模电课程设计.docx
- 文档编号:23326429
- 上传时间:2023-05-16
- 格式:DOCX
- 页数:26
- 大小:922.71KB
模电课程设计.docx
《模电课程设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《模电课程设计.docx(26页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
模电课程设计
郑州科技学院
《模拟电子技术》课程设计
题目集成稳压电路
学生姓名韦洋
专业班级自动化一班
学号201042004
院(系)电气工程学院
指导教师赵剑锷
完成时间2012年10月25日
目录
1课程设计的目的1
2课程设计的任务与要求1
3设计方案的选择与论证1
4设计原理及功能说明3
4.1电源变压器4
4.2整流电路5
4.3滤波电路及滤波电容的选择6
4.4稳压电路7
5单元电路的设计9
5.1稳压器的参数计算9
5.2整流二极管的参数计算10
5.3滤波电容的参数计算11
5.4稳压器的选择11
5.5电路总图12
6硬件的制作与仿真12
6.1电源变压器13
6.2整流电路14
6.3滤波电路15
6.4稳压电路16
7设计小结与体会19
参考文献21
附录22
1课程设计的目的
本课程设计目的在于培养同学们自主设计制作的能力,同时学会应用仿真软件对设计电路进行模拟分析。
集成直流稳压电源的设计要求是比较基本的设计,设计要求电源输出三档可调直流电压。
设计中包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分。
通过四部分的组合将220V交流电压转变为设计要求直流电压。
并且用仿真软件进行仿真分析。
培养分析问题解决问题的能力。
掌握常用电子元器件的检测及使用方法,掌握常用仪表的使用方法,通过模拟电子课程设计加深学生对模电的理解,提高其设计能力。
2课程设计的任务与要求
性能指标要求:
输出电压Vo及最大输出电流Iomax(I档Vo=±12V对称输出,Iomax=100mA;II档Vo=+5V,Iomax=300mA;III档Vo=(+3~+9)V连续可调,Iomax=200mA);纹波电压∆Vop–p≤5mV,稳压系数Sv<=0.005.
3设计方案的选择与论证
方案一:
采用LM317、LM337共地可调式三端稳压器电源
LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压,不过它只能允许可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路,输出电压为:
Vo=1.25(1+RP/R)。
LM337输出为负的可调电压,采用两个独立的变压器分别和LM317及LM337组装,操作比较简单。
电路图3-1所示
图3-1LM317与LM337组装电路
方案二:
采用LM7805,LM7812和LM7912组装,LM317共同组成稳压电路
LM7805固定式三端稳压器可输出+5V电压如图3-2,固定式三端可调稳压器LM7812和LM7819组装电路可对称输出±12v,其电路图如图3-3所示.LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压,其电路图如图3-4所示.
图3-2LM7805
图3-3LM7812和LM7912组装
图3-4三端可调式稳压电路
方案的最终选择
方案一的电路由三端可调式稳压器LM317和LM337组装而成,可输出范围为±1.25-±12连续可调,通过对Rw的调整可输出+5V,±12V,(3-9)V连续可调.其电路组装比较简单,但输出所需电压时需要调整可变电阻,不能直接输出,因此使用时不方便.方案二由三端可调式稳压器和三端固定式稳压器共同组成,所用器件比方案一多,但电路组装简单,不会增添麻烦,在方案二中可直接得到+5v和±12的输出电压.使用式比较方便,综上所述,方案二比方案一合理,因此选择方案二
4设计原理及功能说明
集成直流稳压电源由四部分组成:
四部分分别为:
电源变压器,整流电路,滤波电路,稳压电路,方框图4-1
(a)稳压电源组成方框图
(b)整流与稳压波形图
图4-1集成直流稳压电源
4.1电源变压器
电源变压器的效率电源变压器是将220V,50HZ交流电压降压后输出到副边。
其中:
P2是变压器副边的功率,P1是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表1所示:
副边功率
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
表4-1小型变压器的效率
因此,当算出了副边功率P2后,就可以根据上表算出原边功率P1。
例如对本次课程设计原边边电功率为20,由表可知其效率η=0.7,则变压器副功率
为14W。
LM317与LM337输入电压在±(3~40)V,当副边输出电压为±15V时,LM317及LM337都能正常工作。
4.2整流电路
管D1~D4接成电桥的形式,故有桥式整流电路之称。
如图4-2
图4-2桥式整流电路
图4-3桥式整流原理
在v2的正半周,电流从变压器副边线圈的上端流出,只能经过二极管D1流向RL,再由二极管D3流回变压器,所以D1、D3正向导通,D2、D4反偏截止。
在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。
