自動化專業(yè)課程設計論文半導體直流穩(wěn)壓電源的設計

1、湖南工學院課程設計說明書課題名稱：半導體直流穩(wěn)壓電源的設計專業(yè)名稱：自動化專業(yè)學生班級：自動化本科0802班學生姓名：指導教師： 電氣與信息工程系課程設計任務書一、設計題目:半導體直流穩(wěn)壓電源的設計和測試 二、設計目的: 1、學習直流穩(wěn)壓電源的設計方法；2、研究直流穩(wěn)壓電源的設計方案；3、掌握直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和內阻測試方法；三、設計任務及要求1、技術指標：要求電源輸出電壓為±12v和±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%。2、設計基本要求（1） 設計一個能輸出±12v/±9v

2、/±5v的直流穩(wěn)壓電源；（2） 擬定設計步驟和測試方案； （3） 根據(jù)設計要求和技術指標設計好電路，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） 撰寫設計報告。3、設計擴展要求 （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。目錄課程設計任務書-2第1章：系統(tǒng)電路設計1.1緒論-41.2直流電源的組成-5 1.2.1直流穩(wěn)壓電源結構圖和穩(wěn)壓過程-51.3各部分電路的作用和原理-5 1.

3、3.1電源變壓器-5 1.3.2整流電路-5 1.3.3濾波電路-6 1.3.4穩(wěn)壓電路-71.4設計方案的選擇-8 1.4.1技術指標及要求-8 1.4.2試驗設備與元器件-8 1.4.3 設計方案選擇-91.5元件選擇及參數(shù)確定-9 1.5.1 變壓器參數(shù)-9 1.5.2整流二極管參數(shù)-10 1.5.3電容濾波電路的參數(shù)-10 1.5.4元件清單-10 1.5.5直流穩(wěn)壓電路的原理圖-10第2章：仿真與測試2.1ewb電路仿真-112.2電路測試-13 2.2.1測量穩(wěn)壓系數(shù)-13 2.2.2測量內阻-13 2.2.3紋波電壓測量-132.2.4電路的改進-13第3章：制作與調試3.1 p

4、cb板制作-15 3.1.1印制電路板原理圖-153.2安裝工藝-153.2.1三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的封裝形式和引腳功能-153.2.2三端固定輸出繼承穩(wěn)壓器安裝時要注意的問題-163.2.3印制電路板裝配時要考慮的參數(shù)-163.3焊接技術-173.4 測試結果和故障的排除-18心得體會-20參考文獻-21第1章 緒論電源是各種電子、電器設備工作的動力，是自動化不可或缺的組成部分，直流穩(wěn)壓電源是應用極為廣泛的一種電源。自六十年代起，第一臺開關電源問世以來，開關電源在世界各國迅速發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源也順勢而生，但在初期價格較高，直到八十年代，隨著元件工藝的成熟，直流穩(wěn)壓電源的價格也日益下降，應用

5、也變的日益廣泛。近幾年隨著科技的發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源的工作頻率有原來的幾十千赫發(fā)展到現(xiàn)在的幾百千赫，甚至更高?，F(xiàn)在智能化的直流穩(wěn)壓電源也被廣泛應用于生產(chǎn)領域，對此的研究開始向高頻方面發(fā)展。以美國為首的幾個發(fā)達國家在這方面的研究已經(jīng)轉向高頻下電源的拓撲理論、工作原理、建模分析方法和高頻大功率開關器件，高性能集成控制器和功率模塊的開發(fā)研制方面發(fā)展。我國在此方面的起步較晚，1973年才開始這方面的研究工作，現(xiàn)在主要在小功率單端變換器方面發(fā)展較為迅速。在功率半導體器件及控制集成化方面，與國外同類產(chǎn)品有這很大的差距。因此，直流穩(wěn)壓電源的研制及應用在此方面與之也從在很大的差距。直流穩(wěn)壓電源通?？煞譃榫€性穩(wěn)壓

6、電源和開關穩(wěn)壓電源兩大類。線性穩(wěn)壓電源是指電壓調整功能的器件始終工作于線性放大區(qū)的一種直流穩(wěn)壓電源，是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種電源。但其體積大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保護功能不夠。近年來，隨著微機，中小型計算機的普及和航空航天數(shù)據(jù)通信，交通郵電等事業(yè)的訊速發(fā)展，以及為了各種自動化儀器、儀表和設備配套的需要，當代對電源的需要不僅日益增大，而且對電源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及諸如程序控制、電源通/斷、遠距離操作信息保護等功能提出了更高的要求。 第2章 系統(tǒng)電路設計2.1直流電源的組成2.1.1直流穩(wěn)壓電源結構圖和穩(wěn)壓過程電子設備一般都需要直流電源供電，獲得直流電源的方法

