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1 课程设计任务书课程设计任务书 学 院专 业 学生姓名班级学号 课程设计题目 计算机控制电源板设计与实现 实践教学要求与任务实践教学要求与任务 1 画出计算机控制电源板原理图 2 画出计算机控制电源板线路图 3 实验调试 4 THFCS 1 现场总线控制系统实验 5 撰写实验报告 工作计划与进度安排工作计划与进度安排 1 第 1 2 天 查阅文献 画出计算机控制电源板原理图 2 第 3 4 天 画出计算机控制电源板线路图 3 第 5 6 实验调试 4 第 7 9 天 THFCS 1 现场总线控制系统实验 5 第 10 天 撰写实验报告 指导教师 201 年 月 日 专业负责人 201 年 月 日 学院教学副院长 201 年 月 日 0 摘要摘要 此课程设计是做一个集成稳压可调电源 通常 很多参考书上都有类似的 电路设计图 在我们需要用时常常面临一个选择困难的问题 而且在选择完成 之后 具体的制作过程中总是有很多问题 而参考书上又没有具体的解决办法 另外 大多电路图所给的实物结果都是理想情况下的 和实际运用中总会有所 不同 为了给具体设计制作做出一个参考 特作此课程设计 以期在运用会有 所帮助 集成稳压可调电源的运用非常广泛 不可能逐一列举 本次课程设计把重 点放在电路接线及元器件资料整理 大家都知道 在电路运用日趋广泛的情况 下 独立运用一个集成电路中的某一部分的元件运用逐渐减少 因此本设计的 主要在于桥式整流电路 滤波电路 稳压电路的运用和选择上 再设计和运用 的过程中有着一定的局限性 本课程设计中为了能够使所用的元件参数有根有 据 有相应的计算公式代入进行理想计算 也有一部分是从参考书目得来 本 课程实际的目的是给具体的设计制作调试提供一个参考 共同进行讨论 所用 方法并不是唯一的 一起讨论一起实践 以期赢得共同进步 关键词 电源变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 1 目录 绪论 1 1 电源板的分析 2 1 1 任务及要求 2 1 2 计算机控制电源板实物图 2 2 计算机控制电源板接线图的绘制 2 2 1 计算机控制电路板元器件分布图 2 2 2 计算机控制电源板接线图 3 3 相关元器件资料 3 3 1pcb 板 3 3 2 电阻 4 3 3 电容 4 3 4 继电器 5 3 5L7815CV 7 3 6 L7805CV 7 3 7 三极管 S8550 7 3 8 HA17324 A 8 3 9 芯片 TL494 8 3 10 MCR100 8 9 3 11 TLP521 2 9 3 12 芯片 4N26 9 4 计算机控制电源板分解原理 10 4 1 降压变压器 10 4 2 整流器 10 4 3 滤波器 10 4 4 稳压器 11 4 5 保护电路 12 5 查找故障 13 5 1 通用方法 13 5 2 观察判断法 14 6 参考文献 15 2 0 绪论绪论 电子设备都需要良好稳定的电源 而外部提供的能源大多数为交流电源 电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务 转换后的直流电源应具有良好的稳定性 当电网或负载变化时 它能保持稳定 的输出电压 并具有较低的纹波 我们通常称这种直流电源为稳压电源 但有 时提供的直流电压不符合设备要求 仍需变换 称为 DC DC 变换 常规的稳压 电源为串联调整线性稳压电源 它通常由 50Hz 工频变压器 整流器 滤波器 串联调整线性稳压器组成 调整元件工作在线性放大区 流过的电流是连续的 调整管上损耗较大的功率 需要体积较大的散热器 因此该种电源体积大 且 效率低 通常仅为 35 60 同时承受过载能力较差 但是它具有优良的纹 波及动态响应特性 开关电源是利用现代电力电子技术 通过控制开关晶体管 开通和关断的时间比率 维持稳定输出电压的一种电源 开关电源处于电源技 术的核心地位 它主要分为 AC DC 和 DC DC 两大类 开关电源去除了笨重的工 频变压器 代之以几十 kHz 几百 kHz 甚至数 MHz 的高频变压器 由于调整管 工作在开关状态 因而功率损耗小 效率高 目前 开关电源技术向着轻 小 薄 低噪音 高可靠 抗干扰的方向发展 新器件和新拓扑理论的出现使得开 关电源日趋可靠 成熟 经济 适用 1 1 1 电源板的分析电源板的分析 1 11 1 任务及要求任务及要求 1 查阅技术资料 2 完成电路原理初步分析 3 根据所给的计算机控制电源板 绘出元器件分布图 4 查阅相关资料 