其电流通路可用图中实线箭头表示。
在v2的负半周,其极性与图示相反,电流从变压器副边线圈的下端流出,只能经过二极管D2流向RL,再由二极管D4流回变压器,所以D1、D3反偏截止,D2、D4正向导通。
电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负,与正半周时相同。
其电流通路如图中虚线箭头所示。
综上所述,桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性,将四个二极管分为两组,根据变压器副边电压的极性分别导通,将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连,负极性端与负载电阻的下端相连,使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
结合上述分析,可得桥式整流电路的工作波形如图4-3
4.3滤波电路及滤波电容的选择
无论哪种整流电路,他们的输出电压都含有较大的脉动成分,因此需要采取措施降低电压中的脉动成分,尽量保留其中的直流成分,使输出电压更加平滑更加接近直流电压。
狭义的纹波电压是指直流电压中含有交流成分,我国电压频率是50HZ,所以纹波电压以50HZ多方整数倍计。
取决于整流电路的类型,半波整流取50HZ,全波整流取100HZ,三相半波整流取150HZ,三相全波取300HZ。
电容和电感是最基本的滤波元器件,主要利用电容器两端电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点,将电容和负载电阻或电感器与负载电阻相连。
滤波电路及其原理如下图4-4所示:
图4-4RC滤波电路图4-5RC滤波电路电容滤波电路中
二极管的电流和导通角
为了得到平滑的负载电压,一般取
RLC>=(3~5)T/2
式中T为电源交流电压的周期。
滤波电容的容量可由下式估算:
C=ICt/ΔVip-p
式中ΔVip-p——稳压器输入端纹波电压的峰-峰值;
T——电容C放电时间,t=T/2=0.01S
IC——电容C放电电流,可取IC=Iomax,滤波电容C的耐压值应大于1.4V2。
4.4稳压电路
由于稳压电路发生波动、负载和温度发生变化,滤波电路输出的直流电压会随着变化。
因此,为了维持输出电压稳定不变,还需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素(电网电压、负载、环境温度)等发生变化时,使输出直流电压不受影响,而维持稳定的输出。
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成。
采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。
图4-6三端可调式稳压器及其电路
图4-7三端固定式稳压器
集成稳压器的种类很多,在小功率稳压电源中,普遍使用的是三端稳压器。
按照输出电压类型可分为固定式(图4-6)和可调式(图4-7),此外又可以分为正电压输出和负电压输出两种类型。
按照设计要求本设计要用到可调式三端稳压器。
5单元电路的设计
5.1稳压器的参数计算
集成稳压器的选择:
根据对稳压电源输出电压范围和输出电流的要求,选择稳压器
计算含LM317稳压器电路变压器副边输出电压
由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值(Vi-Vo)min=3V,输入电压与输出电压差的最大值(Vi-Vo)max=40V,故LM317的输入电压范围为:
Vomax+(Vi-Vo)min≤Vi≤Vomin+(Vi-Vo)max
即9V+3V≤Vi≤3V+40V
12V≤Vi≤43V
即稳压器最小输入电压为12V.根据桥式全波整流输出输入电压关系不难确定变压器副边输出应为
V2≥Vimin/1.1=12/1.1=11V
取U2=12V、I2=0.5A
因此变压器副边输出功率为:
P2≥I2V2=6W
P2是变压器副边的功率,P1是变压器原边的功率。
一般小型变压器功率
ŋ=P2/P1
所以变压器原边输入功率为:
P1>=P2/ŋ=10W
为留有余地选择20V/20W的变压器
根据LM7812,LM7805计算变压器副边输出电压型号:
78MXX:
电源变压器将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。
变压器选择主要依据输入输出电压和副边输出功率,在设计和选择变压器时需要考虑它的输出电压U2、I2应满足:
对于容性负载U2与输入电压Ui的关系Uimin/(1.1--1.2)<=U2<=Uimax(1.1--1.2).考虑功耗因素一般取副边电压U2>=Uimin/1.1副边输出电流有效值I2>I0max。
类别:
电源管理类
最大输入电压(V):
35V
输出电压(V):
5.0/12/15
输出最大电流:
0.5A
压差:
2.0V
静态电流:
4mA
封装:
TO-220/D-PAK
7812的输出电压Uo为(5-24)V,最小输入输出压差8V,最大输入输出压差为40V,7812的输入电压范围为:
20V≤Ui≤52V
U2≥Uimin/1.1=18V
取U2=20V,I2=0.5A
变压器副边电压P2≥I2U2=10V
为留有余地同样选择20V/20W变压器
5.2整流二极管的参数计算
整流二极管的选择:
主要考虑反向击穿电压Urm额定工作电流I.