7、很多，如干電池、蓄電池、直流電機等，但比較經(jīng)濟實用的辦法是，把交流電源變換成直流電源。穩(wěn)壓電源由電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成 。下圖為直流穩(wěn)壓電源組成結構圖。圖2-1直流穩(wěn)壓電源結構圖2.2 各部分電路的作用和原理2.2.1電源變壓器電源變壓器：把交流電網(wǎng)電壓 u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。其結構如下圖所示。圖2-2電源變壓器2.2.2整流電路整流電路 ：電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而各種無線電裝置需要用直流電。整流，就是把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程。利用具有單向導電特性的器件，可以把方向和大小交變的電流變換為直流電。將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。1、單相橋式電路組成和

8、工作原理：為正半周時，為負半周時， ，下圖為單相橋式整流電路的原理圖。圖2-3單相橋式整流電路2、 單相橋式整流電路的輸出電流電壓及二極管的電流電壓波形如下圖所示。圖2-4整流電路波形圖2.2.3濾波電路濾波電路：雖然整流電路的輸出電壓包含一定的直流成分，但脈動較大，須經(jīng)過濾波才能得到較平滑的直流電壓。常用濾波器有c型、p 型、t 型。圖2-5和圖2-6為橋式整流c型濾波電路及其輸出電壓的波形。圖2-5橋式整流c型濾波電路 uo uom 0 t 圖2-6橋式整流c型濾波電路的輸出電壓波形2.2.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路：清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響，保持輸出電壓的穩(wěn)定性。1、穩(wěn)壓管及其工作原理：使用

9、時，穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，利用電流在很大范圍內變化而電壓基本保持不變的這個特性來進行穩(wěn)壓。下圖2-7為穩(wěn)壓管工作的原理圖。2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) (1)穩(wěn)定電壓：即穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。(2) 穩(wěn)定電流：維持穩(wěn)定電壓的工作電流。(3) 最大穩(wěn)定電流：穩(wěn)壓管的最大工作電流。(4) 動態(tài)電阻：在穩(wěn)壓范圍內圖2-7穩(wěn)壓管的工作原理圖2.3設計方案的選擇2.3.1技術指標及要求（1）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%。（2）能顯示電源輸出電壓值，00.0

10、-12.0v。（3）要求有短路過載保護。（4）穩(wěn)壓電路若使用分離元件要有取樣、放大、比較和調整四個環(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。2.3.2試驗設備與元器件（1）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。（2）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。2.3.3設計方案選擇（1）整流電路：常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式、和倍壓整流電路。橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成"橋"

11、式結構，便具有全波整流電路的優(yōu)點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。所以我們選擇單相橋式整流電路來進行整流。（2）濾波電路：濾波電路的形式有很多，有電容輸入式和電感輸入式。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中?？紤]我們所需要的是功率為50hz的電源，所以選擇電容濾波電路。（3）穩(wěn)壓電路：78xx/79xx系列中的型號表示集成穩(wěn)壓器的輸出電壓的數(shù)值，以v為單位。每類穩(wěn)壓器電路輸出電壓有5v， 6v，7v，8v，9v，10v，12v，15v，18v，24v等，能滿足大多數(shù)電子設各所需要的電源電壓。中間的字母通常表示電流等級，輸出電流一般分為3個等級：100ma（7

12、8lxx/79lxx），500ma（78mxx/79mxx），1.5a（78xx/79xx ）。后綴英文字母表示輸出電壓容差與封裝形式等。內部電路由恒流源、基準電壓源、取樣電阻、比較放大、調整管、保護電路、溫度補償電路等組成。輸出電壓值取決于內部取樣電阻的數(shù)值。最大輸出電壓為40v。三端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器，因內部有過熱、過流保護電路，因此它的性能優(yōu)良，可靠性高。又因這種穩(wěn)壓器具有體積小、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，所以得到廣泛應用。所以我們選擇正壓集成穩(wěn)壓mc7812和負壓集成穩(wěn)壓器mc7912來提供對稱的12v穩(wěn)壓輸出。2.4元件選擇及參數(shù)確定根據(jù)要求電源輸出電壓為±12v，輸入

