模电课设：直流稳压电源

直流稳压电源的设计与测试1课程设计任务书半导体直流稳压电源的设计和测式一、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±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-p≤5mv,温压系数Sr≤5%。2、设计要求：（1）设计一个能输出±12V/±9V/±5V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）要求绘出原理图，并用Protel画出印制版图；（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）撰写设计性报告。三、设计提示1、设计电路框图如图所示稳压电路滤波电路整流电路变压器交流电源直流稳压电源的设计与测试2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78XX和79XX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/△II.纹波电压测量:叠加在输出电压上的交流分量，一般为mV级。可将其放大后，用示波器观测其峰—峰值△Vop-p;用可用交流毫伏表测量其有效值△Vo,由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定误差。2、实验仪器设备自耦变压器一台、数字万用表、数字电压表、变压器、面包板或万能板、智能电工实验台、示波器3、设计用主要器件：变压器、整流二极管、集成稳压器、电容、电阻若干4、参考书：《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社《模拟电子技术基础》高等教育出版社四、设计报告要求1、选定设计方案；2、拟出设计步骤，画出电路、分析并计算主要元件参数值；3、列出测试数据表格；4、测试总结。五、设计总结1、总结直流稳压电源的设计方法和运用到的主要知识点，对设计方案进行比较。2、总结直流稳压电源的主要参数的测试方法。直流稳压电源的设计与测试3目录第1章绪论…………………………………………………51.1直流稳压电源研究的意义………………………………51.2直流稳压电源的发展状况………………………………5第2章设计概述……………………………………………72.1设计目的………………………………………………72.2设计要求与性能指标…………………………………72.3设计原理………………………………………………72.4设计方案的分析………………………………………9第3章单元电路设计与元器件的选择……………………103.1变压器的确定………………………………………103.2整流电路的确定………………………………………103.3滤波电路的确定………………………………………133.4稳压电路的确定………………………………………153.5电路的整合连接………………………………………16第4章电路仿真与测试……………………………………174.1仿真软件简介………………………………………174.2仿真电路图…………………………………………194.3仿真结果及分析……………………………………20第5章安装与调试………………………………………21直流稳压电源的设计与测试45.1PCB板制作…………………………………………215.2万能板安装电路……………………………………225.3调试与检测…………………………………………225.4技术指标测量………………………………………23第6章误差分析…………………………………………24第7章心得体会…………………………………………25参考文献……………………………………………………27附录【1】…………………………………………………28附录【2】…………………………………………………29附录【3】…………………………………………………30附录【4】…………………………………………………31直流稳压电源的设计与测试5第1章绪论1.1直流稳压电源的研究意义电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分，直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。直流稳压电源是常用的电子设备，它能保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压。一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着重要的实际应用价值。直流稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路、稳压控制电路所组成，具有体积小，重量轻，性能稳定可等优点，电压从零起连续可调，可串联或关联使用，直流输出纹波小，稳定度高，稳压稳流自动转换、限流式过短路保护和自动恢复功能，是大专院校、工业企业、科研单位及电子维修人员理想的直流稳压电源。适用于电子仪器设备、电器维修、实验室、电解电镀、测试、测量设备、工厂电器设备配套使用。几乎所有的电子设备都需要有稳压的电压供给，才能使其处于良好的工作状态。家用电器中的电视机、音响、电脑尤其是这样。电网电压时高时低，电子设备本身耗供电造成不稳定因家。解决这个不稳定因素的办法是在电子设备的前端进行稳压。直流稳压电源广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等的直流供电。1.2直流稳压电源的发展状况1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电直流稳压电源的设计与测试6子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。