模电课程设计---直流稳压电源设计

1、课程设计说明书 课题名称：直流稳压电源设计 课程设计任务书 1.1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； 1.2设计任务 1、进行设计方案的比较，并选定设计方案； 2、完成电路的设计和主要元器件说明； 3、完成硬件原理图设计和 PCB 图设计； 4、安装各单元电路,要求布线整齐,美观。 1.3设计要求和技术指标 1 1、技术指标：、技术指标：要求电源输出电压为12V（或9V /5V） ，输入电压为 交流 220V，最大输出电流为 Iomax=500mA，纹波电压VOP-P5mV，稳压系 数 Sr5%。 2 2

2、、设计基本要求、设计基本要求 （1） 设计一个能输出12V/9V/5V 的直流稳压电源； （2） 拟定设计步骤和测试方案； （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） 要求绘出原理图，并用 Protel 画出印制板图； （5） 在万能板或面包板或 PCB 板上制作一台直流稳压电源； （6） 测量直流稳压电源的内阻； （7） 测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压； （8） 撰写设计报告。 3 3、设计扩展要求、设计扩展要求 （1）能显示电源输出电压值，00.0-12.0V； （2）要求有短路过载保护。 4 4、设计时间及进度安排、设计时间及进度安排 设计时间共三周具体安排

3、如下： （1）阅读课题及格式要求，确定课题名称。根据课题，借阅相关图书资料； （2）从所借图书资料中了解电路工作原理，及各部分电路功能； （3）学习 Protel 99SE、Proteus ISIS、Microsoft Visio等软件。 （4）运用 Protel 99SE、Proteus ISIS 绘制电路图及对电路进行仿真。 （5）根据原理图，对元件进行封装，绘制出 PCB 图，制作 PCB 板。 （6）安装元器件和对电源进行调试及测试。 目录 第一章第一章 设计步骤和电路形式的确定设计步骤和电路形式的确定 . 1 1 1.1 设计步骤 .1 1.2 电路形式的确定 .2 第二章第二章具体

4、电路的设计及分析具体电路的设计及分析 . 3 3 2.1 整流电路设计及其电路原理分析 .3 2.2.1 稳压电路设计及电路原理分析.4 2.3 电路总体功能说明.5 2.3.1 选择集成稳压器.5 2.3.2 电源变压器的选择.5 2.3.3 选用整流二极管和滤波电容.6 第三章第三章 电路的仿真测试电路的仿真测试 . 7 7 3.1 电路基本功能测试.7 3.2 电路性能测试.8 3.2.1 稳压系数的测量.8 3.2.2 输出电阻的测量.8 3.2.3 纹波电压的测试.9 3.3误差分析.10 结结 束束 语语. . 1111 附附录录. . 1212 第一章 设计步骤和电路形式的确定

5、1.1 设计步骤 稳压电源步骤如下： 1、根据稳压电源的输出电压U 0 、最大输出电流I omax ，确定稳压器的型号及电 路形式。 2、根据稳压器的输入电压U I 的取值，确定电源变压器副边电压u 2 的有效值U 2 ， 求出变压器的变比 n；根据稳压电源的最大输出电流Iomax，确定流过电源变压器副边的 电流I 2 和电源变压器副边的功率P 2 ；根据P 2 ，查出变压器的效率，从而确定电源 变压器原边的功率P 2 。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。 3、确定整流二极管的正向平均电流I D 、整流二极管的最大反向电压U RM和滤波 电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极

6、管和滤波电容。 4、对电路进行仿真，改进设计。 直流稳压电源稳压过程： 交流变压器将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后 单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是当输入 交流电源电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。设计电路框图 及稳压波形示意图如图 2-1、图 2-2 所示。 交 流 电 源 变 压 器 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路 图 2-1 电路框图 U0U1U2U3U4 图 2-2 电压变化图 1 1.2 路形式的确定电 本次直流稳压电源的实现科采取两个方案，它们分别是：采用分立元件实现、 采用三端集成稳压器

