模电课程设计-电源.doc

课程设计报告( 2010 - 2011 年度第 一 学期)名 称： 模拟电子技术课程设计 题 目：多路输出直流稳压电源的设计与制作 学 号： 学生姓名： 成 绩： 日期：2010 年 11 月 18 日模电课程设计报告多路输出直流稳压电源的设计与制作 20081106张弛 目 录一、电子技术课程设计的目的与要求3二、课程设计名称及设计要求3三、系统框图及简要说明3四、方案选择与论证4五、单元电路设计（原理、芯片、参数计算等）4六、总体电路 7七、实测结果与分析8八、心得体会8附录I：总原理图 10附录II：multisim仿真图 11附录III：元器件清单 12附录IV：参考文献12一、电子技术课程设计的目的与要求设计目的：课程设计作为电子技术课程的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握数字系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。按照本专业培养方案要求，在学完专业基础课数字电子技术课程后，应进行课程设计，其目的是使学生更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计小型数字系统的方法，独立完成系统设计及调试，增强学生理论联系实际的能力，提高学生电路分析和设计能力。通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。设计要求：1.教学基本要求要求学生独立完成选题设计，掌握数字系统设计方法；完成系统的组装及调试工作；在课程设计中要注重培养工程质量意识，按要求写出课程设计报告。2.能力培养要求（1）通过查阅手册和有关文献资料培养学生独立分析和解决实际问题的能力。（2）通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。（3）掌握常用仪器设备的使用方法，学会简单的实验调试，提高动手能力。（4）综合应用课程中学到的理论知识去独立完成一个设计任务。（5）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。二、课程设计名称及设计要求多路输出直流稳压电源的设计与制作：1设计任务要求设计制作一个多路输出直流稳压电源。2技术指标及要求：（1）可将220V/50HZ交流电转换为多路直流稳压输出： -12V+12V。（2）一组可调正电压。调节范围312。三、系统框图及简要说明图一 简化设计框图说明：直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。其中电源变压器是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定；整流电路，利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电；滤波电路，可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压；最后是稳压电路，其中固定稳压电路功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。可调稳压电路通过联滑动电阻器和固定电阻实现可调电压。四、方案选择与论证由于题目要求输入220V的交流电，输出为12V的稳压直流电，则首先应该进行降压处理，然后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，最后对直流电进行最后的稳压处理。（一）降压的过程，直接选用变压器进行降压，并且要根据电路中所需的合适电压适当选择电压器，本次试验我采用的是15V变压器。（二）整流的过程，整流选择常用的桥式整流电路。（三）滤波过程，采用电容滤波电路来实现，方法是在桥式整流电路输出端并联一个较大的电容C来构成电容滤波电路。（四）稳压器选择，选择集成稳压芯片，根据要求选择三端输出集成稳压器LM7812和LM7912（输出12V电压）。可调电压部分，选用可调式三端稳压器LM317芯片配合78、79系列产生的稳压电源来使用，这样选择的原因是符合题目要求且电路设计简单。根据我的设计方案，我用Multsim进行了仿真，验证了我的设计方案切实可行。下图为设计过程电压波形变换图：220V交流（U1） 变压器 15V交流（U2）整流 U3 滤波 U4 稳压 U0图二 电压波形变化图五、单元电路设计（原理、芯片、参数计算等）1.变压器 一般的电子设备所需的直流电压与交流电源提供的220V电压相差较大，为了得到输出电压的额定范围，就需要将电压转换到合适的数值。所以，变压器的主要作用是将交流电源电压转换为所需要的交流电压数值，同时还可以起到直流电源与交流电源的隔离作用，有效的避免了因为直接接触高压而造成伤害的危险。此次课程设计老师为我们配备的变压器的输出电压为15V。2.整流电路整流的任务是将交流电变换成直流电，本过程主要是利用两极管的单向导电性实现的。在小功率电路中常用的整流电路有全波整流和桥式整流，本次设计中我采用的桥式整流的方法，采用的是用4个1N4007二极管组成整流电路。电路图和工作原理如下：图三 桥式整流实物图由图可看出，电路中采用四个二极管，互相 接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。图四 桥式整流原理图3.滤波电路滤波电路用于滤去整流电流输出电压的纹波，一般由电抗元件组成，滤波电路可分为电容滤波电路和电压滤波电路。由于电抗元件具有储能作用，并联的电容C在电源供给的电压升高时，能将部分能量储存起来，当电源电压降低时，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑。本设计采用的就是并联电容（1000uf，耐压25V）的方式来做滤波电路。（a）电路 （b）Uo的波形图五 电容滤波电路及稳态分析图分析：结合整流的过程，并由图易得当u2为正半周并且数值大于电容两端电压uC时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。当uCu2，导致D1和D3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，uC按指数规律缓慢下降。当u2为负半周幅值变化到恰好大于uC时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，uC上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL放电，uC按指数规律下降；放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。