直流稳压电源的制作与调试.doc

中国矿业大学徐海学院电子技术选修课姓 名： 学 号： 专 业： 题 目： 直流稳压电源的制作与调试 设计地点： 电工电子实验室 设计日期： 2013年6月 成 绩： 指导教师： 年 月 电子技术选修课任务书学生姓名 专业年级 学号 设计日期： 2013 年 06月 19 日 至 2013 年 06月 22日设计题目：直流稳压电源的制作与调试设计内容和要求：1. 设计内容 输入交流电(220V/50Hz)； 输出4路直流电(+5V、 +12V、 -12V 及+1.25V+14V可调）。 各路直流输出电流0.5A 纹波电压50mV 具有输出电压指示（发光二极管）2. 设计要求 用Multisim仿真整体电路原理图； 用Altium designer设计整体电路图； 用Altium designer设计PCB板图指导教师签字： 年 月 日摘要： 电子设备一般都需要直流电源供电，而这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。而且这种情况越来越常见，应用也越来越广泛。特别是这些电子设备上运用的直流电都是低压电，而且在同一设备上直流电要求的大小也是不一样的。针对这种情况，本次设计的就是输出直流电的直流稳压电源。市电220V电压通过变压器流入系统，经过整流、滤波后变成近似的直流电压，再经过稳压部分稳压后获得稳定的直流输出。 通过直流稳压电源设计，再利用稳压直流电源仿真对稳压直流电源的四个部门分别进行电路图，输入输出波形进行分析，得到合理的方案。最后，利用PCB进行原理图设计到开板制作，焊接，封装，得到我们所需要的直流稳压电源。 关键词： 直流稳压电源，变压器，整流，滤波，稳压。目 录目 录41 晶体管串联型稳压电源61.1晶体管串联型稳压电源框图61.2串联型稳压电源组成：61.2.3基准电压电路：61.2.5 过载保护电路：61.3晶体管串联型稳压电源原理图71.4主要技术指标72 直流稳压电源设计82.1直流稳压电源综述82.2电源变压器工作原理82.3整流电路92.3.1 整流电路的任务92.3.2 衡量整流工作性能的参数92.3.3常用单相整流电路分类92.4滤波电路152.4.1几种滤波电路152.4.3电容滤波电路分析152.5稳压电路172.5.1常用稳压电路分类172.5.2稳压电源质量指标172.5.3集成三端稳压器稳压电路182.5.4集成三端稳压器分类：182.5.5常用三端集成稳压器性能183 原件选型及型号参数203.1变压器选择203.2整流电路选择203.3滤波电路选择203.4稳压电路的选择204稳压电源电路仿真224.1固定稳压电源电路仿真224.1.1电路原理图224.1.2变压电路仿真224.1.3整流电路仿真244.1.4滤波电路仿真274.1.4.1滤波电路元器件清单274.1.5稳压电路仿真294.1.6工作原理314.2可调输出稳压电源324.2.1电路原理图324.2.2工作原理325 电路板设计335.1原理图绘制335.2建立元器件封装库335.3 PCB的绘制336 电路的安装于调试346.1元器件检查与整形346.2焊接346.3装配346.5 常见问题处理347 电路的参数测定357.1电压输出测量357.2最大输出电流测量357.3纹波电压测量357.4电阻的测量368 稳压电源实物照片379实践小结（收获、体会及建议）381 晶体管串联型稳压电源1.1晶体管串联型稳压电源框图图1-1晶体管串联型稳压电源框图1.2串联型稳压电源组成：1.2.1 调整电路： 调整电路的核心是调整管，输出电压的稳定通过调整管的调节作 用来实现，当电网电压波动及负载变化时，调整管电压降相应改变，使输出电压保持稳定。由于调整管与负载是串联： ，V0稳压过程相反。1.2 2. 取样电路：取样电路与负载并联，通过取样电路可以反映U0的变化，因为反馈电压Uf与输出电压U0有关。反馈电压Uf取出后送到放大单元，改变电位器W的滑动端子可以调节输出电压U0的大小。1.2.3基准电压电路：将电路的基准电压送给比较放大电路。限流电阻R3与稳压管Dz组成基准单元。Dz两端电压UDZ作为整个稳压电路自动调整和比较的基准电压。1.2.4 比较放大电路： 晶体管T2组成放大电路。它将采样所得的反馈电压Uf与基准电压UDZ比较后加在T2的输入端，即UBE2=Uf-UDZ经T2放大后控制调整管T1输入端的电位。R4是T2的集电极负载电阻，同时也是调整管T1的偏置电阻。1.2.5 过载保护电路：串联型稳压电源的保护电路有限流和截流两种它们的作用是在负载电流超过额定值时，保护调整管不致因功耗过大而损坏。