7、实现。由文献1 可知：采用分立元件实现的稳压电源结构简单， 可用常用分立元器件，容易实现，技术成熟，能够达到技术参数的要求，造价成本 低，但是精确度不高。采用三端集成稳压器实现的稳压电源稳压部分需采用一块三 端稳压器其他分立元器件，所需的外围元件少，电路内部还有过流、过热及调整管 的保护电路，使用方便、可靠、而且价格便宜。故综合考虑，本次设计的直流稳压 电源采用三端集成稳压器实现。 三端集成稳压器的介绍如下： 由电源变压器、整流滤波电路及三端稳压器构成的稳压电路，78XX，79XX 系 列稳压器具有比较完善的的保护电路，主要用来保护调整管。它具有过流、过压和 过热保护功能。当输出过流和短路时，

8、过流保护电路动作以限制调整管电流的增加； 过热保护电路是集成稳压器独特的保护功能，当芯片温度较低，过热保护电路不起 作用，反之则保护电路迫使输出电流减少，芯片功耗减少，从而避免稳压过热而损 坏。 此方案由提高输出电压电路、 输出正负电源电路、 恒流源电路组成。 注意： 79XX 系列集成压器是常用的固定负输出电压的三端集成稳压器，除输入电压和输出电压 均为负值外，其他参数和特点与 78XX 系列集成稳压器相同。 2 第二章具体电路的设计及分析 2.1 整流电路设计及其电路原理分析 由于本次设计要求的输出电压要有正有负，故变压器和整流部分的电路设计如 下图所式：(假设 t=0 时 12 端口刚好

9、输入正弦电压） 图 2-1-1 整流桥的设计 0T/2 时间内：D2 导通，D3 截止，u3 为(+)；D4 导通，D1 截止，u4 为（-） 。 T/2T 时间内：D2 截止，D3 导通，u3 为（+） ；D4 截止，D5 导通，u4 为（-） 。 由此，便得到了两列极性相反的脉动波形，如图2-1-2 所示。 图 2-1-2 极性相反的脉动波形 在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流 电压u 2变换成脉动的直流电压u3。在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压 3 为： U RM 2U 2 流过每只二极管的平均电流为： I D I R 0.45U 2 2R

10、其中：R 为整流滤波电路的负载电阻，它为电容 C 提供放电通路，放电时间常 数 RC 应满足： RC (3 5)T 2 其中：T 20ms是50Hz交流电压的周期。 2.2.12.2.1 稳压电路设计及电路原理分析 稳压电路有串联稳压电路和线性集成稳压电路。而集成稳压电路的外接元件少， 有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点。由前面方案对比，我们选择使用三端集 成稳压电路，如图2-2-1所示。 图 2-2-1 三端集成稳压电路 7812 稳压单元包括基准电压、取样电路、比较放大器、调整元件等基本电路和保护 电路。 1、基准电压，基准电压UVD的稳定性直接关系到整个稳压电源的稳定性，通常 由稳压管

11、电路获得。 2、取样电路，取样电路的作用是将输出电压U 0 按比例取出一部分，作为控制调 整元件的依据。 3、比较放大器，由晶体管和集电极电阻组成的比较放大器是一个直流放大器， 它对取样电压与基准电压的差值进行放大。 4、调整元器件，是稳压单元的执行元器件，一般由一个工作于线性放大区的功 4 率管构成，它的基极输入电流受比较放大器输出电压的控制。 5、保护电路，为了防止输出端不慎短路或过载而造成调整管损坏，直流稳压电 源通常都设计有过流自动保护电路。 2.32.3 电路总体功能说明 直流稳压电源的电路图见附图-2。我们知道，直流稳压电源的功能，就是将交 流220V电压转换为稳定的直流电压输出。

12、因此，附图 -2电路图中，左边交流220V端 为输入端，右边12V / 5V端为输出端，信号处理流程方向为从左到右。本稳压电 源电路可分为2个单元，从左到右依次为： 以整流二极管D为核心的整流滤波单元，包括交流降压电路、整流电路、滤 波电路； 7805、 7912、 7905为核心的稳压单元，包括基准电压、取样电路、比较以7812、 放大器、保护电路；以上单元电路组成了直流稳压电源的整体电路。 本直流稳压电源总体工作原理是：交流220V电压经电源变压器降压、整流二极 7912管D桥式整流、 电容器C1、 C2滤波后， 得到有一定纹波的直流电压。 再经由7812、 7905组成的组成的稳压电路稳

