模電課程設計直流穩(wěn)壓電源的設計

1、緒論模擬電子技術是一門應用范圍極廣，發(fā)展及其迅速，具有較強實踐性技術基礎課，所以既要加強基礎理論的系統(tǒng)學習，又要加強實踐技術的訓練。通過實驗使學生在實驗方法和實驗技術上得到訓練，進而培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力。在實際工作中，電子技術人員需要分析器件、電路的工作原理；驗證器件、電路的功能；對電路進行調(diào)試、分析，排除電路故障；測試器件、電路的性能指標；設計、制作各種實用電路的樣機。所有這些都離不開實驗。此外，實驗還有一個重要任務，是要培養(yǎng)正確處理數(shù)據(jù)，分析和綜合實驗結(jié)果、檢查和排除故障的能力。同時養(yǎng)成我們勤奮、進取、嚴肅認真、理論聯(lián)系實際的作風和為科學事業(yè)奮斗到底的精神。直流穩(wěn)壓電源的設計是模擬電

2、子技術一個基礎的設計課程，它一般是由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，我們要掌握直流穩(wěn)壓電源的設計方法，研究其設計方案，學習直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和內(nèi)阻的測試方法。第一章 設計課題半導體直流穩(wěn)壓電源的設計和測試1.1 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(nèi)阻測試方法。1.2 設計要求和技術指標1、技術指標：要求電源輸出電壓為39v，輸入電壓為交流220v，最大輸出電流為iomax=200ma，穩(wěn)壓系數(shù)s r5x10-3，電網(wǎng)電壓波動正負10%。2、設計要求（1） 設計一個能輸出39v的直流穩(wěn)壓電源；（2） 要求繪

3、出原理圖，并用protel畫出印制板圖；（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） 在萬能板或面包板上制作一臺直流穩(wěn)壓電源；（5） 測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)；（6） 測量直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻；（7） 擬定測試方案和設計步驟；（8） 寫出設計性報告。1.3 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。第二章 原理分析設計電路框圖如下圖：電源變壓器整流電流濾波電路交流電源穩(wěn)壓電源電源變壓器：將交流電網(wǎng)電壓220v的電壓變?yōu)樗枰牡慕涣麟妷褐祏1；整流電路: 將交流電壓u1變?yōu)槊}動的直流電壓,但此脈動的直流電壓含有較大的紋波；濾

4、波電路:濾除紋波，將脈動直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷?，但這種電壓還隨電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度的變化而變化；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。由對應的的電路輸出波形可看出，輸入的交流電壓經(jīng)過變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓得到比較理想的直流輸出電壓，下面對這幾個部分電路進行設計得到所需的直流電壓。第三章 直流穩(wěn)壓電源電路的設計3.1 整流電路的設計說明：整流電路將交流電變換成直流電，主要靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，下面我們采用單相橋式整流電路。原理?+_ulu1u2+trd4d2d1d3rlil 圖311tr為電源變壓器，將電網(wǎng)電壓u1變成整流要求電壓u2=v2sin wt.當電

5、壓u2在正半周時，d1和d3導通，d2、d4截止,流經(jīng)負載電流方向如圖所示；當電壓u2在負半周時，d2和d4導通，d1、d3截止,流經(jīng)負載電流方向不變，仍與正半周時相同，為全波整流。u2 波形： 圖312負載電壓ul： 圖313負載電壓ul的平均值 vl=2v2/=0.9 v2直流電流為il=0.9 v2/rl3.1.2 參數(shù)計算橋式整流電路中，d1、d3和d2、d4兩輛輪流導通，流經(jīng)每個二極管的平均電流為： id=1/2il=0.45v2/rl當二極管截止時，所承受的最大反向電壓均為u2的最大值： vrm=v2則為防止二極管被燒壞。，應選擇最高反向電壓大于v2的二極管。3.2 濾波電路的設計

6、濾波原理: 交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性, 將電容與負載rl并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負載rl串聯(lián))，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。圖321未加電容時輸出電壓：圖322加電容后輸出電壓：wtuo圖333當rl未接入時，u2向電容充電，充電時時間常數(shù)為=rintc接入負載rl后，由于電容在負載未接入前充了電，二極管電壓小于電容電壓而截止，電容向負載放電，時間常數(shù)為 d=rlc電容濾波電路的特點：(a) ul與rlc的 關系：rlc 愈大 c放電愈

