模电课程设计直流稳压电源.docx
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模电课程设计直流稳压电源
绪论
在各种电子电路中，总离不开电源电路，而由于电路结构和元件特性，就需要用到直流电源供电，就像我们下个学期即将学到的单片机，其需要5V的直流电源。
如若采用干电池为其供电，则有供电功率低，持续供电能力差，成本高等缺点。
而交流电在产生、电能输送等方面具有独特的优点，发电站、各市电网中的电能传输都是以交流电的形式进行输送，如果我们对市电提供的电压进行降压整流等，把交流电转换成直流电，以获得我们所需要的电压。
电力系统供电电压的波动，或者负载阻抗和功率的变化，都会引起整流器输出电压随之改变。
在电子电路和自动控制装置中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，使整流器输出电压尽可能少受流电进行滤波，稳压，以获得我们所需要的供电电源。
电源波动或负载变化影响而保持稳定，这就需要我们对整流后的电源进行稳压设计。
第一章设计要求与指标
1.1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。
1.2技术指标：
（1）电源输出电压为正负12V；
（2）输入电压220V
（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％.
第二章理论分析
2.1整体理论分析
设计电路框图如图1所示:
图2-1电路框图
在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。
图2-1是直流稳压电源设计的基本思路和整体流程。
因为我们要得到的直流电源的是12V等的稳定直流电压，而我们平常的生活用电220V的交流电，所以我们必须变压，变压后交流变成直流。
但此时的直流电压波动很大，脉动的直流电压还含有较大的波纹，所以我们要对其进行滤波，得到波动较小的直流电。
为了保证得到基本恒定的直流电和电源基本不受电网电压不稳定对电源输出的影响，应加稳压电路。
2.2单元电路分析
2.2.1，变压器
电源变压器:
源变压器的作用是将220V的交流电压,变换成整流滤波电路所需要的交流电压。
因为我们需要的是第电压,所以必须要一个变压器将电网的市电降低至我们所需要的.
2.2.2整流电路
整流电路是把交流电压转变为直流脉动的电压。
常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式整流等。
这里采用常用的桥式整流。
如图2-2
图2-2整流电路
四只整流二极管D1-D4接成电桥的形式，故有电桥的之称u1>0时。
D1,D3导通D2,D4截止电流通路:
由+经D1RLD3-；u1<0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:
由-经D2RLD4+。
整流桥的输入U1,和输出U0的波形如下图2-3
U1
U0
图2-3整流前和整流后的波形
输出是脉动的直流电压。
负载电压U0的平均值:
2.2.3滤波电路
滤波电路下图：
用于滤去整流输出电压中的纹波，一般用电抗元件组成。
因此滤波又分电容率波和电感滤波。
这里采用电容滤波。
电路如下图2-4所示：
图2-4滤波电路
滤波前和滤波后的电压波形如下图所示虚线为未加滤波电容的电电压波形。
图2-5整流和整流后的波形
RL接入（且RLC较大）时，电容通过RC放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。
通常认为：
滤波电容越大越好。
这是因为整流特性与时间常数R.C的值有关，他的数值越大，电容放电越慢，滤波效果越好。
滤波电容应取C1≥（3～5）T/2R。
输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,Uo和也随之改变。
电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。
2.2.4稳压电路
（1）稳压二极管：
稳压电路可以利用稳压二极管的反向击穿特性。
由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化
（2）集成稳压芯片
随着半导体工艺的发展,现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。
最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。
常用的有L7800系列L7900系列三端集成稳压器。
在L78xx系列中1脚接输入，2脚接地，3脚接输出。
L79xx系列中1脚接地，2脚接输入，3脚接输出。
如要在同一电路中同时输出正负电压可采用如下图2-7接法
2.2.5其他电路
（1）电路在工作的时候有时会出现一些故障，所以需要设置指示电路来显示电路的工作是否正常。
电源的设计则需要指示电压是否正常输出，如若带负载工作时负载不能正常工作，我们级能够根据指示电路来判断是否是电源供电正常。
电源的工作指示可以使用发光二级管。
这是最常用的指示方法。
（2）为了方便为负载供电，需要输出插槽。
我们平常用的负载需要的电压用的最多的是±12V,±5V，所以设计时为±12V,±5V各提供3各输出插槽，为±9V提供两个输出插槽。
