模拟电子技术课程设计-直流稳压电源的设计.doc

模电课程设计直流稳压电源 设计者： 陈 星 指导老师： 曹才开 所在院系： 电气与信息工程系 班级学号： 电信0502班12号 时间： 2007年1月1日湖南工学院(筹)课程设计任务书课 程： 模拟电子技术 课程设计题目： 直流稳压电源的设计 适 用 班 级： 电信0502班 时 间： 20062007学年第一学期指 导 教 师： 前 言随着时间的推移，人类已进入了21世纪。回顾百年来电子技术和电子工业发展的成就，举世瞩目。特别是微电子技术和其他高技术的飞速发展，致使工业、农业、科技和国防等领域以及人们的生活发生了巨大的变革。随着21世纪的到来，世界将进入信息时代，电子技术也将以更快的速度前进。模拟电子技术是电力工程类各专业的一门基础课，它是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科，也是一门应用范围极广，发展极其迅速，具有较强实践性的技术。对于大专学生而言，最重要的就是动手能力的培养。所以我们既要加强基础理论的系统学习，又要加强实验技术的训练。通过课程设计使我们更多更好的训练了实验方法和实验技术，同时也使我们更多更全面的掌握了具体问题的分析方法与思路，进而更好地培养我们理论联系实际的能力。在实际工作中，电子技术人员需要分析器件、电路的工作原理；验证器件、电路的功能；对电路进行调试、分析，排除电路故障；测试器件的性能指标；设计、制作各种实用电路的样机。所有这些都离不开实验。此外，实验能培养我们正确处理数据，分析、综合实验结果，检查、排除电路故障的能力。同时使我们养成勤奋进取、严肃认真、理论联系实际的作风和为科学事业奋斗到底的精神。在实际生活中，直流稳压电源几乎是应用最广泛的电子器件，同时为了提高我们的动手能力和实践能力，我们制作了直流稳压电源、差分放大器，通过实际动手，使我们对所学的知识掌握得更加牢固，同时对于我们的今后的全面发展和实践，以及将来适应社会的能力都将大有帮助。由于本人能力有限，而且又是初次制作直流电源，所以难免会有疏漏和不足之处。敬请各位老师和同学提出宝贵意见，不甚感激。陈 星 2007年1月3日目 录一 引言1二 设计要求2（一） 设计目的2（二） 设计要求和技术指标21、 技术指标22、 设计要求2（三）设计提示2三 直稳稳压电源设计原理2（一） 基本原理3（二） 组成部分说明31、 电源变压器32、 整流电路43、 滤波电路64、 稳压电路6（1）硅稳压电路8（2）串联反馈电路9（3）三端可调式稳压电路10（4）三端固定式稳压电路11四 直流稳压电源的设计步骤12（一） 电路的设计12（二） pcb板的制作131 原理图的设计132 把原理图导入pcb文件133 板子的制作134 元件的安装145 完成后的实物图186 性能指标的测试18（1） 输出电压的测量18（2） 内阻的测量19（3） 稳压系数的测量20（4） 误差分析22五 实验总结22参考文献22六 实验心得23一引言大多数电子电路都需要用稳定的直流电源来供电，但目前使用的电网都是50hz的交流电，因此，需要将交流电源变换成直流电源。常用电子仪器（如电子示波器、信号发生器）和电气设备（如收音机、电视机等）所需要的直流功率一般在一千瓦以下，所用的电源属于小功率直流电源，一般由电源变压器、整流桥、滤波和稳压电路四部分组成。其工作过程一般为：首先由电源变压器将220v的交流电压变换为所需要的交流电压值，然后利用二极管单向导电性将交流电压整流为单向脉动的直流电压。再通过电容或电感等储能元件组成的滤波电路减小其脉动成分，从而得到比校平滑的直流电压。经过整流、滤波后得到的直流电压易受电网波动及负载变化的影响，必须加稳压电路，利用负反馈等措施维持输出直流电压稳定。考虑到产品的实用性和容易实现等方面的因素。我们选择了设计一个直流稳压电源。其输出的直流电压我们选择为36v的可调电压和一个6v的硅稳压输出。