7、慢 ul(平均值)愈大一般?。簉lc(3 5)t/2 (t:電源電壓的周期)近似估算: ul=1.2ul。(b) 流過二極管瞬時電流很大 整流管導電時間越短 id的峰值電流越大(c)輸出特性(外特性) c形濾波純電阻負載ilvlv20.9 v2圖324當rl=，即空載是c值一定，時間常數(shù)d=,有 vlo=v21.4 v2當c=0，無電容時 vlo=0.9v2電容濾波電路的負載電壓vl與v2的關系為 vl=（1.1 1.2）v2結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合，放電時間常數(shù)rc應滿足：rlc(3 5)t/23.3 穩(wěn)壓電路的設計穩(wěn)壓管:w78系列(輸出正電壓

8、)；w79系列(輸出負電壓)。w78系列的基本接線： 圖331其輸出為固定正電壓。若達到設計要求，輸出正負固定電壓，則需用到w78系列和w79 系列，接線如下圖：圖332同時輸出正負電壓。本次設計要求輸出12v及5v，則需要用到四片穩(wěn)壓管：7812、7912、7805和7905，分別輸出12v、12v、5v和5v。第四章 參數(shù)確定4.1 變壓器選擇電源變壓器的效率電源變壓器是將220v，50hz交流電壓降壓后輸出到副邊。=p2/p1 （式41）其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表41所示： 小型變壓器的效率 副邊功率 效率0.60.70.80.85表41因此，

9、當算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。本次設計中取u2=12v,i2=0.5a，變壓器副邊電壓p2i2u2=6w，則=10w為留有余地選擇12v/20w的變壓器。4.2 濾波電容的參數(shù)計算 電路要求最大輸出電流為iomax=500ma，紋波電壓vop-p5mv，穩(wěn)壓系數(shù)sr5%。 濾波電容的容量可由下式估算： c= （式42）式中vip-p穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰-峰值； t電容c放電時間，因為輸入電源周期t=1/f=1/50hz=0.02s。則t= =0.01s； ic電容c放電電流 ，可取ic=iomax，濾波電容c的耐壓值應大于1.4 v2。穩(wěn)壓系數(shù)為：sr= （式43）式中，

10、vo=5v 、vi=12v、vop-p=5mv、sr=0.005則 vi = =2.4v所以濾波電容c= ic t/vip-p = iomax t/vip-p =0.002083f，c的耐壓值應大于1.4 v2。 而在實際制作過程中采用2200f的電容，濾波效果更好，所以此實驗中我們選擇2200f的電容。4.3 穩(wěn)壓器選擇78系列和79系列為固定式三端穩(wěn)壓器，可分別輸出正電壓和負電壓。本次設計要求輸出電壓為12v、5v，因此穩(wěn)壓器我們選擇lm7812、lm7805、lm7912、lm7905，對應的輸出電壓分別為12v、5v、12v、5v。（接線方式已在前說明）4.4 電阻阻值確定采用發(fā)光二極

11、管監(jiān)視電路工作狀態(tài)，流經(jīng)二極管電流大小為3 10 ma,則電阻 r=v/imax 所以 輸出為12v電路上限流電阻為r1=12v/10ma=1.2k 輸出為5v電路上限流電阻為r2=5v/10ma=500,使用標稱值470。第五章 電路仿真5.1 繪制電路圖用仿真軟件multisim繪制半導體直流穩(wěn)壓電源電路如下圖：5.2 仿真結(jié)果及其分析可知按技術指標要求確定的元件參數(shù)，對電路進行仿真后，可得到12v及5v的輸出電壓，但存在較小的誤差。第六章 電路連接及測試6.1 pcb圖1、在protel軟件上畫出設計圖，并導入布線。2、轉(zhuǎn)印、腐蝕在印制板上，焊接相應元器件。6.2 性能指標及測試方法6.

