3238.直流穩(wěn)壓電源模擬電子課程設(shè)計

1、 課程設(shè)計說明書 設(shè)計課題： 直流穩(wěn)壓電源 系 別： 電氣與信息工程系 專業(yè)班級： 自動化0702班 姓 名： xxx 學(xué) 號： xxx 指導(dǎo)老師： xxx 設(shè)計時間： 2009年5月29日 目 錄緒 論1第一章 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計1.1 電路原理分析21.2 設(shè)計方案3第二章 制作與調(diào)試2.1 PCB布線82.2 焊接9第三章 穩(wěn)壓電源各項性能指標(biāo)的測試3.1 電路的調(diào)試與檢測113.2 技術(shù)指標(biāo)測量11 3.3 誤差分析13心得體會14參考文獻(xiàn)15附錄主要圖形16主要器材18課程設(shè)計任務(wù)書 半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計和測試（一）設(shè)計目的1、學(xué)習(xí)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法；2、研究直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

2、方案；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；（二）設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)1、技術(shù)指標(biāo)：要求電源輸出電壓為12V（或9V /5V），輸入電壓為交流220V，最大輸出電流為Iomax=500mA，紋波電壓VOP-P5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr5%。2、 設(shè)計基本要求（1） 設(shè)計一個能輸出12V/9V/5V的直流穩(wěn)壓電源；（2） 擬定設(shè)計步驟和測試方案； （3） 根據(jù)設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計好電路，選好元件及參數(shù)；（4） 要求繪出原理圖，并用Protel畫出印制板圖； （5） 在萬能板或面包板或PCB板上制作一臺直流穩(wěn)壓電源；（6） 測量直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻；（7） 測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)、紋波電壓；（

3、8） 撰寫設(shè)計報告。3、設(shè)計擴(kuò)展要求 （1）能顯示電源輸出電壓值，00.0-12.0V； (2) 要求有短路過載保護(hù)。（三）設(shè)計提示1、設(shè)計電路框圖如圖所示穩(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78XX和79XX穩(wěn)壓器。測量穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)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vo，并將其中最大一個代入公式計算Sr，當(dāng)負(fù)載不變時，Sr=VoVI/VIVO。測量內(nèi)阻：在輸入交流為220V，分別測得負(fù)載電流為0及最大值時的Vo，ro=VO/IL。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?/p>

4、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。2、實驗儀器設(shè)備自耦變壓器一臺、數(shù)字萬用表、交流毫伏表、面包板或萬能板、智能電工實驗臺、示波器3、設(shè)計用主要器件 變壓器、整流二極管、集成穩(wěn)壓器（7812/7912/7809/7909/7805/7905）、電容、電阻若干3、參考書電工學(xué)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； 電子線路設(shè)計實驗測試華中科技大學(xué)出版社 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社（四）設(shè)計報告要求1、選定設(shè)計方案；2、擬出設(shè)計步驟，畫出電路，分析并計算主要元件參數(shù)值；3、列出測試數(shù)據(jù)表格。4

5、、調(diào)試總結(jié)。（五）設(shè)計總結(jié)1、總結(jié)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法和運用到的主要知識點，對設(shè)計方案進(jìn)行比較。2、總結(jié)直流穩(wěn)壓電源主要參數(shù)的測試方法。緒論在各種電子電路中，總離不開電源電路，而由于電路結(jié)構(gòu)和元件特性，就需要用到直流電源供電，而能提供直流電源的干電池太陽能電池等功率小，成本高等缺點。而交流電在產(chǎn)生、電能輸送等方面具有獨特的優(yōu)點，發(fā)電站、各市電網(wǎng)中的電能傳輸都是以交流電的形式進(jìn)行輸送，因此，就需要我們對市電提供的電壓進(jìn)行降壓整流等，把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，以獲得我們所需要的電壓。電力系統(tǒng)供電電壓的波動，或者負(fù)載阻抗和功率的變化，都會引起整流器輸出電壓隨之改變。在電子電路和自動控制裝置中，通常都需

