直流稳压电源设计模拟电子技术

课程设计说明书题目：直流稳压电源设计课程名称：模拟电子技术学院：电子信息与电气工程学院学生姓名：学号：专业班级:指导教师：2015年6月6日成绩课程设计任务书设计题目固定直流稳压电源设计学生姓名所在学院电子信息与电气工程学院专业、年级、班设计要求：1、设计制作一个直流稳压电源电路；2、输入电压为220V的交流电压，频率为50Hz；3、输出直流电压为+5V、-5V两种稳定电压；4、最大输出电流为Iomax=1.0A；5、纹波电压小于10mV，稳压系数Sr小于5％。学生应完成的任务：1、设计理论电路，并用Multisim进行仿真。2、用AltiumDesigner绘制原理图，PCB设计。3、制作电路板并调试电路板。4、上交电路板，撰写课程设计论文。参考文献：[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2005.[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:高等教育出版社,2005.[3]邱关源,罗先觉.电路（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2006.[4]谷树忠.AltiumDesigner教程-原理图、PCB设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2010.工作计划：5．26—5．27课程设计说明、Multism电路仿真与设计；5．29—5．30用AltiumDesigner设计原理图、PCB图；6.3-6.4制板，发器件,焊接；6.5安装调试书写课程设计报告；6.6指导教师验收课程设计电路结果。指导教师（签名）：学生（签名）：固定直流稳压电源设计摘要:通过模拟电子技术设计固定直流稳压电源，主要运用变压器，整流二极管，电解电容，稳压器等器件.该固定直流稳压系统先通过将220V市电降压，再经过整流二极管1N4007进行整流，通过电容滤波之后，采用稳压芯片7805，7905分别对其进行稳压，从而输出的稳定电压（+5V/-5V）。关键词：变压;整流;滤波;稳压;目录1.设计背景…………………………………………………………11.1设计背景…………………………………………………………11.2设计目的…………………………………………………………12.设计方案…………………………………………………………12.1电路概述………………………………………………………12.2整流电路………………………………………………………32.3稳压电路………………………………………………………42.4固定直流稳压电源电路设计…………………………………53.方案实施…………………………………………………………63.1电路仿真设计与仿真……………………………………………63.2AltiumDesigner设计原理图及PCB设计……………………73.3电路板的制作与调试…………………………………………83.4相关数据测量…………………………………………………84.结果与结论………………………………………………………95.收获与致谢………………………………………………………96.参考文献…………………………………………………………107.附件………………………………………………………………107.1电路实物图……………………………………………………107.2元器件清单……………………………………………………1111.设计背景1.1设计背景随着科技日新月异的发展，越来越多的小型电子产品出现在我们身边，它们一般都需要稳定的直流电源供电，电池作为低效率，高污染的产品不能得到广泛的使用，而我们最常见到的电源就是220V的交流电源，再次情况下，我们设计了一个转换装置，从而可以使其给小型电子设备供电，达到及节能又环保，既方便有快捷的目的。1.2设计目的设计这个固定直流稳压电源是为了锻炼学生的动手能力，理论与实践相结合，更有利于同学们在学习中积极的思考，培养同学们对学习的兴趣；而且，检验了同学们对电路仿真软件和DXP这些软件的熟悉程度，进一步加深了对这些软件的理解，提高了应用能力；另外，让同学们看到，理论知识在现实生活中的应用，知道了这些知识的重要性，要更加努力的学习。本次课程设计就是在这样的一个背景下而进行的一次十分重要的实习安排。2.设计方案2.1电路概述根据电路的特点和性质，电路可有这几部分组成，变压器电路部分，整流电路部分，滤波电路部分，稳压电路部分。变压器电路可以使电压达到设备可以使用的一个电压范围，如下图所示。整流电路使用来把变压器副边通过的交流电压转换为直流电压，满足设备需要直流电源供电的要求。即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如下图所示。但实际情况是整流后还含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作。滤波电路是用来进一步的减少电路中的交流分量，增加电路中的直流分量，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为2直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后会影响其滤波效果。对于稳定性要求较高的电子电路，还需要对其进行稳压处理。稳压电路是保障电路中的电压达到一个相对稳定状态，防止忽高忽低损坏设备，从而获得足够高的稳定性，满足要求较高的电子电路的图2.1直流稳压电源方框图1、电源变压器（1）电路作用：电源变压器的作用是将来自电网的220V、50Hz的市电交流电压1u变换成整流电路所需的电压2u。变压器副边与原边的功率比为：21PP(2.1)式中η为变压器的效率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1小型号变压器的效率副边功率2Pw＜1010～3030～8080～200效率0.60.70.80.85（2）参数计算及元件选择：变压器副边输出电压有效值为2U，输出电压为5V，取20.17LUU，则有:250.1730UV（2.2）故选择220V输入，30V输出电源变压器，功率在0～10W之间，效率为0.6～0.7，本次设计选用EI系列小型变压器。