直流稳压电源课程设计书.doc

湖南工学院课程设计说明书课题名称：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专 业：电子信息工程班 级：通信1103设 计 人：李泽告指导老师：雷美艳时 间：2013.5.28 18课程设计任务书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1、技术指标：要求电源输出电压为12V（或9V /5V）等，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、设计基本要求 1 设计一个能输出12V/9V/5V等的直流稳压电源；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。3、设计扩展要求 （1）能显示电源输出电压值，00.0-12.0V； (2)要求有短路过载保护。（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/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。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、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、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电路高等教育出版社电子线路综合设计华中科技大学出版社（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第二章 方案的选择及论证2第三章 电路设计3.1直流稳压电源的基本框架33.2电源变压器33.2整流电路33.3滤波电路63.4稳压电路73.5原理图83.6元器件选择和电路参数计算说明8第四章 制作和调试4.1注意事项10 4.2测试10 4.2.1空载检查测试10 4.2.2负载检查测试11 4.2.3质量指标测试11第五章 谢辞12第六章 总结和体会 6.1 总结心得13 附录13 参考文献14 第一章 绪论为培养运用基本知识进行简单电路设计的能力，扎实基础理论，我们现初次进行模电课程设计。半导体直流稳压电源的设计和测试作为此次课程设计的课题，我们采用一般意义上的设计方案，即通过电源变压器、整流、滤波和稳压电路这四部分的有机组合来最终实现本次课程设计所要达到的目标。本设计所涉及的知识：方案论证，产品说明，原理说明，安装工艺，调试与测试，焊接技术，元件清单，操作说明。为了全面介绍科学实验研究的技术方法，在加强的直接实验方法的同时，力求使学生尽快掌握当前先进科学技术，本课题设计所用到的EWB，Protel99等技术的新手段，新工具。通过本课题的设计，能够加深对电路理论知识的理解和掌握，更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。学会运用理论和实验两种研究方法，解决实际问题能力，更培养了我们掌握电子技术的科学实验规律，实验技术，测量技术等实验研究方法，使其具有独立实验研究的能力，以便在未来的工作中开拓创新。第二章 方案的选择及论证直流稳压电源主要由滤波电路、稳压电路决定，采用不同的滤波电路、稳压电路可以设计出不同的设计方案。方案一：简单的并联型稳压电源并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因此在本实验中此方案不适合。方案二：输出可调的开关电源；开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因此在本实验中此方案不适合。方案三：由固定式三端稳压器（7805、7905）组成由固定式三端稳压器（7805、7905）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+5V和-5V，它属于CW78和CW79系列的稳压器，输入端接电容可以进一步滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路比较稳定。根据实验设计要求，本实验采用方案三。输入220伏的交流电，输出为正负5V，正负12v，3.3v的稳压直流电，则首先应该进行降压处理，然后要对降压后的交流电进行整流，再其次是对含有交流成分的脉动直流电进行滤波处理，最后对直流点进行最后的稳压处理。第三章 电路的设计21 直流稳压电源的基本原理图2.1.1 直流稳压电源基本框架图直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图2.1.1各部分的作用：图2.1.1 整流与稳压过程2.2电源变压器电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。电源变压器的效率为：其中：P2 是变压器副边的功率，P1 是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1 所示：表 1 小型变压器的效率副边功率P2u2，V1、V3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数=RLC一般较大，电容电压uc按 指数规律缓慢下降，当下降到|u2|uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电 过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。2.波形及输出电压 （二）其他形式滤波电路1.电感滤波电路电路如下图所示，电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。直流分量被电感 L 短路，交流分量主要降在L 上 ，电感越大，滤波效果越好 。一般电感滤波电路只使用于低电压、大电流的场合。2.p 型滤波为了进一步减小负载电压中的纹波可采用p 型LC滤波电路。由于C1、C2 对交流容抗小，而电 感对交流阻抗很大，因此，负载RL上的纹波电压很小。2.5稳压电路（一）三端固定输出集成稳压器介绍CW7800 系列(正电源)，CW7900 系列(负电源) LM系列。输出电压：5 V/ 6 V/ 9 V/ 12 V/ 15 V/ 18 V/ 24 V 输出电流：78L / 79L 输出电流 100 mA；78M / 9M 输出电流 500 mA ；78 / 79 输出电流 1.5 A 。如CW7805 输出 5 V，最大电流 1.5 A；CW78M05 输出 5 V，最大电流 0.5 A；CW78L05 输出 5 V，最大电流 0.1 A 。封装和符号：如正负5V。 LM系列是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。输出电流可达800mA 线性调整率：0.2% (Max) 负载调整率：0.4% (Max) 温度范围LM1117：0125 LM1117I：-401252.5原理图根据前面所述的，可以设计出下述电路图：2.6元器件选择和电路参数计算说明一变压器的选择工作原理：当变压器一次侧施加交流电压U1，流过一次绕组的电流为I1,则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势，其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比，绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低，当变压器二次侧开路，即变压器空载时，一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，变压器起到变换电压的目的。