6、要電壓穩(wěn)定的直流電源供電，使整流器輸出電壓盡可能少受電源波動或負(fù)載變化影響而保持穩(wěn)定，這就需要我們對整流后的直流電進(jìn)行濾波，穩(wěn)壓，以獲得我們所需要的供電電源。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，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(shè)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)定的直流電12V第1章 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計1.1電路原理分析1直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流、濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如圖

7、1-1:圖1-1直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)框圖（1） 電源變壓器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=，式中是變壓器的效率。（2） 整流濾波電路：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。各濾波電容C滿足RC（35）T/2，式中T為輸入交流信號周期，R為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。（3） 濾波電路：濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成(如:電感 電溶元件)。由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯(lián)的電容C在

8、電源供給的電壓升高時，能把部分能量存儲起來，而當(dāng)電壓降低時，就能把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即C具有平波作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L，當(dāng)電源供給的電流增加時，它能把能量存儲起來，而當(dāng)電流減小時又能把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感也具有平波作用。（4） 穩(wěn)壓電路：在這里我們采用串聯(lián)集成式穩(wěn)壓電路。三端集成穩(wěn)壓器是我們最常用的一種穩(wěn)壓器。它的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。它的作用是由于輸入電壓u1發(fā)生波動、負(fù)載和溫度發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓UI會隨著變化。因此，為了維持輸

9、出電壓UI穩(wěn)定不變，還需加一級穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成調(diào)整管T1與負(fù)載電阻RL相串聯(lián)，組成串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。T2與穩(wěn)壓管DZ組成采樣比較放大電路，當(dāng)穩(wěn)壓器的輸出負(fù)載變化時，輸出電壓VO應(yīng)保持不變，穩(wěn)壓過程如下：設(shè)輸出負(fù)載電阻RL變化，使VO ，則VB2VC2 IB1 VCE1VO。1.2 設(shè)計方案 小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，如圖1-2所示: + 電 源 + 整 流 + 濾 波 + 穩(wěn) 壓 + 變壓器 _ 電 路

10、_ 電 路 _ 電 路 _ （a）穩(wěn)壓電源的組成框圖 u1 u2 u3 （b）整流與穩(wěn)壓過程圖1-2穩(wěn)壓電源的組成框圖及整流與穩(wěn)壓過程1.2.1器件的選擇1 電源變壓器的選擇電源變壓器有很多種：有降壓的、有升壓的，在這次的設(shè)計中我用的是降壓變壓器，它的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變?yōu)檎麟娐匪枰慕涣麟妷簎2。，其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1-1所示：表1-1 小型變壓器的效率 副邊功率 效率0.60.70.80.85 因此，當(dāng)算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。2 整流電路在穩(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

11、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(guān)系為： 在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為： 流過每只二極管的平均電流為： 其中：R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時間常數(shù)RC應(yīng)滿足：其中：T = 20ms是50Hz交流電壓的周期3 穩(wěn)壓電路三端集成穩(wěn)壓:集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。由于輸入電壓u1發(fā)生波動、負(fù)載

12、和溫度發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓UI會隨著變化。因此，為了維持輸出電壓UI穩(wěn)定不變，還需加一級穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。(1)固定電壓輸出穩(wěn)壓器常見的有CW78XX（LM78XX）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79XX（LM79XX）系

13、列三端固定式負(fù)電壓輸出集成穩(wěn)壓器。三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個接地端子。型號中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓的穩(wěn)定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。穩(wěn)壓器使用時，要求輸入電壓UI與輸出電壓Uo的電壓差UI - Uo 2V。穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流Io = 8mA。當(dāng)Uo = 518V時，UI的最大值UImax= 35V；當(dāng)Uo=18 24V時，UI的最大值UImax = 40V。它們的引腳功能及組成的典型穩(wěn)壓電路見附錄圖A所示。常用可調(diào)式正壓集成穩(wěn)壓器有CW317（LM317）系列，它們的輸出電壓從1.25V37伏可調(diào)，最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內(nèi)有過渡

14、、過熱和安全工作區(qū)保護(hù)，最大輸出電流為1.5A。輸出壓Uo的表達(dá)式為：Uo1.25（1R2/R1）式中R1一般取120240歐姆，輸出端與調(diào)整端的壓差為穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓。（2）可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317系列（LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負(fù)電壓的CW337系列（LM337）三端穩(wěn)壓器。在可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的三個端是指輸入端、輸出端和調(diào)節(jié)端。穩(wěn)壓器輸出電壓的可調(diào)范圍為：Uo=1.2 37V，最大輸出電流Iomax =1.5A。輸入電壓與輸出電壓差的允許范圍為：UI -Uo = 3 40V。1.2.2 詳細(xì)實施方案