1.3晶体管串联型稳压电源原理图 图1-1晶体管稳压电路1.2工作原理 图1-2晶体管串联型稳压电源原理图1.4主要技术指标（1）输入电压：AC: 220V（2）输出直流稳压：DC：3V、4.5V、6V三档。（3）输出直流电流：额定值150mA，最大值 300mA。（4）具有过载，短路保护，故障消除后自动恢复。 2 直流稳压电源设计2.1直流稳压电源综述一个完整的小功率直流稳压电路由电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路四部分组成： 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路u1u2u3u4uo 图2-1直流稳压电源组成图其中：（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：将交流电压变成脉动的直流电压，但此脉动的直流电压含有较大的纹波。（3）滤波电路：把脉动的直流电压的纹波加以滤除，从而得到平滑的直流电压，但这样的电压还随着电网电压的波动、负载和温度的的变化而变化。（4）稳压电路：当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定，进一步消除纹波，提高电压的稳定性和带载能力。2.2电源变压器工作原理 变压器的基本工作原理就是利用电子感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或者传输信号，是电能传递或者传输典型好的重要原件。变压器主要由铜线铁芯和线圈。 因为电流I1的方向和大小是随时间变化的，变压器的初级通上交流电时，变压器的铁芯中产生了交变的磁场，（其中I1的绕线组叫做初级线圈N1，另一个绕组叫做线圈N2。）这样，在次级线圈处就能感应处频率相同的交流电压。显然变压器只能改变交流电压，不能改变直流电压，因为直流电流是不会变化的。电流通过变压器就不会产生交变磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。变压器计算公式：假设变压器处于理想状态，即不计初，次级线圈的电阻损耗，当其间耦合系数为1时，令：且初级次级线圈缠绕的铁芯中磁通量2为，盖磁通量称为主磁通。则变压器的电动势平衡方程为： 若初级次级线圈内的电压电动势的瞬时值都按照正弦规律（一般交流电都按账号正弦规律变化），则 由于理想状态不计铁芯损失，有能量守恒定律得： 令(称为匝数比)则 上式表明,变压器在改变电压的同时，电流也随之成反比例地变化，且一次、二次电流之比等于匝数之反比，即变压器具有变流功能。2.3整流电路2.3.1 整流电路的任务 交流电压转变为单向脉动的电压。2.3.2 衡量整流工作性能的参数（1）输出电压平均值VO（AV）-反映整流电路将交流电压转换为直流电压的能力。（2） 脉动系数S-反映整流输出电压中交流成分的大小，用来衡量整流电路输出平滑程度。 2.3.3常用单相整流电路分类 1、半波整流（1个二极管完成） 2、全波整流（2个二极管完成） 3、桥式整流（4个二极管完成）2.3.3.1半波整流（1）电路组成 图2-2半波整流电路组成图（2） 元器件作用图2-3中，T为变压器，其作用是将220V的交流电压变成所需要的直流电压，D是整流二极管，其作用是将方向变化的交流电变为单相的脉动直流。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。（3）参数计算输出电压平均值（）、输出电流平均值（Io ) = =二极管上的平均电流：二极管承受的最高反向电压：（4）工作原理u2 0 时:二极管导通，忽略二极管正向压降，uo=u2u2Vb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。图2-8桥式整流（负半周期）原理图u 负半周，VaVb，二极管 2、4 导通，1、3 截止 。（5）电路波形正半周：图2-9桥式整流（正半周期）波形图负半周：图2-10桥式整流（负半周期）波形图2.4滤波电路2.4.1几种滤波电路图2-12（a）电容滤波电路（b）电感电容滤波电路（倒L型）（c）P型滤波电路2.4.2滤波原理利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性（电抗元件的储能作用）, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。