当变压器二次侧接入负载后，在电动势E2的作用下，将有二次电流通过，该电流产生的电动势，也将作用在同一铁芯上，起到反向去磁作用，但因主磁通取决于电源电压，而U1基本保持不变，故一次绕组电流必将自动增加一个分量产生磁动势F1,以抵消二次绕组电流所产生的磁动势F2,在一二次绕组电流L1、L2作用下，作用在铁芯上的总磁动势（不计空载电流I0),F1+F2=0, 由于 F1=I1N1,F2=I2N2,故 I1N1+I2N2=0,由式可知，I1和I2同相，所以：I1/I2=N2/N1=1/K 式1-1由式可知，一二次电流比与一二次电压比互为倒数，变压器一二次绕组功率基本不变，（因变压器自身损耗较其传输功率相对较小），二次绕组电流I2的大小取决于负载的需要，所以一次绕组电流I1的大小也取决于负载的需要，变压器起到了功率传递的作用。设变压器的输出电压为V2，负载电压为VL则有: VL=（1.11.2）V2=12V 式1-2计算得出V2=10V。 根据电路的指标，我们应当选一个把220V交流电压降为12V的变压器。二选择整流电路中的二极管 变压器的副边电压U2=12V 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：=17V，桥式整流电路中二极管承受的平均电流为：I D =0.5I0max=250mA选用IN4001。查手册选整流二极管IN4001，其参数为：反向击穿电压UBR=,最大整流电流IF=在这里我们选用整流堆W08M三滤波电路中滤波电容的选择根据：RC（35）T2而 RUiIo C=1875uF电容的耐压要大于，考虑到交流电源电压的波动，故滤波电容C取容量为，耐压为的电解电容。注意： 因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常 并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。四、选择集成稳压器我们需要得到的是输出为的直流稳压电源。固选择CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器， 第四章 制作和调试4.1 制作对电路进行组装：按照自己设计的电路，在面包板上插接元器件并焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据。经过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求4.2 注意事项l 电源变压器的绝缘电阻进行检测，以防止变压器漏电。一般用兆欧表进行检测，也可以用万用表。 l 电源变压器的一次和二次绕组不能搞错，否则将会造成变压器损坏或电源故障。l 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。l 二极管的引脚（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。l 检查负载端不应该有短路现象。4.3测试直流稳压电源的调整测试一般分为三步进行，空载检查测试、加载检查测试和质量指针测试。4.3.1 空载检查测试（1）将变压器的输出端的正极端断开，用万用表测量变压器的二次交流电压值，其值应符合设计值。然后检查变压器的温升。若电压器性能正常，则可以进行下一步测试。（2）变压器的正极输出段接上，而将整流器的正极输出端断开，接通电源，观察电路有无异常。然后用万用表测滤波电路输出电压U1，其值应接近于1.4U2。否则短开电源检查再通电测试。(3) 开负载，通电后测试输出电压UO ，其变化范围应为设计值。最后进行稳压器输出、输入端的电压差，其值应大于最小电压差。4.3.2 负载检查测试下面进行接负载检测，接负载测试U2、U1、UO的大小，观察其是否符合设计值，并根据UI、UO及负载电流IO核算集成稳压电路的功耗是否小于规定值。然后用滤波器观察稳压器输入输出端的纹波电压。此外还可检查桥式整流电路四只二极管特性是否一致。4.3.3 质量指标测试(1) 稳压系数Sr的测试在负载电流，环境，温度不变的情况下，输出电压的相对变化引起输出电压的相对变化。测量稳压系数，在负载电流为最大时。分别测得输入电压比220V增大和缩小10%，所得数据如下表：输出端口/v输入电压/v+12V-12V+5V-5V+3.3V220v11.97V-11.87V4.98V-4.96V3.32V242v11.98V-11.87V4.97V-4.97V3.31V198v11.96V-11.88V4.97V-4.97V3.33V将所得数据代入公式 ：Sr=VoVI/VIVO。 得： Sr1 =0.00% Sr2 =0.00% 所得数据满足设计要求： Sr=VoVI/VIVO。 （2）纹波电压的测试使为U1=220V伏并保持不变，在额定输出电压或额定输出电流的情况下，用示波器测出输出电压中纹波电压的峰值。U=0.04V.谢辞 经过一些天的努力设计，第一次作这个课程设计，由于经验的匮乏，如果没有老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的老师。理论知识是非常重要的，老师的耐心教导，对设计任务书的指示，中期检查等整个过程中都给予了我们悉心的指导。除了敬佩 老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢和我一起作设计的其他同学，他们在设计中勤奋工作，克服了一些阻碍来完成此次的模电课程设计，并承担了大部分的工作量。如果没有他们的努力工作，此次设计的完成将变得非常困难。 第六章 总结和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。总体来说，这次电源的制作是比较成功的。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。通过这学期的课程设计，我受益匪浅，认识到了自己的许多不足和缺点。要想把理论与实际联系起来，还是需要一段时间的。要想做出一个实用的实物来，并不是自己想象中的那样简单。其一，我们必须掌握一些必备的常识，比如，三极管引脚的判定以及电阻值的判定。其二，我们必须用科学的态度对待我们在实验中所遇到的问题不能以“人品之类”话而敷衍过，应该以作为一个工程人员应用的素质去面对，发现问题，解决问题。在实验时应保持冷静，测试有条理。遵循物质客观规律，不随便改写实验数据。其三，自己平时要多动手、多动脑，这样当问题来临时你就不会手忙脚乱。该多画就多画些，以便能增加你对该软件的熟练度。用起来称心如意，这样就不会浪费时间。再如，在焊接导线时，应区别不同类型的导线用不同类型的焊接方法及焊接的先与后顺序。如果你不懂那些，你就会出现很大笑话。其四，要注意试验安全，不要轻易地尝试不安全接法。在做设计时必须讲求产品的实用性及美观性。这就要求我们对所需器件进行合理布置。团结就是力量，在做设计的过程中我们必须讲究团队精神，各施其职。这样就能起到事半功倍的作用，毕竟一根筷子易折断，一个巴掌拍不响。面对一个课题必须严肃而认真地对待，作为一名电类专业的学生必须多参加一些动手制作活动来提高自己的动手能力。今后我们会继续努力。一个学期结束了，在上了这么久的模拟电子技术基础课程，在最后的一次课程设计中，我发现了许多的问题。发现自己对模拟电子这门课