二设计要求（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正负12v或正负9v或正5v（根据需要定），输入电压为交流220v，最大输出电流为il=500ma，稳压系数sr5%，电网电压波动正负10%。2、设计要求（1） 设计一个能输出312v的直流稳压电源；（2） 要求绘出原理图，并用protel画出印制板图；（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） 在万能板或面包板上制作一台直流稳压电源；（5） 测量直流稳压电源的稳压系数；（6） 测量直流稳压电源的内阻；（7） 拟定测试方案和设计步骤；（8） 写出设计性报告。（三）、设计提示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7812和7912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。 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。三直流稳压电源的设计原理（一）、 直流稳压电源的基本原理：直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本电路如图1.1所示。各部分电路的作用如下：图1直流稳压电源总体方框图首先由电源变压器将220v的交流电压变换为所需要的交流电压值，然后利用二极管单向导电性将交流电压整流为单向脉动的直流电压。再通过电容或电感等储能元件组成的滤波电路减小其脉动成分，从而得到比校平滑的直流电压。（二） 主要组成部分说明：1、电源变压器：电源变压器的作用是将电网220v的交流电压u1变换成整流滤波电路所需要的交流电压u2。变压器副边与原边的功率比：p2/p1=n，其中n为变压器的有效效率。一般小型变压器的效率如表1.1所示。其表达公式为： 副边功率i0max，如图所示。图2电源变压器2.整流电路：整流二级管d1d4组成单相桥式整流电路，将交流电压u2变成脉动的直流电压，输出直流电压u3。u3与交流电压u2的有效值v2的关系为：u3= (1.11.2) v2其整流电路如图1.4。图3 整流电路图 整流过程的分析如下： 图4 整流桥原理图(1) v2正半周时，如图 (a)所示，a点电位高于b点电位，则v1、v3导通(v2、v4截止)，i1自上而下流过负载rl；(2) v2负半周时，如图 (b)所示，a点电位低于b点电位，则v2、v4导通(v1、v3截止)，i2自上而下流过负载rl；由波形图可见，v2一周期内，两组整流二极管轮流导通产生的单方向电流i1和i2叠加形成了il。于是负载得到全波脉动直流电压vl。 各电压波形如下图所示： 图5 各电压波形每只整流二极管承受的最大反向电压： vrm=sqar2v2通过每只二极管的平均电流： id=12ir=0.45v2r式中，r为整流滤波电路的负载电阻。它为电容c提供放电回路，rc放电时间常数应满足： rc(35)t/2式中，t为50hz交流电压的周期，即20ms。整流二极管的反向击穿电压vrm应满足vrmsqar2v2,其额定工作电流应满足ifio max。可用傅立叶级数分析vl的波形图（如图1.5所示）后取平均值得： vl=0.9v2。直流电流为：ir=0.9v2/rl。3滤波电路：如右图所示，其工作原理是：利用电容器两端电压不能突变原理平滑输出电压。在0t1期间，因v2的作用，v正偏导通，电容c充电，波形如图 (b)中oa所示；在t1t2期间，因v2vc，v反偏截止，电容c通过负载放电，波形如图 (b)中ab所示；在t2t3期间，因vcv2，v正偏导通，电容再次充电，波形如图 (b)中bc。重复上述过程，可得近于平滑波形。这说明，通过电容的充放电，输出直流电压中的脉动成分大为减小。全波整流电容滤波输出波形如右图所示。工作原理与半波整流电路相同，不同点是：v2正、负半周内，v1、v2轮流导通，对电容c充电两次，缩短了电容c向负载的放电时间，从而使输出电压更加平滑。输出电压的估算公式为图6滤波电路vl 1.2v2应用：小功率电源。 