模电课程设计直流稳压电源的设计

绪论模拟电子技术是一门应用范围极广，发展及其迅速，具有较强实践性技术基础课，所以既要加强基础理论的系统学习，又要加强实践技术的训练。通过实验使学生在实验方法和实验技术上得到训练，进而培养学生理论联系实际的能力。在实际工作中，电子技术人员需要分析器件、电路的工作原理；验证器件、电路的功能；对电路进行调试、分析，排除电路故障；测试器件、电路的性能指标；设计、制作各种实用电路的样机。所有这些都离不开实验。此外，实验还有一个重要任务，是要培养正确处理数据，分析和综合实验结果、检查和排除故障的能力。同时养成我们勤奋、进取、严肃认真、理论联系实际的作风和为科学事业奋斗到底的精神。直流稳压电源的设计是模拟电子技术一个基础的设计课程，它一般是由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，我们要掌握直流稳压电源的设计方法，研究其设计方案，学习直流稳压电源的稳压系数和内阻的测试方法。第一章 设计课题半导体直流稳压电源的设计和测试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 设计要求和技术指标1、技术指标：要求电源输出电压为39V，输入电压为交流220V，最大输出电流为IOmax=200mA，稳压系数S r5X10-3，电网电压波动正负10%。2、设计要求（1） 设计一个能输出39V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） 在万能板或面包板上制作一台直流稳压电源；（5） 测量直流稳压电源的稳压系数；（6） 测量直流稳压电源的内阻；（7） 拟定测试方案和设计步骤；（8） 写出设计性报告。1.3 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。第二章 原理分析设计电路框图如下图：电源变压器整流电流滤波电路交流电源稳压电源电源变压器：将交流电网电压220V的电压变为所需要的的交流电压值u1；整流电路: 将交流电压u1变为脉动的直流电压,但此脉动的直流电压含有较大的纹波；滤波电路:滤除纹波，将脉动直流电压转变为平滑的直流电压，但这种电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化；稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压的稳定。由对应的的电路输出波形可看出，输入的交流电压经过变压、整流、滤波和稳压得到比较理想的直流输出电压，下面对这几个部分电路进行设计得到所需的直流电压。第三章 直流稳压电源电路的设计3.1 整流电路的设计说明：整流电路将交流电变换成直流电，主要靠二极管的单向导电作用，下面我们采用单相桥式整流电路。原理： +_ULu1u2+TrD4D2D1D3RLiL 图311Tr为电源变压器，将电网电压u1变成整流要求电压u2=V2sin wt.当电压u2在正半周时，D1和D3导通，D2、D4截止,流经负载电流方向如图所示；当电压u2在负半周时，D2和D4导通，D1、D3截止,流经负载电流方向不变，仍与正半周时相同，为全波整流。u2 波形： 图312负载电压uL： 图313负载电压uL的平均值 VL=2V2/=0.9 V2直流电流为IL=0.9 V2/RL3.1.2 参数计算桥式整流电路中，D1、D3和D2、D4两辆轮流导通，流经每个二极管的平均电流为： ID=1/2IL=0.45V2/RL当二极管截止时，所承受的最大反向电压均为u2的最大值： VRM=V2则为防止二极管被烧坏。，应选择最高反向电压大于V2的二极管。3.2 滤波电路的设计滤波原理: 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。图321未加电容时输出电压：图322加电容后输出电压：wtuo图333当RL未接入时，u2向电容充电，充电时时间常数为=RintC接入负载RL后，由于电容在负载未接入前充了电，二极管电压小于电容电压而截止，电容向负载放电，时间常数为 d=RLC电容滤波电路的特点：(a) uL与RLC的 关系：RLC 愈大 C放电愈慢 uL(平均值)愈大一般取：RLC(3 5)T/2 (T:电源电压的周期)近似估算: uL=1.2uL。(b) 流过二极管瞬时电流很大 整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大(c)输出特性(外特性) C形滤波纯电阻负载ILVLV20.9 V2图324当RL=，即空载是C值一定，时间常数d=,有 VLO=V21.4 V2当C=0，无电容时 VLO=0.9V2电容滤波电路的负载电压VL与V2的关系为 VL=（1.1 1.2）V2结论：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，放电时间常数RC应满足：RLC(3 5)T/23.3 稳压电路的设计稳压管:W78系列(输出正电压)；W79系列(输出负电压)。W78系列的基本接线： 图331其输出为固定正电压。若达到设计要求，输出正负固定电压，则需用到W78系列和W79 系列，接线如下图：图332同时输出正负电压。本次设计要求输出12V及5V，则需要用到四片稳压管：7812、7912、7805和7905，分别输出12V、12V、5V和5V。第四章 参数确定4.1 变压器选择电源变压器的效率电源变压器是将220V，50HZ交流电压降压后输出到副边。=P2/P1 （式41）其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表41所示： 小型变压器的效率 副边功率 效率0.60.70.80.85表41因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。本次设计中取U2=12V,I2=0.5A，变压器副边电压P2I2U2=6W，则=10W为留有余地选择12V/20W的变压器。