可调直流稳压电源课程设计论文

课程设计 论文 说明书 题 目 可调直流稳压电源可调直流稳压电源 院 系 信息与通信学院 专 业 微电子学 学生姓名 湛亚熙 学 号 0900204131 指导教师 赵中华 职 称 实验师 2011 年 12 月 19 日 摘 要 稳压电源就是能输出相对稳定电压的电压源 也称为稳压器 目前构成稳压电源 的方法主要有两种 线性稳压电路和开关型稳压电路 本文将要介绍的就是线性稳压 电源 线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源 线性稳压直流电源的特点是 输出电压比输入电压低 反应速度快 输出纹波较小 工作产生的噪声低 效率较低 发热量大 间接地给系统增加热噪声 关键词 分立元件 线性 直流稳压 电源 电路设计 Abstract The power output voltage is the voltage of the relatively stable voltage source also known as a regulator At present the method of a voltage stabilizer basically has two kinds linear regulator circuit and the voltage type switch circuit This paper will introduce is linear voltage stabilizer Linear regulator earlier use of power supply is a dc voltage stabilizer The characteristic of linear regulated dc power supply is output voltage input than low voltage Reaction speed output ripple small the work of the noise is low Efficiency is lower Heat is big indirectly to system increase thermal noise Key words Division element linear dc voltage power supply circuit design 目 录 引言 1 1 项目设计要求 1 2 设计构思及理论 1 2 1 设计思路 1 2 1 1 设计构思的理论依据 2 3 系统电路的设计及原理说明 3 3 1 系统框图及说明 3 3 2 电路设计说明 4 3 3 关键元器件的介绍 5 4 工程设计 7 5 制作叙述 7 6 制作叙述 8 6 1 调试方案 8 6 2 测试所用仪器 8 7 结论 8 8 结束语 9 谢 辞 10 参考文献 11 附 录 12 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 1 页页 共共 12 页页 1 引言 电子电路要正常工作 电源必不可少 并且电源性能对电路 电子仪器和电子设备 的使用寿命 使用性能等影响很大 尤其在带有感性负载的电路和设备 如电机 中 对电源的性能要求更高 实际上就是要求设计一个具有足够调压范围和带负载能力的 直流稳压电源电路 该电路的设计关键在于稳压电路的设计 所选器件和电路必须达 到在较宽范围内输出电压可调 输出电压应能够适应所带负载的启动性能 此外 电 路还必须简单可靠 能够输出足够大的电流 1 项目设计要求 本项目要求完成一个分立元件正压线性可调稳压电路的设计 电路中供给的直流 电压为 12V 输出电压可调范围 6V 10V 由一个滑动变阻器调动 输出电流 Io 不能 太小 至少要大于或等于 500mA 即 要求输出电压可调范围在 6V 02V 同时输出电 流 Io 500mA 则说明完成本项目的电路图设计 设计前 要初步了解正压线性可调稳压电路的基本工作原理及主要的作用 熟悉 直流 交流稳压电源之间的相同点和不同点 尽可能多地了解会对正压线性可调稳压 电路功能造成不良影响的原因 设计过程中 要求掌握 EDA 设计技术 比如基于 PROTEL99 工具或其他的流行 CAD 工具的技术 绘制电路原理图及 PCB 图时要求能够运用 PROTEL99 进行描绘 并注意运 用 PROTEL99 软件时应注意的细节问题 如 元器件放置好后用 LOCK 