直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計書.doc

湖南工學(xué)院課程設(shè)計說明書課題名稱：半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計和測試院 部：電氣與信息工程學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程班 級：通信1103設(shè) 計 人：李澤告指導(dǎo)老師：雷美艷時 間：2013.5.28 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1、技術(shù)指標：要求電源輸出電壓為12V（或9V /5V）等，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等的直流穩(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；8 撰寫設(shè)計報告。3、設(shè)計擴展要求 （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。（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，當負載不變時，Sr=VoVI/VIVO。測量內(nèi)阻：在輸入交流為220V，分別測得負載電流為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浞糯蠛?，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)高等教育出版社電路高等教育出版社電子線路綜合設(shè)計華中科技大學(xué)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、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)計方案進行比較。2、總結(jié)直流穩(wěn)壓電源主要參數(shù)的測試方法。目 錄第一章 緒論1第二章 方案的選擇及論證2第三章 電路設(shè)計3.1直流穩(wěn)壓電源的基本框架33.2電源變壓器33.2整流電路33.3濾波電路63.4穩(wěn)壓電路73.5原理圖83.6元器件選擇和電路參數(shù)計算說明8第四章 制作和調(diào)試4.1注意事項10 4.2測試10 4.2.1空載檢查測試10 4.2.2負載檢查測試11 4.2.3質(zhì)量指標測試11第五章 謝辭12第六章 總結(jié)和體會 6.1 總結(jié)心得13 附錄13 參考文獻14 第一章 緒論為培養(yǎng)運用基本知識進行簡單電路設(shè)計的能力，扎實基礎(chǔ)理論，我們現(xiàn)初次進行模電課程設(shè)計。半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計和測試作為此次課程設(shè)計的課題，我們采用一般意義上的設(shè)計方案，即通過電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路這四部分的有機組合來最終實現(xiàn)本次課程設(shè)計所要達到的目標。本設(shè)計所涉及的知識：方案論證，產(chǎn)品說明，原理說明，安裝工藝，調(diào)試與測試，焊接技術(shù)，元件清單，操作說明。為了全面介紹科學(xué)實驗研究的技術(shù)方法，在加強的直接實驗方法的同時，力求使學(xué)生盡快掌握當前先進科學(xué)技術(shù)，本課題設(shè)計所用到的EWB，Protel99等技術(shù)的新手段，新工具。通過本課題的設(shè)計，能夠加深對電路理論知識的理解和掌握，更主要的是學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)實驗研究方法。學(xué)會運用理論和實驗兩種研究方法，解決實際問題能力，更培養(yǎng)了我們掌握電子技術(shù)的科學(xué)實驗規(guī)律，實驗技術(shù)，測量技術(shù)等實驗研究方法，使其具有獨立實驗研究的能力，以便在未來的工作中開拓創(chuàng)新。第二章 方案的選擇及論證直流穩(wěn)壓電源主要由濾波電路、穩(wěn)壓電路決定，采用不同的濾波電路、穩(wěn)壓電路可以設(shè)計出不同的設(shè)計方案。方案一：簡單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電源并聯(lián)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整元件與負載并聯(lián)，因而具有極低的輸出電阻，動態(tài)特性好，電路簡單，并具有自動保護功能；負載短路時調(diào)整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小電流時調(diào)整管需承受很大的電流，損耗過大，因此在本實驗中此方案不適合。