模电课程设计直流稳压电源设计Word文档格式.docx
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(5)在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源;
(6)测量直流稳压电源的内阻;
(7)测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压;
(8)撰写设计报告。
3、设计扩展要求
(1)能显示电源输出电压值,00.0-12.0V;
(2)要求有短路过载保护。
4、设计时间及进度安排
设计时间共三周具体安排如下:
(1)阅读课题及格式要求,确定课题名称。
根据课题,借阅相关图书资料;
(2)从所借图书资料中了解电路工作原理,及各部分电路功能;
(3)学习Protel99SE、ProteusISIS、MicrosoftVisio等软件。
(4)运用Protel99SE、ProteusISIS绘制电路图及对电路进行仿真。
(5)根据原理图,对元件进行封装,绘制出PCB图,制作PCB板。
(6)安装元器件和对电源进行调试及测试。
目录
第一章设计步骤和电路形式的确定1
1.1设计步骤1
1.2电路形式的确定2
第二章具体电路的设计及分析3
2.1整流电路设计及其电路原理分析3
2.2.1稳压电路设计及电路原理分析4
2.3电路总体功能说明5
2.3.1选择集成稳压器5
2.3.2电源变压器的选择5
2.3.3选用整流二极管和滤波电容6
第三章电路的仿真测试7
3.1电路基本功能测试7
3.2电路性能测试8
3.2.1稳压系数的测量8
3.2.2输出电阻的测量8
3.2.3纹波电压的测试9
3.3误差分析10
结束语11
附录12
第一章设计步骤和电路形式的确定
1.1设计步骤
稳压电源步骤如下:
1、根据稳压电源的输出电压
、最大输出电流
,确定稳压器的型号及电路形式。
2、根据稳压器的输入电压
的取值,确定电源变压器副边电压
的有效值
,求出变压器的变比n;
根据稳压电源的最大输出电流
,确定流过电源变压器副边的电流
和电源变压器副边的功率
;
根据
,查出变压器的效率η,从而确定电源变压器原边的功率
。
然后根据所确定的参数,选择电源变压器。
3、确定整流二极管的正向平均电流
、整流二极管的最大反向电压
和滤波电容的电容值和耐压值。
根据所确定的参数,选择整流二极管和滤波电容。
4、对电路进行仿真,改进设计。
直流稳压电源稳压过程:
交流变压器将交流电压变换为单向脉动的直流电压;
滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分,使之成为平滑的直流电压;
稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动,负载和温度变化时,维持输出直流电压的稳定。
设计电路框图及稳压波形示意图如图2-1、图2-2所示。
图2-1电路框图
U0U1U2U3U4
图2-2电压变化图
1.2路形式的确定电
本次直流稳压电源的实现科采取两个方案,它们分别是:
采用分立元件实现、采用三端集成稳压器实现。
由文献1可知:
采用分立元件实现的稳压电源结构简单,可用常用分立元器件,容易实现,技术成熟,能够达到技术参数的要求,造价成本低,但是精确度不高。
采用三端集成稳压器实现的稳压电源稳压部分需采用一块三端稳压器其他分立元器件,所需的外围元件少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用方便、可靠、而且价格便宜。
故综合考虑,本次设计的直流稳压电源采用三端集成稳压器实现。
三端集成稳压器的介绍如下:
由电源变压器、整流滤波电路及三端稳压器构成的稳压电路,78XX,79XX系列稳压器具有比较完善的的保护电路,主要用来保护调整管。
它具有过流、过压和过热保护功能。
当输出过流和短路时,过流保护电路动作以限制调整管电流的增加;
过热保护电路是集成稳压器独特的保护功能,当芯片温度较低,过热保护电路不起作用,反之则保护电路迫使输出电流减少,芯片功耗减少,从而避免稳压过热而损坏。
此方案由提高输出电压电路、输出正负电源电路、恒流源电路组成。
注意:
79XX系列集成压器是常用的固定负输出电压的三端集成稳压器,除输入电压和输出电压均为负值外,其他参数和特点与78XX系列集成稳压器相同。
第二章具体电路的设计及分析
2.1整流电路设计及其电路原理分析
由于本次设计要求的输出电压要有正有负,故变压器和整流部分的电路设计如下图所式:
(假设t=0时12端口刚好输入正弦电压)
图2-1-1整流桥的设计
0—T/2时间内:
D2导通,D3截止,u3为(+);
