模擬電路課程設(shè)計(jì)---半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和測(cè)試

1、<p>　　模擬電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　設(shè)計(jì)課題：半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和測(cè)試（一）</p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名： *** </p><p>　　學(xué)　　號(hào)：　　***********　　　 </p><p>　

2、　指導(dǎo)教師： *** </p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間： </p><p>　　半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和測(cè)試（一）</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┰O(shè)計(jì)目的</b></p>

3、<p>　　1、學(xué)習(xí)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法；</p><p>　　2、研究直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案；</p><p>　　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；</p><p>　　（二）設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　1、技術(shù)指標(biāo)：要求電源輸出電壓為±12V（或±9V /±5V），

4、輸入電壓為交流220V，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><b>　　2、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　?。?）設(shè)計(jì)一個(gè)能輸出±12V/±9V/±5V的直流穩(wěn)壓電源；</p><p>　?。?）擬定測(cè)試方案和設(shè)計(jì)步驟； </p

5、><p>　　（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)；</p><p>　?。?）要求繪出原理圖，并用Protel畫出印制板圖； </p><p>　?。?）在萬能板或面包板或PCB板上制作一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源；</p><p>　?。?）測(cè)量直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻；</p><p>　　（7）測(cè)量直流穩(wěn)

6、壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)、紋波電壓；</p><p>　?。?）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p><b>　　二、方案設(shè)計(jì)與論證</b></p><p>　　半導(dǎo)體直流穩(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(jì)出不同的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　方案一：簡(jiǎn)單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電源 并聯(lián)型穩(wěn)壓電源的調(diào)

7、整元件與負(fù)載并聯(lián)，因而具有極低的輸出電阻，動(dòng)態(tài)特 性好，電路簡(jiǎn)單，并具有自動(dòng)保護(hù)功能；負(fù)載短路時(shí)調(diào)整管截止，可靠性高，但效 率低，尤其是在小電流時(shí)調(diào)整管需承受很大的電流，損耗過大，因此在本實(shí)驗(yàn)中此 方案不適合。 </p><p>　　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(shí) 現(xiàn)短路保護(hù)與過流保護(hù)，但是電路比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)繁瑣，在低輸出電壓時(shí)開關(guān)頻率 低，紋波大

8、，穩(wěn)定度極差，因此在本實(shí)驗(yàn)中此方案不適合。 </p><p>　　方案三：由固定式三端穩(wěn)壓器（7812、7912）組成</p><p>　　由固定式三端穩(wěn)壓器（7812、7912）輸出腳 V0、輸入腳 Vi 和接地腳 GND 組成， 它的穩(wěn)壓值為+12V 和-12V，它屬于 CW78**和 CW79**系列的穩(wěn)壓器，輸入端接電容 可以進(jìn)一步濾波，輸出端接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響，此電路比

9、較穩(wěn)定。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，本實(shí)驗(yàn)采用方案三。</p><p>　　任務(wù)書要求輸入 220 伏的交流電，輸出為正負(fù)12V、9V、5V 的穩(wěn)壓直流電，則 首先應(yīng)該進(jìn)行降壓處理，然后要對(duì)降壓后的交流電進(jìn)行整流，再其次是對(duì)含有交流成 分的脈動(dòng)直流電進(jìn)行濾波處理，最后對(duì)直流點(diǎn)進(jìn)行最后的穩(wěn)壓處理。 </p><p>　?。ㄒ唬┙祲旱倪^程，直接選用實(shí)物降壓器進(jìn)行降壓，并且要根據(jù)電路中所

10、需的合 適電壓適當(dāng)選擇降壓器，具體情況根據(jù)實(shí)際需求而定。在此次我們選用的是 12V 變壓 器。 </p><p>　?。ǘ┤缓笫钦鬟^程，自然而然選擇了優(yōu)點(diǎn)突出的橋式整流電路，它由 4 只二 極管構(gòu)成，連接方法此不做說明，在以后的原理圖中將做詳細(xì)的說明。 </p><p>　　（三）對(duì)于濾波過程，我們用電容濾波電路來實(shí)現(xiàn)，它的方法是在橋式整流電路 輸出端并聯(lián)一個(gè)較大的電容 C 來構(gòu)成一個(gè)