方案二：輸出可調(diào)的開關(guān)電源；開關(guān)電源的功能元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因而效率高，輸出功率大；且容易實現(xiàn)短路保護與過流保護，但是電路比較復(fù)雜，設(shè)計繁瑣，在低輸出電壓時開關(guān)頻率低，紋波大，穩(wěn)定度極差，因此在本實驗中此方案不適合。方案三：由固定式三端穩(wěn)壓器（7805、7905）組成由固定式三端穩(wěn)壓器（7805、7905）輸出腳V0、輸入腳Vi和接地腳GND組成，它的穩(wěn)壓值為+5V和-5V，它屬于CW78和CW79系列的穩(wěn)壓器，輸入端接電容可以進一步濾波，輸出端接電容可以改善負載的瞬間影響，此電路比較穩(wěn)定。根據(jù)實驗設(shè)計要求，本實驗采用方案三。輸入220伏的交流電，輸出為正負5V，正負12v，3.3v的穩(wěn)壓直流電，則首先應(yīng)該進行降壓處理，然后要對降壓后的交流電進行整流，再其次是對含有交流成分的脈動直流電進行濾波處理，最后對直流點進行最后的穩(wěn)壓處理。第三章 電路的設(shè)計21 直流穩(wěn)壓電源的基本原理圖2.1.1 直流穩(wěn)壓電源基本框架圖直流穩(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2.1.1各部分的作用：圖2.1.1 整流與穩(wěn)壓過程2.2電源變壓器電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。電源變壓器的效率為：其中：P2 是變壓器副邊的功率，P1 是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1 所示：表 1 小型變壓器的效率副邊功率P2u2，V1、V3截止，電容C向負載電阻RL放電，由于放電時間常數(shù)=RLC一般較大，電容電壓uc按 指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當下降到|u2|uc時，V2、V4導(dǎo)通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充放電 過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓。2.波形及輸出電壓 （二）其他形式濾波電路1.電感濾波電路電路如下圖所示，電感L起著阻止負載電流變化使之趨于平直的作用。直流分量被電感 L 短路，交流分量主要降在L 上 ，電感越大，濾波效果越好 。一般電感濾波電路只使用于低電壓、大電流的場合。2.p 型濾波為了進一步減小負載電壓中的紋波可采用p 型LC濾波電路。由于C1、C2 對交流容抗小，而電 感對交流阻抗很大，因此，負載RL上的紋波電壓很小。2.5穩(wěn)壓電路（一）三端固定輸出集成穩(wěn)壓器介紹CW7800 系列(正電源)，CW7900 系列(負電源) LM系列。輸出電壓：5 V/ 6 V/ 9 V/ 12 V/ 15 V/ 18 V/ 24 V 輸出電流：78L / 79L 輸出電流 100 mA；78M / 9M 輸出電流 500 mA ；78 / 79 輸出電流 1.5 A 。如CW7805 輸出 5 V，最大電流 1.5 A；CW78M05 輸出 5 V，最大電流 0.5 A；CW78L05 輸出 5 V，最大電流 0.1 A 。封裝和符號：如正負5V。 LM系列是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負載電流為800mA時為1.2V。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標準器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過2個外部電阻可實現(xiàn)1.2513.8V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。輸出電流可達800mA 線性調(diào)整率：0.2% (Max) 負載調(diào)整率：0.4% (Max) 溫度范圍LM1117：0125 LM1117I：-401252.5原理圖根據(jù)前面所述的，可以設(shè)計出下述電路圖：2.6元器件選擇和電路參數(shù)計算說明一變壓器的選擇工作原理：當變壓器一次側(cè)施加交流電壓U1，流過一次繞組的電流為I1,則該電流在鐵芯中會產(chǎn)生交變磁通，使一次繞組和二次繞組發(fā)生電磁聯(lián)系，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交變磁通穿過這兩個繞組就會感應(yīng)出電動勢，其大小與繞組匝數(shù)以及主磁通的最大值成正比，繞組匝數(shù)多的一側(cè)電壓高，繞組匝數(shù)少的一側(cè)電壓低，當變壓器二次側(cè)開路，即變壓器空載時，一二次端電壓與一二次繞組匝數(shù)成正比，變壓器起到變換電壓的目的。