标出元器件的标号 5 绘出计算机控制电源板的正面接线图 6 绘出计算机控制电源板的反面接线图 7 综合正面接线图和反面接线图绘出计算机控制电源板的元器件接线图 8 根据元器件接线图分析其原理 1 21 2 计算机控制电源板实物图计算机控制电源板实物图 2 2 计算机控制电源板接线图的绘制计算机控制电源板接线图的绘制 2 12 1 计算机控制电路板元器件分布图计算机控制电路板元器件分布图 2 2 22 2 计算机控制电源板接线图计算机控制电源板接线图 见附录图纸 3 3 相关元器件资料 相关元器件资料 3 1pcb3 1pcb 板板 印制电路板 又称印刷电路板 是电子元器件电气连接的提供者 它的发 展已有100多年的历史了 它的设计主要是版图设计 采用电路板的主要优点是 大大减少布线和装配的差错 提高了自动化水平和生产劳动率 目前的电路板 主要由以下组成 线路与图面 Pattern 线路是做为原件之间导通的工具 在设计上会另 外设计大铜面作为接地及电源层 线路与图面是同时做出的 介电层 Dielectric 用来保持线路及各层之间的绝缘性 俗称为基材 孔 Through hole via 导通孔可使两层次以上的线路彼此导通 较 大的导通孔则做为零件插件用 另外有非导通孔 nPTH 通常用来作为表面贴 装定位 组装时固定螺丝用 防焊油墨 Solder resistant Solder Mask 并非全部的铜面都要吃锡 上零件 因此非吃锡的区域 会印一层隔绝铜面吃锡的物质 通常为环氧树脂 避免非吃锡的线路间短路 根据不同的工艺 分为绿油 红油 蓝油 丝印 Legend Marking Silk screen 此为非必要之构成 主要的功能 3 是在电路板上标注各零件的名称 位置框 方便组装后维修及辨识用 表面处理 Surface Finish 由于铜面在一般环境中 很容易氧化 导 致无法上锡 焊锡性不良 因此会在要吃锡的铜面上进行保护 保护的方式有 喷锡 HASL 化金 ENIG 化银 Immersion Silver 化锡 Immersion Tin 有机保焊剂 OSP 方法各有优缺点 统称为表面处理 3 23 2 电阻电阻 电阻器的型号由四部分组成 不适用敏感电阻 第一部分 主称 用字 母表示 表示产品的名字 如R表示电阻 W表示电位器 第二部分 材料 用字母表示 表示电阻体用什么材料组成 T 碳膜 H 合成碳膜 S 有机实心 N 无机实心 J 金属膜 Y 氮化膜 C 沉积膜 I 玻璃釉膜 X 线绕 第三 部分 分类 一般用数字表示 个别类型用字母表示 表示产品属于什么类型 1 普通 2 普通 3 超高频 4 高阻 5 高温 6 精密 7 精密 8 高压 9 特殊 G 高功率 T 可调 第四部分 序号 用数字表示 表示同类产品中不 同品种 以区分产品的外型尺寸和性能指标等 3 33 3 电容电容 电容是指容纳电场的能力 任何静电场都是由许多个电容组成 有静电场 就有电容 电容是用静电场描述的 一般认为 孤立导体与无穷远处构成电容 导体接地等效于接到无穷远处 并与大地连接成整体 电子制作中需要用到各种各样的电容器 它们在电路中分别起着不同的作 用 与电阻器相似 通常简称其为电容 用字母 C 表示 顾名思义 电容器就 是 储存电荷的容器 尽管电容器品种繁多 但它们的基本结构和原理是相同 的 两片相距很近的金属中间被某物质 固体 气体或液体 所隔开 就构成 了电容器 两片金属称为极板 中间的物质叫做介质 电容器也分为容量固定 的与容量可变的 但常见的是固定容量的电容 最多见的是电解电容和瓷片电 容 不同的电容器储存电荷的能力也不相同 规定把电容器外加 1 伏特直流电 压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量 在电子线路中 电容用来通过交流而阻隔直流 也用来存储和释放电荷以 充当滤波器 平滑输出脉动信号 小容量的电容 通常在高频电路中使用 大 容量的电容往往是作滤波和存储电荷用 而且还有一个特点 一般 1 F 以上的 4 电容均为电解电容 而 1 F 以下的电容多为瓷片电容 当然也有其他的 如 独石电容 小容量的云母电容等 电解电容个铝壳 里面充满了电解质 并引 出两个电极 作为正 负 极 与其它电容器不同 它们在电路中的极 性不能接错 而其他电容则没有极性 把电容器的两个电极分别接在电源的正 负极上 过一会儿即使把电源断 开 两个引脚间仍然会有残留电压 电容器储存了电荷 电容器极板间建立起 电压 积蓄起电能 这个过程称为电容器的充电 充好电的电容器两端有一定 的电压 电容器储存的电荷向电路释放的过程 称为电容器的放电 