11、電容濾波電路。 </p><p>　?。ㄋ模┳詈蟮姆€(wěn)壓器選擇，我們選擇了集成電路，又根據(jù)任務(wù)書中的提示，選擇 了三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器， 它主要由 LM317 芯片和兩個(gè)電解電容以及兩個(gè)二極管和 若干電阻和電容構(gòu)成，具體不再介紹，后面的原理圖將會(huì)給出三端可調(diào)輸出集成電路 的構(gòu)成圖。 </p><p>　　(五) 直流穩(wěn)壓電源也可由硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路來實(shí)現(xiàn)，下面僅做簡(jiǎn)單的論 述，本次課程設(shè)

12、計(jì)主要論述三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器。 硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號(hào)如圖 1 所示。</p><p>　　濾波電路：將脈動(dòng)的直流電變成平滑的直流電。</p><p>　　穩(wěn)壓電路：抑制電網(wǎng)電壓和整流電路負(fù)載的變化引起的輸出電壓變化，將平滑的 直流電變成穩(wěn)定的直流電。 </p><p>　　1．硅穩(wěn)壓二極管的特性</p><p>　　(1) 穩(wěn)壓管工作

13、在反向擊穿狀態(tài)。 </p><p>　　(2) 當(dāng)工作電流 I Z 滿足 I A < I Z < I B 條件時(shí)，穩(wěn)壓管兩端電壓 VZ 幾乎不變。 </p><p>　　2．穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) </p><p>　　(1) 穩(wěn)定電壓 VZ ——穩(wěn)壓管在規(guī)定電流下的反向擊穿電壓。 </p><p>　　(2) 穩(wěn)定電流 IZ——穩(wěn)

14、壓管在穩(wěn)定電壓下的工作電流。</p><p>　　(3) 最大穩(wěn)定電流 IZmax——穩(wěn)壓管允許長(zhǎng)期通過的最大反向電流。</p><p>　　(4) 動(dòng) 態(tài) 電 阻 rZ — — 穩(wěn) 壓 管 兩 端 電 壓 變 化 量 與 電 流 變 化 量 的 比 值 ， 即rZ????VZ/?IZ。此值越小，管子穩(wěn)壓性能越好。</p><p>　　圖 1 硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符

15、號(hào)</p><p>　　3．穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理</p><p>　　(1) 電路圖 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖 2 所示。V 為穩(wěn)壓管，起電流調(diào)整作用；R 為限流電阻，起電壓調(diào)整作 用。 </p><p>　　(2) 電路的穩(wěn)壓過程： VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑</p><p>　　(3) 應(yīng)用：小功率場(chǎng)合。</p>

16、<p>　　圖2硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號(hào)</p><p>　　電路優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便；缺點(diǎn)是輸出電流較小、輸出電壓固定，穩(wěn)壓性能較差。因此， 只適用于小型電子設(shè)備。 </p><p>　　4）電路圖見下圖，如圖 3 所示：</p><p>　　圖 3 硅穩(wěn)壓電路圖</p><p>　?。?）穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如上圖所示。Dz 為穩(wěn)

17、壓管，起電流調(diào)整作用；R 為限流電阻 ，起電壓 調(diào)整作用。</p><p>　　(2) 電路的穩(wěn)壓過程： VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑ 5）測(cè)量硅穩(wěn)壓管兩端電壓 得 6.33v 用開短路法測(cè)得測(cè)量硅穩(wěn)壓管兩端電流、電阻分別為： 59.8mA 106Ω</p><p>　　三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算</p><p>　　1、設(shè)計(jì)電路框圖如圖所示</p&

