模电课程设计.docx
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模电课程设计.docx
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模电课程设计
湖南工学院
课程设计说明书
课题名称:
半导体直流稳压电源的设计和测试
专业名称:
电子信息工程
学生班级:
0901班
学生姓名:
学生学号:
09401140145
指导老师:
龙卓珉
设计成员:
杨小伟、刘家麟、姚胡彬
模电课程设计任务书
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,稳压系数Sr≤5%。
2、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,用Protel画出印制板图(选做);
(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、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。
三设计提示
1、设计电路框图如图1.1所示
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Δvo,并将其中最大一图1.1
个代入公式计算Sr,
当负载不变时,Sr=ΔVoVI/ΔVIVO。
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ΔVo,ro=ΔVO/ΔIL。
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、交流毫伏表、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(7812/7912/7809/7909/7805/7905)、电容、电阻若干
3、参考书
《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;
《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、调试总结。
(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、总结直流稳压电源主要参数的测试方法。
目录
第一章绪论·················································5
1.1直流稳压电源的发展································5
1.2制作直流稳压电源对大学生的意义····················6
1.3设计思路··········································6
第二章理论分析·············································8
2.1降压··············································8
2.2整流··············································8
2.3滤波··············································8
2.4稳压··············································8
第三章单元电路设计·········································10
3.1直流稳压电源电路方框图····························10
3.2电源变压器········································10
3.3整流滤波电路······································10
3.4稳压电路··········································12
3.5元器件的选定·······································12
3.6电路设计图·········································13
第四章测试与调整············································14
4.1电路的调试·········································14
4.2误差分析···········································15
4.3调试中的注意事项···································16
4.4半导体直流稳压电源实物图···························16
第五章心得体会·············································18