2.4.3电容滤波电路分析(1)电路组成 图2-13电容滤波电路组成（2）参数计算 （3）工作原理未接入图2-14电容滤波电路原理图接入时 图2-15电容滤波电路原理图 时：二极管D1、D3导通，一方面向RL提供电流，另一方面向c充电。（5）电路波形RL未接入图2-16电容滤波电路波形图接入时图图2-17电容滤波电路波形图2.5稳压电路2.5.1常用稳压电路分类稳压管稳压电路：电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。开关型稳压电路：效率较高，目前用的也比较多。2.5.2稳压电源质量指标1、输出电压：2、输出电压变化量：3、 输入调整因数：4、 电压调整率：5、 稳压系数：6、 输出电阻：7、 温度系数：2.5.3集成三端稳压器稳压电路 随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。 最简单的集成稳压电源只有输入端、输出端、公共引出端，故称之为集成三端稳压器。(1) 集成三端稳压器稳压电路原理图图2-18集成三端稳压器稳压电路原理图2.5.4集成三端稳压器分类：CW78LXX 输出电流最大为150mACW78MXX 输出电流最大为500mACW78XX 输出电流最大为1.5A注：型号后XX两位数字代表输出电压值2.5.5常用三端集成稳压器性能 本节主要介绍常用的W7800 (W7900)系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。 性能特点（7800、7900系列）输出电流超过 1. 5 A（加散热器）不需要外接元件内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为 4%输出电压额定值有: （5V、6V、 9V、12V 、 15V、 18V、 24V）等 。3 原件选型及型号参数3.1变压器选择根据设计要求：（1）4路直流电压输出 （+5V、 12V、以及+1.25V+14V可调）。（2）各路直流输出电流0.5A最大输出电压为14V，根据第一节计算公式，加滤波电容后，直流输出电压UO 1.2 U2，所以要选择双端输出变压器，并且变压器副边输出电压为(14+3)/1.4=12.14V。结合输出电流要求，电源变压电路选择I/P 220V50Hz,O/P 12V2 ， 600mA的变压器。3.2整流电路选择由理论可知，全波整流和桥式整流的效率均为UO=0.9U2 , 全波整流的二极管最大反向耐压值为2.82U2。管子导通电流为0.5IO=250mA。查手册可知，常用整流二极管1N4007最大反向耐压为1000V，最大正向平均整流电流为1A，完全可以满足本设计要求。因此采用1N4007搭成单相全波整流电路作为直流电源的整流电路。3.3滤波电路选择 由于输出最大电压为14V，电流最小0.5A，所以，RL=28。采取简单的电容滤波，为获得较为平滑的负载电压，一般时间常数=RLC （35）T/2.取RLC =5 T/2，得C=1786F,考虑电网电压波动10%，则电容所能承受的最高电压为1.1 U2 1.414 = 18.67V，所以采用2200F/25V的电解电容作为滤波电容。3.4稳压电路的选择 根据输出要求可知，有固定输出和可调输出两种。由于集成稳压器具有稳定性高以及完善的内部保护措施，并且使用方便、价格低廉，所以决定采用7812、7912、7805作为固定稳压器，纹波电压均可在50mV以下，输出电流可达到1.5A。采用LM317作为可调稳压器，纹波电压均可在50mV以下 ；输出电流方面，317系列TO220封装也可达到1.5A。完全满足设计要求。故采用上述器件作为整个电源的稳压部分。35 / 354稳压电源电路仿真4.1固定稳压电源电路仿真4.1.1电路原理图图4-1固定输出稳压电源电路原理图4.1.2变压电路仿真 4.1.2.1变压电路元器件清单 名称参数所在库名称符号市电220v，50HzSource-power sourceAC-POWER地Source-power sourceGROUND 变压器220V/双12V 600mA设定匝数18.33:1:1 Basic-TRANSFORMER 1P2S电压表ACIndicator-VOLTMETERVOLTMETER_V示波器双通道仪器栏Oscilloscope表4-14.2.1.2变压器电路仿真图 N1:N2=220:12=18.33图4-2变压电路仿真4.1.2.3变压器电路波形（1）变压器原边和副边波形图4-3变压器原边和副边波形（2）变压器两个副边波形图4-4变压器两个副边波形4.1.3整流电路仿真4.1.3.1整流电路元器件清单 名称参数所在库名称符号整流二极管1000v，1ADiode-Diode1n4007地Source-power