18、gt;<p>　　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。</p><p>　　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Δvo，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=ΔVoVI/ΔVIVO。</p><p>　　測(cè)量?jī)?nèi)阻：在輸入

19、交流為220V，分別測(cè)得負(fù)載電流為0及最大值時(shí)的ΔVo，ro=ΔVO/ΔIL。</p><p>　　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?，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。</p><p>　　四、總原理圖及元器件清單</p><p><

20、b>　　1．總原理圖</b></p><p><b>　　2．元件清單</b></p><p><b>　　五、安裝與調(diào)試</b></p><p><b>　　1 靜態(tài)調(diào)試</b></p><p>　　當(dāng)連好電路板的線路時(shí)，先不要急著通電，而因該從以下幾個(gè)方面

21、進(jìn)行檢測(cè)： A、對(duì)照原理圖，用萬用表一一檢查線路的各個(gè)接口是否接通，是否有短路、斷 路或漏接的現(xiàn)象，如果有，因該及時(shí)改好電路連線。 B、對(duì)照原理圖，檢查各元件是否接正確。</p><p><b>　　2 動(dòng)態(tài)調(diào)試</b></p><p>　　a、穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)的測(cè)試</p><p>　　1） 、輸出電壓的測(cè)量 接通 220V 的電源，用數(shù)字

22、萬用表對(duì)所設(shè)計(jì)的電路實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，得到正源輸 出電壓為+10.50V，負(fù)電源輸出電壓為-10.48V。</p><p>　　2） 、內(nèi)阻的測(cè)量 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</p><p>　　IA+=0.22A， VO+=10.50V IA-=0.218A， VO-=10.48V </p>&

23、lt;p>　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得電源內(nèi)阻為： r+=VO+∕IA+ =10.50V/0.22A = 47.70Ω r-=VO-／IA- =10.48V/0.218A =48.01Ω </p><p>　　3） 、穩(wěn)壓系數(shù)的測(cè)量 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，輸入電壓的相對(duì)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） Sr 的測(cè)量電路如

24、圖 5 所示： IO=常數(shù)，T=常數(shù)</p><p><b>　　圖5</b></p><p><b>　　六、性能測(cè)試與分析</b></p><p>　　a.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

25、，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) </p><p>　　Sr=（△VO/VO）/（△Vi/Vi） =[220/（242-198）][（VO1-VO2）/VO]</p><p>　　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：</p><p>　　當(dāng) Vi=198V 時(shí)，測(cè)得數(shù)據(jù)為： VO1

26、+=10.12 V， V01-=10.09V</p><p>　　當(dāng) Vi=242V 時(shí)，測(cè)得數(shù)據(jù)為： VO2+=10.14V， VO2-=10.11V</p><p>　　當(dāng) Vi=220V 時(shí)，測(cè)得數(shù)據(jù)為： VO+=10.00V， VO-=9.98V 由以上所測(cè)數(shù)據(jù)，可得穩(wěn)壓系數(shù)為： Sr + =（△VO+/VO+）/（△Vi/Vi）</p><p>　　=[2

27、20/（242-198）][（VO1+-VO2+）/VO+] </p><p><b>　　≈0.00167</b></p><p>　　Sr - =（△VO-/VO-）/（△Vi/Vi）</p><p>　　=[220/（242-198）][（VO1--VO2-）/VO-] </p><p><b>　　≈0

28、.00168 </b></p><p><b>　　b、誤差分析</b></p><p><b>　　1）誤差計(jì)算 </b></p><p>　　+Vcc%=（12.00-10.50）/12.00=12.5% </p><p>　　-Vcc%=︱10.48-12.00︱/12.00=12

