模拟电子技术课程设计半导体直流稳压电源设计

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1、半导体直流稳压电源设计模拟电子技术课程设计系 部： 电气与信息工程系 专 业： 计算机控制技术 班 级： 信控0401班 设 计 者: 组 员： 指导老师： 2011年下期前言为培养运用基本知识进行简单电路设计的能力，扎实基础理论，我们现初次进行模电课程设计。本课程设计的编写是以实验研究为主线，以科学实验研究所运用的实验技术为主要内容，按照实验是什么，为什么，干什么，怎么干的逻辑思维体系和实验的构成要素（主体，手段，对象和目的）为教材内容展开。 通过本课题的设计，培养学生掌握电子技术的科学实验规律，实验技术，测量技术等实验研究方法，使其具有独立实验研究的能力，以便在未来的工作中开拓创新。本设计

2、所涉及的知识：方案论证，产品说明，原理说明，安装工艺，调试与测试，焊接技术，元件清单，操作说明。为了全面介绍科学实验研究的技术方法，在加强的直接实验方法的同时，力求使学生尽快掌握当前先进科学技术，本课题设计所用到的EWB，Protel99等技术的新手段，新工具。本课题的设计达到的目的：除了使没有真正进行过电子技术实验的学生，通过课程设计，能够加深对电路理论知识的理解和掌握，更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。学会运用理论和实验两种研究方法，解决实际问题能力。目 录1、前 言.22、设计任务.43、方案选择及论证.74、原理分析.85、参数选择及数据处理.116、电路原理图与PCB图.157、

3、主要原器件.168、调试和测试.179、心得体会.1910、参考文献.202、设计任务 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+1V+6V，输入电压为交流220V，最大输出电流为IL=100mA，稳压系数S r3%，电网电压波动正负10%。2、 设计要求（1） 设计一个能输出+1V+6V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）

4、 在万能板或面包板上制作一台直流稳压电源；（5） 测量直流稳压电源的稳压系数；（6） 测量直流稳压电源的内阻；（7） 拟定测试方案和设计步骤；（8） 写出设计性报告。三、 设计提示1、 设计电路框图如图所示，负载稳压电路滤波电路整流电路变压器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7812和7912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V

5、o，Ro=Vo/IL.2、 实验仪器与参考书提示（1） 自耦变压器一台（2） 数字万用表（3） 数字电压表（4） 变压器、面包板或万能板（5） 智能电工实验台参考书目：电工学电子工业出版社； 晶体管直流稳压电源辽宁科技出版社。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。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、 总结直流稳压电源主要参数的测试方法。方案选择及论证与原理分析一、方案选择及论证任务书要求输入220伏的交流电，输出为12伏的稳压直流电，则首先应该进行降压处理，然

6、后要对降压后的交流电进行整流，再其次是对含有交流成分的脉动直流电进行滤波处理，最后对直流点进行最后的稳压处理。（一）降压的过程，直接选用实物降压器进行降压，并且要根据电路中所需的合适电压适当选择降压器，具体情况根据实际需求而定。（二）然后是整流过程，自然而然选择了优点突出的桥式整流电路，它由4只二极管构成，连接方法这里不在举出，在以后的原理图中将给出它的连接方法 。（三）对于滤波过程，我们用电容滤波电路来实现，它的方法是在桥式整流电路输出端并联一个较大的电容C来构成一个电容滤波电路。（四）最后的稳压器选择，我们选择了集成电路，又根据任务书中的提示，选择了三端可调输出集成稳压器，它主要由7812

7、芯片和一个电解电容和两个可调变阻和一个电容构成，具体不再介绍，后面的原理图将会给出三端可调输出集成电路的构成图。原理分析1直流稳压电源的基本原理直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下。各部分的作用：（1）电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。（2）整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。各滤波电容C满足RL-C（35）T/2，

8、或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。（3）三端集成稳压器：常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有78系列，它们的输出电压从1.25V37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。其典型电路如图，其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：Uo1.25（1R2/R1）式中R1一般取120240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。2稳压电流的性能指标及测试方法 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标

9、，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。测试电路如图3。图3稳压电源性能指标测试电路（1） 纹波电压：叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。（2）稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。（3） 电压调整率：输入电压相对变化为10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出

10、电压的影响，因此只需测试其中之一即可。（4） 输出电阻及电流调整率输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值.电流调整率：输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。参数选择及数据处理1、根据三端可调试输出集成稳压器的特点：当输入电压为240伏范围内变化是，电路均能正常工作，并且输出端与调整端之间的电压等于基准电压1.25伏，而整流电路的输出端电压平均值U=0.9U2，即0.9U2在240伏间取，所以可取的输出电压为12伏的降压器。2、对于滤波电路