當變壓器二次側(cè)接入負載后，在電動勢E2的作用下，將有二次電流通過，該電流產(chǎn)生的電動勢，也將作用在同一鐵芯上，起到反向去磁作用，但因主磁通取決于電源電壓，而U1基本保持不變，故一次繞組電流必將自動增加一個分量產(chǎn)生磁動勢F1,以抵消二次繞組電流所產(chǎn)生的磁動勢F2,在一二次繞組電流L1、L2作用下，作用在鐵芯上的總磁動勢（不計空載電流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，一二次電流比與一二次電壓比互為倒數(shù)，變壓器一二次繞組功率基本不變，（因變壓器自身損耗較其傳輸功率相對較小），二次繞組電流I2的大小取決于負載的需要，所以一次繞組電流I1的大小也取決于負載的需要，變壓器起到了功率傳遞的作用。設(shè)變壓器的輸出電壓為V2，負載電壓為VL則有: VL=（1.11.2）V2=12V 式1-2計算得出V2=10V。 根據(jù)電路的指標，我們應(yīng)當選一個把220V交流電壓降為12V的變壓器。二選擇整流電路中的二極管 變壓器的副邊電壓U2=12V 橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為：=17V，橋式整流電路中二極管承受的平均電流為：I D =0.5I0max=250mA選用IN4001。查手冊選整流二極管IN4001，其參數(shù)為：反向擊穿電壓UBR=,最大整流電流IF=在這里我們選用整流堆W08M三濾波電路中濾波電容的選擇根據(jù)：RC（35）T2而 RUiIo C=1875uF電容的耐壓要大于，考慮到交流電源電壓的波動，故濾波電容C取容量為，耐壓為的電解電容。注意： 因為大容量電解電容有一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常 并入瓷介質(zhì)小容量電容用來抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾。四、選擇集成穩(wěn)壓器我們需要得到的是輸出為的直流穩(wěn)壓電源。固選擇CW78（LM78）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79（LM79）系列三端固定式負電壓輸出集成穩(wěn)壓器， 第四章 制作和調(diào)試4.1 制作對電路進行組裝：按照自己設(shè)計的電路，在面包板上插接元器件并焊接。焊接完畢后，應(yīng)對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象。對安裝完成的電路板的參數(shù)及工作狀態(tài)進行測量，以便提供調(diào)整電路的依據(jù)。經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整和測量，使電路的性能達到要求4.2 注意事項l 電源變壓器的絕緣電阻進行檢測，以防止變壓器漏電。一般用兆歐表進行檢測，也可以用萬用表。 l 電源變壓器的一次和二次繞組不能搞錯，否則將會造成變壓器損壞或電源故障。l 三端穩(wěn)壓器的輸入、輸出和公共一定要識別清楚，不能搞錯。特別是公共端不能開路，如果開路，很可能導(dǎo)致負載損壞。l 二極管的引腳（或整流橋的引腳）和濾波電容器的極性不能接反，否則將會損壞元器件。l 檢查負載端不應(yīng)該有短路現(xiàn)象。4.3測試直流穩(wěn)壓電源的調(diào)整測試一般分為三步進行，空載檢查測試、加載檢查測試和質(zhì)量指針測試。4.3.1 空載檢查測試（1）將變壓器的輸出端的正極端斷開，用萬用表測量變壓器的二次交流電壓值，其值應(yīng)符合設(shè)計值。然后檢查變壓器的溫升。若電壓器性能正常，則可以進行下一步測試。（2）變壓器的正極輸出段接上，而將整流器的正極輸出端斷開，接通電源，觀察電路有無異常。然后用萬用表測濾波電路輸出電壓U1，其值應(yīng)接近于1.4U2。否則短開電源檢查再通電測試。(3) 開負載，通電后測試輸出電壓UO ，其變化范圍應(yīng)為設(shè)計值。最后進行穩(wěn)壓器輸出、輸入端的電壓差，其值應(yīng)大于最小電壓差。4.3.2 負載檢查測試下面進行接負載檢測，接負載測試U2、U1、UO的大小，觀察其是否符合設(shè)計值，并根據(jù)UI、UO及負載電流IO核算集成穩(wěn)壓電路的功耗是否小于規(guī)定值。然后用濾波器觀察穩(wěn)壓器輸入輸出端的紋波電壓。此外還可檢查橋式整流電路四只二極管特性是否一致。4.3.3 質(zhì)量指標測試(1) 穩(wěn)壓系數(shù)Sr的測試在負載電流，環(huán)境，溫度不變的情況下，輸出電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化。測量穩(wěn)壓系數(shù)，在負載電流為最大時。