D4导通,D1截止,u4为(-)。
T/2—T时间内:
D2截止,D3导通,u3为(+);
D4截止,D5导通,u4为(-)。
由此,便得到了两列极性相反的脉动波形,如图2-1-2所示。
图2-1-2极性相反的脉动波形
在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路,整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。
在整流电路中,每只二极管所承受的最大反向电压为:
流过每只二极管的平均电流为:
其中:
R为整流滤波电路的负载电阻,它为电容C提供放电通路,放电时间常数RC应满足:
是
交流电压的周期。
2.2.1稳压电路设计及电路原理分析
稳压电路有串联稳压电路和线性集成稳压电路。
而集成稳压电路的外接元件少,有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点。
由前面方案对比,我们选择使用三端集成稳压电路,如图2-2-1所示。
图2-2-1三端集成稳压电路7812
稳压单元包括基准电压、取样电路、比较放大器、调整元件等基本电路和保护电路。
1、基准电压,基准电压UVD的稳定性直接关系到整个稳压电源的稳定性,通常由稳压管电路获得。
2、取样电路,取样电路的作用是将输出电压
按比例取出一部分,作为控制调整元件的依据。
3、比较放大器,由晶体管和集电极电阻组成的比较放大器是一个直流放大器,它对取样电压与基准电压的差值进行放大。
4、调整元器件,是稳压单元的执行元器件,一般由一个工作于线性放大区的功率管构成,它的基极输入电流受比较放大器输出电压的控制。
5、保护电路,为了防止输出端不慎短路或过载而造成调整管损坏,直流稳压电源通常都设计有过流自动保护电路。
2.3电路总体功能说明
直流稳压电源的电路图见附图-2。
我们知道,直流稳压电源的功能,就是将交流220V电压转换为稳定的直流电压输出。
因此,附图-2电路图中,左边交流220V端为输入端,右边
端为输出端,信号处理流程方向为从左到右。
本稳压电源电路可分为2个单元,从左到右依次为:
①以整流二极管
为核心的整流滤波单元,包括交流降压电路、整流电路、滤波电路;
②以
为核心的稳压单元,包括基准电压、取样电路、比较放大器、保护电路;
以上单元电路组成了直流稳压电源的整体电路。
本直流稳压电源总体工作原理是:
交流220V电压经电源变压器降压、整流二极管
桥式整流、电容器C1、C2滤波后,得到有一定纹波的直流电压。
再经由
组成的稳压电路稳压调整后,输出稳定的
直流电压,在经由
直流电压。
附图2便是由设计方案确定的电路图,其中,C1、C2是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压。
电容C7、C8、C12、C13是为了用来改善纹波和抑制输入的过电压,保证
的输入-输出电压不会瞬间超过允许值,电容C3、C4、C5、C6、C9、C10、C12、C13是为了用来实现频率补偿,防止稳压电路产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。
2.3.1选择集成稳压器
集成稳压器选
,其中,
输出电压为:
并取C7、C8、C12、C13的值为470uF;
C3、C4、C9、C10的值为0.33uF;
C5、C6、C12、C13的值为0.1uF。
2.3.2电源变压器的选择
由于7812的输入电压与输出电压差的最小值
,输入电压与输出电压差的最大值
,故7812的输入电压范围为:
即
取
故得变比
,选用三端输出的12V变压器。
2.3.3选用整流二极管和滤波电容
,
IN4001最大整流电流:
1.0A,最大反向电压:
50V,故整流管选用IN4001。
和
可求得:
所以,滤波电容:
电容的耐压要大于
,故滤波电容C取容量
第三章电路的仿真测试
3.1电路基本功能测试
1、按照图2-1-2,在multisim中连接电路,如图3-1-1,做好仿真准备。
图3-1-1仿真电路图
2、仿真开始,打开运行按钮,观察直流电压表示数,并记录读数如表4-3-1
电压表
理论输出
仿真输出
电压表1
+12.000V
+12.017V
电压表2
+5.000V
+5.003V
电压表3
-5.000V
-4.995V
电压表4
-12.000V
-11.972V
表3-1-1电路理论输出与仿真输出数据对比表
由表3-1-1数据对比可以得出,本电源设计电路原理正确,仿真结果与理论数值相差不大。
3.2电路性能测试
3.2.1稳压系数的测量
当连接输出为12V输出端时,按图5-2-1所示连接电路,在
时,测出稳压电源的输出电压
然后使输入电压
,测出稳压电源对应的输出电压
