直流穩(wěn)壓電源23頁(yè)

1、 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 課 題：半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和測(cè)試 院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 李鵬飛 指導(dǎo)教師： 張松華 職稱 副教授 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 電子1201班 學(xué) 號(hào) ： 1230340126 完成時(shí)間： 2014年 6 月 課題一 半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和測(cè)試（一）設(shè)計(jì)目的1、學(xué)習(xí)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法；2、研究直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案；3、掌握直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和內(nèi)阻測(cè)試方法；（二）設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)2.1、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Io

2、max=500mA，紋波電壓VOP-P5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr5%。2.2、設(shè)計(jì)基本要求（1） 設(shè)計(jì)一個(gè)能輸出±12V/±9V/±5V的直流穩(wěn)壓電源；（2） 擬定設(shè)計(jì)步驟和測(cè)試方案； （3） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)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(tái)直流穩(wěn)壓電源；（6） 測(cè)量直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻；（7） 測(cè)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(jì)報(bào)告。 圖（一）（三）設(shè)計(jì)提示3.1、設(shè)計(jì)電路框圖如圖(一)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(gè)環(huán)節(jié)，晶

3、體管選用3DD或3DG等型號(hào)；若用集成電路選78XX和79XX穩(wěn)壓器。 測(cè)量穩(wěn)壓系數(shù)Sr：在負(fù)載電流為最大時(shí)，分別測(cè)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(gè)代入公式計(jì)算Sr，當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，Sr=VoVI/VIVO。測(cè)量?jī)?nèi)阻：在輸入交流為220V，分別測(cè)得負(fù)載電流為0及最大值時(shí)的Vo，ro=VO/IL。紋波電壓測(cè)量：疊加在輸出電壓上的交流分量，一般為mV級(jí)?？蓪⑵浞糯蠛螅檬静ㄆ饔^測(cè)其峰峰值VOP-P；用可用交流毫伏表測(cè)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。3.2、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備 自耦變壓器一臺(tái)、數(shù)字萬用表、交流毫伏表、面包板或萬能板、智能

4、電工實(shí)驗(yàn)臺(tái)、示波器3.3、設(shè)計(jì)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3.4、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(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)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(jì)報(bào)告要求1、選定設(shè)計(jì)方案；2、擬出設(shè)計(jì)步驟，畫出電路，分析并計(jì)算主要元件參數(shù)值；3、列出測(cè)試數(shù)據(jù)表格。4、調(diào)試總結(jié)。（五）設(shè)計(jì)總結(jié)1、總結(jié)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)用到的主要知識(shí)點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)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(cè)試方法。 目 錄第一章 緒論·

5、··················································

6、····1 1.1設(shè)計(jì)目的············································

7、83;·1 1.2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求·······································1 1.3方案選擇······

8、········································1第二章 設(shè)計(jì)原理········

9、83;·········································3 2.1直流穩(wěn)壓電源的基本原理······

10、;························3 2.2 整流電路的原理·······················

11、3;···············3 2.3 濾波電路的原理································

12、83;······4 2.4 穩(wěn)壓電路的原理·······································5第三章 設(shè)計(jì)步驟與參數(shù)計(jì)算

13、······································6 3.1單元電路的設(shè)計(jì)與選擇·········

14、83;······················6 3.2電源變壓器的選擇·························&#

15、183;···········6 3.3整流橋的選擇····································

16、83;····6 3.4濾波電容的選擇·······································6 3.5穩(wěn)壓器的選擇··

17、3;······································7第四章 仿真與測(cè)試··········

18、······································8 4.1電路圖的仿真··········&

19、#183;······························8 4.2仿真結(jié)果分析·················&#

20、183;······················10第五章 安裝與調(diào)試·························

21、83;·····················12 5.1電路板的制作··························

22、83;·············12 5.2調(diào) 試···································

23、·············12 5.3誤差分析···································&#

24、183;·········13結(jié)束語(yǔ)·······································

25、83;···················14致 謝·····························

26、3;·····························15參考文獻(xiàn)···················

27、3;·····································16 IV 第一章 緒 論 交流電網(wǎng)220V的電壓通過電源變壓器將變?yōu)樵O(shè)計(jì)所需要的電壓值，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流

28、電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓，此外還須接穩(wěn)壓電路，保證輸出的直流電壓穩(wěn)定。1.1、設(shè)計(jì)目的1、學(xué)習(xí)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法；2、研究直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案；3、掌握直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和內(nèi)阻測(cè)試方法；1.2、設(shè)計(jì)要求與任務(wù)1.2.1、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%。1.2.2、設(shè)計(jì)基本要求（1）設(shè)計(jì)一個(gè)能輸出±5V的直流穩(wěn)壓電源；（2）擬定設(shè)計(jì)步驟和測(cè)試方案； （3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求和