电子电路中 只有在电容器充电过程中 才有电流流过 充电过程结束后 电容器是不能通过直流电 在电路中起着 隔直流 的作用 电路中 电容器 常被用作耦合 旁路 滤波等 都是利用它 通交流 隔直流 的特性 交流 电不仅方向往复交变 它的大小也在按规律变化 电容器接在交流电源上 电 容器连续的充放电 电路中就会流过与交流电变化规律一致 相位不同 的充 电电流和放电电流 电容器的选用涉及到很多问题 首先是耐压的问题 加在一个电容器的两 端的电压超过了它的额定电压 电容器就会被击穿损坏 一般电解电容的耐压 分档为 6 3V 10V 16V 25V 50V 等 电容器的基本作用就是充电与放电 但由这种基本充放电作用所延伸出来的许多电路现象 使得电容器有着种 种不同的用途 例如 在电动马达中 用它来产生相移 在照相闪光灯中 用 它来产生高能量的瞬间放电等等 而在电子电路中 电容器不同性质的用途尤 多 这许多不同的用途 虽然也有截然不同之处 但因其作用均来自充电与放 电 下面是一些电容的作用列表 耦合电容 用在耦合电路中的电容称为耦合电容 在阻容耦合放大器和其 他电容耦合电路中大量使用这种电容电路 起隔直流通交流作用 3 43 4 继电器继电器 继电器 英文名称 relay 是一种电控制器件 是当输入量 激励量 的 变化达到规定要求时 在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种 电器 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回路 之间 的互动关系 通常应用于自动化的控制电路中 它实际上是用小电流去控制大 5 电流运作的一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路 等作用 功率方向继电器 当输入量 如电压 电流 温度等 达到规定值时 使 被控制的输出电路导通或断开的电器 可分为电气量 如电流 电压 频率 功率等 继电器及非电气量 如温度 压力 速度等 继电器两大类 具有动 作快 工作稳定 使用寿命长 体积小等优点 广泛应用于电力保护 自动化 运动 遥控 测量和通信等装置中 1 电磁继电器 电磁继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 只要在线圈两端加上一定的电压 线圈中就会流过一定的电流 从而产生 电磁效应 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯 从 而带动衔铁的动触点与静触点 常开触点 吸合 当线圈断电后 电磁的吸力 也随之消失 衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置 使动触点与原来的 静触点 常闭触点 释放 这样吸合 释放 从而达到了在电路中的导通 切 断的目的 对于继电器的 常开 常闭 触点 可以这样来区分 继电器线圈 未通电时处于断开状态的静触点 称为 常开触点 处于接通状态的静触点称 为 常闭触点 继电器一般有两股电路 为低压控制电路和高压工作使用 注意事项 1 额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压 也就是控制电路 的控制电压 根据继电器的型号不同 可以是交流电压 也可以是直流电压 1 直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻 可以通过万用表测量 1 吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流 在正常使用时 给定 的电流必须略大于吸合电流 这样继电器才能稳定地工作 而对于线圈所加的 工作电压 一般不要超过额定工作电压的 1 5 倍 否则会产生较大的电流而把 线圈烧毁 6 1 释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流 当继电器吸合状态的电流 减小到一定程度时 继电器就会恢复到未通电的释放状态 这时的电流远远小 于吸合电流 1 触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流 它决定了继电器 能控制电压和电流的大小 使用时不能超过此值 否则很容易损坏继电器的触 点 3 5L7815CV3 5L7815CV 基本参数 压降 2V 输出数 1 针脚数 3 封装类型 TO 220 工作温度 范围 0 C to 150 C 封装类型 TO 220 工作温度最低 0 C 