先将其锁定再开 始布线 元件和走线不能太靠近放 高频数字电路的走线尽量细 短一些等等 在绘 制好电路图之后要在电脑上进行仿真实验 以确保电路图的准确性 在连接电元器件 时要注意区分端口的输入和输出 不要弄混淆以造成不必要的错误 设计结束后 应先到实验室进行调试并记录实验数据 如有错误应查阅资料查找 造成错误的原因 提出修改方案及时更正修改 最后要认真分析本项目各阶段过程中 所遇到的问题 查找产生问题的原因以及如何解决遇到的问题 最后总结经验教训 避免再次犯相同的错误 并写好最后的课程设计论文 2 设计构思及理论 2 1 设计思路 首先 因为是用分立元件做电路 电路的设计就不能用 7805 一类的集成芯片 而 是需要利用电容电阻 三极管以及稳压管来搭建电路 这样搭建的电路具有小巧 便 携的优点 其次要设计的电路是直流电压转直流电压 则不需要变压器的变压 整流 桥对交流电的整流 滤波电路等 整理好我们本次作品的设计思路 我们就可以开始 设计电路了 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 2 页页 共共 12 页页 2 线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区 靠调 整管之间的电压降来稳定输出 设计直流稳压电路有以下一些指标 1 输出电压范围 符合直流稳压电源工作条件情况下 能够正常工作的输出 电压范围 该指标的上限是由最大输入电压和最小输入 输出电压差所规定 而其 下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定 2 最大输入 输出电压差 该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下 所允许的最大输入 输出之间的电压差值 其值主要取决于直流稳压电源内部调整 晶体管的耐压指标 3 最小输入 输出电压差 该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下 所需的最小输入 输出之间的电压差值 4 输出负载电流范围 输出负载电流范围又称为输出电流范围 在这一电流 范围内 直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标 此外还有一些指标 如极限指标 1 最大输入电压 是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压 2 最大输出电流 是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流 2 1 1 设计构思的理论依据 1 设计模块 图 1 基本模块 图 2 输出波形 2 工作原理 当电网电压升高或负载减轻 均可引起输出电压 U0增加 经取样电压分压后 Uf 增加 则 U 0 Ub减小 也使 BJT 的 Ic减小 Uce增加 使 Uo下降 接近原有值趋于稳定 反之亦然 3 输出电压的调节 由于深度串联负反馈的特点 Id 0 u u 即 Uz Uf 通过调节 Rp 我们可以将输出电压调节在既定的范围 当 RP与 R2 的比值为一个适 当的比值时 就能够有效的调节电压 若是比值太大 则调节幅度过大 若是比值太 小 则调节幅度不明显 不利于输出电压的观察 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 3 页页 共共 12 页页 3 图 3 参考设计电路 4 限流电阻的计算 式 1 5 稳定电压 Uz 与 R2 计算 式 2 1 2 3 2 3 1 2 3 3 可得 式 3 1 2 3 2 3 1 2 3 3 3 系统电路的设计及原理说明 3 1 系统框图及说明 下图为高通滤波器测试的系统框图它是由控制模块和测试模块两部分组成 图5 正压直流稳压电源的系统框图 控制模块 主要输出 12V 电压接到测试板上 以启动电路板的工作 进而控制测 试板的通断 本模块将控制系统的各模块是否处于正常的工作状态 对测试板的测试 有重要的作用 测试前 可先输入一个比较小一点的电压测试电路的好坏 以免硬件 被烧坏 控制模块测试模块 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 4 页页 共共 12 页页 4 测试模块 本模块主要由自己设计制作的实验板以及一台万用表构成 信号电压 