4.稳压电路：稳压电路的主要作用是维持输出直流电压的基本稳定。因为经过整流滤波电路后的电压的稳定性比较差，电压受温度、负载、电网电压波动等因素的影响较大。所以用稳压电路来使输出电压u0保持稳定。集成稳压器的输出电压v0与稳压电源的输出电压相同。稳压器的最大允许电流icmi0max，输入电压vi的范围为：v0max+（vi-v0）minviv0min+（vi-v0）max式中，v0max为最大输出电压；v0min为最小输出电压；（vi-v0）min为稳压器最小输入、输出压差；（vi-v0）max为稳压器的最大输入、输出压差。(1) 硅稳压电路： 1硅稳压电路的特点： (1) 稳压管工作在反向击穿状态。(2) 当工作电流满足条件时，稳压管两端电压几乎不变。2稳压二极管的主要参数(1) 稳定电压稳压管在规定电流下的反向击穿电压。(2) 稳定电流iz稳压管在稳定电压下的工作电流。(3) 最大稳定电流izmax稳压管允许长期通过的最大反向电流。(4) 动态电阻rz稳压管两端电压变化量与电流变化量的比值，即rz = dvz/diz。此值越小，管子稳压性能越好。 图7 硅稳压电路图3稳压管稳压电路的工作原理(1) 电路图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：voizirvrvo(3) 应用：小功率场合。电路优点是结构简单，调试方便；缺点是输出电流较小、输出电压固定，稳压性能较差。因此，只适用于小型电子设备(2) 串联反馈型稳压电路：图8串联反馈型电路的基本接法串联反馈型稳压电路通常由四部分组成：基准电压源、调整电路、取样电路和比较放大电路。由上图8可知：基准电压vref由r、dz组成的串联型稳压电路提供；取样电路由r1、r2和电位器rp组成，它将输出电压的一部分vf传送到比较放大电路；比较放大电路由集成运放a（也可以用单管放大电路或差分放大电路）构成，取样得到的信号vf与基准电压vref通过比较，将差值电压信号进行放大，然后送给调整电路（由功率三极管或复合管构成），去控制调整三极管t的管压降vce，从而使输出电压保持稳定。由于调整管与负载电阴串联，故称这种电路为串联稳压型电路。 (3) 三端可调式稳压电路： 图9三端可调稳压电路图三端可调式稳压器能输出连续可调的直流电压。常见产品如上图所示。其中，cw317系列稳压器输出连续可调的正电压，cw337系列稳压器输出连续可调的负电压。稳压器内部含有过流、过热保护电路。r1与rp1组成电压输出调节电路，输出电压：v01.25（1+rp1/r1）r1的值为120欧240欧，流经r1的泄放电流为5ma10ma。rp1为精密可调电位器。电容c2与rp1并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管d的作用是防止输出端与地短路时，损坏稳压器。图10三端可调式cw317、cw337芯片图(4) 三端固定式稳压电路：1 固定式三端稳压器的引脚图及典型应用电路（其中：c1 = 0.33f,co = 0.1f ，c1、 （其中：c1 = 2.2f，co = 1f） co采用漏电流小的钽电容） 图11 三端固定式稳压器的管脚及其应用电路说明：稳压器输入端的电容c1用来进一步消除纹波,此外，输出端的电容co与c1起到了频率补偿的作用，能防止自激振荡，从而使电路稳定工作。三端固定式稳压器的常见产品如图11所示，其中，cw78xx系列稳压器输出固定的正电压，如7805输出为+5v；cw79xx系列稳压器输出固定的负电压，如7905输出为-5v。输入端接电容c1可以进一步滤除纹波，输出端接电容c0能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。c1、c0最好采用漏电流小的钽电容，如果采用电解电容，则电容量要比图中数值增加10倍。 图11三端固定式集成稳压器外形及管脚排列四直流稳压电源的设计步骤（一）电路的设计 考虑到电路的简便性和实用性。