附录A参考文献··············································19
附录B设计所需元器件········································20
第一章绪论
1.1直流稳压电源的发展
1.半导体生存系统正在发生变化。
随着半导体产业数十年的发展,整机制造商和半导体供应商的需求和服务都在发生转变:
从整机制造商来看,其需求层次已由器件、参考设计上升到总体解决方案,包括硬件、软件,甚至外形等工业设计,这对半导体厂商提出更高的要求;另一方面,半导体供应商面临更多的挑战,包括更高的集成度、更低的功耗、更低的成本。
基于这些要求,业界的广泛合作会成为一个必然。
例如,一家半导体公司可能需要与数十甚至百家软件供应商合作,共同推出一个平台以满足应用的需求。
在这一方面,也希望中国本土的半导体厂家在业界广泛开展合作,以各自的特点形成强强联合态势,迅速建立自己的品牌形象。
2.平台解决方案的重要性和业界的接受程度日益明显。
领先的半导体公司纷纷推出了各具特色的平台产品,其优势体现在强大的功能、广泛的第三方软件和硬件支持、产品的可延续性和升级性等。
从业界的发展趋势看,当我们由单个器件向更高集成度发展的过程中,平台解决方案是必然所至,尤其是那些在广义平台概念上衍生而出的针对特定垂直市场的平台解决方案,如频视应用、音频应用、显示应用等。
3.可靠、高效率、低功耗是业界对电源系统的永久追求。
从目前一些领先电源半导体制造商的解决方案来看,在中、小功率应用中,提高效率、降低成本仍然是主要的作为;而对于大功率应用来看,多相位无疑将成为主流,在服务器、电信设备中的应用中已明显看到这个趋势。
节能产品已成为进入欧美等发达国家的通行证,相关的法规和行业标准也在不断出台,利用先进的节能半导体技术能在电动控制、照明等主要耗电领域节省30%至50%的能源。
4.可编程技术和器件将与平台半导体解决方案形成更激烈的竞争态势,并促进FPGA/CPLD器件密度的进一步提高,以及面向特定应用的新型器的研发。
快速的产品更新周期和不断的升级造就了可编程器件的迅速发展,对于样品阶段以及一些新兴电子产品来说,将一直保持其灵活、快速的优势,而当进入快速成长和成熟期的阶段,可编程器件公司的策略是低成本可编程器件或类似ASIC的掩膜器件来进一步延伸其产品的生命周期。
而这对于制造商的利益在于可以无缝地移植代码,并顺利地进入批量生产。
5.EDA工具和半导体IP成为半导体工业发展的重要支持力量。
半导体工艺向90nm以及65nm、45nm直至32nm的进程大大增加了芯片复杂度,而其它需求,如采用CMOS工艺实现模拟和射频电路、DFM、DFT等,对EDA工具提出了更高的要求。
SiP是半导体厂商可以考虑的一种重要模式。
与此同时,半导体IP,尤其是一些被业界广泛认同的内核,正成为快速推出IC(单IP内核或多IP内核)的一条捷径。
6.模拟器件仍然无处不在。
数字家庭中的无线连接、新潮便携数码产品中的音频电路、电源管理、信号通路使模拟器件的重要性日益突显,我们看到的趋势是在数字世界中创造了更多的模拟应用,放大器、ADC/DAC、接口都是明显的例子。
未来,我们应该更关注的是模拟及数字器件将如何不断融合的发展进程。
7.信息加密系统是身份认证、信息保密、信息完整以及信息确认方面的保证。
PKI加密算法等,可以提供数据的安全保障,而结合了智能卡和PKI的智能卡存储加密解决方案,通过“卡”和“密钥”的共同使用,可以进一步提高安全的可靠性。
同时,生物密钥、量子密钥等其它加密手段也在取得进展。
1.2制作直流稳压电源对大学生的意义
作为大学生的我们,在很多制作过程中很多东西都需要用一些特定的直流稳压电源作为驱动装置,因此,直流稳压电源对我们而言都是一个非常产检而求必需的器件,因此我们便选择了制作直流稳压电源装置。
而且,在我们刚接触课程设计之中,电源的制作相对简单些,也为我们以后的制作食物做个铺垫。
同时,也为我们今后制作培养了浓厚的兴趣爱好,不至于很厌烦对课程的设计与制作。
1.3设计思路
直流稳压电源课程设计综合了模拟电路中的许多理论知识,使我们对理论知识得到了更好的巩固,并使理论知识和实际问题紧密的联系在一起。
其中主要用到的基础知识有桥式整流电路的工作原理和应用,半导体二极管的使用,滤波电容的使用,集成稳压器的性能与应用。
设计之中还涉及到软件protel99的使用,对于综合学生的知识有着很大的帮助。
通过本课题设计,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能力,以便在未来的工作中具有开拓创新的能力。
第二章理论分析
设计要求输入220V的交流电,输出为±9V的稳压直流电源.电路原理分为四个阶段:
降压、整流、滤波、稳压。
2.1降压
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的电压适当的选择降压器,具体情况根据实际要求而定。
在此我们选用的是220~9V的变压器。
2.2整流
整流电路的作用是将交流电变化成直流电。
主要是利用二极管的单向导电性实现的。
在此我们选择的是桥式整流电路。
2.3滤波
滤波电路用于滤去整流输出的电压波纹,在桥式整流电路输出端并联一个电容来构成一个电容滤波电路。
