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率由原来的几十千赫发展到现在的几百千赫，甚至更高。
现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域，对此的研究开始向高频方面发展。
以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件，高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。
第2章设计概述
设计目的
（1）、学习直流稳压电源的设计方法；
（2）、研究直流稳压电源的设计方案；
（3）、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法。
设计要求和技术指标
2.2.1设计要求：
①、设计一个能输出正负12V的直流稳压电源；
②、拟定测试方案和设计步骤；
③、根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；
④、绘出原理图和印制板图；
⑤、在万能板上连接电路；
⑥、测量直流稳压电源的内阻；
⑦、测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压；
⑧、撰写设计性报告。
2.2.2技术指标：
①、电源输出电压为正负12V；
②、输入电压220V、50Hz；
③、最大输出电流为Iom=500mA；
④、纹波电压小于等于5mA；
⑤、稳压系数Sr小于等于5％.
设计原理:
2.3.1设计电路框图
设计电路框图如图2-1所示，包括变压器降压，整流滤波电路滤波，稳压电路进行稳压四个部分。
图2-2为电压经过各个部分的波形，交流U1经过变压器降压后到较小的交流U2，经过整流滤波后变为纹波很小的直流U4，最后由稳压电路进行稳压输出。
图2-1电路框图
U1U2U3U4U5
图2-2整流与稳压过程
2.3.2各部分电路的作用
交流变压器。
一般的电子设备所需要的直流电压较之交流电网提供的200V电压相差较大，为了得到输出电压的额定范围，就需要将电网电压转化到合适的数值。
所以，电压变换部分的主要作用就是将电网电压变为所需要的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。
整流电路。
整流电路的作用是将变换后的交流电压转换为单方向的脉冲电压。
由于这种电压存在着很大的脉动部分（称为纹波），因此，一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波会严重影响到负载的性能指标。
滤波电路。
滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流进行平滑，使之成为含交变成分很小的直流电压。
也就是说，滤波部分实际上使一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。
稳压电路。
尽管经过整流滤波后的电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。
2.4设计方案的的分析
由设计原理可知直流稳压电源应由几部分组成，而且各个部分相对独立，因此，在进行设计电路的时候我们采用各个部分分别设计，独立选择元器件，独立测试的方法，最后将这几部分进行组装和调试，最终达到设计完整直流稳压电源电目的。
第3章单元电路设计与元器件的选择
变压器的确定
3.1.1变压器的效率
电源变压器的作用是将220V的交流电压U1变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2。
变压器副边与原边的功率比由公式确定
P2/P1=η（）
式中，
为变压器的效率。
一般小型变压器的效率如表所示。
表2-1小型号变压器的效率
副边功率
＜10
10～30
30～80
80～200
效率
3.1.2参数计算及元件选择
变压器副边电压有效值为U2，输出电压为12V，取UL=，则
U2=12V/=10V（）
故选择220V输入，10V输出电源变压器，功率在10～30W之间，效率为～，本次设计选用EI系列小型变压器。
整流电路的确定
3.2.1整流电路的设计
图3-1单向桥式整流电路
整流电路将交流电压变换为脉动的直流电压，再经过滤波就可的到纹波较小的直流电压。
常用的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流等。
桥式整流电路与单相半波整流电路和单相全波整流电路相比，其明显的优点是输出电压较高，纹波电压较小，整流二极管所承受的最大反向电压较低，并且因为电源变压器在正负半周内都有电流流过，所以变压器绕组中流过的是交流，变压器的利用率高。
在同样输出直流功率的条件下，桥式整流电路可以使用小的变压器，因此，这种电路在整流电路中得到广泛应用。
本次设计单相桥式整流电路如图3-1。
它由四个二极管构成电桥形式，两两构成一组，分别在正弦交流点正负半轴时刻导通。
工作原理如图3-2所示。
图3-2单相桥式整流电路
（a）整流电路 （b）波形图
在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。
根据图3-2（a）的电路图可知：
当变压器次级电压U2为上正下负时，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载电阻上得到正弦波的正半周，如图3-2（b）中0～所示。
当变压器次级电压为下正上负时，二极管D2、D4导通，D1、D3截止，在负载电阻上得到正弦波的负半周，如图3-2（b）～2所示。
在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。
