模電課程設計--直流穩(wěn)壓電源的設計

1、<p><b>　　緒論</b></p><p>　　《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。</p><p>　　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

2、能；對電路進行調試、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。</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源的設計是模擬電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，

3、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)和內阻的測試方法。</p><p><b>　　第一章 設計課題</b></p><p>　　半導體直流穩(wěn)壓電源的設計和測試</p><p><b>　　1.1 設計目的</b></p><p>　　1、 學習直流

4、穩(wěn)壓電源的設計方法；</p><p>　　2、    研究直流穩(wěn)壓電源的設計方案；</p><p>　　3、    掌握直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和內阻測試方法。</p><p>　　1.2 設計要求和技術指標</p><p>　　1、  技術指標：要求電源輸出電壓

5、為3～9V，輸入電壓為交流220V，最大輸出電流為IOmax=200mA，穩(wěn)壓系數(shù)S r<5X10-3，電網電壓波動正負10%。</p><p><b>　　2、  設計要求</b></p><p>　?。?） 設計一個能輸出3～9V的直流穩(wěn)壓電源；</p><p>　?。?） 要求繪出原理圖，并用Protel畫出印制

6、板圖；</p><p>　?。?） 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)，</p><p>　?。?） 在萬能板或面包板上制作一臺直流穩(wěn)壓電源；</p><p>　?。?） 測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)；</p><p>　?。?） 測量直流穩(wěn)壓電源的內阻；</p><p>　　（7） 擬定測試方案和設計步驟

7、；</p><p>　?。?） 寫出設計性報告。</p><p>　　1.3 設計擴展要求</p><p>　?。?）能顯示電源輸出電壓值，00.0-12.0V；</p><p>　?。?）要求有短路過載保護。</p><p><b>　　第二章 原理分析</b></p><

8、;p>　　設計電路框圖如下圖：</p><p>　　電源變壓器：將交流電網電壓220V的電壓變?yōu)樗枰牡慕涣麟妷褐祏1；</p><p>　　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；</p><p>　　濾波電路:濾除紋波，將脈動直流電壓轉變?yōu)槠交闹绷麟妷?，但這種電壓還隨電網</p><p>

9、　　電壓波動、負載和溫度的變化而變化；</p><p>　　穩(wěn)壓電路: 清除電網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。</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源電路的設計</p><p><b>　　整流電路的設計&

10、lt;/b></p><p>　　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導電作用，下面我們采用單相橋式整流電路。</p><p><b>　　原理：</b></p><p><b>　　圖3—1—1</b></p><p>　　Tr為電源變壓器，將電網電壓u1變成整流要求電壓u

11、2=V2sin wt.</p><p>　　當電壓u2在正半周時，D1和D3導通，D2、D4截止,流經負載電流方向如圖所示；</p><p>　　當電壓u2在負半周時，D2和D4導通，D1、D3截止,流經負載電流方向不變，仍與正半周時相同，為全波整流。</p><p>　　u2 波形： </p><p><b

12、>　　圖3—1—2</b></p><p>　　負載電壓uL： </p><p><b>　　圖3—1—3</b></p><p>　　負載電壓uL的平均值 VL=2V2/π=0.9 V2</p><p>　　直流電流為IL=0.9 V2/RL</p>&l

13、t;p>　　3.1.2 參數(shù)計算</p><p>　　橋式整流電路中，D1、D3和D2、D4兩輛輪流導通，流經每個二極管的平均電流為： </p><p>　　ID=1/2IL=0.45V2/RL</p><p>　　當二極管截止時，所承受的最大反向電壓均為u2的最大值：</p><p><b>　　VRM=V2<

14、/b></p><p>　　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。</p><p><b>　　濾波電路的設計</b></p><p>　　濾波原理: 交流電壓經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)

15、(或將電感與負載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。</p><p><b>　　圖3—2—1</b></p><p>　　未加電容時輸出電壓：</p><p><b>　　圖3—2—2</b></p><p><b>　　加電容后輸出

16、電壓：</b></p><p><b>　　圖3—3—3</b></p><p>　　當RL未接入時，u2向電容充電，充電時時間常數(shù)為</p><p><b>　　λ=RintC</b></p><p>　　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