第三章计算方法与过程
3.1计算方法
（1）采用分步计算，分别计算出所用各元件的所用的参数，然后根据所要设计的电路将所计算出的各部分组合起来。
（2）根据电路指标和要求以及各元器件的参数通过计算各元器件的相应参数。
3.2计算过程
3.2.1变压器的计算
我们要得到的是±12V及以下的直流电压，所以我们首先要用变压器将220V的交流电转变成12V的交流电，220/12≈18.3。
所以选用18：
1的变压器。
根据实验的要求，最大电流为500mA因此选用15VA的变压器。
我们平常用的电频率为50Hz，综上，选用的变压器参数为，输入：
220V，50Hz；输出：
12V×215VA
3.2.2整流桥的选择
因为指标要求最大电流为500mA，所以整流桥选择常用的2W10型号
3.2.3滤波电容的计算
通常认为：
滤波电容越大越好。
这是因为整流特性与时间常数R.C的值有关，他的数值越大，电容放电越慢，滤波效果越好。
但滤波通常采用的是电解电容，太大将使电源体积增大，成本提高。
滤波电容C1≥（3～5）T/2R，T=1/50=0.02s,R≈V2/Iomax=12/0.5=24Ω，所以C1≥1667uF,取C1=2200uF。
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，电路中接入C2=0.1uF，C3=0.1uF电容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。
，所以C4=0.1uF,C5=0.1uF。
有了第一级滤波，为了减小电源体积，后面的滤波电解电容均采用470uF。
高频自激抑制电容均采用0.1uF
3.2.4稳压芯片的选择
因为要得到±12V,±9V,±5V.的输出，所以选择的稳压芯片为
L7812CVL7809CVL7805CV
L7912CVL7909CVL7905CV
3.2.5其他电路元件的选择
用LED指示电路时，因输出的电压比较高，如果直接接在电路中会将其烧坏，所以应该串联以各电阻。
LED的工作电流为3-10mA。
12V/10mA=1200Ω，9V/10mA=900Ω,5V/10mA=500Ω.因为LED存在一定内阻，所以选择的电阻分别为1200Ω,900Ω,470Ω
3.3元器件清单
名称
型号
数量
变压器
输入：
220V，50H
输出：
12V×2，15VA
1
开关
双刀双掷
1
整流桥
2W10
1
极性电容
2200uF，
2
极性电容
470uF
6
电容
0.1uF
6
LED
6
电阻
1200Ω,900Ω,470Ω
各两个
稳压芯片
L7812CV，L7809CV，L7805CV
L7912CV，L7909CV，L7905CV
各一块
散热片
6
输出插槽
双脚
16
插头线
1
螺丝
若干
第四章具体制作步骤
4.1利用Protel99进行辅助设计
4.1.1原理图的设计
综上对电路的分析，与各元器件的参数计算，用Protel99绘制的原理图如附图所示。
4.1.2PCB图的绘制
Protel99是专门制作PCB印制电路板的软件，能够在原理图上生成网络表，创建一个PCB文件，导入网络表，就能够对电路板上元器件进行布局，布线，设计的PCB如下图4-2。
图4-2PCB图
4.2实物的制作
实物的制作过程包括打印PCB图，转印PCB图至敷铜板上，打孔，腐蚀，焊接元器件。
绘制好的PCB图用专门的转印纸打印出来，然后用熨斗将转印纸上的碳粉转印到敷铜板上，确保碳粉全部转印到板上时将转印纸揭掉。
这时就可以在敷铜板上看到我们的PCB布线。
打孔可以选择在腐蚀前或后进行。
但为防止打孔时没打
好，所以选择打孔后腐蚀。
如果孔没打好还可以在腐蚀前修复。
打孔时应注意管
脚的粗细，细管脚应用细针打孔。
一般用0.8mm的针。
大管脚的一般应1mm的打孔针。
腐蚀利用的是FeCl3与Cu的氧化反应，因为碳粉不与其反应，故保护了附有碳粉部位的铜。
腐蚀完后便留下了完整的布线。
腐蚀完毕就可以焊接元器件了，把元器件的管脚插入对应的孔里，应注意有极性的元器件一定不要接反，否则会损坏元器件甚至整块PCB板。
焊接时一点要牢固，避免虚汗，影响电路的导电，和产品的使用寿命。
尽可能保证焊点的美观。
第五章测试方法和实验结果
5.1测试方法和内容
5.1.1测试方法
（1）目光检测法：
根据设计的要求和指标，需对成品进行参数的测试。
在进行参数的测量前必须保证元器件的安装没有发生错误。
所以可以用目眼检测的方法进行。
（2）仪器测量法：
设计要求测试电源的稳压系数，内阻，和纹波电压。
这些数据的测试必须用到实验仪器设备。
5.1.2测试项目
（1）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Δvo，并将其中最大一个代入公式计算Sr，
当负载不变时，Sr=ΔVoVI/ΔVIVO。
（2）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ΔVo，ro=ΔVO/ΔIL。
（3）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
5.2基本检查
在通电前认真检查安装电路，必须对电路进行以下事项的检查：
（1）电源变压器的一次和二次绕组是否搞错，否则将会造成变压器损坏.。
（2）三端稳压器的输入、输出和公共一定要识别清楚，不能搞错。