通过测试板然后用万用表测出读数 使万用表显示输出信号的相关信息 输出电压及 输出电流 测试时 应该及时记下所测到的数据 以便随后的实验数据分析使用 3 2 电路设计说明 根据正压直流稳压电源的设计原理以及原理草图 并结合国家相关的图纸有关规 定 得出以下的电路原理图 下图是用 PROTEL99 所画出模块完整的电路原理图 图 6 电路原理图 原理图分析 分立元件的可调直流稳压电源 电路比较简单 电压连续可调 R3 和 R2 组成取样电路 因放大倍数有限 内阻比用集成电路要大 虽然增加三极管可加大放大倍数 降低内阻 但电路会变得复杂 绘制好原理图之后就可以着手制作电路板 首先是根据原理图得出电路线路的 PCB 图 对于 PCB 图的绘制最重要是布线 布线的注意事项详细见 4 工程设计中对 PCB 图 设计的描述 下图为根据电路原理图得出的电路 PCB 图 由 PROTEL99 绘制而得 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 5 页页 共共 12 页页 5 图 7 电路 PCB 图 3 3 关键元器件的介绍 本电路的核心器件为 滑动变阻器 Rp的作用 根据 U IR 在 I 不变的条件下 通过调节滑动变阻器阻值 的大小 可以达到控制输出电压大小的目的 三极管 三极管是一种控制元件 主要用来控制电流的大小 三极管在放大信 号时 首先要进入导通状态 即要先建立合适的静态工作点 也叫建立偏置 否则会放大失真 在三极管的集电极与电源之间接一个电阻 可将电流放大转换成 电压放大 以下列举用到的两三极管管脚图以及一些参数 图 8 8050 NPN 三极管管脚 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 6 页页 共共 12 页页 6 耗散功率 0 625W 贴片 0 3W 集电极电流 1 5A 基极电压 40V 发射极击穿电压 25V 发射极饱和电压 0 6V 特征频率 f 最小 150MH 按三极管后缀号分为 B C D 档 放大倍数 B85 160 C120 200 D160 300 L100 200 H200 350 管脚排列顺序 E B C 图 9 TIP41C 引脚图 为硅型 NPN 三极管 主要用作低频或高音放大 功率放大等 极限工作电 100V 最大电流允许值 6A 最大耗散率 65W 封装为直插式封装 TO 220 TIP41C 在本设计电 路中起到调整管的作用 在输出电流变化时 由于采用了具有负反馈作用的集一基偏 置 保证了管压降不变 只有在输出电压发生变化时 经反馈网络将输出电压的变化 反馈到调整管的基极 控制基极电位 使调整管的压降发生必要的变化 从而保持了 输出电压不变 表一 元件清单 说明型号 R1固定电阻510K R2固定电阻1K R4固定电阻1k R3滑动电阻5 5K Q1NPNS8050 Q2NPNTIP41 C1电解电容100uF D1稳压管3V 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 7 页页 共共 12 页页 7 4 工程设计 本设计的原理图 PCB 图均采用 PROTEL99 进行绘制 在绘制过程中应注意的问题 有 1 原理图常见错误 a 创建封装时给管脚定义了 I O 属性 b 创建元件或放置元件时修改了不一致的 grid 属性 管脚与线没有连上 c 创建的工程文件网络表只能部分调入 PCB 生成 netlist 时没有选择为 global 2 PCB 的设计流程分为网表输入 规则设置 元器件布局 布线 检查 复查 输出六个步骤 3 设计 PCB 版图先应考虑的问题 a 先放置与结构有关的固定位置的元器件 这些器件放置好后用软件的 lock 功 能将其锁定 使之以后不会被误移动 再放置线路上的特殊元件和大的元器件 最后 放置小器件 b 元器件和走线不能太靠边放 c 由于本次设计是有关高通滤波器的电路 所以高频数字电路走线尽量细一些 短一些 d 走线拐角尽可能大于 90 度 杜绝 90 度以下的拐角 也尽量少用 90 度拐角 5 制作叙述 在绘制 PCB 图之前就应该确定好电路中芯片的构成 不要混淆芯片引脚的输入跟 输出 由于本项目是关于高通滤波器的设计 所以器件 走线不能太靠近 而且布线 要尽量细 短一点 使线路对器件的不良影响尽量减少 但是布线细短与器件间的距 离和制作工艺是相矛盾的 布线越细 将电路图附板子上的时候线路就就容易断 也 更容易产生别的线路问题 