29、技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)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(tái)直流穩(wěn)壓電源；（6）測(cè)量直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻；（7）測(cè)量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)、紋波電壓；1.3、方案選擇 方案一 晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路。該類電路中，輸出電壓Uo經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對(duì)調(diào)整管的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓Ui發(fā)生變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓Uo為恒定值(穩(wěn)壓值)在基準(zhǔn)電壓處設(shè)計(jì)輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從0 V開始調(diào)節(jié)。單純的串

30、聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路很簡(jiǎn)單，但增加輔助電源后，電路比較復(fù)雜，由于都采用分立元件，電路的可靠性難以保證。 方案二 開關(guān)穩(wěn)壓電源電路。功耗小，效率高，但電路復(fù)雜，紋波較大，存在開關(guān)干擾，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，此外由于開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到干擾 方案三 采用三端集成穩(wěn)壓器電路。一般采用輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護(hù)的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調(diào)整范圍較寬，穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路，且電路所用器件較少，成本低，電路簡(jiǎn)單，組裝方便。綜上所述，采用方案三 第二章 設(shè)計(jì)

31、原理2.1、直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)原理 圖（2-1）直流穩(wěn)壓電源的原理框圖2.1.1、電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。2.1.2、整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電，常見的整流有半波整流、全波整流、整流橋等。2.1.3、濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。主要分為電容濾波、電感濾波等等。2.1.4、穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。2.2、整流電路設(shè)計(jì)原理2.2.1、直流

32、電路常采用二極管單相全波整流電路。工作原理： 設(shè)變壓器副邊電壓u2=2U2sint，U2為有效值。在u2的正半周內(nèi)， 二 極管D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止；u2的負(fù)半周內(nèi)，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過的負(fù)載電阻RL，且方向是一致的。如圖（2-2） 圖（2-2）全波整流橋的工作原理2.3、濾波電路電容濾波電路 采用濾波電路可濾除整流電路輸出電壓中的交流成分，使電壓波形變得平滑在整流電路的輸出端，即負(fù)載電阻RL兩端并聯(lián)一個(gè)電容量較大的電解電容C則構(gòu)成了電容濾波電路，由于濾波電容與負(fù)載并聯(lián)也稱為并聯(lián)濾波電路。2.3.1、輸出電壓的估算 顯然，電容濾波電路的輸出電壓與電容

33、的放電時(shí)間常數(shù)=RLC有關(guān)，應(yīng)遠(yuǎn)大于u2的周期T，分析及實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng) （ 2-1 ） 時(shí)，濾波電路的輸出電壓可按下式估算，即 （ 2-2 ）2.3.2整流橋輸出電流 整流二極管導(dǎo)通時(shí)間縮短了，存在瞬間的浪涌電流，要求二極管允許通過更大的電流，管子參數(shù)應(yīng)滿足： ( 2-3 ）2.3.3、電容電壓估算 在已知負(fù)載電阻RL的情況下，根據(jù)式子選擇濾波電容C的容量，即 （ 2-4 ） 若容量偏小，輸出電壓Uo將下降，一般均選擇大容量的電解電容；電容的耐壓應(yīng)大于u2的峰值，同時(shí)要考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)的因素，留有足夠的余量。2.4、穩(wěn)壓電路2.4.1、穩(wěn)壓管及其工作原理：使用時(shí)，穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，利用電流

34、在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本保持不變的這個(gè)特性來進(jìn)行穩(wěn)壓。在這里 我們選擇三端集成穩(wěn)壓器LM7805和LM7905，以便穩(wěn)定輸出電壓。2.4.2、測(cè)量穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)載電流為最大時(shí)，分別測(cè)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(gè)代入公式計(jì)算Sr，當(dāng)負(fù)載不變時(shí)， Sr=VoVI/VIVO （ 2-5 ） 第三章 設(shè)計(jì)步驟與參數(shù)計(jì)算3.1、單元電路的設(shè)計(jì)與選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)原理直流穩(wěn)壓電源電路的基本框圖（3-1）如下 圖（3-1)直流穩(wěn)壓電源的基本框圖3.2、電源變壓器的選擇3.1.1確定副邊電壓U2： 根據(jù)性能指標(biāo)要求：輸出電壓Uo=5V，又變壓器副邊電壓U2=U+Uo, U為

35、三端穩(wěn)壓器壓差，U 3V， Ui=(3+Uo)×1.1×1.1=(3+5)×1.21=9.68V, U2=Ui/1.2=8.06V, 取U2=9V。3.1.2確定副邊電流 ： 又副邊電流 （ 3-1 ） 取 則3.1.3選擇變壓器的功率 變壓器的輸出功率：P2U2*I29W，取=0.7，則P1=P2/=12.85W, 所以選擇容量為15W左右的變壓器。3.3、整流橋的選擇 由輸出電流I0=0.5A，U2=9V 選擇整流橋。這里我們選擇DB101型號(hào)的。3.4、濾波電容的選擇 （ 3-2 ）所以濾波電容：,電路中濾波電容承受的最高電壓為,所以所選電容器的耐壓應(yīng)大于1