sourceGROUND电压表DCIndicator-VOLTMETERVOLTMETER_V示波器双通道仪器栏Oscilloscope表4-24.1.3.2整流电路仿真图1、(1)半波整流图4-5半波整流半波整流系数0.45，故理论上半波整流电压为：UzL=0.4512=5.4V1、(2)变压器副边波形与半波整流波形图4-6变压器副边波形与半波整流波形2、（1）全波整流图4-7全波整流全波整流系数0.9，故理论上全波整流电压为： UzL=0.912V=10.8V2、（2）变压器副边波形与全波整流波形图4-8变压器副边波形与全波整流波形3、（1）桥式整流鬎图4-9桥式整流3、（2）变压器副边波形与桥式整流波形图4-10变压器副边波形与桥式整流波形4.1.4滤波电路仿真 4.1.4.1滤波电路元器件清单 名称参数所在库名称符号电解电容2200uFBasic-CAP electrolit2200uf电容0.1uFBasic-CAP ACITOR0.1uF电阻10Basic-Res10地Source-power sourceGROUND电压表DCIndicator-VOLTMETERVOLTMETER_V示波器双通道仪器栏Oscilloscope表4-34.1.4.2 滤波电路仿真图1、（1）负载开路图4-11滤波电路仿真负载开路系数1.414，理论上滤波电压为：UzL=1.41412=16.97V1、（2）变压器副边波形与滤波波形(负载开路)图4-12变压器副边波形与滤波波形(负载开路)2、（1）负载闭合图4-13 负载闭合系数1.2，理论上滤波电压为：UzL=1.212=14.4V2、（2）变压器副边波形与滤波波形（负载闭合）图4-14变压器副边波形与滤波波形（负载闭合）3、（1）负载闭合，减小电容C1图4-15负载闭合，减小电容C1，滤波电压进一步降低3、（2）变压器副边波形与滤波波形（负载闭合，C减小）图4-16变压器副边波形与滤波波形（负载闭合，C减小）4.1.5稳压电路仿真4.1.5.1稳压电路元器件清单名称参数所在库名称符号电解电容2200uFBasic-CAP electrolit470uf电容0.1uFBasic-CAP ACITOR0.1uF电阻470Basic-Res470地Source-power sourceGROUND电压表DCIndicator-VOLTMETERVOLTMETER_V示波器双通道仪器栏Oscilloscope 稳压器 5VPower- Voltage_regulator LM7805CT发光二 极管 5mA Diode-LED LED_red表4-44.1.5.2稳压电路仿真图图4-17稳压电路仿真图4-18图4-194.1.6工作原理电路原理：该电路由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。电网供给交流电压（220v，50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉冲电压，再用滤波器滤去其交流分量，得到比较平直的直流电压。最后采用稳压电路，以保证输出稳定的直流电压。原理说明：（1） 单相桥式整流电路可以将单相交流电变换为直流电；（2） 整流后的电压脉动较大，需要滤波后变为交流分量较小的直流电压用来供电；（3） 滤波后的输出电压容易随电网电压和负载的变化波动不利于设备的稳定运行；（4） 将输出电压经过稳压电路后输出电压不会随电网和负载的变化而变化从而提高设备的稳定性和可靠性，保障设备的正常使用；（5） 关于输出电压在不同档位之间的变换，可以将稳压电源的电压设置为标准电压再对其进行变换，电压在档位间的调节可以通过调节电位器来进行调节，从而实现对输出电压的调节。4.2可调输出稳压电源4.2.1电路原理图图4-19可调输出稳压电源原理图4.2.2工作原理变压器副边电压通过整流电路由交流电压转换为直流电压，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均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作。为了减少电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下，应该将交流分量全部去除，使滤波电路的输出电压仅有直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必会影响其滤波效果。