29、.67% </p><p><b>　　2）誤差原因 </b></p><p>　　綜合分析可以知道在測(cè)試電路的過程中可能帶來的誤差因素有:</p><p>　　a)元件本身存在誤差；</p><p>　　b)焊接時(shí)，焊接點(diǎn)存在微小電阻；</p><p>　　c)萬用表本身的準(zhǔn)確度而造成的系統(tǒng)誤差

30、；</p><p>　　d)測(cè)量方法造成的認(rèn)為誤差。</p><p>　　調(diào)試中注意事項(xiàng): 調(diào)試結(jié)果是否正確，很大程度受測(cè)量正確與否和測(cè)量精度的影響。為了保證高 度準(zhǔn)確的效果，必須減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。為此，需注意以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1.正確使用測(cè)量?jī)x器的接地端</p><p>　　凡是使用低端接機(jī)殼的電子儀器進(jìn)行測(cè)量，儀器

31、的接地端應(yīng)和儀器的接地端接 在一起，否則儀器機(jī)殼引入的干擾不但會(huì)使儀器的工作狀態(tài)發(fā)生變化，而且將使測(cè) 量結(jié)果出現(xiàn)誤差。若使用干電池的萬用表進(jìn)行測(cè)量，由于電表的兩個(gè)輸入端是浮動(dòng) 工作的，所以允許直接跨接在測(cè)量點(diǎn)之間。</p><p><b>　　2.正確選擇測(cè)量點(diǎn)</b></p><p>　　用同一臺(tái)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量點(diǎn)不同，儀器內(nèi)部引進(jìn)的誤差大小將不同。</

32、p><p>　　3.測(cè)量方法要方便可行</p><p>　　需要測(cè)量電路的電流時(shí)，一般盡可能測(cè)電壓而不測(cè)電流，因?yàn)闇y(cè)電壓不必改 動(dòng)被測(cè)電路，測(cè)量方便。若需知道某一支路的電流值，可以通過測(cè)該支路上電阻 兩端的電壓，經(jīng)過換算而得到。</p><p><b>　　七、結(jié)論與心得</b></p><p>　　很榮幸這個(gè)學(xué)期我們專業(yè)開

33、設(shè)了本次課程設(shè)計(jì)的課程，這一次的設(shè)計(jì)對(duì)于我來 說都是一種考驗(yàn)。也為了我以后能設(shè)計(jì)出更多更好的電子產(chǎn)品打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 現(xiàn)代社會(huì)是一個(gè)電子盛行的社會(huì)。隨著現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于我 們新一代的電子設(shè)計(jì)人才來說是一種挑戰(zhàn)， 也是一種機(jī)遇。 會(huì)更加激發(fā)我們的斗志！ 在這次課程設(shè)計(jì)中,我學(xué)到了在課本上學(xué)習(xí)不到的東西,進(jìn)一步的了解和熟練 了 Protel 制作原理圖,并且學(xué)會(huì)了在 Protel 里怎樣繪制元器件和怎么把所繪制的 元器件放入

34、元件庫(kù)。學(xué)會(huì)了各元件的功能分析及元件內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)。在動(dòng)手技能 方面有了很大進(jìn)步，也知道了理論知識(shí)的重要性，在沒有理論知識(shí)的條件下，你又 沒有經(jīng)驗(yàn)，你是很難做好這次課程設(shè)計(jì)的。我們這次課程設(shè)計(jì)要有理論知識(shí)后，動(dòng)手的時(shí)候就快了許多。在做的時(shí)候，布線是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，如果你布線整齊、 美觀就給別人留下了好的第一感覺。 通過這學(xué)期的模電課程設(shè)計(jì)，使我從中受益匪淺，我認(rèn)識(shí)到了自己的以前許多許 多的不足和缺點(diǎn)。我明白了要想把理論和實(shí)際，還是有一

35、定距離的。我懂得了一個(gè)實(shí) 用的實(shí)物來，并不是自己想象中的那樣簡(jiǎn)單。</p><p><b>　　八、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《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；</p><p>　　《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</p><p>　　《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》高等教育出