特别是在钻孔的时候 布线过小则很容易将电路截断 再 加上线路小了 焊接器件的时候也容易将器件的引脚接在一起 从而发生错误造成实 验结果达不到预期的目的 因此要权衡好两者的关系 使制作出来的电路不仅美观易 懂 而且更加实用不易产生线路的不良影响 效果最好 在本次电路板的制作过程中 让我印象最深的错误就是将电路 PCB 图附到铜板上 的时候由于不注意 使得电路线断开 使得最后只能重新重复电路线附铜板的过程 通过这次的制作 能使我吸取教训 在以后的电路板制作过程中更多地注意细节性的 问题 不再犯重复的错误 6 制作叙述 6 1 调试方案 将所设计的电路接上一台稳压直流电源 作用是输出 12V 的直流电压 随后调动 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 8 页页 共共 12 页页 8 滑动变阻器的阻值 并且用万用表测出输出电压 U0输出电流 I0 记录不同输入电压范 围内的输出电压和电流值 做成表格 6 2 测试所用仪器 一 一台实验室的直流稳压电源 负责输出需要的电压 二 万用表一台 供测量输出电压电流使用 表二 实验数据 输入电压 单位 V 输出电压 单位 V 125 67 11 91 12 5 65 11 20 12 5 66 11 02 12 5 65 11 87 12 5 66 11 67 12 5 65 11 53 12 5 65 11 35 12 5 66 11 13 12 5 66 11 69 12 5 65 11 10 6 3 实验分析 由所测的数据可知 所设计的直流稳压电路在输入为 12V 时 其可调电压范围为 5 65V 11 91V 可调范围比目标范围要大 目标可调范围 6V 10V 故可以实现功 能 此外 在输出处外接一 10 欧姆的电阻 测得输出电流范围为 565mA 1 191A 之间 大于目标电流的 500mA 故基本符合目标要求 设计电路成功 7 结论 在实际做成的电路板中 由于设计的电路稍微有些误差 导致输出数值与设计 指标有些出入 设计的电路如下图 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 9 页页 共共 12 页页 9 图 9 设计的电路 串联反馈型晶体管稳压电路如上图所示 图中 Ui为电网电压经变压 整流 滤 波后的输出电压值 VT1为调整管 VT2为放大管 VD 为稳压管 内阻为 r 假设 VT1 的参数为 rbe1 1 VT2的参数为 rbe2 2 求输出电阻时 负载应该开路 RL 输入端的信号源若为定势源时 视信号源 处短路 Us 0 但保留 Rs 若为恒流源时 视信号源处开路 Is 0 但保留 Rs 由输 出端加电压 Us 得到电流 Is 于是可求得输出电阻 用以衡量稳压电源稳压特性的指标是质量指标 在电子线路中常用的质量指标有 稳压系数输出电阻和纹波电压等 对于稳压电源来说 稳压电源的输出电压越稳定 输出电阻越小 稳压系数越低 稳压电源的稳压效果就越好 8 结束语 这次进行的课程设计给我留下了太多记忆深刻的东西 学到了很多课本上学不 到的知识 首先 这次课程设计 让我了解了不少有关直流稳压电源的相关知识 也让我 对一些分立的元器件有了更深层次的认知 直流电源是我们生活 社会生产和国防 事业中相当重要的电子器件 值得我们深入研究 其次 我能够运用数字电路 模拟电路等学科所学的知识 并结合网络 图书 馆搜集到的各种各样的材料 进行分析 比较 取舍 对整体电路的各部分功能有 了一个深入的了解 了解了直流稳压的方法 加深了对电路的理解 另外 通过亲 自动手进行电路板的焊接 了解了电路板制作的基本过程 最后也学会了写论文的 基本格式及写论文的方法 再次 这次课程设计使我有了一次通过理论联系实际 来解决实际问题的经历 它培养了自己分析问题 解决问题的能力 以及上网检索信息的能力 其实学到的 知识其实是次要的 重要的是我们探索知识的过程 这个过程便是一个人自主学习 能力的体现 它将影响着我今后的发展 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第第 10 页页 共共 12 页页 10 谢 辞 本课程设计的顺利完成 首先得益于一路辅导本人的课程设计指导老师赵中华老 师 是赵老师细心的与我们讲解 耐心的同我们沟通 本人才能顺利完成 课程设计 一 的各方面工作 再一次的衷心感谢赵中华老师 其次 则得益于大学几年来一路授予本人知识的所有老师