对于稳定性要求不高的电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压的波动和负载大小的变化，从而可以获得足够高的稳定性。4.3整体仿真电路图见附件（2）5 电路板设计5.1原理图绘制 图5-1直流稳压电源原理图5.2建立元器件封装库 根据所选原件型号，仔细查阅数据手册。根据手册中器件尺寸图，使用正确的器件封装。注意：遇到库中不存在的器件封装，如散热片，手动绘制封装时，需要仔细测量其尺寸。5.3 PCB的绘制 要求布局合理，布线清晰。注意 ：（1）散热片与电解电容距离要适中，防止电容受热老化。 （2）使用覆铜作为地平面（地线）。6 电路的安装于调试6.1元器件检查与整形检查PCB是否有断线、短路、破损等情况；检查元件型号、数量是否与清单一致；对主要元器件（如变压器、整流二极管等）进行参数测定。 使用工具对相关元件按照相关技术规范进行整形。（严禁粗暴整形）6.2焊接焊接要按元器件从低到高的顺序，依次进行。焊点要有光滑整齐的外观，足够的机械强度以及可靠的电气连接。6.3装配首先需测量变压器原、副边线圈的直流电阻。变压器原、副边抽头需要从PCB板的洞穿过在要接到地线上。第二需测量220V电源线通断情况。220V电源线与变压器原边接线需要绞紧后再焊接，并且要有热缩管保护，防止触电短路。6.5 常见问题处理（1）变压器副边无输出 断电后检查副边线圈电阻，若电阻为无穷大，更换新的变压器。（2）整流电路输出电压不达标 整流二极管方向是否正确；（3）滤波电容发热 电容极性及整流二极管方向是否正确；（4）电源指示灯不亮 发光二级管极性是否正确，限流电阻是否焊接正确。（5）稳压输出电压不正常 是否正确安装稳压器；电压调整电路是否焊接正常。7 电路的参数测定7.1电压输出测量用万用表直流电压档测量各路输出。U1=+4.98V U2=+12.19V/-11.96V可调的电压范围为1.25V16.35V7.2最大输出电流测量外加可调大功率电阻，搭建电流测量电路，由大到小调整电阻，记录输出电流。当电压突然出现跌落时，说明已超过其最大输出电流，应及时断开测量回路。此时对应的电流即为最大输出电流。电流为0.6A7.3纹波电压测量使用数字示波器，切换至交流输入型，此时采入的波形即为纹波电压，如后图所示，放大波形，读取峰峰值即可。 图7-1输出电压波形 纹波电压指的是一个直流电压中的交流成分。其产生的原因有两点: 1.滤波不彻底；2.负载存在波动性。 图7-2 纹波电压波形如图可知，纹波电压10mV，满足设计要求。经过FFT分析，可知全波整流后，100Hz处有最大幅值存在，符合电路幅频特性。图7-3纹波电压FFT分析7.4电阻的测量原边电阻：530副边电阻：6.7 ， 6.38 稳压电源实物照片9实践小结（收获、体会及建议）维持一周的稳压直流源课程设计虽然是一门专业课选修课，但是在这个过程中我学到了很多，让我在很多专业知识以及专业技能上得到提升。首先是理论课程，开始的时候有的地方不是很明白，因为模电先考完后相关的知识就记得不是很清楚，为了能很好的完成这次课程设计，又重新将相关的知识复习了一遍，有了新的收获。然后是设计这一部分，是考验我们的理论加实践的能力。首先我们要掌握基本的元器件的功能机用途，通过实物，加深我们的印象，帮助我们理解。将这些原件结合起来，形成了我们的稳压直流源电源的电路图。 在焊接的过程完成的比较顺利，我觉得这和我平时的练习分不开，平时通过科技创新基地的活动，锻炼了自己的能力。还有有的同学将芯片对应的位子弄错了，而我没有，就说明自己理论课的还是很认真的。所以想说，平时的学习和上课时间都要认真。我们了解到了焊普通元件与电路元件的技巧、收音机的工作原理与组成元件的作用等。这些知识不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的学习有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义，对我们以后学习和工作都有很多的帮助。 看到自己完成的作品以后在其他的学习上还可以用到，非常的有成就感。在今后的学习中，一定会将实验中学习到的学习方法应用上去。参考文献1康华光，陈大钦，电子技术基础模拟部分。高等教育出版社，19992曲学基，王增福，曲敬凯。稳定电源基本原理与工艺设计，电子工艺出版社3何希才，张名莉，新型稳压电源及应用实例，电子工艺出版社，20044段九州，电源电路实用设计手册，辽宁科学技术出版社，2002附录附录1：Multisim仿真电路原理图附录2： Altium designer设计的整体电路图附录3： Altium designer设计PCB板图附录4：晶体管串联型稳压电源元件清单:附件5：固定输出稳压电源元器件清单