半导体直流稳压电源的设计和测试课程设计1.docx
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半导体直流稳压电源的设计和测试课程设计1
模拟电路课程设计
学校代码:
10184
学号:
2084020313
前言
学生姓名:
朱麒任
学院:
工学院
年级:
09级
专业:
通信工程
学号:
2094021502
六原理图·····························································15
七主要元器件和工具············································16
八调整与测试·······················································17
九心得体会···························································19
十参考文献··························································19
设计任务
半导体直流稳压电源的设计和测试
(一)设计目的
1、学习直流稳压电源的设计方法;
2、研究直流稳压电源的设计方案;
3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法;
(二)设计要求和技术指标
1、技术指标:
要求电源输出电压为±12V(或±9V/±5V),输入电压为交流220V,最大输出电流为Iomax=500mA,纹波电压△VOP-P≤5mV,稳压系数Sr≤5%。
2、设计要求
(1)设计一个能输出±12V/±9V/±5V的直流稳压电源;
(2)拟定测试方案和设计步骤;
(3)根据设计要求和技术指标设计好电路,选好元件及参数;
(4)要求绘出原理图,并用Protel、Visio画出印制板图;
(5)测量直流稳压电源的内阻;
(6)测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压;
(7)撰写设计报告。
(三)设计提示
1、设计电路框图如图所示
图直流稳压电源电路结构框图
稳压电路若使用分离元件要有取样、放大、比较和调整四个环节,晶体管选用3DD或3DG等型号;若用集成电路选78XX和79XX稳压器。
测量稳压系数:
在负载电流为最大时,分别测得输入交流比220V增大和减小10%的输出Δvo,并将其中最大一个代入公式计算Sr,
当负载不变时,Sr=ΔVoVI/ΔVIVO。
测量内阻:
在输入交流为220V,分别测得负载电流为0及最大值时的ΔVo,ro=ΔVO/ΔIL。
纹波电压测量:
叠加在输出电压上的交流分量,一般为mV级。
可将其放大后,用示波器观测其峰-峰值△VOP-P;用可用交流毫伏表测量其有效值△VO,由于纹波电压不是正弦波,所以用有效值衡量存在一定误差。
2、实验仪器设备
自耦变压器一台、数字万用表、交流毫伏表、面包板或万能板、智能电工实验台、示波器
3、设计用主要器件
变压器、整流二极管、集成稳压器(7812/7912/7809/7909/7805/7905)、电容、电阻若干
3、参考书
《电工学》电子工业出版社;《晶体管直流稳压电源》辽宁科技出版社;
《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社
《模拟电子技术基础》高等教育出版社
……………
(四)设计报告要求
1、选定设计方案;
2、拟出设计步骤,画出电路,分析并计算主要元件参数值;
3、列出测试数据表格。
4、调试总结。
(五)设计总结
1、总结直流稳压电源的设计方法和运用到的主要知识点,对设计方案进行比较。
2、总结直流稳压电源主要参数的测试方法。
方案的选择及论证
半导体直流稳压电源主要由滤波电路、稳压电路决定,采用不同的滤波电路、稳压电路可以设计出不同的设计方案。
方案一:
简单的并联型稳压电源
并联型稳压电源的调整元件与负载并联,因而具有极低的输出电阻,动态特性好,电路简单,并具有自动保护功能;负载短路时调整管截止,可靠性高,但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流,损耗过大,因此在本实验中此方案不适合。
方案二:
输出可调的开关电源;
开关电源的功能元件工作在开关状态,因而效率高,输出功率大;且容易实现短路保护与过流保护,但是电路比较复杂,设计繁琐,在低输出电压时开关频率低,纹波大,稳定度极差,因此在本实验中此方案不适合。
案三:
由固定式三端稳压器(7812、7912)组成
由固定式三端稳压器(7812、7912)输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+12V和-12V,它属于CW78**和CW79**系列的稳压器,输入端接电容可以进一步滤波,输出端接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路比较稳定。