工作温度最 高 150 C 器件标号 7815 器件标记 L7815CV 容差 工作电压 4 电压整 流器类型 正固定 电源电压最大 30V 电源电压最小 18 5V 芯片标号 7815 表面安装器件 通孔安装 输入电压最大 35V 输入电压最小 17V 输出电压最 大 15V 输出电流最大 1 5A 电压 15V 输出电压 15V 3 63 6 L7805CVL7805CV 基本参数 输出电压 4 75 5 25V 最大输入电压 35V 静态电流 4 2 8mA 输出噪音电压 40uV 纹波抑制比 78dB 输出电阻 17m 输出电压 温度系数 1 1mV C 7 3 73 7 三极管三极管 S8550S8550 应用范围 功率 功率特性 小功率 频率特性 低频 极性 NPN 型 结构 点 接触型 材料 硅 Si 封装形式 TO 92 封装材料 塑料封装 截止频率 fT 50 MHz 集电极最大允许电流 ICM 1 A 集电极最大耗散功率 PCM 3 W 3 83 8 HA17324 AHA17324 A HA17324 系列和 HA17324A 的系列四通道运算放大器 提供高增益和内部相 位补偿 单电源供电 它们可以被广泛用于控制设备 特点 1 宽范围的电源电压 单电源使用 2 内部相位补偿 3 宽范围的共模电压 并可能与一个输入操作大约 0V 3 93 9 芯片芯片 TL494TL494 8 TL494 的用于 PWM 的开关稳压器的控制电路的 TL494 的由 5V 参考电压电 路 两个误差放大器 触发器 一个输出控制电路 一个 PWM 比较器 死区时 间比较器和振荡器 此装置可在 1 千赫至 300 千赫的开关频率的操作 特点 1 内部稳压器提供稳定的 5V 参考电源 微调至 5 2 未提交的输出额定电流 200mA 水槽 TR 或电流源 3 输出控制推挽或单端工作 4 可变占空比死区时间控制 引脚 4 完整的 PWM 控制电路 5 片上振荡器与主机或从机操作 6 内部电路禁止在任一输出的双脉冲 3 103 10 MCR100 8MCR100 8 电压 Vdrm 600V 电流 Igt 200 A 电流 It 有效值 0 8A 电流 Itsm 50Hz 10A 最大保持电流 Ih 5mA 电压 Vgt 0 8V 工作温度范围 40 C 110 C 封装类型 TO 92 针脚数 3 SVHC 高度关注物质 No SVHC 18 Jun 2010 封装类型 TO 92 器件标记 MCR100 8 晶闸管 双向晶闸管类型 晶闸管 电压 Vrrm 600V 电流 Itsm 10A 表面安装器件 通孔安装 3 113 11 TLP521 2TLP521 2 通道数 2 隔离电压 2500V 输出类型 晶体管 输入电流 50mA 输出电压 55V 封装类型 DIP 针脚数 8 光电耦合器类型 晶体管输出 封装类型 DIP 8 工 9 作温度范围 55 C to 100 C 批准机构 UL 正向电压 Vf 最大 1 3V 电压 Vceo 55V 电流 If 平均 5mA 输出电压 最大 55V 电流传递率 CTR 最小值 20 电流传递率 CTR 典型值 20 电流传递率 CTR 最大值 3 123 12 芯片芯片 4N264N26 4 4 计算机控制电源板分解原理计算机控制电源板分解原理 4 14 1 降压变压器降压变压器 降压变压器将电网220V 50Hz交流输入电压降压后变为所需的约18V交流电 压 同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用 图4 1 1为直流稳压电源变压 器电路 图中为了控制电源 在变压器初级接一开关 作为总的电源开关K 图 中在变压器次级接的B 1A 是保险管 作用是防止电流过大损坏变压器 图 4 1 1 直流稳压电源变压器电路 4 24 2 整流器整流器 二极管桥式整流电路将变压器变换后的交流电压转变为单向的脉动直流电 压 由于这种电压存在着很大的脉动部分 即纹波 如果用它直接给负载供电 纹波的变化会影响后级电路的性能指标 所以还必须进行处理 二极管桥式整流电路的优点是输出电压高 脉动系数小 纹波电压小 每 管所承受的最大工作反压较其它方案低 电源电压利用率高 因而整流效率也 10 较高 变压器无需中心抽头 电路的缺点是使用的二极管数量较多 D1 D4可 采用1N4001 1N4007 整流管总的压降较大 在大电流工作状态下 会使电路 效率下降 4 34 3 滤波器滤波器 电容滤波电路对整流部分输出的脉动直流进行平滑处理 使它成为一个含 交流成分很小的 更加平滑的直流电压 