13、压调整后，输出稳定的12V直流电压，在经由7805、 稳压电路稳压调整后，输出稳定的5V直流电压。附图2便是由设计方案确定的电路 图，其中，C1、C2是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直 流电压。电容 C7、C8、C12、C13是为了用来改善纹波和抑制输入的过电压，保证 7812、 7805、 7912、 7905的输入-输出电压不会瞬间超过允许值，电容C3、C4、C5、C6、 C9、C10、C12、C13是为了用来实现频率补偿，防止稳压电路产生高频自激振荡和抑 制电路引入的高频干扰。 2.3.12.3.1选择集成稳压器 7805、 7912、 7905，其中，7812 、

14、791输2出电压为 ：12V集成稳压器选7812、 7805、 7905输出电压为：5V。并取C7、C8、C12、C13 的值为 470uF；C3、C4、C9、 C10 的值为 0.33uF；C5、C6、C12、C13 的值为 0.1uF。 2.3.22.3.2 电源变压器的选择 由于 7812 的输入电压与输出电压差的最小值(U I U O ) min 2V， 输入电压与输出 电压差的最大值U I U o max 40V，故 7812 的输入电压范围为： 5 U omax (U I U o ) min U I U omin (U I U o ) max 即9V 3V U I 3V 40V 取

15、U I 17V 故得变比n (220 /(17 /1.2)/2 9，选用三端输出的 12V 变压器。 2.3.3选用整流二极管和滤波电容 U RM 2U 2 2 12 17V，I 0max 0.8A。 IN4001 最大整流电流:1.0A，最大反向电压:50V，故整流管选用 IN4001。 根据U 0 5Vor12V,U I 12V,U 0pp 5mV,S v 3103和 S U 0 U Io常数 v I U 0 U I T 常数 可求得： U U op pUI I U 0.00512 0 S v 53103 4V 所以，滤波电容： I T11 C I ct 0max 2 0.8 50 2 U

16、 I U I 4 0.002F 2000uF 电容的耐压要大 2U 2 2 12 17V，故滤波电容 C 取容量2200F。 6 于 第三章 电路的仿真测试 3.1 电路基本功能测试 1、按照图 2-1-2，在 multisim 中连接电路，如图 3-1-1，做好仿真准备。 图 3-1-1 仿真电路图 2、仿真开始，打开运行按钮，观察直流电压表示数，并记录读数如表 4-3-1 电压表电压表 电压表 1 电压表 2 电压表 3 电压表 4 理论输出理论输出 +12.000V +5.000V -5.000V -12.000V 仿真输出仿真输出 +12.017V +5.003V -4.995V -1

17、1.972V 表 3-1-1 电路理论输出与仿真输出数据对比表 由表 3-1-1 数据对比可以得出，本电源设计电路原理正确，仿真结果与理论数 值相差不大。 7 3.2 电路性能测试 3.2.13.2.1 稳压系数的测量 当连接输出为 12V 输出端时，按图 5-2-1 所示连接电路， 在U 220V时，测出 V，测出稳压电源对应稳压电源的输出电压U 1 。然后使输入电压UU 110% 242 V，测出稳压电源的输出电压U 2 ；再调节自耦变压器使输入电压UU 90% 198 的输出电压U 3 。则稳压系数为： S v1 U o U o U U 3 220 2 242198U 1 U 1 U 1

18、 接 入 电压 输出接口 +12V -12V +5V -5V 220V242V198V 稳压系数 S v 12.017 -11.972 5.003 -4.995 12.018 -12.035 5.002 -4.953 12.006 -12.013 5.003 -4.958 0.005 0.008 0.002 0.004 表 3-2-1 各输出端稳压系数 3.2.23.2.2输出电阻的测量 输出电阻R 0 定义为：当输入电压 U I（指稳压电路输入电压）保持不变，由于负 载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比，即 R 0 U 0| UI常数 I 0 当连接输出为 12V 输出端时，按图