根据实验设计要求,本实验采用方案三。
任务书要求输入220伏的交流电,输出为正负12V、9V、5V的稳压直流电,则首先应该进行降压处理,然后要对降压后的交流电进行整流,再其次是对含有交流成分的脉动直流电进行滤波处理,最后对直流点进行最后的稳压处理。
(一)降压的过程,直接选用实物降压器进行降压,并且要根据电路中所需的合适电压适当选择降压器,具体情况根据实际需求而定。
在此次我们选用的是12V变压器。
4)电路图见下图,如图3所示:
图3硅稳压电路图
(1)稳压管稳压电路如上图所示。
Dz为稳压管,起电流调整作用;R为限流电阻,起电压调整作用。
(2)电路的稳压过程:
VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑
5)测量硅稳压管两端电压得6.33v
用开短路法测得测量硅稳压管两端电流、电阻分别为:
59.8mA106Ω
原理分析
1.直流稳压电源的基本原理
流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成,基本框图如图2直
图2直流稳压电源基本框架图
各部分的作用:
(1)电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η,式中η是变压器的效率。
(2)整流滤波电路:
整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的纹波成分,输出纹波较小的直流电压U1。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
图3全波整流滤波
图4桥式整流滤波
各滤波电容C满足RL-C=(3~5)T/2,或中T为输入交流信号周期,RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
图5等效电路图
(3)三端集成稳压器:
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。
常用可调式正压集成稳压器有LM317系列,它们的输出电压从1.25V-37伏可调,最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。
其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护,最大输出电流为1.5A。
其典型电路如图6所示,其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器,输出电压Uo的表达式为:
Uo=1.25(1+R2/R1)
式中R1一般取120-240欧姆,输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压(典型值为1.25V)。
图6LM317系列电路图
2.稳压电流的性能指标及测试方法
稳压电源的技术指标分为两种:
一种是特性指标,包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等;另一种是质量指标,用来衡量输出直流电压的稳定程度,包括稳压系数(或电压调整率)、输出电阻(或电流调整率)、纹波电压(纹波系数)及温度系数。
测试电路如图7。
图7 稳压电源性能指标测试电路
(1)纹波电压:
叠加在输出电压上的交流电压分量。
用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。
也可用交流毫伏表测量其有效值,但因纹波不是正弦波,所以有一定的误差。
(2)稳压系数:
在负载电流、环境温度不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。
(3)电压调整率:
输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量,稳压系数和
电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响,因此只需测试其中之一即可。
(4)输出电阻及电流调整率
输出电阻与放大器的输出电阻相同,其值为当输入电压不变时,输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值.电流调整率:
输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。
输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响,因此也只需测试其中之一即可。