13、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%。設輸出電流為=300ma，負載=0-100k。2.4.1 變壓器參數(shù) 1、變壓器副繞組電壓：=2、變壓器副繞組電流的有效值：=600ma3、電壓與匝數(shù)的關系：=22 2.4.2整流二極管參數(shù)1、二極管承受的最大反向電壓：=14.14v2、流經(jīng)二極管的平均電流：=150ma2.4.3電容濾波電路的參數(shù)1、電容承受的最高電壓： = 若考慮電網(wǎng)電壓波動，則電容承受的最高電壓為 =x1.1=1.4x10x1.1=15.4v2、濾波電容c：由取=0.042.4.4元件清單12v輸出的變壓器一個、200u

14、f電容兩個、50uf電容兩個、ql62al的整流器一個、wc7812和wc7912的穩(wěn)壓器各一個、0100k的電位器兩個、0.5ma的保險絲兩個。2.4.5直流穩(wěn)壓電路的原理圖根據(jù)設計要求和各個元件參數(shù)的計算將選擇的元件進行電路的連接和組裝，設計出如下所示的直流穩(wěn)壓電路的原理圖。圖2-8直流穩(wěn)壓電源的原理圖第3章：仿真與測試3.1multisim10.0軟件簡介3.2仿真電路的建立1、對橋式整流電路的仿真： 如圖在模擬電子仿真程序multisim10中畫出單相橋式整流電路，用示波器觀測變壓器的副邊和負載兩端的電壓波形，并作記錄。（1） 變壓器副邊的電壓波形：（2）整流電路負載的波形：2、對電容

15、濾波電路的仿真：3、對電路輸出電壓的電壓值和波形的測量：電壓表顯示電壓值分別為：12.564v、12.578v 波形顯示如圖，是一條平穩(wěn)的直流波形。2.2電路測試2.2.1測量穩(wěn)壓系數(shù)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。表2-1穩(wěn)壓系數(shù)的測量/v220220220-10/v/v2.2.2測量內阻 測量內阻：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。調節(jié)電阻的大小，當=0時記下，=0，再調節(jié)的大小使輸出的電流達到最大值記下此時的電壓，最

16、大電流 記錄數(shù)據(jù)后根據(jù)公式計算出內阻的大小。2.2.3紋波電壓測量 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。經(jīng)過電容的濾波作用后，其輸出電壓變得比較平滑，脈動大大減小，而且直流成分增加，對c型濾波，負載rl、c的數(shù)值越大，紋波g越小，輸出直流電壓越接近于變壓器次級交流電壓的峰值uim，其輸出直流電壓的范圍為： uo =（0.9 1.4）u且要使得其紋波電壓5%2.2.4電路的改進 為防止電路發(fā)生短路問題，特設計兩個保險絲來防止電路被燒壞。題目要求

17、要顯示出電壓的值0-12v，所以串上兩電位器即可。改進如下：圖2-1改進后的電路圖第三章：制作與調試3.1 pcb板制作3.1.1印制電路板原理圖3.2安裝工藝3.2.1三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的封裝形式和引腳功能3.2.2三端固定輸出集成穩(wěn)壓器安裝時注意的問題（1）分清三個引出腳。三端集成穩(wěn)壓電路的輸入、輸出和接地端裝錯時很容易損壞，需特別注意。同時，在安裝時三端集成穩(wěn)壓電路的接地端一定要焊接良好，否則在使用過程中，由于接地端的松動，會導致輸出端電壓的波動，易損壞輸出端上的其它電路，也可能損壞集成穩(wěn)壓電路。另外，在拆裝集成穩(wěn)壓電路時要先斷開電源；輸出電壓大于6v的三端集成穩(wěn)壓電路的輸入、輸出端

18、需接一保護二極管，可防止輸入電壓突然降低時，輸出電容對輸出端放電引起三端集成穩(wěn)壓器的損壞。（2）正確選擇輸入電壓范圍。三端集成穩(wěn)壓電路是一種半導體器件，內部管子有一定的耐壓值。為此，變壓器的繞組電壓不能過高，整流器的輸出電壓的最大值不能大于集成穩(wěn)壓電路的最大輸入電壓。7805（7905）-7818（7918）的最大輸入電壓為35v，7824（7924）的最大輸入電壓為40v。由于三端集成穩(wěn)壓電路有一個使用最小壓差（輸入電壓與輸出電壓的差值）的限制，所以變壓器的繞組電壓也不能過低。三端集成穩(wěn)壓電路的最小輸入、輸出電壓差約為2v。一般應使這一壓差保持在6v左右。（3）保證散熱良好。對于用三端集成穩(wěn)