19、 5-2-1 所示连接电路，保持稳压电源的输入 电压U 220V，在不接负载 R L 时测出开路电压，此时I O1 0，然后接上负载 R L，测 出输出电压,算出输出电流，则输出电阻为： R o U o1 U o2 U o1 U o2 I o1 I o2 I o2 8 同理，可测得输出为-12V、5V时的输出电阻，表 3-2-2 为各组输出电阻值 R L I I RL 有限值 U I 输出接口 +12V -12V +5V -5V 输入电压 U I 输出电阻 R 0 12.017 U 220V 0 0 0 0 12.004 -11.952 4.995 -4.962 0.026 0.040 0.0

20、16 0.023 -11.972 5.003 -4.955 表 3-2-2各输出端输出电阻值 3.2.33.2.3纹波电压的测试 用示波器观察 U o 的峰峰值， （此时 Y 通道输入信号采用交流耦合 AC）如图 3-2-3， 测量U op-p 的值分别约为 220uV、320uF、200nF、210nF、 （+12V、-12V、+5V、-5V） 图 3-2-3 12V 和 5V 时的纹波图 9 3.33.3误差分析 综合分析可知在测试电路的过程中可能带来的误差因素有: 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差; 电流表内阻串入回路造成的误差; 测得纹波电压时示波器造成的误差; 示波器,

21、万用表本身的准确度而造成的系统误差; 改进方法: 1 1、减小接触点的微小电阻; 2 2、测得纹波时示波器采用手动同步; 3 3、采用更高精确度的仪器去检测; 由于万用表、稳压电源、电容、电阻等元器件可能存在不稳定性导致有误差。 另外本人能力有限，可能存在失误的原因。另外我们使用的变压器仪器的变比得计 算采用了理想值可能会对测试准确带来误差。 10 结 束 语 一个学期的模电课已经上完了，然而模电的学习并没有结束，通过本次课程设 计，我深知本人在理论上和软件操作方面的缺陷，虽然在原来的基础上有所提高， 但要达到熟练，还有一定的差距。 在本次的设计中，最开始我采用的本来是可调直流稳压电源，稳压芯

22、片是LM117 和LM137但是应最终在仿真的过程中，纹波电压过大，约为100mV，不符合设计要求， 所以，最终我采用的是纹波电压小的三端固定式直流稳压芯片。在此过程中我更加 认识到自身现有知识的局限性，要学的东西还有很多。而且，在今后的学习中，我 更应该注重理论联系实践，用理论来指导实践，用实践来增强对理论的理解。 路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！ 鸣谢 通过本次设计，我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的性能 指标，也让我们认识到在此次电路设计中所存在的问题，而通过不断的努力去解决 这些问题，在解决问题的同时也在其中有所收获。同时我在设计此电路时也付出了 不少，虽然电路不够完善

23、，我们已经尽力的去做好了。 在本次课程设计中，光靠个人的力量是不可达到的，在此要谢谢学校给我们这 个机会，谢谢同组同学共同努力，同时谢谢老师给与我们悉心的教导，使我们能够 顺利的完成此次课程设计，在此我们衷心的感谢、与此同时我们也非常地感谢谢谢 学校图书馆给与我们的帮助, 谢谢他们使我们顺利地完成了我们的课程设计。 11 附附录录 元件清单 元件名称元件名称 变压器 二极管 电容 稳压管 电阻 其他 12V 交流变压器 1 个 整流二极管 IN4001 1 个、发光二极管 4 个 2200uF 极性电容 2 个；470uF 极性电容 4 个；0.33uF 磁变电容 4 个； 元件具体参数元件具

24、体参数 7812、7805、7912、7905 各一块 1.2k 2个、 500 2个 六角开关 1 个、插头线 1 根、4 个螺丝、针形插座 4 个 附图 1 pcb 板图 12 1 2 3 4 5 6 D D 2 R 5 4 1 Vi n GND GND 1. 2 K L E D 指 示 灯 1 6 V o ut R 7 3 Vi n V o ut 1 3 5 0 0 L E D 指 示 灯 2 9 J 1 + 1 2 v 1 2 C O N 2 J 4 + C 1 1 2 2 2 0 0 u F 1 C 1 3 0. 3 3 u f + C 1 7 + 2 C 2 5 C 1 9 0. 3 3 u F C 2 6