17、向負載放電，時間常數(shù)為</p><p><b>　　λd=RLC</b></p><p>　　電容濾波電路的特點：</p><p>　　(a) uL與RLC的 關系：RLC 愈大 C放電愈慢 uL(平均值)愈大</p><p>　　一般取：RLC≥(3 ~ 5)T/2 (T:電源電壓的周期)近似估算: uL=1.2

18、uL。</p><p>　　(b) 流過二極管瞬時電流很大</p><p>　　整流管導電時間越短 iD的峰值電流越大</p><p>　　(c)輸出特性(外特性)</p><p><b>　　圖3—2—4</b></p><p>　　當RL=∞，即空載是C值一定，時間常數(shù)λd=∞,有<

19、;/p><p>　　VLO=V2≈1.4 V2</p><p><b>　　當C=0，無電容時</b></p><p><b>　　VLO=0.9V2</b></p><p>　　電容濾波電路的負載電壓VL與V2的關系為</p><p>　　VL=（1.1 ~ 1.2）V2<

20、;/p><p>　　結論：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</p><p>　　場合，放電時間常數(shù)RC應滿足：</p><p>　　RLC≥(3 ~ 5)T/2</p><p><b>　　穩(wěn)壓電路的設計</b></p><p>　　穩(wěn)壓管:W78系列(輸出正電壓)；W79

21、系列(輸出負電壓)。</p><p>　　W78系列的基本接線： </p><p><b>　　圖3—3—1</b></p><p>　　其輸出為固定正電壓。</p><p>　　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：</p><p>

22、;<b>　　圖3—3—2</b></p><p><b>　　同時輸出正負電壓。</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　參數(shù)確定&l

23、t;/b></p><p><b>　　4.1 變壓器選擇</b></p><p>　　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。</p><p>　　η=P2/P1 （式4—1）</p><p>　　其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功

24、率。一般小型變壓器的效率如表4—1所示：</p><p><b>　　小型變壓器的效率</b></p><p><b>　　表4—1</b></p><p>　　因此，當算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。</p><p>　　本次設計中取U2=12V,I2=0.5A，變壓器副邊電壓P2≥

25、I2U2=6W，則=10W為留有余地選擇12V/20W的變壓器。</p><p>　　4.2 濾波電容的參數(shù)計算</p><p>　　電路要求最大輸出電流為Iomax=500mA，紋波電壓△VOP-P≤5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤5%。</p><p>　　濾波電容的容量可由下式估算： </p><p>　　C= （式4—2）<

26、;/p><p>　　式中ΔVip-p—穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰-峰值；</p><p>　　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；</p><p>　　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。</p><p><b>　　穩(wěn)壓系數(shù)為：&

27、lt;/b></p><p>　　Sr= （式4—3）</p><p>　　式中，Vo=5V 、Vi=12V、ΔVop-p=5mV、Sr=0.005</p><p>　　則 ΔVi = =2.4V</p><p>　　所以濾波電容C= IC t/ΔVip-p = Iomax t/

28、ΔVip-p =0.002083F，C的耐壓值應大于1.4 V2。</p><p>　　而在實際制作過程中采用2200μF的電容，濾波效果更好，所以此實驗中我們選擇2200μF的電容。</p><p>　　4.3 穩(wěn)壓器選擇</p><p>　　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

29、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）</p><p><b>　　電阻阻值確定</b></p><p>　　采用發(fā)光二極管監(jiān)視電路工作狀態(tài)，流經二極管電流大小為3 ~ 10 mA,</p>

30、<p>　　則電阻 R=V/Imax</p><p>　　所以 輸出為±12V電路上限流電阻為R1=12V/10mA=1.2kΩ</p><p>　　輸出為±5V電路上限流電阻為R2=5V/10mA=500Ω,使用標稱值470Ω。</p><p><b>　　第五章 電路仿真</b></p>&

31、lt;p><b>　　5.1 繪制電路圖</b></p><p>　　用仿真軟件Multisim繪制半導體直流穩(wěn)壓電源電路如下圖：</p><p><b>　　仿真結果及其分析</b></p><p>　　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