在含稳压器LM317的电路中的二极管选择:
由于二极管最大瞬时反向工作电压Urm>1.414U2=12×1.414=17V
在含稳压器LM7805的电路中的二级管的选择:
由于二极管最大瞬时反向工作电压Urm>1.414×U2=15×1.414=21V
IN4001的反向击穿电压大于50V,额定工作电流I=1A>Iomax.故整流二极管选用IN4001.
5.3滤波电容的参数计算
滤波电容地选择:
滤波电容选择依据纹波电压的频率,同时考虑电容器的耐压。
滤波电容的容量可由下式估算:
C=ICt/ΔVip-p
式中ΔVip-p——稳压器输入端纹波电压的峰-峰值;
T——电容C放电时间,即为纹波电压的周期,t=T/2=0.01S
IC——电容C放电电流,可取IC=Iomax,滤波电容C的耐压值应大于1.4V2。
在本实验中
Sv=ΔVo/Vo/ΔVi/Vi
式中,Vo=9v、Vi=12v、ΔVop-p=5mv、Sv=0.005
则ΔVi=ΔVop-pVi/VoSv=1.4v
所以滤波电容C=ICt/ΔVip-p=Iomaxt/ΔVip-p=0.003636uF
C的耐压值应大于1.4V2=21v。
由于之前模电实验可知,我们在实际制作过程中采用比理论值小的电容同样能达到很好的滤波效果,因此采用2200μF的电容。
5.4稳压器的选择
设计要求输出电压为:
一档要求输出±12V对称输出电压,二档要求输出+5V,三档要求输出(3-9)V连续可调。
稳压器有固定式三端稳压器和可调式三端稳压器。
78××系列和79××系列为固定式三端稳压器,可分别输出正电压和负电压。
7812可输出+12V,7912可输出-12V,二者组装课得到±12V对称输出。
7805可输出+5V电压。
317输出电压范围是(1.2-37)V。
因此稳压器选择LM7812,LM7912,LM7805,LM317.
5.5电路总图
根据元器件参数的计算结果选择适合的元件组成部分电路,并将元件参数标于电路图中。
将个部分电路综合得到可输出三档的集成直流稳压电源电路总图,如图5-1所示。
第一档有含有CW317稳压器的稳压电路,输出电压(3-9)V。
第二档由7812和7912组装而成,输出电压为±12对称输出。
第三档由7805稳压器组成,输出电压+5V。
电路图满足性能指标要求。
图5-1三档集成直流稳压电路
6硬件的制作与仿真
在电子焊接实验室进行电子电路板的焊接,依据电路图在电路板上进行电子元器件的布局和焊接,并进行焊接后的测试。
在电子仿真实验室进行仿真。
6.1电源变压器
在变压器初级接入220V/50HZ的交流电,用示波器观察变压器输入、输出电压Vi、Vo的波形。
仿真后的输出结果如图6-1所示,其中幅度大的为输入电压Vi波形,幅度小的为经电源变压器以后的输出电压Vo的波形。
可见经变压器后220V正弦信号变为所需电压值。
图6-1电源变压器电路
图6-2电源变压器测试波形
6.2整流电路
连接整流电路并串联上电阻,分别用示波器和万用表测量输出电压波形和有效值。
图6-3整流电路
图6-4整流电路波形测量
仿真分析:
如示波器显示所示,桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性,,根据变压器副边电压的极性分别导通,将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连,负极性端与负载电阻的下端相连,使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
6.3滤波电路
在整流滤波电路的基础上加滤波电容,用示波器观察滤波后输出电压的波形并用万用表直流电压档测量输出电压。
图6-5整流滤波电路
图6-6整流滤波电路的测试
由示波器输出波形可知经过滤波后波形为锯齿波输出电压趋于稳定。
6.4稳压电路
连接含有LM7812和LM7912的稳压电路,6-7如图,用示波器检测器输出两端的波形。
图6-7LM7812和LM7912组装电路