19、壓電路組成的大功率穩(wěn)壓電源。應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器。當散熱器的面積不夠大，而內部調整管的結溫達到保護動作點附近時，集成穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能將變差。3.2.3電路板裝配時要考慮的參數(shù)1、孔的直徑要根據(jù)最大材料條件( mmc) 和最小材料條件(lmc) 的情況來決定。一個無支撐元器件的孔的直徑應當這樣選取，即從孔的mmc 中減去引腳的mmc ，所得的差值在0.15 -0. 5mm 之間。而且對于帶狀引腳，引腳的標稱對角線和無支撐孔的內徑差將不超過0.5mm ，并且不少于0.15mm。2、 合理放置較小元器件，以使其不會被較大的元器件遮蓋。3、 阻焊劑的厚度應不大于0.05mm。4、

20、 絲網(wǎng)印制標識不能和任何焊盤相交。5、 電路板的上半部應該與下半部一樣，以達到結構對稱。因為不對稱的電路板可能會變彎曲。6、從印制電路板的裝配角度來看，需要考慮一個重要因素就是應該特別注意在焊接前，由于插入的元器件與其理論位置發(fā)生傾斜而可能造的短路問題。根據(jù)經(jīng)驗，元器件引腳允許的最大傾斜度應保持在與理論位置成15度角以內。當孔和引腳的直徑差值較大時傾斜度-最多可達到20度。垂直安裝的元器件，傾斜度可達到25 度或30度， 但這樣會導致封裝密度的降低。3.3焊接技術1、電路的各級元件應從弱電流、弱信號級依次順序向強電流、強信號級排列。2、走線要盡可能短些。元器件在不影響散熱的情況下，應盡量靠攏。

21、輸入端與輸出端要盡量遠離；輸入、輸出走線不宜平行，防止產(chǎn)生正反饋引起寄生振蕩。3、大器中有雙聲道、推挽電路、橋式電路時，應讓元器件對稱排列。這樣可以只設計一半電路，另一半由對稱獲得。4、變壓器及整流電路等應遠離前置低放級、錄音磁頭、磁性天線，避免感應交流聲。安裝中還應該通過旋轉變壓器的方向，降低整機交流聲。5、天線應水平安裝在整機上方，禁止垂直安裝。磁棒附近不應有較大的金屬元件。收音機檢波級會發(fā)射930khz等頻率諧波，因此檢波級也應盡量遠離磁性天線。3.4測試結果和故障排除一最后結果沒有出來的原因主要有以下情況：1.操作不當（如布線錯誤等）2.設計不當（如電路出現(xiàn)險象等）3.元器件使用不當或

22、功能不正常4.儀器（主要指數(shù)字電路實驗箱）和集成元件本身出現(xiàn)故障。二檢查故障的方法主要有以下一些：1.查線法：由于在實驗中大部分故障都是由于布線錯誤引起的，因此，在故障發(fā)生時，復查電路連線為排除故障的有效方法。應著重注意：有無漏線、錯線，導線與插孔接觸是否可靠，集成電路是否插牢、集成電路是否插反等。2.觀察法：用萬用表直接測量各集成塊的vcc端是否加上電源電壓；輸入信號，時鐘脈沖等是否加到實驗電路上，觀察輸出端有無反應。重復測試觀察故障現(xiàn)象，然后對某一故障狀態(tài)，用萬用表測試各輸入/輸出端的直流電平，從而判斷出是否是插座板、集成塊引腳連接線等原因造成的故障。3.信號注入法：在電路的每一級輸入端加

23、上特定信號，觀察該級輸出響應，從而確定該級是否有故障，必要時可以切斷周圍連線，避免相互影響。4.信號尋跡法：在電路的輸入端加上特定信號，按照信號流向逐線檢查是否有響應和是否正確，必要時可多次輸入不同信號。5.替換法：對于多輸入端器件，如有多余端則可調換另一輸入端試用。必要時可更換器件，以檢查器件功能不正常所引起的故障。6.動態(tài)逐線跟蹤檢查法：對于時序電路，可輸入時鐘信號按信號流向依次檢查各級波形，直到找出故障點為止。以上檢查故障的方法，是指在儀器工作正常的前提下進行的，如果實驗時電路功能測不出來，則應首先檢查供電情況，若電源電壓已加上，便可把有關輸出端直接接到01顯示器上檢查，若邏輯開關無輸出，或單次cp無