开关电源在世界各国迅速发展，但在初期价格较高直到八十年代，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，随着元件工艺的成熟，直流稳压电源的价格也日益下降，应用也变的日益广泛，应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。近几年随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率由原来的几十千赫发展到现在的几百千赫，甚至更高。现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域，对此的研究开始向高频方面发展。以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件，高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。直流稳压电源的设计与测试7第2章设计概述2.1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。2.2设计要求和技术指标2.2.1设计要求：①、设计一个能输出正负12V的直流稳压电源；②、拟定测试方案和设计步骤；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、绘出原理图和印制板图；⑤、在万能板上连接电路；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、撰写设计性报告。2.2.2技术指标：①、电源输出电压为正负12V；②、输入电压220V、50Hz；③、最大输出电流为Iom=500mA；④、纹波电压小于等于5mA；⑤、稳压系数Sr小于等于5％.2.3设计原理:2.3.1设计电路框图设计电路框图如图2-1所示，包括变压器降压，整流滤波电路滤波，稳压电路进行稳压四个部分。图2-2为电压经过各个部分的波形，交流U1经过变压器降压后到较小的交流U2，经过整流滤波后变为纹波很小的直流U4，最后由稳压电路进行稳压输出。直流稳压电源的设计与测试8图2-1电路框图U1U2U3U4U5图2-2整流与稳压过程2.3.2各部分电路的作用交流变压器。一般的电子设备所需要的直流电压较之交流电网提供的200V电压相差较大，为了得到输出电压的额定范围，就需要将电网电压转化到合适的数值。所以，电压变换部分的主要作用就是将电网电压变为所需要的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。整流电路。整流电路的作用是将变换后的交流电压转换为单方向的脉冲电压。由于这种电压存在着很大的脉动部分（称为纹波），因此，一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波会严重影响到负载的性能指标。滤波电路。滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流进行平滑，使之成交流电源变压器整流电路滤波电路稳压电路直流稳压电源的设计与测试9为含交变成分很小的直流电压。也就是说，滤波部分实际上使一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。稳压电路。尽管经过整流滤波后的电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，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。2.4设计方案的的分析由设计原理可知直流稳压电源应由几部分组成，而且各个部分相对独立，因此，在进行设计电路的时候我们采用各个部分分别设计，独立选择元器件，独立测试的方法，最后将这几部分进行组装和调试，最终达到设计完整直流稳压电源电目的。直流稳压电源的设计与测试10第3章单元电路设计与元器件的选择3.1变压器的确定3.1.1变压器的效率电源变压器的作用是将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由公式3.1确定P2/P1=η（3.1）式中，为变压器的效率。一般小型变压器的效率如表所示。表2-1小型号变压器的效率副边功率2Pw＜1010～3030～8080～200效率0.60.70.80.853.1.2参数计算及元件选择变压器副边电压有效值为U2，输出电压为12V，取UL=1.2U2，则U2=12V/1.2=10V（3.2）故选择220V输入，10V输出电源变压器，功率在10～30W之间，效率为0.6～0.7，本次设计选用EI系列小型变压器。3.2整流电路的确定3.2.1整流电路的设计直流稳压电源的设计与测试11图3-1单向桥式整流电路整流电路将交流电压变换为脉动的直流电压，再经过滤波就可的到纹波较小的直流电压。常用的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流等。桥式整流电路与单相半波整流电路和单相全波整流电路相比，其明显的优点是输出电压较高，纹波电压较小，整流二极管所承受的最大反向电压较低，并且因为电源变压器在正负半周内都有电流流过，所以变压器绕组中流过的是交流，变压器的利用率高。在同样输出直流功率的条件下，桥式整流电路可以使用小的变压器，因此，这种电路在整流电路中得到广泛应用。本次设计单相桥式整流电路如图3-1。它由四个二极管构成电桥形式，两两构成一组，分别在正弦交流点正负半轴时刻导通。工作原理如图3-2所示。OωtOωtOωt22U22URLππ2π3π4Oωt22URLOωtOωt22U22URLu2iD1iD2iOuOuD122Uu1u2iOD4RLuOD1D2D3u1u2iORLuO图3-2单相桥式整流电路（a）整流电路(b)波形图在分析整流电路工作原理时，