分別測得輸入電壓比220V增大和縮小10%，所得數(shù)據(jù)如下表：輸出端口/v輸入電壓/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將所得數(shù)據(jù)代入公式 ：Sr=VoVI/VIVO。 得： Sr1 =0.00% Sr2 =0.00% 所得數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求： Sr=VoVI/VIVO。 （2）紋波電壓的測試使為U1=220V伏并保持不變，在額定輸出電壓或額定輸出電流的情況下，用示波器測出輸出電壓中紋波電壓的峰值。U=0.04V.謝辭 經(jīng)過一些天的努力設(shè)計，第一次作這個課程設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，如果沒有老師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的老師。理論知識是非常重要的，老師的耐心教導(dǎo)，對設(shè)計任務(wù)書的指示，中期檢查等整個過程中都給予了我們悉心的指導(dǎo)。除了敬佩 老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴謹和科學(xué)研究的精神也是我永遠學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次要感謝和我一起作設(shè)計的其他同學(xué)，他們在設(shè)計中勤奮工作，克服了一些阻礙來完成此次的模電課程設(shè)計，并承擔了大部分的工作量。如果沒有他們的努力工作，此次設(shè)計的完成將變得非常困難。 第六章 總結(jié)和體會這次課程設(shè)計給我?guī)砹撕艽蟮氖斋@，讓我學(xué)到了很多，第一次用PCB做電子產(chǎn)品,不僅掌握了簡單的電子電路的設(shè)計與制作，也掌握了一些芯片的原理與作用。總體來說，這次電源的制作是比較成功的。接電路之前，一定要通過查資料把電路中的每個元件的作用弄明白和把每個芯片的管腳的功能弄清楚，明白每個元件的各個管腳與它哪里相對應(yīng)。在電路設(shè)計中，應(yīng)該仔細認證，從中我們可以學(xué)到很多東西，可以提高自己發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，使自己的動手能力有一定的提高。出現(xiàn)故障時要積極面對，在檢查線路時一定要有耐心，不要因為麻煩就放棄。遇見錯誤要一步一步的按照原理圖來，先一步一步的測試，然后整體測試。不要沒順序沒條理，這里測一下那里測一下，最后又什么都沒查出來，那樣既浪費了時間又浪費了精力。這次電源的制作我不是一次性成功的，我做了兩次，主要原因是在轉(zhuǎn)印的時候沒有弄好，碳粉沒有完全印上去，在腐蝕的時候走線上有很多的孔，似乎導(dǎo)線有的快要斷了，為了避免焊接好元器件后測試發(fā)現(xiàn)不符合設(shè)計的要求，我堅決重新腐蝕了一塊PCB板，經(jīng)最后測試，我做的電源還是非常成功的。通過這學(xué)期的課程設(shè)計，我受益匪淺，認識到了自己的許多不足和缺點。要想把理論與實際聯(lián)系起來，還是需要一段時間的。要想做出一個實用的實物來，并不是自己想象中的那樣簡單。其一，我們必須掌握一些必備的常識，比如，三極管引腳的判定以及電阻值的判定。其二，我們必須用科學(xué)的態(tài)度對待我們在實驗中所遇到的問題不能以“人品之類”話而敷衍過，應(yīng)該以作為一個工程人員應(yīng)用的素質(zhì)去面對，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。在實驗時應(yīng)保持冷靜，測試有條理。遵循物質(zhì)客觀規(guī)律，不隨便改寫實驗數(shù)據(jù)。其三，自己平時要多動手、多動腦，這樣當問題來臨時你就不會手忙腳亂。該多畫就多畫些，以便能增加你對該軟件的熟練度。用起來稱心如意，這樣就不會浪費時間。再如，在焊接導(dǎo)線時，應(yīng)區(qū)別不同類型的導(dǎo)線用不同類型的焊接方法及焊接的先與后順序。如果你不懂那些，你就會出現(xiàn)很大笑話。其四，要注意試驗安全，不要輕易地嘗試不安全接法。在做設(shè)計時必須講求產(chǎn)品的實用性及美觀性。這就要求我們對所需器件進行合理布置。團結(jié)就是力量，在做設(shè)計的過程中我們必須講究團隊精神，各施其職。這樣就能起到事半功倍的作用，畢竟一根筷子易折斷，一個巴掌拍不響。面對一個課題必須嚴肅而認真地對待，作為一名電類專業(yè)的學(xué)生必須多參加一些動手制作活動來提高自己的動手能力。今后我們會繼續(xù)努力。一個學(xué)期結(jié)束了，在上了這么久的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程，在最后的一次課程設(shè)計中，我發(fā)現(xiàn)了許多的問題。發(fā)現(xiàn)自己對模擬電子這門課