15、由固定式三端穩(wěn)壓器（7812和7912）輸出腳V0、輸入腳Vi和接地腳GND組成，它的穩(wěn)壓值分別為+12V和12V，它屬于CW78*系列的穩(wěn)壓器，輸入端接電容可以進(jìn)一步濾波，輸出端接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響，此電路比較穩(wěn)定。1.直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計方法：穩(wěn)壓電源的設(shè)計，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓Uop-p等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流橋和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計可以分為以下三個步驟：根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、最大輸出電流Iomax，確定穩(wěn)壓器的型號及電路形式。根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓，確

16、定電源變壓器副邊電壓u2的有效值U2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流I0max，確定流過電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓器副邊的功率P2；根據(jù)P2，從表1查出變壓器的效率，從而確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。確定整流橋的正向平均電流ID、整流橋的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流橋和濾波電容。設(shè)計參數(shù)如下： 集成穩(wěn)壓器選用CW7812和CW7912，其輸出電壓范圍分別為：+12V和-12V。所確定的穩(wěn)壓電源電路如圖1-3所示：圖1-3 穩(wěn)壓電源原理圖（圖中C1, C2, C3,C4為電解電容，都等于1000UF，C5, C1,

17、C6 ,C7, C8為普通電容，都等于0.1UF，兩個電阻均為1000歐姆，變壓器原邊和副邊之比為101）圖1-4是電源輸出端的波形：圖1-4 PROTEL仿真下的電源輸出波形圖（上下兩根線分別代表電源正極和負(fù)極的輸出波形）第2章 制作與調(diào)試2.1 PCB布線正確的布線原則大致有以下幾點:1.接插集成電路時，先校準(zhǔn)兩排引腳，使之與實驗底板上的插孔對應(yīng)，輕輕用力將電路插上，然后在確定引腳與插孔完全吻合后，再稍用力將其插緊，以免集成電路的引腳彎曲，折斷或者接觸不良。2.不允許將集成電路方向插反，一般IC的方向是缺口（或標(biāo)記）朝左，引腳序號從左下方的第一個引腳開始，按逆時鐘方向依次遞增至左上方的第一

18、個引腳。3.導(dǎo)線應(yīng)粗細(xì)適當(dāng)，一般選取直徑為0.60.8mm的單股導(dǎo)線，最好采用各種色線以區(qū)別不同用途，如電源線用紅色，地區(qū)用黑色筆。4.布線應(yīng)有秩序地進(jìn)行，隨意亂接容易造成漏接錯接，較好的方法是接好固定電平點，如電源線、地線、門電路閑置輸入端、觸發(fā)器異步置位復(fù)位端等，其次，在按信號源的順序從輸入到輸出依次布線。5.連線應(yīng)避免過長，避免從集成元件上方跨接，避免過多的重疊交錯，以利于布線、更換元器件以及故障檢查和排除。6.當(dāng)實驗電路的規(guī)模較大時，應(yīng)注意集成元器件的合理布局，以便得到最 佳布線，布線時，順便對單個集成元件進(jìn)行功能測試。這是一種良好的習(xí)慣，實際上這樣做不會增加布線工作量。7.應(yīng)當(dāng)指出，

19、布線和調(diào)試工作是不能截然分開的，往往需要交替進(jìn)行，對大型實驗元器件很多的，可將總電路按其功能劃分為若干相對獨立的部分，逐個布線、調(diào)試（分調(diào)），然后將各部分連接起來（聯(lián)調(diào)）。 圖2-1是所設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源的PCB布線圖:圖2-1 直流穩(wěn)壓電源的PCB布線圖2.2 焊接技術(shù)倒入PCB后，在電路板上根據(jù)電氣要求進(jìn)行合理的整體布局最大限度的減少交叉線和飛線，降低干擾自己要形成一個大致的整體布局和接線方法，而且要盡量美觀l 用數(shù)字萬用表弄清板的結(jié)構(gòu)原理；l 結(jié)合萬能板的結(jié)構(gòu)原理合理安排集成塊和元器件的位置，為了美觀大方要求各元件盡可能的保持在同一條直線上；l 合理布局，安裝前要對整機(jī)線路進(jìn)行合理布局，