4.2 滤波电容的参数计算 电路要求最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压VOP-P5mV，稳压系数Sr5%。 滤波电容的容量可由下式估算： C= （式42）式中Vip-p稳压器输入端纹波电压的峰-峰值； t电容C放电时间，因为输入电源周期T=1/f=1/50HZ=0.02s。则t= =0.01s； IC电容C放电电流 ，可取IC=Iomax，滤波电容C的耐压值应大于1.4 V2。稳压系数为：Sr= （式43）式中，Vo=5V 、Vi=12V、Vop-p=5mV、Sr=0.005则 Vi = =2.4V所以滤波电容C= IC t/Vip-p = Iomax t/Vip-p =0.002083F，C的耐压值应大于1.4 V2。 而在实际制作过程中采用2200F的电容，滤波效果更好，所以此实验中我们选择2200F的电容。4.3 稳压器选择78系列和79系列为固定式三端稳压器，可分别输出正电压和负电压。本次设计要求输出电压为12V、5V，因此稳压器我们选择LM7812、LM7805、LM7912、LM7905，对应的输出电压分别为12V、5V、12V、5V。（接线方式已在前说明）4.4 电阻阻值确定采用发光二极管监视电路工作状态，流经二极管电流大小为3 10 mA,则电阻 R=V/Imax 所以 输出为12V电路上限流电阻为R1=12V/10mA=1.2k 输出为5V电路上限流电阻为R2=5V/10mA=500,使用标称值470。第五章 电路仿真5.1 绘制电路图用仿真软件Multisim绘制半导体直流稳压电源电路如下图：5.2 仿真结果及其分析可知按技术指标要求确定的元件参数，对电路进行仿真后，可得到12V及5V的输出电压，但存在较小的误差。第六章 电路连接及测试6.1 PCB图1、在Protel软件上画出设计图，并导入布线。2、转印、腐蚀在印制板上，焊接相应元器件。6.2 性能指标及测试方法6.2.1 纹波电压 叠加在输出电压Vo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Vo p-p；6.2.2 稳压系数 在负载电流Io、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 SV=测试过程：先调节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SV=（VO/VO）/（Vi/Vi） =220/（242-198）（VO1-VO2）/VO仿真结果：无论输入电压是增大还是减小10%的输出，Vo始终为0，那么SV= =Vo()=0。6.3 电路焊接将PCB图打印、腐蚀在印制板上，打孔后进行焊接。焊接注意事项：1、 焊接极性电容时根据PCB图注意电容的正负端；2、 发光二极管阴极接低电位端；3、 焊接时两焊脚之间注意不要接在一起，以免造成短路；4、 避免虚焊，否则导致元器件没有接入电路中。半导体直流稳压电源实物图如下：6.4 电路测试及结果分析使用万用表分别测试输出电压，检查结果是否满足条件，与理论值相比较，计算相对误差，并进行误差分析。测量结果：1、 稳压管LM7812输出电压为V1测= 13.68 V V1理= 12 V相对误差为=|(13.68-12)/12|100=142、 稳压管LM7912输出电压为 V1测= -13.68 V V1理= -12 V相对误差为=|(-13.68+12)/12|100=143、 稳压管LM7805输出电压为 V1测= 5.02 V V1理= 5 V相对误差为= |（5.02-5)/5|100=0.44、 稳压管LM7905输出电压为 V1测= -5.02 V V1理= - 5 V相对误差为=| (-5.02+5)/5|100=0.4误差原因分析：由于元器件本身存在内阻，及焊接过程中元件受热时间过长等，造成输出电压产生一定的误差。结束语通过这次课程设计，我总结出了如下几条心得体会：(1)扩大了学生知识面，提高了学生的获取知识的能力和解决问题的能力。 (2)提高了学生实际工作能力。以应用型人才的培养为主导方向，其毕业去向则大都为生产、设计、建设、管理等一线岗位，专业实践能力的培养与形成成为电信学院教学工作的核心任务，这就奠定了实践教学在电子、通信专业教育教学中的重要地位。这种实践不仅是理论与实践层面的实践，而且是与社会生活与生产加工对应的实践体验。 (3)提升学生心理素质，提高心理承受能力、对失败和挫折的承受能力。创新性地学习使人的各种心理能力得以高度发展和充分地表现。(4)突出了学生在教学过程中的能动性，参与教育活动这种能力，学生具有使自己得以全面发展的渴望和要求。表现出具有较强的主动性、积极性。大学生的主动性、积极性只有充分的发挥出来教育教学活动中创新思想才能为学生所接受。也可以说，创新是检验、评价教育效果的标准，创新也是学生得以充分发展的重要标志。创新教育的主导作用就在于调动学生的主体性。大学生学会了自己学习、自己发展，主观能动性得到了发展，也是创新教育的体现。（5）提高了指导教师在创新教育中的引导能力。参考文献（1）谢自美：电子线路设计实验测试武汉：华中科技大学出版社，2006年8月（2）胡宴如：模拟电子技术。北京：高教教育出版社，2003年7月（3）康华光：电子技术基础。北京：高教教育出版社，1999年6月（4） 华容茂、邵晓根、左全生.电路与模拟电子技术教程.北京：电子工业出版社，2000.（5） 熊幸明、曹才开、王新辉.电工电子技能训练.北京：电子工业出版社，2005.（6）胡红艳 龙卓珉 模拟电子技术实验指导书. 湖南，湖南工学院电工电子实验室.2005年8月附录 元件清单 名称规格数量变压器(中心轴头)12V输出 20w1六角开关 6mm*6mm1电解质电容25v 2200uF2电解质电容25v 470uF4瓷片电容1044稳压管LM78121稳压管LM79121稳压管LM78051稳压管LM79051发光二极管0.5mm4电阻4702电阻1k2接口插座12整流桥2W10 2A/1000V1220V电源插头线120