直流稳压电源.doc

模拟电子技术课程设计说明书 课 题：半导体直流稳压电源的设计和测试 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 李鹏飞 指导教师： 张松华 职称 副教授 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子1201班 学 号 ： 1230340126 完成时间： 2014年 6 月 课题一 半导体直流稳压电源的设计和测试（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2.1、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-P5mV，稳压系数Sr5%。2.2、设计基本要求（1） 设计一个能输出12V/9V/5V的直流稳压电源；（2） 拟定设计步骤和测试方案； （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画出印制板图； （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）撰写设计报告。 图（一）（三）设计提示3.1、设计电路框图如图(一)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Sr：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/IL。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。3.2、实验仪器设备 自耦变压器一台、数字万用表、交流毫伏表、面包板或万能板、智能 电工实验台、示波器3.3、设计用主要器件 变压器、整流二极管、集成稳压器（7812/7912/7809/7909/7805/7905）、电容、电阻若干3.4、参考书电工学电子工业出版社；晶体管直流稳压电源辽宁科技出版社； 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、调试总结。（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、总结直流稳压电源主要参数的测试方法。 目 录第一章 绪论1 1.1设计目的1 1.2设计任务与要求1 1.3方案选择1第二章 设计原理3 2.1直流稳压电源的基本原理3 2.2 整流电路的原理3 2.3 滤波电路的原理4 2.4 稳压电路的原理5第三章 设计步骤与参数计算6 3.1单元电路的设计与选择6 3.2电源变压器的选择6 3.3整流桥的选择6 3.4滤波电容的选择6 3.5稳压器的选择7第四章 仿真与测试8 4.1电路图的仿真8 4.2仿真结果分析10第五章 安装与调试12 5.1电路板的制作12 5.2调 试12 5.3误差分析13结束语14致 谢15参考文献16 IV 第一章 绪 论 交流电网220V的电压通过电源变压器将变为设计所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压，此外还须接稳压电路，保证输出的直流电压稳定。1.1、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；1.2、设计要求与任务1.2.1、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-P5mV，稳压系数Sr5%。1.2.2、设计基本要求（1）设计一个能输出5V的直流稳压电源；（2）拟定设计步骤和测试方案； （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画出印制板图； （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；1.3、方案选择 方案一 晶体管串联式直流稳压电路。该类电路中，输出电压Uo经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压Ui发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压Uo为恒定值(稳压值)在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0 V开始调节。单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。 方案二 开关稳压电源电路。功耗小，效率高，但电路复杂，纹波较大，存在开关干扰，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到干扰 方案三 采用三端集成稳压器电路。一般采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，且电路所用器件较少，成本低，电路简单，组装方便。综上所述，采用方案三 第二章 设计原理2.1、直流稳压电源设计原理 图（2-1）直流稳压电源的原理框图2.1.1、电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。2.1.2、整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电，常见的整流有半波整流、全波整流、整流桥等。2.1.3、滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。主要分为电容滤波、电感滤波等等。2.1.4、稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。2.2、整流电路设计原理2.2.1、直流电路常采用二极管单相全波整流电路。工作原理： 设变压器副边电压u2=2U2sint，U2为有效值。在u2的正半周内， 二 极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。如图（2-2） 图（2-2）全波整流桥的工作原理2.3、滤波电路电容滤波电路 采用滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑在整流电路的输出端，即负载电阻RL两端并联一个电容量较大的电解电容C则构成了电容滤波电路，由于滤波电容与负载并联也称为并联滤波电路。2.3.1、输出电压的估算 显然，电容滤波电路的输出电压与电容的放电时间常数=RLC有关，应远大于u2的周期T，分析及实验表明，当 （ 2-1 ） 时，滤波电路的输出电压可按下式估算，即 （ 2-2 ）2.3.2整流桥输出电流 整流二极管导通时间缩短了，存在瞬间的浪涌电流，要求二极管允许通过更大的电流，管子参数应满足： ( 2-3 ）2.3.3、电容电压估算 在已知负载电阻RL的情况下，根据式子选择滤波电容C的容量，即 （ 2-4 ） 若容量偏小，输出电压Uo将下降，一般均选择大容量的电解电容；电容的耐压应大于u2的峰值，同时要考虑电网电压波动的因素，留有足够的余量。