电源变压器整流电路滤波器稳压电路电网电压负载32.2整流电路整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3所示。图2.2整流输出电路（a）桥式整流（b）输出波由输出波形图2.3可看出,全波整流输出波形是半波整流时的两倍,所以输出直流电压也为半波时的两倍,即：()2012sintdtOAVUUωω（2.3）解之得：()22220.9OAVUUUπ（2.4）输出电流的平均值：()2()0.9OAVOAVLLUUIRR（2.5）在桥式整流电路中，整流二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，因此，流过每个整流二极管的平均电流是电路输出电流平均值的一半：（2.6）再考虑到电网电压可能有±10%的波动，故应保证：20.451.11.1FDLUIIR（2.7）t023422Ut0234ou22U(a)电路(b)20.452oDLIUIR4桥式整流电路因其变压器只有一个副边绕组，在U2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止，此时D2、D4所承受的最大反向电压为U2的最大值，即图2中每个二极管截止时承受的最大反向电压为：22DUU（2.8）考虑到电网电压可能有±10%的波动，故应保证：21.11.12RDUUU（2.9）同理，在U2负半周时，D1、D3也承受同样大小的反向电压。设计要求最大输出电流max=1.0OIA，则流经二极管的最大平均电流为：maxmax1==1.0=0.522ODIIAA（2.10）二极管承受的最大反向电压：2223042RMVUVV（2.11）因此整流电路采用由1N4007整流二极管（1N4007的反向耐压为1000V，最大电流1.0A，满足设计要求）构成的全波整流电路。2.3稳压电路直流稳压电路类型和设计方法有多种，本次设计采用集成元件构成稳压电路。用LM78系列和LM79系列的芯片。包括固定三端与可调式三端稳压器，我们介绍固定三端稳压器及其典型应用，使输出稳定电压5V。所谓三端，即含输入端1、输出端2和公共端3三个端口。图中电容1C用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自振，其容量较小，一般小于1F。电容用于消除输出电压中高频噪声，可取小于1F的电5图2.3LM7805的基本应用电路容，也可取几微法甚至几十微法的电容，以便输出较大的脉冲直流。但是若容量较大，一旦输入端断开，将从稳压器输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏。因此可在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，如图2.3所示，起保护作用。2.4固定直流稳压电源电路设计变压器的选取：通过查询7805,7905芯片手册得知两芯片的输入电压得达到13V才能正常工作，故变压器输出电压有效值VU112.1/132，由于要求输出的电压为正负两组，所以设计中选取220V转±15V交流变压器。整流二极管的选取：选取整流二极管时，主要考虑其反向耐压值，在整流电路中，最大电压不超过VU2321.12，整流二极管耐压值大于其即可，设计中选取1N4007，其反向耐压值为1000V,满足设计要求。滤波电容的选取：选取滤波电容是主要考虑其耐压值及其容值，在滤波电路中，同整流电路，最大电压不超过VU2321.12，根据公式2/)5~3(TCRL，可以算出C。设计中选取容值2200uF，耐压值50V的电容。三端稳压芯片的选取：由于设计要求输出+/-5V两组稳定电压，所以选取LM7805，LM7905两组芯片，即可稳定输出两组电压。63.方案实施3.1电路的设计与仿真首先对电路进行理论设计,然后在Multisim软件中绘制原理图并进行仿真。对固定直流稳压电源仿真的电路如图所示，仿真结果如图3.2所示，电路输出正向直流电压，和反向直流电压,考虑到由于Multisim内部器件参数的影响，使仿真产生较大误差，总体满足设计要求。图3.1电路仿真7图3.2仿真结果3.2AltiumDesigner设计原理图及PCB设计根据Multisim仿真的电路图绘制原理图（如图3.3），再到altiumdesigner软件中进行绘制与仿真，仿真无误后，选取合适的封装，导入到PCB图中，对器件进行整体布局，按照指导老师的要求，设置布线规则，对其进行布线，在绘制PCB过程中，应注意焊盘不应过小，导线不易过细且不能交叉，绘制后的PCB如图3.4。D1D4D3D2D5Diode1N4148D60.33uFC30.33uFC4220uFC2220uFC110uFC610uFC5Vin1Gnd2+5V3LM1Vin2Gnd1-5V3TM1123P2123P1GNDGND图3.3原理图8图3.4PCB图3.3电路板的制作与调试先将绘制好的PCB图打印出来，然后通过热转印机将其转到覆铜板上，放到事先配制好的腐蚀液中进行腐蚀，之后用钻台给板子钻孔，擦去油墨，焊接元器件。在焊接过程中，应注意特别电容和二极管的正负极，注意焊接方式，避免造成虚焊，漏焊等情况。对焊接好的电路板进行供电，用万用表测试其输出电压，进行最终的调试。3.4相关数据测量1.稳压系数的测量测量稳压系数，先调节自藕变压器使输入的电压增加10%，即242IUV,测量此时对应的输出电压15.06OUV；再调节自藕变压器使输入减少10%，即198IUV；测量此时对应的输出电压24.95OUV,然后测量出220IUV时对应的输出电压OU,则稳压系数为：r2205.034.95=8.0%2421985OOIIUUSUU(3.1)2.纹波电压的测试用示波器测量OU的交流分量峰峰值（此时示波器输入通道采用交流耦合AC），通过示波器观察得op-pU在4～5mV之间，则纹波系数为：55100%0.1%VVm4.结果与结论将制作好的电路板连接至变压器，用万用表测试其空载时输出电压，测出其正向输出电压为+5.1V，负向输出电压为-5.06V，基本满足设计要求