12、2.1 紋波電壓 疊加在輸出電壓vo上的交流分量，一般為mv級?？蓪⑵浞糯蠛螅檬静ㄆ饔^測其峰-峰值vo p-p；6.2.2 穩(wěn)壓系數(shù) 在負載電流io、環(huán)境溫度t不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即穩(wěn)壓系數(shù) sv=測試過程：先調(diào)節(jié)變壓器使輸入電壓增加 10%，即vi=242v，測量此時對應的輸出電壓vo1；再調(diào)節(jié)變壓器使輸入電壓減少 10%，即vi=198v，測量此時對應的輸出電壓vo2，然后再測出vi=220v時對應的輸出電壓vo，則穩(wěn)壓系數(shù)sv=（vo/vo）/（vi/vi） =220/（242-198）（vo1-vo2）/vo仿真結(jié)果：無論輸入電壓是增大還是減小10

13、%的輸出，vo始終為0，那么sv= =vo()=0。6.3 電路焊接將pcb圖打印、腐蝕在印制板上，打孔后進行焊接。焊接注意事項：1、 焊接極性電容時根據(jù)pcb圖注意電容的正負端；2、 發(fā)光二極管陰極接低電位端；3、 焊接時兩焊腳之間注意不要接在一起，以免造成短路；4、 避免虛焊，否則導致元器件沒有接入電路中。半導體直流穩(wěn)壓電源實物圖如下：6.4 電路測試及結(jié)果分析使用萬用表分別測試輸出電壓，檢查結(jié)果是否滿足條件，與理論值相比較，計算相對誤差，并進行誤差分析。測量結(jié)果：1、 穩(wěn)壓管lm7812輸出電壓為v1測= 13.68 v v1理= 12 v相對誤差為=|(13.68-12)/12|100

14、=142、 穩(wěn)壓管lm7912輸出電壓為 v1測= -13.68 v v1理= -12 v相對誤差為=|(-13.68+12)/12|100=143、 穩(wěn)壓管lm7805輸出電壓為 v1測= 5.02 v v1理= 5 v相對誤差為= |（5.02-5)/5|100=0.44、 穩(wěn)壓管lm7905輸出電壓為 v1測= -5.02 v v1理= - 5 v相對誤差為=| (-5.02+5)/5|100=0.4誤差原因分析：由于元器件本身存在內(nèi)阻，及焊接過程中元件受熱時間過長等，造成輸出電壓產(chǎn)生一定的誤差。結(jié)束語通過這次課程設計，我總結(jié)出了如下幾條心得體會：(1)擴大了學生知識面，提高了學生的獲取

15、知識的能力和解決問題的能力。 (2)提高了學生實際工作能力。以應用型人才的培養(yǎng)為主導方向，其畢業(yè)去向則大都為生產(chǎn)、設計、建設、管理等一線崗位，專業(yè)實踐能力的培養(yǎng)與形成成為電信學院教學工作的核心任務，這就奠定了實踐教學在電子、通信專業(yè)教育教學中的重要地位。這種實踐不僅是理論與實踐層面的實踐，而且是與社會生活與生產(chǎn)加工對應的實踐體驗。 (3)提升學生心理素質(zhì)，提高心理承受能力、對失敗和挫折的承受能力。創(chuàng)新性地學習使人的各種心理能力得以高度發(fā)展和充分地表現(xiàn)。(4)突出了學生在教學過程中的能動性，參與教育活動這種能力，學生具有使自己得以全面發(fā)展的渴望和要求。表現(xiàn)出具有較強的主動性、積極性。大學生的主動

16、性、積極性只有充分的發(fā)揮出來教育教學活動中創(chuàng)新思想才能為學生所接受。也可以說，創(chuàng)新是檢驗、評價教育效果的標準，創(chuàng)新也是學生得以充分發(fā)展的重要標志。創(chuàng)新教育的主導作用就在于調(diào)動學生的主體性。大學生學會了自己學習、自己發(fā)展，主觀能動性得到了發(fā)展，也是創(chuàng)新教育的體現(xiàn)。（5）提高了指導教師在創(chuàng)新教育中的引導能力。參考文獻（1）謝自美：電子線路設計實驗測試武漢：華中科技大學出版社，2006年8月（2）胡宴如：模擬電子技術。北京：高教教育出版社，2003年7月（3）康華光：電子技術基礎。北京：高教教育出版社，1999年6月（4） 華容茂、邵曉根、左全生.電路與模擬電子技術教程.北京：電子工業(yè)出版社，2000.（5） 熊幸明、曹才開、王新輝