3.2.2参数计算与元件选择
根据图3-2可知，输出电压是单相脉动电压。
通常用它的平均值与直流电压等效。
桥式整流电路的输出电压平均值为
直流电流为
在桥式整流电路中，整流二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，因此，流过每个整流二极管的平均电流是电路输出电流平均值的一半
桥式整流电路因其变压器只有一个副边绕组，在U2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止，此时D2、D4所承受的最大反向电压为U2的最大值，即
（）
同理，在U2负半周时，D1、D3也承受同样大小的反向电压。
设计要求最大输出电流Iom=500mA，则流经二极管的最大平均电流为
（）
二极管承受的最大反向电压
（）
因此可选用整流二极管IN4001（允许最大电流IF=1.0A,最大反向电压VRM=50V）,或选择整流桥堆MB05M（最大电流IF=0.5A,最大反向电压VRM=50V）,DB101（IF=1.0A,VRM=50V）。
滤波电路的确定
3.3.1电路组成及工作原理
虑波电路如图3-1滤波部分所示，与单向桥式整流电路组成整流滤波电路。
其工作原理：
无论U2是正半周还是负半周，电路中总有二极管导通，在一个周期内，U2对电容充电二次，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以很快充满电荷，使电容两端电压UC基本接近U2m，而电容上的电压不会突变。
现假设在U2在正半周期由零开始上升，很短时间内电容上的电压Uc基本上接近U2m，因此U2＜Uc，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C同过通过RL放电，由于时间常数τ=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，Uc下降很小。
与此同时,U2仍按
的规律上升，一旦当U2＞UC时，D1，D3导通，C又开始充电。
不难理解，在U2的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。
这样在U2不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近乎于锯齿波的电压UL=UC，负载电压的纹波大为减少，如图3-3。
图3-3滤波波形
由以上分析可知，电容虑波电路有如下特点：
1、RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。
为了得到平滑的负载电压，放电时间常数应满足
τ=RLC≥（3～5）T/2（）
式中T为交流电压的周期。
2、RL越小输出电压越小
若Ｃ一定，当RL→∞，即空载时有
（）
当Ｃ＝0，即无电容时有
（）
当整流电路的内阻不太大（几欧姆）和电阻RL电容Ｃ取值满足（）时，有
（）
总之，电容滤波适用于负载电压较高，负载变化不大的情况。
3.3.2参数计算与元件选择
负载电阻
（）
由式（），取
。
由此滤波电容为
（）
若考虑电网波动，则电容承受的最高电压为
（）
滤波电容耐压值应大于输出电压值，一般取倍左右，且通常采用有极性的电解电容，因此选用标称值为2200
F/30V的电解电容。
考虑到正负电压输出，最后设计的整流滤波电路如图3-4。
图3-4整流滤波电路
稳压电路的确定
3.4.1稳压芯片介绍
直流稳压电路类型和设计方法有多种，本次设计采用集成元件构成稳压电路。
用CW78系列和CW79系列的芯片。
包括固定三端与可调式三端稳压器，我们介绍固定三端稳压器及其典型应用。
我们通常所用的7800和7900系列的稳压管如图3-5所示。
图3-5固定三端式稳压稳压器的典型应用
（a）CW78xx系列典型应用（b）CW79xx系列典型应用
在CW78xx系列中1脚接输入，2脚接地，3脚接输出。
CW79xx系列中1脚接地，2脚接输入，3脚接输出。
其中CW78xx系列中输出为正电压，如7815则它的输出电压为+15V，而CW79xx系列中输出为负电压，如7915则输出电压为-15V，（它们的输出额定电流以字母为标志，L表示0.1A,M表示0.5A,无字母表示1.5A）但不管是输出为正电压的78系列还是输出为为负电压的79系列，它们的输入端所接入的电容C的功能是进一步滤除纹波，输出端接入的电容C能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。
C最好用漏电流小的电容，如果是电解电容的话，则电容量要比图中的增加10倍。
3.4.2元件选择
本次设计选择固定集成稳压器CW7812，CW7912，其特性参数：
Vo=12V,Iomax=500mA,Vi=14～35，副边电压V2≥VImin/=14/=,取V2=15V。
CW7812的引脚如图3-6所示。
芯片说明：
图3-6CW7812引脚
CW7812、CW7912芯片由于它只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端式稳压器。
它由启动电路，基准电压电路，取样比较放大电路，调整电路和保护电路等部分组成。
电路的整合连接
本次设计的思想是先进行单元电路的设计，然后再将各个单元电路进行整合，最终达到设计完整电路的目的。
以上已完成各部分的分析与设计，因此接下来设计整个电路。
电路接入几个主要部分外，为了防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高电频，电路中前后分别接入电容C3=，C5=。
它们的作用是瞬时增减负载电流时不会引起输出电压有较大的波动。
发光二极管用来检测电路是否接通。
负载输出端的电路与正输入端对称，所以C4=,C6=。
总的电路图见附录【3】。
第4章电路仿真与测试