11、电容的选取： 可由纹波电压VOP-P和稳压系数SV来确定。已知，Vo=9V,Vi=12V,Vop-p=5mA,SV=310-3 .则由式由式 得滤波电容，电容C的耐压应大于。故取2 只2200F/25V的电容相并联。3、稳压器内部设计满足：选可调式三端稳压器LM317，其特性参数Vo=1.2V37V,Iomax=1.5A,最小输入、输出压差（ViVo）max=40V。组成的稳压电源电路，由式得Vo=1.25(1+RP1/R1),取R1=240，则RP1min=336,RP1max=1.49k,故取RP1为4.7K的精密线绕可调电位器。 4、其它元器件的作用：V用于防止短路时C2通过调整端放电而

12、损坏稳压器；C2用于减少输出纹波电压。R2用于调节输出电压的大小。二、静态调试当连好电路板的线路时，先不要急着通电，而因该从以下几个方面进行检测：A、对照原理图，用万用表一一检查线路的各个接口是否接通，是否有短路、断路或漏接的现象，如果有，因该及时改好电路连线。B、对照原理图，检查各元件是否接正确。 动态调试1、稳压电源的性能指标的测试接通220V的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到电源输出电压为39V. 2）、内阻的测量在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的VO，即用开路短路法可测得电源内阻。测得数据如下：Imin=0.17A， Vmin=3.12VImax=

13、0.52A， Vmax=9.25V根据以上数据可得电源内阻为：r=VmaxImax =9.25V/0.52A = 17.783）、稳压系数的测量稳压系数是指在负载电流I0、环境温度T不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即稳压系数 SV=（VO/VO）/（VI/VI） IO=常数，T=常数 断开工频电源，按图1改接实验电路，取负载电阻RL18。 1) 初测接通工频220V电源，测量U2值；测量滤波电路输出电压UI(稳压器输入电压）， 集成稳压器输出电压U0，它们的数值应与理论值大致符合，否则说明电路出了故障。设法查找故障并加以排除。电路经初测进入正常工作状态后，才能进行各项指

14、标的测试。 1）、输出电压的测量2)各项性能指标测试 输出电压U0和最大输出电流Iomax的测量 。 在输出端接负载电阻RL18，由于输出电压U09.25V，因此流过RL的电流Imax=0.51A。这时U0应基本保持不变，若变化较大则说明集成块性能不良. 图1稳压系数S 的测量测试过程是：先调节自耦变压器使输入电压增加 10%，即Vi=242V，测量此时对应的输出电压Vmax；再调节自耦变压器使输入电压减少 10%，即Vi=198V，测量此时对应的输出电压Vmin，然后再测出Vi=220V时对应的输出电压VO，则稳压系数SV=（VO/VO）/（Vi/Vi） =220/（242-198）（VO1

15、-VO2）/VO根据上述测量方法，可对电源进行测试，测试数据如下：当Vi=198V时，测得数据为：Vmin=2.36V. 当Vi=242V时，测得数据为：Vmax=9.45V.当Vi=220V时，测得数据为：V =4.51V由以上所测数据，可得稳压系数为： SV =（VO+/VO+）/（Vi/Vi） =220/（242-198）（Vmax-Vmin）/V 5.610-3 3) 纹波电压指叠加在V0上的交流分量,一般为毫伏级可将其放大后用示波器观测其峰峰值Vop-p .也可以用交流电压表测量其有效值VO.由于纹波电压不是正弦波所以用有效值衡量有一定的误差.测得: Vop-p=100mV误差原因a

16、、 元件本身存在误差；b、 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差c、 万用表本身的准确度而造成的系统误差；d、 读数误差。e、 电流表内阻串入回路造成的误差;原理图和PCB图原理图：PCB图：主 要 元 器 件 及 工 具元器件12伏变压器一个 万用电板一块电源芯片317一片二极管一个电容： 0.1F，1F, 10F各一个，2200F两个。电阻： 阻值为240一个；滑动变阻器幅值为4.7k，18各一个；桥式整荡器一个 插头一个 导线若干工具：尖嘴钳、斜口钳、镊子、刀子；烙铁、烙铁架；万用表。调 整 与 测 试（一）在通电前认真检查安装电路，必须对电路进行以下事项的检查：（1）、电源变压