电容充电时间常数为rdC，因为二极管的rd很小，所以充电时间常数小，充电速度快；RLC为放电时间常数，因为RL较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因此，滤波效果取决于放电时间常数。可知，电容C愈大，负载电阻RL愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如左图所示。图六 RLC不同时Uo的波形图 综合上述分析，并根据所选择的变压器的输出电压是15V，而且还有电网电压的波动，故选择的电容的耐压值Vc=1.1 ,约为23.33V，所以根据实验室的供应需求，本设计选择的是耐压值25V 且大小是1000u的电容构建滤波电路。4.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。稳压器的种类很多，在小功率稳压电源中，普片使用的是三端稳压管器。根据课程设计的具体要求，本设计选用了LM7812（固定式正电压输出）LM7912（固定式负电压输出）和LM317（可调式）三个芯片实现稳压电路的设计。（1）LM7812稳压电路输出+12V电压78127812图七 7812芯片引脚图及应用电路图说明：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C0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（2）LM7912稳压电路输出-12V电压79127912图八 7912芯片引脚图及应用电路图说明：同7812一样，7912应用电路中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C0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（3）LM317可调电压电路输出可调电压值（315V）R1CoRL图九 LM317芯片引脚图及应用电路图说明：常用可调式正压集成稳压器有LM317系列，它们的输出电压从1.25V37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。其典型电路如图九。其中电阻R1与电位器RL组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：Uo1.25（1R2/R1）而实际上，我们根据要求的3V到12V，计算得到的结果并不是很精确，可能出来的结果会有一定的误差，为了小于3V，并且高电压要高于12V，所以实际电路中，我在RL支路上串联了一个R2电阻，在RL=1000欧姆的情况下，我们去R1=R2=100欧姆，得到Umin=2.5V,(此时RL=0欧姆) ，Umax=15V(此时RL=1000欧姆)。图中所示电容作用和7812（7912）作用相似。六、总体电路 见附录II Multsim仿真图七、实测结果与分析（一）实验过程1.构思根据题目要求，并参照数字电子技术课本和实验指导书以及查找相关资料，我有了基本的设计框架：直流电源的设计要按照降压、整流、滤波、稳压四个部分来实现。降压用变压器即可实现，整流则用桥式整流电路，滤波采用电容滤波，稳压则使用相关的稳压芯片（根据要求选定LM7812，LM7912实现输出直流电压12V，选定LM317实现输出可调电压）2.仿真根据自己的设计构造出相应的电路，并在Multisim中进行仿真，验证是否正确。3.实现 1）选择题目后，通过阅读数字电子技术课程设计指导书和模拟电子技术基础等相关资料，确定设计思路，并熟悉自己实验所需芯片的引脚及输入输出范围。 2） 3）在Multisim中构建直流电源的原理图，仿真后查看结果，验证自己的电路结构是否正确。 4）画芯片各器件间的管脚图，将芯片在面包板上的排布方式以及各个引脚之间的接法都画出来，形成清晰的思路。 5）在面包板上连接电路，根据之前排好的方式将芯片插好，然后接线。 6）利用实验室的220V交流电源测试输出的直流电压，检验是否符合要求（12V）。7）上一步没有错误可以进行下一步，如果没有得到正确结果则检查电路，更改错误。8）进一步测试可调电压的调节范围，验证是否符合实验要求（315V）。9）如果以上结果均正确，则设计实现，如有错误则检查电路进行更改。10）提交结果，完成答辩（二）实测结果待测数值理论值（V）实测值（V）误差正12V电压12.0011.900.83%负12V电压-12.00-11.990.08%可调电压3151.8517.68误差分析：1、稳压芯片受温度影响挥着芯片不够精确2、万用表本身的准确度造成的系统误差3、实际电桥的不平衡，二极管的导通电压不全一样，导致正负电压之间存在误差。4、电容容量的误差，导致滤波后有效值的变化。5、电网的交流电在时刻变化，导致测量的误差。八、心得体会本次的课程设计我选择的设计题目是多路输出直流稳压电源的设计与制作。由于之前已经有了做数字电路设计的经验，所以本次的试验总体上来说还是比较顺利的。首先要做的就是根据题目要求经行电路的设计，根据试验的具体要求我在网上查找了相关的资料并结合之前学过的模拟电子电路的相关知识设计出了基本的电路框架，后面在经过向老师和学长学姐的请教以及和同学和讨论后得到了最终的设计电路图，并通过仿真验证确实可行。接下来就是电路的制作过程，由于在设计电路的时候就考虑到了电路的连接问题，所以所设计的电路整体用导线较少，且布局简洁美观。电路的连接过程可以说是整个实验中最轻松的一部分，吸取了之前数字电路课程设计的经验，本次连接电路我更加的小心与细致，较好的做到了正确连接每一根导线。在电路连接完成后我进行了初步的测试，在本次测试中还没来得及测数据其中的一个滤波电容就炸掉了，说实话还是第一次见到电容炸，当时第一反应是电容接反了，但是因为在接电路时我反复的确认过电容的正负极所以觉得可能不是这个原因，后面经过反复的研究电路图和电路板终于发现了根源，确实是电容接反了，因为之前我一直默认为接地端就是负，但是这样得到的正负是不正确的，应该通过电路里电压的大小来判断正负，改正了这个错误后，电路板可以进行正常的测量工作了。在第二次测量时又遇到了新的问题，就是电位器（滑动变阻器）调节没反应，我仔细的检查电路发现没有问题后又对电位器进行了检测，发现是由于电位器拧“过头”了导致调节没有反应，再将电位器拧回正常范围的数值内后实现了要求结果。经过两次的修改，我的电路终于实现了全部功能。通过本次的课程设计，我不仅学会多路输出直流稳压电源的设计与制作设计，还学会了排查电路的基本方法。经过这几天的“奋战”，我感受到了实现设计过程的艰辛，但是我的收获也是不少的，在今后的课程设计或者是实验中我应该学会去找自己电路中的问题，并根据所学知识解决问题，同时我也应该更加的细心以减少不必要的错误。总结这次课程设计，我更加深入的明白了“一分耕耘，一分收获”的道理，在今后的学习道路上，我会更加的努力学习理论知识，并将它们很好的用在实践当中。附录