再调节自耦变压器使输入电压
,测出稳压电源的输出电压
则稳压系数为:
接入电压
输出接口
稳压系数
+12V
12.017
12.018
12.006
0.005
-12V
-11.972
-12.035
-12.013
0.008
+5V
5.003
5.002
0.002
-5V
-4.995
-4.953
-4.958
0.004
表3-2-1各输出端稳压系数
3.2.2输出电阻的测量
输出电阻
定义为:
当输入电压UI(指稳压电路输入电压)保持不变,由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比,即
当连接输出为12V输出端时,按图5-2-1所示连接电路,保持稳压电源的输入电压
,在不接负载RL时测出开路电压,此时
,然后接上负载RL,测出输出电压,算出输出电流,则输出电阻为:
同理,可测得输出为-12V、
时的输出电阻,表3-2-2为各组输出电阻值
输出接口
输入电压
12.004
0.026
-11.952
0.040
4.995
0.016
-4.955
-4.962
0.023
表3-2-2各输出端输出电阻值
3.2.3纹波电压的测试
用示波器观察Uo的峰峰值,(此时Y通道输入信号采用交流耦合AC)如图3-2-3,测量ΔUop-p的值分别约为220uV、320uF、200nF、210nF、(+12V、-12V、+5V、-5V)
图3-2-312V和5V时的纹波图
3.3误差分析
综合分析可知在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
①测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;
②电流表内阻串入回路造成的误差;
③测得纹波电压时示波器造成的误差;
④示波器,万用表本身的准确度而造成的系统误差;
改进方法:
1、减小接触点的微小电阻;
2、测得纹波时示波器采用手动同步;
3、采用更高精确度的仪器去检测;
由于万用表、稳压电源、电容、电阻等元器件可能存在不稳定性导致有误差。
另外本人能力有限,可能存在失误的原因。
另外我们使用的变压器仪器的变比得计算采用了理想值可能会对测试准确带来误差。
结束语
一个学期的模电课已经上完了,然而模电的学习并没有结束,通过本次课程设计,我深知本人在理论上和软件操作方面的缺陷,虽然在原来的基础上有所提高,但要达到熟练,还有一定的差距。
在本次的设计中,最开始我采用的本来是可调直流稳压电源,稳压芯片是LM117和LM137但是应最终在仿真的过程中,纹波电压过大,约为100mV,不符合设计要求,
所以,最终我采用的是纹波电压小的三端固定式直流稳压芯片。
在此过程中我更加认识到自身现有知识的局限性,要学的东西还有很多。
而且,在今后的学习中,我更应该注重理论联系实践,用理论来指导实践,用实践来增强对理论的理解。
路漫漫其修远兮,吾将上下而求索!
鸣谢
通过本次设计,我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的性能指标,也让我们认识到在此次电路设计中所存在的问题,而通过不断的努力去解决这些问题,在解决问题的同时也在其中有所收获。
同时我在设计此电路时也付出了不少,虽然电路不够完善,我们已经尽力的去做好了。
在本次课程设计中,光靠个人的力量是不可达到的,在此要谢谢学校给我们这个机会,谢谢同组同学共同努力,同时谢谢老师给与我们悉心的教导,使我们能够顺利的完成此次课程设计,在此我们衷心的感谢、与此同时我们也非常地感谢谢谢学校图书馆给与我们的帮助,谢谢他们使我们顺利地完成了我们的课程设计。
附录
元件清单
元件名称
元件具体参数
变压器
12V交流变压器1个
二极管
整流二极管IN40011个、发光二极管4个
电容
2200uF极性电容2个;
470uF极性电容4个;
0.33uF磁变电容4个;
稳压管
7812、7805、7912、7905各一块
电阻
其他
六角开关1个、插头线1根、4个螺丝、针形插座4个
附图1pcb板图
附2图直流稳压输出电路
参考文献
[1]康华光.电子技术基础模拟部分(第四版).武汉:
高等数学出版社,1988.
[2]杨素行.模拟电子技术基础简明教程(第二版).北京:
高等教育出版社,1998.
[3]谢自美.电子线路设计试验测试(第三版).武汉:
华中理工大学出版社,2005.
[4]网上参考书目:
《电工学》电子工业出板社;
《晶体管直流稳压电源》辽宁科技出板社.
[5]邱关源.电路.陕西:
高等教育出版社,2006.
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- 课程设计 直流 稳压电源 设计