2.4稳压
稳压过程能够方便的实现电压的相对稳定,在此我们使用的是三端集成稳压芯片(CW7809/CW7909),其接线图如图2.1
图2.1
第三章单元设计电路
3.1直流稳压电源电路方框图
直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成,基本框图及各单元电路输出波形图如图3.1所示
图3.1直流稳压电源的基本框图及各单元电路输出波形图
3.2电源变压器
电源变压器的作用是将电网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为
η=P2/P1①式
U1:
U2=220:
9②式
P1是变压器原边的功率,P2是变压器副边的功率。
小型变压器的效率如表1所示
P2副边功率
<10VA
10~30VA
30~80VA
80~120VA
效率η
0.6
0.7
0.8
0.85
表1小型变压器的功率
当计算出副边功率P2后,就可以根据②式计算出原边功率P1。
3.3整流滤波电路
3.3.1整流电路
整流电路是将交流电压U1变换成脉动的直流电压,主要是靠二极管的单向导电作用来完成,以此二极管是构成整流电路的关键元件。
在此我们选用的是单向桥式整流电路,如图3.2所示
图3.2桥式整流电路
若二极管当理想二极管,正向导通电阻为0,反相电阻无穷大。
当交流电的正半周期时,即D4和D1之间为正,则D4截止,D1导通,此时D2和D3之间为负,D2截止,D3导通,那么此时D1和D2之间为正,D3和D4之间为负。
当交流电的负半周期时,即D4和D1之间为负,则D4导通,D1截止,此时D2和D3之间为正,D2导通,D3截止,那么此时D1和D2之间为正,D3和D4之间为负。
所以,桥式整流器达到了整流的效果。
它巧妙的运用了二极管的单向导电性,将四个二极管分为两组,根据变压器副边电压的极性分别导通,所以得到输出端上的电压始终为一个单方向的电压。
桥式整流器的输出波形如图3.3:
图3.3桥式整流器的输出波形
3.3.2滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成,如在负载电阻两端并联电容器C,或在整流电路输出端与负载间串联电感器L,以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。
滤波电路输出波形图如图3.4
图3.4滤波电路输出波形图
3.4稳压电路
由于电路会发生波动,比如受到温度等的影响,滤波的直流电压会发生改变。
为了维持电压稳定,我们要加一级稳压电路,起减小外界因素对电路的的影响的作用。
我们选择使用集成稳压芯片CW7909和CW7809。
采用集成稳压芯片组成的电路具有稳定及电路结构简单的优点。
3.5元器件的选定
3.5.1变压器的选择
电源变压器电路主要由电源变压器组成。
电源变压器有很多种:
有降压的、有升压的,在这次实际中选用的是减压变压器,它的作用是将来自电网的220V交流电压u1变为整流电路中的所需要的交流电电压u2。
根据我们要设计的电源输出为正负9V,且变压器副边的输出电压V2与稳压器输入电压Vi的关系Vi=(1.1~1.2)V2,V2的值不能取大,V2越大,稳压器的压差越大,功耗也就越大。
一般取V2≥Vimax/1.1,I2>Iomax。
所起取V2=9V。
变压器副边电流:
I2>Iomax=0.5A,取I2=1A,则变压器副边输出功率P2>U2I2=9W,由表1可知变压器的效率η=0.6,由式①得变压器副边输入功率P1≥P2/η=15W,所以选用功率为20W,输出为9V的变压器。
3.5.2整流器的选择
整流二极管的参数应满足最大整流电流I>1.5Imax=0.75A,最大反向电压应大于变压器副边输出电压20V,选择VR=43V。
电容滤波使电路被接通的一瞬间,整流管的实际电流远大于Imax,如果I较小,很可能在低昂路被接通时久已经受到损坏,因此一般取I>5Imax=2.5A,最终选择2W10。
参数如表2
最大工作电流
2A
最大反向电压
1000V
工作结温
-55~125摄氏度
表2
3.5.3滤波电容的选择
由式RLC≥(3-5)T/2,则C1=5T/2RL,RL为C1右边的等效电阻,应取最小值,由于电容C1:
由式RLC≥(3-5)T/2,则C1=5T/2RL,式中T为电流电源的周期,T=20ms,Imax=500mA,因此RLmin=V1/Imax=33,所以C1=1515uf。
可见,C1容量较大,应选电解电容,实际容量选2200uf,其耐压值为35V。
3.5.4三端稳压器
选择CW7809和CW7909。
,其输出电压和输出电流均满足指标。
选择CW7909固定式三端稳压器的特性参数为:
输出电压为Uo=-9V,输出电流为1A。
选择CW7809固定式三端稳压器的特性参数为:
输出电压为Uo=+9V,输出电流为1A。
3.6电路设计图
电路设计图如图3.5
图3.5电路设计图
第四章测试与调整
4.1电路的调试
4.1.1输出电压的测量