32、較小的誤差。</p><p>　　第六章 電路連接及測試</p><p><b>　　6.1 PCB圖</b></p><p>　　1、在Protel軟件上畫出設計圖，并導入布線。</p><p>　　2、轉印、腐蝕在印制板上，焊接相應元器件。</p><p>　　6.2 性能指標及測試方法&l

33、t;/p><p><b>　　紋波電壓</b></p><p>　　疊加在輸出電壓Vo上的交流分量，一般為mV級。可將其放大后，用示波器觀測其峰-峰值ΔVo p-p；</p><p><b>　　穩(wěn)壓系數(shù)</b></p><p>　　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

34、的相對變化，即穩(wěn)壓系數(shù)</p><p><b>　　SV=</b></p><p>　　測試過程：先調節(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)</p><p>　　S

35、V=（△VO/VO）/（△Vi/Vi） </p><p>　　=[220/（242-198）][（VO1-VO2）/VO]</p><p>　　仿真結果：無論輸入電壓是增大還是減小10%的輸出，ΔVo始終為0，那么SV= =ΔVo()=0。</p><p><b>　　6.3 電路焊接</b></p><p>　　將

36、PCB圖打印、腐蝕在印制板上，打孔后進行焊接。</p><p><b>　　焊接注意事項：</b></p><p>　　焊接極性電容時根據(jù)PCB圖注意電容的正負端；</p><p>　　發(fā)光二極管陰極接低電位端；</p><p>　　焊接時兩焊腳之間注意不要接在一起，以免造成短路；</p><p>

37、;　　避免虛焊，否則導致元器件沒有接入電路中。</p><p>　　半導體直流穩(wěn)壓電源實物圖如下：</p><p><b>　　電路測試及結果分析</b></p><p>　　使用萬用表分別測試輸出電壓，檢查結果是否滿足條件，與理論值相比較，計算相對誤差，并進行誤差分析。</p><p><b>　　測量結果：

38、</b></p><p>　　穩(wěn)壓管LM7812輸出電壓為</p><p>　　V1測= 13.68 V</p><p>　　V1理= 12 V</p><p><b>　　相對誤差為</b></p><p>　　ω=|(13.68-12)/12|×100％=14％&

39、lt;/p><p>　　穩(wěn)壓管LM7912輸出電壓為</p><p>　　V1測= -13.68 V</p><p>　　V1理= -12 V</p><p><b>　　相對誤差為</b></p><p>　　ω=|(-13.68+12)/12|×100％=14％</p>

40、;<p>　　穩(wěn)壓管LM7805輸出電壓為</p><p>　　V1測= 5.02 V</p><p>　　V1理= 5 V</p><p><b>　　相對誤差為</b></p><p>　　ω= |（5.02-5)/5|×100％=0.4％</p><p>　　

41、穩(wěn)壓管LM7905輸出電壓為</p><p>　　V1測= -5.02 V</p><p>　　V1理= - 5 V</p><p><b>　　相對誤差為</b></p><p>　　ω=| (-5.02+5)/5|×100％=0.4％</p><p>　　誤差原因分析：由于元

42、器件本身存在內阻，及焊接過程中元件受熱時間過長等，造成輸出電壓產生一定的誤差。</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　通過這次課程設計，我總結出了如下幾條心得體會：</p><p>　　(1)擴大了學生知識面，提高了學生的獲取知識的能力和解決問題的能力。</p><p>　　(2)提高了學生實際

43、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、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加工對應的實踐體驗。 </p><p>　　(3)提升學生心理素質，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

44、充分地表現(xiàn)。</p><p>　　(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)

45、展，也是創(chuàng)新教育的體現(xiàn)。</p><p>　?。?）提高了指導教師在創(chuàng)新教育中的引導能力。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?）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</p><p>　?。?）胡宴如：《模擬電子技術》。北京：高

46、教教育出版社，2003年7月</p><p>　?。?）康華光：《電子技術基礎》。北京：高教教育出版社，1999年6月</p><p>　　（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.</p><p>　?。?） 熊幸明、曹才開、王新輝.《電工電子技能訓練》.北京：電子工業(yè)出版社，2005.</p>&l