自动化专业课程设计（论文）-半导体直流稳压电源的设计.doc

电气与信息工程系 自动化本科0802班湖南工学院课程设计说明书课题名称：半导体直流稳压电源的设计专业名称：自动化专业学生班级：自动化本科0802班学生姓名：指导教师： 电气与信息工程系课程设计任务书一、设计题目:半导体直流稳压电源的设计和测试 二、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；三、设计任务及要求1、技术指标：要求电源输出电压为12v和5v，输入电压为交流220v，最大输出电流为iomax=500ma，纹波电压vop-p5mv，稳压系数sr5%。2、设计基本要求（1） 设计一个能输出12v/9v/5v的直流稳压电源；（2） 拟定设计步骤和测试方案； （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画出印制板图； （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。目录课程设计任务书-2第1章：系统电路设计1.1绪论-41.2直流电源的组成-5 1.2.1直流稳压电源结构图和稳压过程-51.3各部分电路的作用和原理-5 1.3.1电源变压器-5 1.3.2整流电路-5 1.3.3滤波电路-6 1.3.4稳压电路-71.4设计方案的选择-8 1.4.1技术指标及要求-8 1.4.2试验设备与元器件-8 1.4.3 设计方案选择-91.5元件选择及参数确定-9 1.5.1 变压器参数-9 1.5.2整流二极管参数-10 1.5.3电容滤波电路的参数-10 1.5.4元件清单-10 1.5.5直流稳压电路的原理图-10第2章：仿真与测试2.1ewb电路仿真-112.2电路测试-13 2.2.1测量稳压系数-13 2.2.2测量内阻-13 2.2.3纹波电压测量-132.2.4电路的改进-13第3章：制作与调试3.1 pcb板制作-15 3.1.1印制电路板原理图-153.2安装工艺-153.2.1三端固定输出集成稳压器的封装形式和引脚功能-153.2.2三端固定输出继承稳压器安装时要注意的问题-163.2.3印制电路板装配时要考虑的参数-163.3焊接技术-173.4 测试结果和故障的排除-18心得体会-20参考文献-21第1章 绪论电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分，直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。自六十年代起，第一台开关电源问世以来，开关电源在世界各国迅速发展，直流稳压电源也顺势而生，但在初期价格较高，直到八十年代，随着元件工艺的成熟，直流稳压电源的价格也日益下降，应用也变的日益广泛。近几年随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率有原来的几十千赫发展到现在的几百千赫，甚至更高。现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域，对此的研究开始向高频方面发展。以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件，高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。我国在此方面的起步较晚，1973年才开始这方面的研究工作，现在主要在小功率单端变换器方面发展较为迅速。在功率半导体器件及控制集成化方面，与国外同类产品有这很大的差距。因此，直流稳压电源的研制及应用在此方面与之也从在很大的差距。直流稳压电源通常可分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终工作于线性放大区的一种直流稳压电源，是发展最早、应用最广泛的一种电源。但其体积大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够。近年来，随着微机，中小型计算机的普及和航空航天数据通信，交通邮电等事业的讯速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作信息保护等功能提出了更高的要求。 第2章 系统电路设计2.1直流电源的组成2.1.1直流稳压电源结构图和稳压过程电子设备一般都需要直流电源供电，获得直流电源的方法很多，如干电池、蓄电池、直流电机等，但比较经济实用的办法是，把交流电源变换成直流电源。稳压电源由电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路等四部分组成 。下图为直流稳压电源组成结构图。图2-1直流稳压电源结构图2.2 各部分电路的作用和原理2.2.1电源变压器电源变压器：把交流电网电压 u1变为合适的交流电压u2。其结构如下图所示。图2-2电源变压器2.2.2整流电路整流电路 ：电力网供给用户的是交流电，而各种无线电装置需要用直流电。整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。1、单相桥式电路组成和工作原理：为正半周时，为负半周时， ，下图为单相桥式整流电路的原理图。图2-3单相桥式整流电路2、 单相桥式整流电路的输出电流电压及二极管的电流电压波形如下图所示。图2-4整流电路波形图2.2.3滤波电路滤波电路：虽然整流电路的输出电压包含一定的直流成分，但脉动较大，须经过滤波才能得到较平滑的直流电压。常用滤波器有c型、p 型、t 型。图2-5和图2-6为桥式整流c型滤波电路及其输出电压的波形。