17、器的绝缘电阻进行检测，以防止变压器漏电。一般用兆欧表进行检测，也可以用万用表。 （2）、电源变压器的一次和二次绕组不能搞错，否则将会造成变压器损坏或电源故障。（3）、三端稳压器的输入、输出和公共一定要识别清楚，不能搞错。特别是公共端不能开路，如果开路，很可能导致负载损坏。（4）、二极管的引脚（或整流桥的引脚）和滤波电容器的极性不能接反，否则将会损坏元器件。（5）、检查负载端不应该有短路现象。（二）、直流稳压电源的调整测试一般分为三步进行，空载检查测试、加载检查测试和质量指标测试。1、 空载检查测试（1）将变压器的输出端的正极端断开，用万用表测量变压器的二次交流电压值，其值应符合设计值。然后检查

18、变压器的温升。若电压器性能正常，则可以进行下一步测试。（2）变压器的正极输出段接上，而将整流器的正极输出端断开，接通电源，观察电路有无异常。然后用万用表测滤波电路输出电压U1，其值应接近于1.4U2。否则短开电源检查再通电测试。(3) 开负载，通电后测试输出电压UO ，其变化范围应为设计值。最后进行稳压器输出、输入端的电压差，其值应大于最小电压差。2、负载检查测试下面进行接负载检测，接负载测试U2、U1、UO的大小，观察其是否符合设计值，并根据UI、UO及负载电流IO核算集成稳压电路的功耗是否小于规定值。然后用滤波器观察稳压器输入输出端的纹波电压。此外还可检查 桥式整流电路四只二极管特性是否一

19、致。3 、质量指标测试(1)电压调率SU的测试由于支流稳压电源的电压调率都比较小，若要准确测试输出电压的变化量，则要采用数字式电压表， 也可用万用表的小量程测试。为调节交流输入电压，支流稳压电源输入段可接入一自耦变压器。调节自耦变压使UI等于220伏，调节电源及负载RL使IO、UO为额定值，然后调节自耦变压，使UI等于242伏和198伏，并测出电影的输出电压UO ，得到关于变化量。SU=( UO/UO)/UI100%，且 IO =0 T=0，SU= 65%（）电流调整率及输出电阻的测试使位伏，分别测量和为额定值的电压，将对应的输出电压变化量和负载变化量带入公式，即可得和测得 SI = 68%，

20、RO =0.067欧（）纹波电压的测试使为伏并保持不变，在额定输出电压或额定输出电流的情况下，用示波器测出输出电压中纹波电压的峰值。心 得 体 会通过这学期的课程设计，我受益匪浅，认识到了自己的许多不足和缺点。要想把理论与实际联系起来，还是需要一段时间的。要想做出一个实用的实物来，并不是自己想象中的那样简单。其一，我们必须掌握一些必备的常识，比如，三极管引脚的判定以及电阻值的判定。其二，我们必须用科学的态度对待我们在实验中所遇到的问题不能以“人品之类”话而敷衍过，应该以作为一个工程人员应用的素质去面对，发现问题，解决问题。在实验时应保持冷静，测试有条理。遵循物质客观规律，不随便改写实验数据。其

21、三，自己平时要多动手、多动脑，这样当问题来临时你就不会手忙脚乱。该多画就多画些，比如，那些PCB板的制作就应该多画些。以便能增加你对该软件的熟练度。用起来称心如意，这样就不会浪费时间。再如，在焊接导线时，应区别不同类型的导线用不同类型的焊接方法及焊接的先与后顺序。如果你不懂那些，你就会出现很大笑话。其四，要注意试验安全，不要轻易地尝试不安全接法。在做设计时必须讲求产品的实用性及美观性。这就要求我们对所需器件进行合理布置。团结就是力量，在做设计的过程中我们必须讲究团队精神，各施其职。这样就能起到事半功倍的作用，毕竟一根筷子易折断，一个巴掌拍不响。面对一个课题必须严肃而认真地对待，作为一名电类专业

22、的学生必须多参加一些动手制作活动来提高自己的动手能力。参考文献1.王振宇，李香萍，沈燕。实验电子技术. 北京：电子工业出版社，2004。2胡宴如，耿苏燕。模拟电子技术（第二版）.北京：高等教育出版社，2005.3熊幸明，王新辉，曹才开. 电工电子技能训练。北京：电子工业出版社，2004.4金惠幼. 电子电路.北京：人民邮电出版社.1986.5康华光。电子技术基础（模拟部分）.第四版. 北京：高等教育出版社，1999.6郭培源. 电子电路及电子器件. 北京：高等教育出版社，2000.7章忠全.电子技术基础实验与课程设计. 北京：中国电子出版社，1999.8刘润华. 现代电子系统设计。山东东营：石油大学出版社，1998.9 谢自美.电子线路设计 .武汉：华中理工大学出版社，1994.10周政新. 电子设计自动化实践与训练. 北京中国民航出版社，1998.11吴大政. 信号与线性系统分析。北京： 人民教育出版社，1980.- 22 -