2.4、稳压电路2.4.1、稳压管及其工作原理：使用时，稳压管工作在反向击穿区，利用电流在很大范围内变化而电压基本保持不变的这个特性来进行稳压。在这里 我们选择三端集成稳压器LM7805和LM7905，以便稳定输出电压。2.4.2、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 （ 2-5 ） 第三章 设计步骤与参数计算3.1、单元电路的设计与选择 根据设计原理直流稳压电源电路的基本框图（3-1）如下 图（3-1)直流稳压电源的基本框图3.2、电源变压器的选择3.1.1确定副边电压U2： 根据性能指标要求：输出电压Uo=5V，又变压器副边电压U2=U+Uo, U为三端稳压器压差，U 3V， Ui=(3+Uo)1.11.1=(3+5)1.21=9.68V, U2=Ui/1.2=8.06V, 取U2=9V。3.1.2确定副边电流 ： 又副边电流 （ 3-1 ） 取 则3.1.3选择变压器的功率 变压器的输出功率：P2U2*I29W，取=0.7，则P1=P2/=12.85W, 所以选择容量为15W左右的变压器。3.3、整流桥的选择 由输出电流I0=0.5A，U2=9V 选择整流桥。这里我们选择DB101型号的。3.4、滤波电容的选择 （ 3-2 ）所以滤波电容：,电路中滤波电容承受的最高电压为,所以所选电容器的耐压应大于16V。3.5、集成三端稳压器的选择 根据设计要求输出电压为Uo=5V，所以集成三端稳压器我们选择LM7805和LM7905这个型号。 根据元器件的选择与计算总的原理图如图（3-2）： 图（3-2）设计总原理图 第四章 仿真与测试4.1、电路图的仿真4.1.1输出电压 当电网提供的电压有波动不是稳定的220V时，对直流稳压电源的输出是否产生影响当电压为240v、220V和200v时的电压值和波形的测量（1）240v测试值5.599v 、 -5.638v,如图（4-1）； （2）220v测试值 5.598v 、 -5.636v，如图（4-2）； (3）200v测试值 5.598v 、 -5.638v，如图（4-3）。 图（4-1）电网提供240V电压时输出波形 图（4-2）电网提供220V电压时的输出波形 图（4-3）电网提供 200V电压时的输出波形4.2、仿真分析4.2.1纹波电压 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。 图（4-4）LM7805输出端的纹波电压 由图（4-4）知 LM7805输出端的纹波电压Vo=742.400nv 图（4-5）LM7905输出端的纹波电压 由图（4-5）知LM7905输出端的纹波电压Vo=5.085nv4.2.2稳压系数测量稳压系数Sr：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。 （4-1 ） Sr（+5）=0 Sr（-5）=|-12.639-(-12.633)|x5/(-12.636)=0.0024 第五章 安装与调试5.1.电路板制作 根据仿真图，安装各元器件，先安装比较小的原件，所以先安装整流电路，在安装稳压电路，最后再装上电路（电容）。安装时要注意，电解电容的极性不要接反。检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用万用表检查整流后输出LM7805和LM7905输入端电压Ui的极性，若Ui的极性为负，则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路，就会损坏集成稳压器。5.2、调 试1：输出电压 接通220V的电源，用数字万用表测量各端输出电压值并将所观察值记于表5-1中。 表5-1 电压源输出端的测量值理论值/V测量值/V误差理论值/V测量值/V误差+5.00 +5.000-5.00-5.204% 误差=|(理论值-测量值)|/|理论值|*100% 2：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，即用开短路法可测得电源内阻。测得数据如下： IA+=0.22A， VO+=5.50V IA-=0.218A， VO-=5.48V根据以上数据可得电源内阻为： r+=VO+IA+ =5.50V/0.22A = 25 r-=VO-IA- =5.48V/0.218A =25.143：稳压系数 稳压系数是指在负载电流I0、环境温度T不变的情况下，输入电压的变化引起输出电压的相对变化，即稳压系数Sr=（VO/VO）/（VI/VI） IO=常数，T=常数 ； 测试过程是：先调节自耦变压器使输入电压增加 10%，即Vi=242V，测量此时对应的输出电压VO1；再调节自耦变压器使输入电压减少 10%，即Vi=198V，测量此时对应的输出电压VO2，然后再测出 Vi=220V时对应的输出电压VO，则稳压系数：Sr=（VO/VO）/（Vi/Vi） =220/（242-198）|（VO1-VO2）|/VO根据上述测量方法，可对正负双电源进行测试，测试数据如下：当Vi=200V时，测得数据为： VO1+=5.598v， V01-=-5.638v当Vi=240V时，测得数据为： VO2+=5.599V， VO2-=-5.638v当Vi=220V时，测得数据为： VO+=5.598V， VO-=-5.636V由以上所测数据，可得稳压系数为：Sr + =（VO+/VO+）/（Vi/Vi） =220/（240-200）|（VO1+-VO2+）|/VO+ 0.00196 Sr - =（VO-/VO-）/（Vi/Vi） =220/（240-200）|（VO1-VO2-）|/|VO- | 04；纹波电压用示波器观察U0的峰峰值,(此时Y通道输入信号采用交流耦合AC), 测量U0p-p的值（约4mV）。5.3、误差分析 综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:（a)元件本身存在误差；（b)焊接时，焊接点存在微小电阻；（c)万用表本身的准确度而造成的系统误差；（d)测量方法造成的认为误差。总结与心得通过此次课程设计，更加扎实的掌握了有关模拟电子技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手操作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 在课程设计过程中，不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力