图2-5桥式整流c型滤波电路 uo uom 0 t 图2-6桥式整流c型滤波电路的输出电压波形2.2.4稳压电路稳压电路：清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压的稳定性。1、稳压管及其工作原理：使用时，稳压管工作在反向击穿区，利用电流在很大范围内变化而电压基本保持不变的这个特性来进行稳压。下图2-7为稳压管工作的原理图。2、稳压管的主要参数 (1)稳定电压：即稳压管的反向击穿电压。(2) 稳定电流：维持稳定电压的工作电流。(3) 最大稳定电流：稳压管的最大工作电流。(4) 动态电阻：在稳压范围内图2-7稳压管的工作原理图2.3设计方案的选择2.3.1技术指标及要求（1）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-p5mv，稳压系数sr5%。（2）能显示电源输出电压值，00.0-12.0v。（3）要求有短路过载保护。（4）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。2.3.2试验设备与元器件（1）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。（2）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。2.3.3设计方案选择（1）整流电路：常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式、和倍压整流电路。桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成桥式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。所以我们选择单相桥式整流电路来进行整流。（2）滤波电路：滤波电路的形式有很多，有电容输入式和电感输入式。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中。考虑我们所需要的是功率为50hz的电源，所以选择电容滤波电路。（3）稳压电路：78xx/79xx系列中的型号表示集成稳压器的输出电压的数值，以v为单位。每类稳压器电路输出电压有5v， 6v，7v，8v，9v，10v，12v，15v，18v，24v等，能满足大多数电子设各所需要的电源电压。中间的字母通常表示电流等级，输出电流一般分为3个等级：100ma（78lxx/79lxx），500ma（78mxx/79mxx），1.5a（78xx/79xx ）。后缀英文字母表示输出电压容差与封装形式等。内部电路由恒流源、基准电压源、取样电阻、比较放大、调整管、保护电路、温度补偿电路等组成。输出电压值取决于内部取样电阻的数值。最大输出电压为40v。三端固定输出电压集成稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良，可靠性高。又因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以得到广泛应用。所以我们选择正压集成稳压mc7812和负压集成稳压器mc7912来提供对称的12v稳压输出。2.4元件选择及参数确定根据要求电源输出电压为12v，输入电压为交流220v，最大输出电流为iomax=500ma，纹波电压vop-p5mv，稳压系数sr5%。设输出电流为=300ma，负载=0-100k。2.4.1 变压器参数 1、变压器副绕组电压：=2、变压器副绕组电流的有效值：=600ma3、电压与匝数的关系：=22 2.4.2整流二极管参数1、二极管承受的最大反向电压：=14.14v2、流经二极管的平均电流：=150ma2.4.3电容滤波电路的参数1、电容承受的最高电压： = 若考虑电网电压波动，则电容承受的最高电压为 =x1.1=1.4x10x1.1=15.4v2、滤波电容c：由取=0.042.4.4元件清单12v输出的变压器一个、200uf电容两个、50uf电容两个、ql62al的整流器一个、wc7812和wc7912的稳压器各一个、0100k的电位器两个、0.5ma的保险丝两个。2.4.5直流稳压电路的原理图根据设计要求和各个元件参数的计算将选择的元件进行电路的连接和组装，设计出如下所示的直流稳压电路的原理图。图2-8直流稳压电源的原理图第3章：仿真与测试3.1multisim10.0软件简介3.2仿真电路的建立1、对桥式整流电路的仿真： 如图在模拟电子仿真程序multisim10中画出单相桥式整流电路，用示波器观测变压器的副边和负载两端的电压波形，并作记录。（1） 变压器副边的电压波形：（2）整流电路负载的波形：2、对电容滤波电路的仿真：3、对电路输出电压的电压值和波形的测量：电压表显示电压值分别为：12.564v、12.578v 波形显示如图，是一条平稳的直流波形。2.2电路测试2.2.1测量稳压系数测量稳压系数：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vo，并将其中最大一个代入公式计算sr，当负载不变时，sr=vovi/vivo。表2-1稳压系数的测量/v220220220-10/v/v2.2.2测量内阻 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vo，ro=vo/il。调节电阻的大小，当=0时记下，=0，再调节的大小使输出的电流达到最大值记下此时的电压，最大电流 记录数据后根据公式计算出内阻的大小。2.2.3纹波电压测量 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。