我们选择了硅稳压电路和三端可调式稳压电路，并通过一个单刀双掷开关进行控制。电路图如下图12所示：其中的各元件参数如下表表所示：lm317t芯片1片12v变压器1个1000uf电解电容1个0.1uf电容1个6v稳压管1个整流桥1片电阻5101个散热片1片电阻3301个2200uf电解电容2个电阻2401个10uf电解电容1个1uf电解电容1个发光二极管2个二极管1n41482个单刀双掷开关1个 表2 元件清单 图12设计的电路图（二）pcb板的制作1原理图的制作： 如上图12所示，此电路即从protel上剪切过来的电路图。在protel99se上输入各元件，进行erc检测无误后，对元件进行封装。封装后，创建网络表“create netlist”，下一步就是导入pcb板。2把原理图导入pcb文件，并进行编辑：导入网络表，检查无误后，可直接导入pcb，先确定好板子的大小，然后进行元件布局。可以选择电脑自动布局，也可自己手动布局，但应该尽量避免飞线的交叉。布局后，可选择自动布线和手动布线，手动布局和布线都要比较美观一些。布局好后，应该再检查一下，以防电路有什么错误。布局后的pcb板图如下图13所示： 图13 完成后的pcb图3板子的制作：在电脑上制作好pcb图后，就可打印到转印纸上，再用电熨斗之类的仪器将图转印在铺有铜的板子上。然后就可用fecl3溶液进行腐蚀。腐蚀时应加热。腐蚀后，只有有油印的地方能保留下来，钻好孔后，就可以进行元件的安装了。4元件的安装：(1) 印制电路板安装与焊接印制电路板的装焊在整个电子产品制造中处于核心的地位，可以说一个整机产品的“精华”部分都装在印制板上，其质量对整机产品的影响是不言而喻的。尽管在现代生产中印制板的装焊已经日臻完善，实现了自动化，但在产品研制，维修领域主要还是手工操作；况且手工操作经验也是自动化获得成功的基础。(2) 印制板和元器件检查装配前应对印制板和元器件进行检查， 内容主要包括：印制板：图形，孔位及孔径是否符合图纸，有无断线，缺孔等，表面处理是否合格，有无污染或变质。元器件：品种，规格及外封装是否与图纸吻合，元器件引线有无氧化，锈蚀。对于要求较高的产品，还应注意操作时的条件，如手汗影响锡焊性能，腐蚀印制板，使用的工具如改锥，钳子碰上印制板会划伤铜箔，橡胶板中的硫化物会使金属变质等。(3) 元器件引线成型如图14所示，是印制板上装配元器件的部分实例，其中大部分需在装插前弯曲成型。弯曲成型的要求取决于元器件本身的封装外形和印制板上的安装位置，有时也因整个印制板安装空间限定元件安装位置。元器件引线成型要注意以下几点：1、所有元器件引线均不得从根部弯曲。因为制造工艺上的原因，根部容易折断。一般应留15mm以上（如图二）。2、弯曲一般不要成死角，圆弧半径应大于引线直径的12倍。3、要尽量将有字符的元器件面置于容易观察的位置，如图15所示。(4) 元器件插装 （1）贴板与悬空插装如图16（a）所示，贴板插装稳定性好，插装简单；但不利于散热，且对某些安装位置不适应。悬空插装，适应范围广，有利散热，但插装较复杂，需控制一定高度以保持美观一致。如图16（b）所示，悬空高度一般取26mm。插装时具体要求应首先保证图纸中安装工艺要求，其次按实际安装位置确定。一般无特殊要求时，只要位置允许，采用贴板安装较为常用。（2）安装时应注意元器件字符标记方向一致，容易读出。图17所示安装方向是符合阅读习惯的方向。（3）安装时不要用手直接碰元器件引线和印制板上铜箔。（4）插装后为了固定可对引线进行折弯处理（图18）。(5) 印制电路板的焊接焊接印制板，除遵循锡焊要领外，以下几点须特别注意： （1） 电烙铁，一般应选内热式2035w或调温式，烙铁的温度不超过300的为宜。烙铁头形状应分局印制板焊盘大小采用凿形或锥形，目前印制板发展趋势是小型密集化，因此一般常用小型圆锥烙铁头。 （2） 加热方法，加热时应尽量使烙铁头同时接触印制板上铜箔和元器件引线（图19）。对较大的焊盘（直径大于5mm）焊接时可移动烙铁，即烙铁绕焊盘转动，以免长时间停留一点导致局部过热，如图20所示。 （3） 金属化孔的焊接，两层以上电路板的孔都要进行金属化处理。