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电气电子毕业设计论文
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毕业设计61陈星的模电设计,电气电子毕业设计论文
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模电课程设计 直流稳压电源 第 1 页 共 23 页 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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 2 页 共 23 页 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 Sr 5%，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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 3 页 共 23 页 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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 4 页 共 23 页 其表达公式为： nNNUU 11212 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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 5 页 共 23 页 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： nts模电课程设计 直流稳压电源 第 6 页 共 23 页 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=1 2IR=0.45V2 R 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 (3 5)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 VRM sqar2V2,其额定工作电流应满足 IF Io 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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 7 页 共 23 页 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 VL1.2V2 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： nts模电课程设计 直流稳压电源 第 8 页 共 23 页 V0max+（ Vi-V0） min Vi V0min+（ 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 ZI 满足 BZA III 条件时，稳压管两端电压 ZV 几乎不变。 2稳压二极管的主要参数 (1) 稳定电压 ZV 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 VZ/IZ。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： VO IZ IR VR VO nts模电课程设计 直流稳压电源 第 9 页 共 23 页 (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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 10 页 共 23 页 (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： V0 1.25（ 1+RP1/R1） R1的值为 120欧 240欧，流经 R1的泄放电流为 5mA 10mA。 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 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 11 页 共 23 页 (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 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 12 页 共 23 页 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 510 1个 散热片 1片 电阻 330 1个 2200uF电解电容 2个 电阻 240 1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 1N4148 2个 单刀双掷开关 1个 表 2 元件清单 图 12 设计的电路图 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 13 页 共 23 页 （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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 14 页 共 23 页 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 1 5mm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 1 2倍。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 15 页 共 23 页 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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 16 页 共 23 页 （ 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 20 35W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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 17 页 共 23 页 （ 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。 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 18 页 共 23 页 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 : nts模电课程设计 直流稳压电源 第 19 页 共 23 页 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=1.29 UO1=4.01 V 时 IA=2.30 A RO=UO1/IA=1.74 UO1=5.01 V 时 IA=2.24 A RO=UO1/IA=2.23 UO1=6.01 V 时 IA=2.23 A RO=UO1/IA=2.69 UO1=7.00 V 时 IA=2.15 A RO=UO1/IA=3.25 UO1=7.99 V 时 IA=2.12 A RO=UO1/IA=3.77 UO1=9.01 V 时 IA=2.11 A RO=UO1/IA=4.26 UO1=10.01 V 时 IA=2.10 A RO=UO1/IA=4.76 UO1=11.02 V 时 IA=2.08 A RO=UO1/IA=5.29 UO1=12.00 V 时 IA=2.04 A RO=UO1/IA=5.85 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 20 页 共 23 页 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=59.5mA RO=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： nts模电课程设计 直流稳压电源 第 21 页 共 23 页 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+ 0.00166 SV - =（ VO-/VO-） /（ Vi/Vi） =220/（ 242-198） （ VO1-VO2-） /VO- 0.00166 nts模电课程设计 直流稳压电源 第 22 页 共 23 页 （ 4） 误差分析 1、误差计算 理论值 :UOMIN=3V,U0MIN=13V 测量值 :UOMIN =2.97V,UOMAX =12.5
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