经过电容的滤波作用后，其输出电压变得比较平滑，脉动大大减小，而且直流成分增加，对c型滤波，负载rl、c的数值越大，纹波g越小，输出直流电压越接近于变压器次级交流电压的峰值uim，其输出直流电压的范围为： uo =（0.9 1.4）u且要使得其纹波电压5%2.2.4电路的改进 为防止电路发生短路问题，特设计两个保险丝来防止电路被烧坏。题目要求要显示出电压的值0-12v，所以串上两电位器即可。改进如下：图2-1改进后的电路图第三章：制作与调试3.1 pcb板制作3.1.1印制电路板原理图3.2安装工艺3.2.1三端固定输出集成稳压器的封装形式和引脚功能3.2.2三端固定输出集成稳压器安装时注意的问题（1）分清三个引出脚。三端集成稳压电路的输入、输出和接地端装错时很容易损坏，需特别注意。同时，在安装时三端集成稳压电路的接地端一定要焊接良好，否则在使用过程中，由于接地端的松动，会导致输出端电压的波动，易损坏输出端上的其它电路，也可能损坏集成稳压电路。另外，在拆装集成稳压电路时要先断开电源；输出电压大于6v的三端集成稳压电路的输入、输出端需接一保护二极管，可防止输入电压突然降低时，输出电容对输出端放电引起三端集成稳压器的损坏。（2）正确选择输入电压范围。三端集成稳压电路是一种半导体器件，内部管子有一定的耐压值。为此，变压器的绕组电压不能过高，整流器的输出电压的最大值不能大于集成稳压电路的最大输入电压。7805（7905）-7818（7918）的最大输入电压为35v，7824（7924）的最大输入电压为40v。由于三端集成稳压电路有一个使用最小压差（输入电压与输出电压的差值）的限制，所以变压器的绕组电压也不能过低。三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2v。一般应使这一压差保持在6v左右。（3）保证散热良好。对于用三端集成稳压电路组成的大功率稳压电源。应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器。当散热器的面积不够大，而内部调整管的结温达到保护动作点附近时，集成稳压电路的稳压性能将变差。3.2.3电路板装配时要考虑的参数1、孔的直径要根据最大材料条件( mmc) 和最小材料条件(lmc) 的情况来决定。一个无支撑元器件的孔的直径应当这样选取，即从孔的mmc 中减去引脚的mmc ，所得的差值在0.15 -0. 5mm 之间。而且对于带状引脚，引脚的标称对角线和无支撑孔的内径差将不超过0.5mm ，并且不少于0.15mm。2、 合理放置较小元器件，以使其不会被较大的元器件遮盖。3、 阻焊剂的厚度应不大于0.05mm。4、 丝网印制标识不能和任何焊盘相交。5、 电路板的上半部应该与下半部一样，以达到结构对称。因为不对称的电路板可能会变弯曲。6、从印制电路板的装配角度来看，需要考虑一个重要因素就是应该特别注意在焊接前，由于插入的元器件与其理论位置发生倾斜而可能造的短路问题。根据经验，元器件引脚允许的最大倾斜度应保持在与理论位置成15度角以内。当孔和引脚的直径差值较大时倾斜度-最多可达到20度。垂直安装的元器件，倾斜度可达到25 度或30度， 但这样会导致封装密度的降低。3.3焊接技术1、电路的各级元件应从弱电流、弱信号级依次顺序向强电流、强信号级排列。2、走线要尽可能短些。元器件在不影响散热的情况下，应尽量靠拢。输入端与输出端要尽量远离；输入、输出走线不宜平行，防止产生正反馈引起寄生振荡。3、大器中有双声道、推挽电路、桥式电路时，应让元器件对称排列。这样可以只设计一半电路，另一半由对称获得。4、变压器及整流电路等应远离前置低放级、录音磁头、磁性天线，避免感应交流声。安装中还应该通过旋转变压器的方向，降低整机交流声。5、天线应水平安装在整机上方，禁止垂直安装。磁棒附近不应有较大的金属元件。收音机检波级会发射930khz等频率谐波，因此检波级也应尽量远离磁性天线。3.4测试结果和故障排除一最后结果没有出来的原因主要有以下情况：1.操作不当（如布线错误等）2.设计不当（如电路出现险象等）3.元器件使用不当或功能不正常4.仪器（主要指数字电路实验箱）和集成元件本身出现故障。二检查故障的方法主要有以下一些：1.查线法：由于在实验中大部分故障都是由于布线错误引起的，因此，在故障发生时，复查电路连线为排除故障的有效方法。应着重注意：有无漏线、错线，导线与插孔接触是否可靠，集成电路是否插牢、集成电路是否插反等。2.观察法：用万用表直接测量各集成块的vcc端是否加上电源电压；输入信号，时钟脉冲等是否加到实验电路上，观察输出端有无反应。重复测试观察故障现象，然后对某一故障状态，用万用表测试各输入/输出端的直流电平，从而判断出是否是插座板、集成块引脚连接线等原因造成的故障。3.信号注入法：在电路的每一级输入端加上特定信号，观察该级输出响应，从而确定该级是否有故障，必要时可以切断周围连线，避免相互影响。4.信号寻迹法：在电路的输入端加上特定信号，按照信号流向逐线检查是否有响应和是否正确，必要时可多次输入不同信号。5.替换法：对于多输入端器件，如有多余端则可调换另一输入端试用。必要时可更换器件，以检查器件功能不正常所引起的故障。6.动态逐线跟踪检查法：对于时序电路，可输入时钟信号按信号流向依次检查各级波形，直到找出故障点为止。以上检查故障的方法，是指在仪器工作正常的前提下进行的，如果实验时电路功能测不出来，则应首先检查供电情况，若电源电压已加上，便可把有关输出端直接接到01显示器上检查，若逻辑开关无输出，或单次cp无输出，则是开关接触不好或是内部电路坏了，一般就是集成器件坏了。需要强调指出，实验经验对于故障检查是大有帮助的，但只要充分预习，掌握基本理论和实验原理，就不难用逻辑思维的方法较好地判断和排除故障。 心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，直流稳压电源已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为