参数选择及数据处理
一.数据的选择
1、根据三端可调试输出集成稳压器的特点:
当输入电压为2~40伏范围内变化是,电路均能正常工作,并且输出端与调整端之间的电压等于基准电压1.25伏,而整流电路的输出端电压平均值U=0.9U2,即0.9U2在2~40伏间取,所以可取的输出电压为12伏的降压器。
2、对于滤波电路电容的选取:
可由纹波电压VOP-P和稳压系数SV来确定。
已知,Vo=9V,Vi=12V,△Vop-p=5mA,SV=3×10-3.则由式
由式
得滤波电容,
电容C的耐压应大于
。
故取2只2200μF/25V的电容相并联。
3、稳压器内部设计满足:
选可调式三端稳压器LM317,其特性参数Vo=1.2V~37V,Iomax=1.5A,最小输入、输出压差(Vi—Vo)max=40V。
组成的稳压电源电路,由式得Vo=1.25(1+RP1/R1),取R1=240Ω,则RP1min=336Ω,RP1max=1.49kΩ,故取RP1为4.7KΩ的精密线绕可调电位器。
4、其它元器件的作用:
V用于防止短路时C2通过调整端放电而损坏稳压器;C2用于减少输出纹波电压。
R2用于调节输出电压大小。
二.电路的调试与检测
1静态调试
当连好电路板的线路时,先不要急着通电,而因该从以下几个方面进行检测:
A、对照原理图,用万用表一一检查线路的各个接口是否接通,是否有短路、断路或漏接的现象,如果有,因该及时改好电路连线。
B、对照原理图,检查各元件是否接正确。
2动态调试
a、稳压电源的性能指标的测试
1)、输出电压的测量
接通220V的电源,用数字万用表对所设计的电路实物进行测试,得到正源输出电压为+10.50V,负电源输出电压为-10.48V。
2)、内阻的测量
在输入交流为220V,分别测得负载电流为0及最大值时的△VO,即用开短路法可测得电源内阻。
测得数据如下:
IA+=0.22A,VO+=10.50V
IA-=0.218A,VO-=10.48V
根据以上数据可得电源内阻为:
r+=VO+∕IA+=10.50V/0.22A=47.70Ω
r-=VO-/IA-=10.48V/0.218A=48.01Ω
3)、稳压系数的测量
稳压系数是指在负载电流I0、环境温度T不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化,即稳压系数
Sr=(△VO/VO)/(△VI/VI)IO=常数,T=常数
Sr的测量电路如图5所示:
图5
测试过程是:
先调节自耦变压器使输入电压增加10%,即Vi=242V,测量此时对应的输出电压VO1;再调节自耦变压器使输入电压减少10%,即Vi=198V,测量此时对应的输出电压VO2,然后再测出Vi=220V时对应的输出电压VO,则稳压系数
Sr=(△VO/VO)/(△Vi/Vi)
=[220/(242-198)][(VO1-VO2)/VO]
根据上述测量方法,可对正负双电源进行测试,测试数据如下:
当Vi=198V时,测得数据为:
VO1+=10.12V,V01-=10.09V
当Vi=242V时,测得数据为:
VO2+=10.14V,VO2-=10.11V
当Vi=220V时,测得数据为:
VO+=10.00V,VO-=9.98V
由以上所测数据,可得稳压系数为:
Sr+=(△VO+/VO+)/(△Vi/Vi)
=[220/(242-198)][(VO1+-VO2+)/VO+]
≈0.00167
Sr-=(△VO-/VO-)/(△Vi/Vi)
=[220/(242-198)][(VO1--VO2-)/VO-]
≈0.00168
b、误差分析
1)、误差计算
+Vcc%=(12.00-10.50)/12.00=12.5%
-Vcc%=︱10.48-12.00︱/12.00=12.67%
2)、误差原因
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
a)元件本身存在误差;
b)焊接时,焊接点存在微小电阻;
c)万用表本身的准确度而造成的系统误差;
d)测量方法造成的认为误差。
5.3调试中注意事项
调试结果是否正确,很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。
为了保证高度准确的效果,必须减小测量误差,提高测量精度。
为此,需注意以下几点:
1.正确使用测量仪器的接地端
凡是使用低端接机壳的电子仪器进行测量,仪器的接地端应和仪器的接地端接在一起,否则仪器机壳引入的干扰不但会使仪器的工作状态发生变化,而且将使测量结果出现误差。
若使用干电池的万用表进行测量,由于电表的两个输入端是浮动工作的,所以允许直接跨接在测量点之间。
2.正确选择测量点
用同一台测量仪进行测量时,测量点不同,仪器内部引进的误差大小将不同。
3.测量方法要方便可行
需要测量电路的电流时,一般尽可能测电压而不测电流,因为测电压不必改动被测电路,测量方便。