36、6V。3.5、集成三端穩(wěn)壓器的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸出電壓為Uo=5V，所以集成三端穩(wěn)壓器我們選擇LM7805和LM7905這個(gè)型號(hào)。 根據(jù)元器件的選擇與計(jì)算總的原理圖如圖（3-2）： 圖（3-2）設(shè)計(jì)總原理圖 第四章 仿真與測(cè)試4.1、電路圖的仿真4.1.1輸出電壓 當(dāng)電網(wǎng)提供的電壓有波動(dòng)不是穩(wěn)定的220V時(shí)，對(duì)直流穩(wěn)壓電源的輸出是否產(chǎn)生影響當(dāng)電壓為240v、220V和200v時(shí)的電壓值和波形的測(cè)量（1）240v測(cè)試值5.599v 、 -5.638v,如圖（4-1）； （2）220v測(cè)試值 5.598v 、 -5.636v，如圖（4-2）； (3）200v測(cè)試值 5.598v 、 -5.638

37、v，如圖（4-3）。 圖（4-1）電網(wǎng)提供240V電壓時(shí)輸出波形 圖（4-2）電網(wǎng)提供220V電壓時(shí)的輸出波形 圖（4-3）電網(wǎng)提供 200V電壓時(shí)的輸出波形4.2、仿真分析4.2.1紋波電壓 紋波電壓測(cè)量：疊加在輸出電壓上的交流分量，一般為mv級(jí)。可將其放大后，用示波器觀測(cè)其峰峰值VOP-P；用可用交流毫，伏表測(cè)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。 圖（4-4）LM7805輸出端的紋波電壓 由圖（4-4）知 LM7805輸出端的紋波電壓Vo=742.400nv 圖（4-5）LM7905輸出端的紋波電壓 由圖（4-5）知LM7905輸出端的紋波電壓Vo=5.0

38、85nv4.2.2穩(wěn)壓系數(shù)測(cè)量穩(wěn)壓系數(shù)Sr：在負(fù)載電流為最大時(shí)，分別測(cè)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(gè)代入公式計(jì)算Sr，當(dāng)負(fù)載不變時(shí)， Sr=VoVI/VIVO。 （4-1 ） Sr（+5）=0 Sr（-5）=|-12.639-(-12.633)|x5/(-12.636)=0.0024 第五章 安裝與調(diào)試5.1.電路板制作 根據(jù)仿真圖，安裝各元器件，先安裝比較小的原件，所以先安裝整流電路，在安裝穩(wěn)壓電路，最后再裝上電路（電容）。安裝時(shí)要注意，電解電容的極性不要接反。檢查無誤后，才將電源變壓器與整流濾波電路連接，通電后，用萬用表檢查整流后輸出LM7805和LM79

39、05輸入端電壓Ui的極性，若Ui的極性為負(fù)，則說明整流電路沒有接對(duì)，此時(shí)若接入穩(wěn)壓電路，就會(huì)損壞集成穩(wěn)壓器。5.2、調(diào) 試1：輸出電壓 接通220V的電源，用數(shù)字萬用表測(cè)量各端輸出電壓值并將所觀察值記于表5-1中。 表5-1 電壓源輸出端的測(cè)量值理論值/V測(cè)量值/V誤差理論值/V測(cè)量值/V誤差+5.00 +5.000-5.00-5.204% 誤差=|(理論值-測(cè)量值)|/|理論值|*100% 2：內(nèi) 阻 在輸入交流為220V，分別測(cè)得負(fù)載電流為0及最大值時(shí)的VO，即用開短路法可測(cè)得電源內(nèi)阻。測(cè)得數(shù)據(jù)如下： IA+=0.22A， VO+=5.50V IA-=0.218A， VO-=5.48V根據(jù)

40、以上數(shù)據(jù)可得電源內(nèi)阻為： r+=VO+IA+ =5.50V/0.22A = 25 r-=VO-IA- =5.48V/0.218A =25.143：穩(wěn)壓系數(shù) 穩(wěn)壓系數(shù)是指在負(fù)載電流I0、環(huán)境溫度T不變的情況下，輸入電壓的變化引起輸出電壓的相對(duì)變化，即穩(wěn)壓系數(shù)Sr=（VO/VO）/（VI/VI） IO=常數(shù)，T=常數(shù) ； 測(cè)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(cè)量此時(shí)對(duì)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(cè)量此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓VO2，然后再測(cè)出 Vi=220V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓VO，則穩(wěn)壓系數(shù)：Sr=（VO/VO）/（Vi/Vi） =220/（242-198）|（VO1-VO2）|/VO根據(jù)上述測(cè)量方法，可對(duì)正負(fù)雙電源進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：當(dāng)Vi=200V時(shí)，測(cè)得數(shù)據(jù)為：