20、一般按照電路的順序一級一級地布線，連線盡可能短。l 從整個板來說是否美觀好看，關(guān)鍵是導(dǎo)線的布置，所以布線要注意整齊，集成塊相鄰管腳之間盡量不布線。這樣便于調(diào)整與測試工作的順利進(jìn)行。注意： 安裝前應(yīng)檢查元器件的質(zhì)量，安裝是特別要注意電解電容、集成芯片等主要器件的引腳和極性，不能插錯。從輸入級開始向后級安裝。 開始安裝穩(wěn)壓電源，檢查板內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定其內(nèi)部的電氣連接屬性u 檢查元器件看是否有損壞，或者不符合規(guī)格的，要及時更換。u 安裝一個元器件，先要用尖嘴鉗將其引腳成型，然后用鑷子把引腳放入板高度要適中，符合電氣標(biāo)準(zhǔn)完畢后，要用萬用表測量元器件引腳和板之間是否接觸良好，然后再安裝下一個元器件。u 對

21、于導(dǎo)線要用斜口鉗切成適當(dāng)?shù)拈L度，然后成型安裝安裝時必須采用絕緣良好的絕緣導(dǎo)線,連線的時候要取好元件與元件的距離.連接的時候線與線之間不能交叉。u 應(yīng)避免元器件損壞的發(fā)生，插元器件時候要垂直插拔以免行成不必要的損壞。第3章 穩(wěn)壓電源各項性能指標(biāo)的測試3.1 電路的調(diào)試與檢測1) 靜態(tài)調(diào)試當(dāng)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進(jìn)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。2) 動態(tài)調(diào)試接通220V的電源，用數(shù)字萬用表對所設(shè)計的電路實物進(jìn)行測試，得到正電源輸出電壓

22、為+11.98V和11.96V3.2 技術(shù)指標(biāo)測量、測量穩(wěn)壓系數(shù)，先調(diào)節(jié)自藕變壓器使輸入的電壓增加10%，即Vi=242V, 測量此時對應(yīng)的輸出電壓Vo1；再調(diào)節(jié)自藕變壓器使輸入減少10%，即Vi=198, 測量此時對應(yīng)的輸出電壓Vo2, 然后測量出Vi=220V時對應(yīng)的輸出電壓Vo, 則穩(wěn)壓系數(shù)Sv= .、輸出電壓與最大輸出電流的測試測試電路如圖3-1所示: 自耦變壓器 電流表 電壓表圖31 穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)的測試電路 測試過程是：先調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓增加 10%，即Vi=242V，測量此時對應(yīng)的輸出電壓VO1；再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓減少 10%，即Vi=198V，測量此時對應(yīng)的輸

23、出電壓VO2，然后再測出Vi=220V時對應(yīng)的輸出電壓VO，則穩(wěn)壓系數(shù)SV=（VO/VO）/（Vi/Vi） =220/（242-198）（VO1-VO2）/VO根據(jù)上述測量方法，可對正負(fù)雙電源進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如下：當(dāng)Vi=198V時，測得數(shù)據(jù)為：VO1+=11.92 V， V01-=-11.93V當(dāng)Vi=242V時，測得數(shù)據(jù)為：VO2+=12.03V， VO2-=-12.01V當(dāng)Vi=220V時，測得數(shù)據(jù)為：VO+=11.98V， VO-=-11.96V由以上所測數(shù)據(jù)，可得穩(wěn)壓系數(shù)為： SV + =（VO+/VO+）/（Vi/Vi） =220/（242-198）（VO1+-VO2+）/VO+ 0.04591SV - =（VO-/VO-）/（Vi/Vi）= 0.033445 （3）輸出電阻的測量 按圖31所示連接電路，保持穩(wěn)壓電源的輸入電壓，在不接負(fù)載RL時測出開路電壓Uo1，此時Io1=0，然后接上負(fù)載RL，測