特别是公共端不能开路，如果开路，很可能导致负载损坏。
（3）或整流桥的引脚和滤波电容器的极性不能接反，否则将会损坏元器件。
（4）检查负载端是否有短路现象。
5.3指标测试和测试结果。
5.3.1稳压系数测试
（1）先将变压器的输入电压调为交流220V，用万用表的直流电压档分别测量电源的各个输出端，记录数据在表3中
（2）将变压器的输入端调至交流244V，重复上述操作。
（3）将变压器的输入端调至交流198V，重复上述操。
表3稳压系数测量数据
输出端口/v
输入电压/v
+12V
+9V
+5V
-12V
-9V
-5V
220v
11.97v
8.98v
5.08v
-12.03
-9.00
-5.08
242v
11.98
8.98
5.08
-12.04
-8.99
-5.08
198v
11.96
8.97
5.07
-12.03
-9.00
-5.07
5.3.2测量内阻
（1）不接负载，直接用万用表直流档测量电源输出端的电压，如上表3所示输入220V时各输出的电压。
（2）在±12V输出端外接一个电位器，使电流达到规定的最大电流500mV，用万用表直流档测量输出端口的电压得到的电压值分别为10.83V和-11.15V。
5.3.3测量纹波电压
（1）将电源的±12V输出端接一电阻使电流达到最大的500mV，用示波器接±12V输出端口的两极，观察波形，读取其峰－峰值△OP-P，其值为：
3mV
（2）不撤电阻，用交流毫伏表接±12V输出端口的两极，读取数据为：
1.3mV
第六章数据分析和讨论
6.1数据分析
6.1.1稳压系数分析
稳压系数是指在负载电流I0、环境温度T不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即稳压系数.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Δvo，并将其中最大一个代入公式计算Sr，
当负载不变时，Sr=ΔVoVI/ΔVIVO。
根据表3的数据最大的Δvo=±0.01V，ΔVI=220V×10％=22V所以稳压系数
=0.01×220/22×11.97≈0.0084。
（-0.01）×220/22×（-12.03）≈0.0083
6.1.2输出内阻分析
在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的ΔVo，ro=ΔVO/ΔIL。
根据实验测试得到Δ
=11.97V-10.83V=1.14V.
Δ
=（-12.03V）-（-11.15V）=-0.88V。
=1.14/0.5=2.28Ω,
=|（-0.88）|/0.5=1.76Ω。
6.2结果讨论
（1）稳压系数是表征稳压电源应对输入电压的波动而保持输出电压稳定的能力。
稳压系数越小，表示稳定电压的能力越强。
所以一个电源的稳压系数越小表示其性能越好。
经试验测量和计算得到制作的电源稳压系数为0.0083，小于设计要求的5﹪。
所以设计的电源是符合要求的。
（2）内阻也是电源质量好坏的一个重要的指标，它表征的是电源接负载的能力，内阻越小，接负载时分得的电压越小，从而保证接大电流负载时能够保证有足够的输出电压，保证负载能够正常工作。
经测量和计算得到电源正负输出的内阻分别为2.28Ω和1.76Ω，这个内阻非常的小，说明接负载的能强。
（3）纹波电压时加在直流电压上的交流成分，其大小决定于滤波电路设计的质量，决定于滤波电容的值是否足够，纹波电压越小，说明输出的直流波形越平。
经测量得到纹波电压为△OP-P=3mV，有效值为1.3mV。
△OP-P小于设计要求的5mV，所以设计是符合要求的。
心得体会
这次课程设计给我带来了很大的收获，让我学到了很多，第一次用PCB做电子产品,不仅掌握了简单的电子电路的设计与制作，也掌握了一些芯片的原理与作用。
在制作的过程中,我基本掌握了Protel99软件的使用。
总体来说，这次电源的制作是比较成功的。
因为我制作的这个电源稳压系数比较的小，能够很好的保持电源输出的稳定，内阻比较的小，接负载的能力也比较的强。
纹波电压也不高。
的在接电路之前，一定要通过查资料把电路中的每个元件的作用弄明白和把每个芯片的管脚的功能弄清楚，明白每个元件的各个管脚与它哪里相对应。
在电路设计中，应该仔细认证，从中我们可以学到很多东西，可以提高自己发现问题解决问题的能力，使自己的动手能力有一定的提高。
出现故障时要积极面对，在检查线路时一定要有耐心，不要因为麻烦就放弃。
遇见错误要一步一步的按照原理图来，先一步一步的测试，然后整体测试。
不要没顺序没条理，这里测一下那里测一下，最后又什么都没查出来，那样既浪费了时间又浪费了精力。
这次电源的制作我不是一次性成功的，我做了两次，主要原因是在转印的时候没有弄好，碳粉没有完全印上去，在腐蚀的时候走线上有很多的孔，似乎导线有的快要断了，为了避免焊接好元器件后测试发现不符合设计的要求，我坚决重新腐蚀了一块PCB板，经最后测试，我做的电源还是非常成功的。
参考文献
【1】谢自美《电子线路设计·实验·测试》湖北：
华中科技大学出版社2006年
【2】康华光《模拟电子技术基础》北京：
高等教育出版社2006年，486-506
【3】肖玲妮袁增贵《Protel99SE印刷电路板设计教程》北京：
清华大学出版社2004
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