焊接时不仅要让焊料润湿焊盘，而且孔内也要润湿填充（图21）。因此金属化孔加热时间应长于单面板。（4） 焊接时不要用烙铁头摩擦焊盘的方法增强焊料润湿性能，而要靠表面清理和预焊。 （5） 耐热性差的元器件应使用工具辅助散热。(6) 焊后处理 （1） 剪去多余引线，注意不要对焊点施加剪切力以外的其他力。（2） 检查印制板上所有元器件引线焊点 ，修补缺陷。（3） 根据工艺要求选择清洗液清洗印制板。一般情况下使用松香焊剂后印制板不用清洗。5完成后的实物图： 图22 制作出来的电路板图 6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，测量三端可调支路的输出电压,得到最小输出电压为2.97v，最大输出电压为12.54v。测量硅稳压管两端的电压,测得6.33v.其余各元件上的电压值如下:电网输入电压：u1=235 v 变压器副边电压：u2=12.7 v硅整流电路电容c的电压:uc=13.35 v硅整流电路电阻上的电压:ur=7.15 v硅整流电路输出电压:uo2=6.33 v三端可调稳压电路上的电容上的电压:uc1=uc2=uci=14 v三端可调稳压电路最大输出电压：uo1max=12.54 v三端可调稳压电路最小输出电压:uo1min=2.97 v由以上参数可知,所设计的电路已经符合要求,即本人所想设计的电路硅稳压输出6v左右的电压，三端可调稳压电路输出36v的可调电压。（2） 内阻的测量在输入交流为235v，分别测得负载电流为0及最大值时的vo，即用开短路法测量三端可调电路,可测得电源内阻。测得数据如下：uo1=3.00 v 时 ia=2.32 a ro=uo1/ia=1.29uo1=4.01 v 时 ia=2.30 a ro=uo1/ia=1.74uo1=5.01 v 时 ia=2.24 a ro=uo1/ia=2.23uo1=6.01 v 时 ia=2.23 a ro=uo1/ia=2.69uo1=7.00 v 时 ia=2.15 a ro=uo1/ia=3.25uo1=7.99 v 时 ia=2.12 a ro=uo1/ia=3.77uo1=9.01 v 时 ia=2.11 a ro=uo1/ia=4.26uo1=10.01 v 时 ia=2.10 a ro=uo1/ia=4.76uo1=11.02 v 时 ia=2.08 a ro=uo1/ia=5.29uo1=12.00 v 时 ia=2.04 a ro=uo1/ia=5.85 由以上数据可得出ro，画出其曲线图如图23所示： 图23 输出电阻ro的曲线图用开短路法测量硅稳压管两端,可得:i=59.5maro=u2/i2=106 在测量过程中,由于考虑到测短路电流时,电流过大引起集成蕊片温度过高,使蕊片烧坏,所以在测量时没等读数稳定下来就记录下数据,这样就产生了较大的误差,尽请谅解。（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 sv=（vo/vo）/（vi/vi） io=常数，t=常数 sv的测量电路如图24所示： 图24 稳压系数的测量电路测试过程是：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sv=（vo/vo）/（vi/vi） =220/（242-198）（vo1-vo2）/vo当vi=198v时，测得数据为：vo1+=12.11 v， v01-=12.09v当vi=242v时，测得数据为：vo2+=12.14v， vo2-=12.12v当vi=220v时，测得数据为：vo+=12.03v， vo-=11.9v由以上所测数据，可得稳压系数为： sv + =（vo+/vo+）/（vi/vi） =220/（242-198）（vo1+-vo2+）/vo+ 0.00166sv - =（vo-/vo-）/（vi/vi） =220/（242-198）（vo1-vo2-）/vo- 0.00166 （4） 误差分析1、误差计算理论值:uo