即滤波部分实际上是一个性能较好的 低通滤波器 且其截止频率一定是低于整流输出电压基波频率的 虽然电容C1 取得越大 脉动系数就越小 脉动成分就小 但一般取 S RLC1 2 5 3 T T为交流电网电压的周期 ms20 50 1 T 电容滤波电路的优点是在输出电流IO不高时 体积小 成本低 电容滤波 适用于负载电压较高 负载变动不大的场合 4 44 4 稳压器稳压器 稳压器为电源的核心部分 尽管经过整流滤波后的直流电压 可以充当某 些电子电路的电源 但是其电压值的稳定性很差 它受温度 负载 电网电压 波动等因素的影响很大 因此还必须有稳压电路 以维持输出直流电压的基本 稳定 图4 4 1为直流稳压电源稳压器电路 通过三端可调线性集成稳压器 LM317的稳压 输出电压在输入电网波动 10 输出负载变化以及温度波动几 种情况下仍然可以保持不变 图 4 4 1 直流稳压电源稳压器电路 三端稳压器的额定输出电压一般是不可调的 但可以通过外接元件R2 R3 来扩展输出电压 达到调压作用 如图4 3 5所示 11 输出端和调节端之间在工作时产生标称值为1 25V的基准电压UREF 这个基 准电压加在电阻R2上 由于电压是恒定的 就有一个恒定的电流流过输出设定 电阻R3 得到的输出电压是 UO RREF 1 R3 R2 IADJR3 IADJ代表了一个误差项 在设计LM317时尽量减小IADJ 并使之等于一个常 数 完全不随输入电压和负载变化 于是 UO 1 25 1 R3 R2 可见 当R2取定 通常取R2 240 后 改变R3的值 输出电压UO也随之 改变 即输出UO可调 发光二极管LED与限流电阻R1串联接在稳压器的输入端 当电源开关K闭合 时 指示灯亮 C2 应靠近稳压器 起消振作用 即防止自激振荡 C3 为一旁路电容 可进一步抑制纹波 当输出电压升高时 C3可防止纹 波的放大 即将R3上的纹波旁路掉 C4 由于使用了C2 C3等 与任何反馈电路一样 某些数值的外接电容 500 F 5000 F 可能引起振荡 C4的作用就是消除这种效应 确保工作稳 定 T1 扩流电路 由于三端集成稳压器输出电流固定且较小 带负载能力差 在实际工作中 往往需要稳压器输出较大电流 以提高带负载能力 利用T1进 行电流放大 T1接成共集电极电路 射随器 具有电流放大作用 由于电流较 大 T1采用3DD15D大功率管 实际的稳压电源产品常常在输出两端并联电压表 作UO的指示 4 54 5 保护电路保护电路 对于一个功能完善的稳压电源来说 必须有一套完整可靠的保护电路 在 串联稳压电路中 若使用不慎 负载电流过大或输出短路的情况是可能发生的 此时 LM317内部调整管的功耗将剧增 尤其是在短路的情况下 全部输入电压 都加到调整管两端 这就会使调整管的功耗超过它的极限功耗PCM而损坏调整管 所以必须采用合适的过流保护电路 直流稳压电源保护电路如图4 3 5中的 D5 D6和图4 5 1所示 保护二极管 大多数电容的串联内阻是很小的 当短路时放电电流将产生20A的脉冲尖峰 12 即使短路的时间很短 但放电能量足以损坏集成电路 当LM317的调整管有外接 电容时 需加保护二极管以防止电容通过小电流端放电而进入调整器 D5 防止C4的反峰 当调整管的输出端接有电容C4而输入端被短路时 输 出端电容将向调整管输出端放电 放电电流与电容量有关 也与输出电压及输 入电压减小的速率有关 D5为C4提供了一条放电回路 即防止C4的反峰高压对 LM317的冲击 D6 防止C3的反峰 由于在调整管的调整端接有旁路电容C3 当输入或输 出端短路时 在C3上要产生一个反峰高压 当输出端短路时 C3通过D6放电 当输入端短路时 C3通过D6 D5放电 防止C3反峰冲击调整器 图 4 5 1 直流稳压电源三极管过流保护电路 T2和T3保护电路 通过T2和T3保护电路 可以防止电流过载或输出短路时损坏器件 R6为采 样电阻 以便对输出电流进行动态监视 R6阻值0 5 功率为3W 当输出电流 大于1 5A 额定电流 时 R6上的压降为 1 5A 0 5 0 75V 或大于0 7V 时 三极管T3导通 R5压降升高 T2也导通 从而使从LM317的输出电流从T2分 流一部分 这样流进扩流管的电流便减小 输出电流也减小 从而达到过流保 护的目的 当输出电流减小到一定程度 R6上的压降小于0 7V即T3截止 T2也截止 电路恢复正常 C5 当负载恢复正常 IO 1 5A T3截止 由于C5已充电 使T2再维持导 通一段时间 直到C5放电到不能维持T2导通 即防止负载连续突变而造成的T1 连续被冲击 防干扰 同时还具有交流旁路功能 C6 输出电容 作用之一是滤波 作用之