仿真软件简介
本次试验由EWB软件进行仿真。
电子工作平台ElectronicsWorkbench（EWB）（现称为MultiSim）软件是加InteractiveImageTechnologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件,其工作界面如图4-1。
图4-1EWB工作界面
4.1.1EWB的特点：
（1）采用直观的图形界面创建电路,在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果；
（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法；
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据；
（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
与其他电路仿真软件（Protel99）相比，具有界面直观、操作方便等优点。
他改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，创建电路选用元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。
电子电路的分析、设计与仿真工作蕴含于轻点鼠标之间，不仅为电子电路设计者带来了无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量和效率。
4.1.2EWB的优点
1、各元器件选择范围广，参数修改方便，不会象实际操作那样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。
使电路调试变得快捷方便。
对《模拟电子技术基础》课程中的绝大部分电路都能应用，不仅能用于对单个电路特性和原理进行验证，也能就用于多级的组合电路。
2、元件库不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件,是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台,给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。
可以在任意组合的实验环境中，搭建实验。
通过元件复制或单级电路的复制来完成整个电路的组装。
因此也适用于较大型的设计性实验。
3、EWB（电子学工作平台）为我们提供了一个很好的实用工具，使我们能够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。
教师可以在多媒体教室中深入浅出地分析各种电路的特性，讲解各种参数改变对电路的影响。
学生可结合学习内容，进行接近于实际电路的调试分析，有利于对加深对理论理解。
特别是一些大中专院校和广播电视大学，通过这样的计算机模拟仿真实验，把电子技术的理论教学和实验教学有机地结合了起来。
4.1.3EWB软件基本操作方法
1、元器件操作
元件选用：
打开元件库栏，移动鼠标到需要的元件图形上，按下左键，将元件符号拖拽到工作区。
元件的移动、旋转、反转、复制和删除：
用鼠标单击元件符号选定，用相应的菜单、工具栏，或单击右键激活弹出菜单，选定需要的动作。
元器件参数设置：
选定该元件，从右键弹出菜单中选ComponentProperties可以设定元器件的标签（Label）、编号（ReferenceID）、数值（Value）和模型参数（Model）、故障（Fault）等特性。
说明：
①元器件各种特性参数设置可通过双击元器件弹出的对话框进行；②编号（ReferenceID）通常由系统自动分配，必要时可以修改，但必须保证编号的唯一性；③故障（Fault）选项可供人为设置元器件的隐含故障，包括开路（Open）、短路（Short）、漏电（Leakage）、无故障（None）等设置。
2、导线的操作
主要包括导线的连接、弯曲导线的调整、导线颜色的改变及连接点的使用。
连接：
鼠标指向一元件的端点，出现小园点后，按下左键并拖拽导线到另一个元件的端点，出现小园点后松开鼠标左键。
删除和改动：
选定该导线，单击鼠标右键，在弹出菜单中选delete。
或者用鼠标将导线的端点拖拽离开它与元件的连接点。
说明：
①连接点是一个小圆点，存放在无源元件库中，一个连接点最多可以连接来自四个方向的导线，而且连接点可以赋予标识；②向电路插入元器件，可直接将元器件拖曳放置在导线上，然后释放即可插入电路中。
3、电路图选项的设置
Circuit/SchematicOption对话框可设置标识、编号、数值、模型参数、节点号等的显示方式及有关栅格（Grid）、显示字体（Fonts）的设置，在做仿真时我们按照要求选择合适的参数即可。
仿真电路图
在设计好总的电路图之后，便进行电路的仿真，以指导对电路原理图和各元件参数的修改，仿真图如图4-2。
图4-2电路仿真原理图
仿真结果及分析
图4-3仿真波形
在multsim上的仿真波形如图4-3。
由图可见电路的输出电压为，频率约为50Hz，在误差允许的范围内，本电路的设计符合要求。
第5章制作与调试
PCB板制作
在EWB上仿真无误后就要绘制电路原理图。
我们利用Protel99SE软件（见附录【2】）绘制PCB图。
首先绘制元件（如果PCB库里没有所需要的元件）,电阻、二极管、电容等常用元件在库里都可以找到。
其次对照EWB图在PCB的SCH里绘制原理图,注意接点的位置。
因为本课程设计用到了比较多的组合逻辑元件,接线相对比较复杂,所以我们还因该清楚各个脚的功能和位置。
在这种条件下，将元件有序的连接起来,在连接过程中,可以利用总线绘制,这样可以避免不同的线接错,而且可以减少整个原理图的线的数量。
此外，我们还可以把不同的原理图绘制在不同的SC
升级会员 