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,得到正源输出电压为+8.27V,负电源输出电压为-9.13V。
4.1.2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即用开短路法可测得电源内阻。
测得数据如下:
IA+=0.65A,VO+=8.27V
IA-=0.56A,VO-=9.13V
根据以上数据可得电源内阻为:
r+=VO+∕IA+=8.21V/0.65A=12.63Ω
r-=VO-/IA-=9.13V/0.56A=16.30Ω
4.1.3稳压系数的测量
稳压系数是指在负载电流Io、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
Sr=(△Vo/Vo)/(△Vi/Vi)Io=常数,T=常数
Sr的测量电路如图4.1
图4.1
测试过程是:
先调节自耦变压器使输入电压增加至Vi=240V,测量此时对应的输出电压VO1;再调节自耦变压器使输入电压减少至Vi=200V,测量此时对应的输出电压VO2,然后再测出Vi=220V时对应的输出电压VO,则稳压系数
Sr=(△VO/VO)/(△Vi/Vi)
=[220/(240-200)][(VO1-VO2)/VO]
根据上述测量方法,可对正负双电源进行测试,测试数据如下:
当Vi=200V时,测得数据为:
VO1+=8.21V,V01-=9.15V
当Vi=240V时,测得数据为:
VO2+=8.30V,VO2-=9.07V
当Vi=220V时,测得数据为:
VO+=8.27V,VO-=9.13V
由以上所测数据,可得稳压系数为:
Sr+=(△VO+/VO+)/(△Vi/Vi)
=[220/(240-200)][(VO1+-VO2+)/VO+]
≈0.0598
Sr-=(△VO-/VO-)/(△Vi/Vi)
=[220/(240-200)][(VO1--VO2-)/VO-]
≈0.0481
4.2误差分析
4.2.1误差计算
+Vcc%=︱9.00-8.27︱/9.00=8.11%
-Vcc%=︱9.00-9.13︱/9.00=1.44%
4.2.2误差原因
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
①元件本身存在误差;
②焊接时,焊接点存在微小电阻;
③万用表本身的准确度而造成的系统误差;
④测量方法造成的人为误差。
4.3调试中的注意事项
调试结果是否正确,很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。
为了保证高度准确的效果,必须减小测量误差,提高测量精度。
为此,需注意以下几点:
(1)正确使用测量仪器的接地端
凡是使用低端接机壳的电子仪器进行测量,仪器的接地端应和仪器的接地端接在一起,否则仪器机壳引入的干扰不但会使仪器的工作状态发生变化,而且将使测量结果出现误差。
若使用干电池的万用表进行测量,由于电表的两个输入端是浮动工作的,所以允许直接跨接在测量点之间。
(2)正确选择测量点
用同一台测量仪进行测量时,测量点不同,仪器内部引进的误差大小将不同。
(3)测量方法要方便可行
需要测量电路的电流时,一般尽可能测电压而不测电流,因为测电压不必改动被测电路,测量方便。
若需知道某一支路的电流值,可以通过测该支路上电阻两端的电压,经过换算而得到。
4.4半导体直流稳压电源实物图
图4.2正面
图4.3反面
第五章心得体会
这次实践训练中,我们做得是直流稳压电源。
在此过程中我学习了变压器,单相整流电路,滤波电路和稳压电路的工作原理。
在实习过程中遇到了种种问题,也让我认识到动手能力的重要性。
仅靠书本上的理论知识还远远不够,只有理论与实践结合才能解决实际遇到的问题。
通过亲身实践学习,再结合已经学过的知识,让我对直流稳压电源有了进一步的了解。
一开始,我们对各个元器件都不熟悉,不知道如何下手。
通过向老师提问和自己上网查资料后,初步了解各个元器件的功能和特性。
考虑到各个元器件的摆放,尽可能让电路看起来清晰简单一些。
接下来就是焊接,因为平时接触不多,有的地方做得不是很好。
有的地方焊上去后发现了错误,又得拆掉重新做。
直流稳压电源的重点难点不是在电路的设计和焊接,而是在测试部分。
在最后的检测中出现了误差,原因很多,包括焊接过程的误差和接触不良等等,需要一个个去排查,最后达到要求。
在这次实践训练中,我认识到了自己在理论与实际相结合的方面还远远不够,对我的动手能力和实际解决问题能力都有了很大的提高,收获到了书本以外的知识,虽然不一定做出很好的成品,但是还是有很大的收获。
附录A参考文献
朱康中《交直流稳压电源》水力电力出版社1987年
康华光《电子技术基础模拟部分》高等教育出版社2006年
附录B设计所需元器件
名称
规格
数量
变压器
220~9V
1个
万用电路板
1块
桥式整流器
1个
电解电容
35V2200uF/1uF
1个/2个
电容
0.33uF
2个
集成稳压芯片
7809/7909
各1个
电线
1根
导线
若干
电烙铁
1个
锡丝
若干
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