图6-8稳压电路输出波形
5V直流稳压电源电路图及仿真
图6-95V直流稳压电源电路
图6-105V直流稳压电源仿真
正负12V直流稳压电源电路及仿真
图6-11正负12V直流稳压电源电路
图6-12正负12V直流稳压电源仿真
7设计小结与体会
第一次做模拟电子课程设计,这对于我来说是一个全新的学习内容。
当老师把课题布置下来之后,我认真的查阅许多资料。
认真了解课程设计的一切相关知识。
确定小组成员之后我们便开始了模拟电子课程设计题目的确定。
为了做到学以致用我们决定做直流稳压电源这个课题。
因为任何电子设备都需要用直流电源供电。
获得直流电源的方法有很多,但是比较经济实用的方法是把交流电源变换成直流电源。
而且在上学期的模拟电子技术这门课中我们系统的学习过直流电源这章内容。
用本次实验的课程设计来验证书本中所学习的内容,不仅能够让我们巩固以前所学习的知识,更能让我们学习到许多课本以外的知识。
课题确定以后就要开始做准备工作了。
首先解决的是工作原理,把220V的交流电变为我们所需要的直流电需要有好几个部分,电源变压,整流电路,滤波电路,稳压电路,最后才到负载,每个部分的电路选择都需要考虑许多方面,例如整流电路是选择单相半波整流电路还是单相全波整流电路,或者是单相桥式整流电路。
这需要综合考虑每种电路的优缺点,以及整体电路的需求。
而关于电子元器件的选择我们更是查阅了许多资料。
材料的选择参数的计算很重要,这直接关系到本次实验能否获得成功。
对于电路的仿真实验,我做了许多摸索,仿真软件我在以前从来没有用过,需要从头学起,经过一段时间的练习能够基本操作仿真软件了。
我们所设计的电路也在仿真软件上仿真成功。
而在实际焊接电子元器件的时候我们遇到了很大的问题。
当我们的电路板焊接好以后进行通电实验结果出现了滤波电容被击穿的现象。
本以为一切实验都会很顺利结果出乎意料。
我们认真检查,小心求证。
最后经过老师的帮助才发现问题的所在。
原来我们的电容引脚正负极接反了。
可见实验来不得半点马虎。
需要严谨的态度。
我们做的正负12V的电压输出结果正12V能够用万用表测得而负12V却测量不出正确的值,我们分析了所有的问题,可还是不能找到问题的所在,最后问了老师,经过多方的探讨才解决了问题。
在问题出现的时候需要认真对待。
认真分析问题出现的原因以及所有可能的因素。
这样才能找到问题的解决办法。
同时在本次实验中我们用到了许多实验仪器,例如万用表,示波器。
以前仪器的使用对于我来说是个很薄弱的环节,现在能在实验中得到练习。
本次模拟电子课程设计,感觉收获很多。
不仅仅学习了专业知识也锻炼了自己的能力同时培养了团队合作的意识体会到了实验的严谨态度。
参考文献
[1]陈晓文.电子线路课程设计【M】.出版地北京:
出版者电子工业出版社.出版年2004.8:
起始页码51页--55页161页--166页
[2]江晓安董秀峰.模拟电子技术(第三版)【M】.出版地西安:
出版者西安电子科技大学出版社.出版年2008.3:
起始页码232页--255页
[3]赵家贵.电子电路(第一版)【M】.出版地北京:
出版者中国计量出版社.出版年2005:
起始页码160页--224页
[4]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛【M】.出版地北京:
出版者电子工业出版社.出版年2007.8.4:
起始页码66页--82页
附录
附录1:
元器件清单
名称
型号
数量
备注
变压器
20V/20W
1
二极管
IN4001
10
IN5819
2
电解电容
50V/2200μF
1
50V/470μF
3
50V/220μF
2
10μF
1
1μF
1
0.33μF
1
0.1μF
1
0.01μF
1
稳压集成器
LM317
1
7805
1
7812和7912
各1
可调电位器
W202/2KΩ
1
附录2:
总体电路原理图
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 课程设计