若需知道某一支路的电流值,可以通过测该支路上电阻两端的电压,经过换算而得到。
原理图
主要元器件及工具
元器件
12伏变压器一个
万用电板一块
电源芯片317一片二极管一个
电容:
0.1μF,1μF,10μF各一个,2200μF两个。
电阻:
阻值为240Ω一个;
滑动变阻器幅值为4.7kΩ,18Ω各一个;
桥式整荡器一个插头一个导线若干
工具:
尖嘴钳、斜口钳、镊子、刀子;
烙铁、烙铁架;
万用表。
调整与测试
(一).在通电前认真检查安装电路,必须对电路进行以下事项的检查:
(1)、电源变压器的绝缘电阻进行检测,以防止变压器漏电。
一般用兆欧表进行检测,也可以用万用表。
(2)、电源变压器的一次和二次绕组不能搞错,否则将会造成变压器损坏或电源故障。
(3)、三端稳压器的输入、输出和公共一定要识别清楚,不能搞错。
特别是公共端不能开路,如果开路,很可能导致负载损坏。
(4)、二极管的引脚(或整流桥的引脚)和滤波电容器的极性不能接反,否则将会损坏元器件。
(5)、检查负载端不应该有短路现象。
(二)、直流稳压电源的调整测试一般分为三步进行,空载检查测试、加载检查测试和质量指标测试。
1、空载检查测试
(1)将变压器的输出端的正极端断开,用万用表测量变压器的二次交流电压值,其值应符合设计值。
然后检查变压器的温升。
若电压器性能正常,则可以进行下一步测试。
(2)变压器的正极输出段接上,而将整流器的正极输出端断开,接通电源,观察电路有无异常。
然后用万用表测滤波电路输出电压U1,其值应接近于1.4U2。
否则短开电源检查再通电测试。
(3)开负载,通电后测试输出电压UO,其变化范围应为设计值。
最后进行稳压器输出、输入端的电压差,其值应大于最小电压差。
2、负载检查测试
下面进行接负载检测,接负载测试U2、U1、UO的大小,观察其是否符合设计值,并根据UI、UO及负载电流IO核算集成稳压电路的功耗是否小于规定值。
然后用滤波器观察稳压器输入输出端的纹波电压。
此外还可检查桥式整流电路四只二极管特性是否一致。
3、质量指标测试
(1)电压调率SU的测试
由于支流稳压电源的电压调率都比较小,若要准确测试输出电压的变化量,则要采用数字式电压表,也可用万用表的小量程测试。
为调节交流输入电压,支流稳压电源输入段可接入一自耦变压器。
调节自耦变压使UI等于220伏,调节电源及负载RL使IO、UO为额定值,然后调节自耦变压,使UI等于242伏和198伏,并测出电影的输出电压UO,得到关于变化量UO。
SU=(△UO/UO)/△UI×100%,且△IO=0△T=0,SU=65%
(2)电流调整率SI及输出电阻RO的测试
使UI位220伏,分别测量RL=0和RL为额定值的电压,将对应的输出电压变化量和负载变化量带入公式,即可得SI和RO.测得SI=68%,RO=0.067欧
(3)纹波电压的测试
使UI为220伏并保持不变,在额定输出电压或额定输
出电流的情况下,用示波器测出输出电压中纹波电压的峰值。
心得体会
很荣幸这个学期我们专业开设了本次课程设计的课程,这一次的设计对于我来说都是一种考验。
也为了我以后能设计出更多更好的电子产品打下坚实的基础。
现代社会是一个电子盛行的社会。
随着现代电子设计技术的不断发展,对于我们新一代的电子设计人才来说是一种挑战,也是一种机遇。
会更加激发我们的斗志!
在这次课程设计中,我学到了在课本上学习不到的东西,进一步的了解和熟练了Protel制作原理图,并且学会了在Protel里怎样绘制元器件和怎么把所绘制的元器件放入元件库。
学会了各元件的功能分析及元件内部电路的结构。
在动手技能方面有了很大进步,也知道了理论知识的重要性,在没有理论知识的条件下,你又没有经验,你是很难做好这次课程设计的。
我们这次课程设计要有理论知识后,动手的时候就快了许多。
在做的时候,布线是一个很重要的环节,如果你布线整齐、美观就给别人留下了好的第一感觉。
通过这学期的模电课程设计,使我从中受益匪浅,我认识到了自己的以前许多许多的不足和缺点。
我明白了要想把理论和实际,还是有一定距离的。
我懂得了一个实用的实物来,并不是自己想象中的那样简单。
参考文献
[1]《电工学》电子工业出版社;《晶体管直流稳压电源》辽宁科技出版社。
[2]《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社
[3]《模拟电子技术基础》高等教育出版社
[4]熊幸明、曹才开、王新辉.电工电子技能训练.北京:
电子工业出版社,2005.
[5]彭介华.电子技术课程设计指导.北京:
高教出版社,2002.
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- 半导体 直流 稳压电源 设计 测试 课程设计
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