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文本内容:
模拟电路课程设计姓名胡寒冰年级08级通信学院工学院学号;2084020321课题:半导体直流稳压电源的设计和测试
一、设计实验目的通过集成直流稳压电源的设计、__和调试,要求学会1选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源;2掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法
二、设计要求和技术指标
1、技术指标要求
(1)输入电压为交流220V
(2)电源输出电压为+12V、-12V、+5V、-5V
(3)最大输出电流为IL=500__
(4)稳压系数Sr≤5%,纹波电压△Vop-p≤5mV
2、设计要求
(1)设计一个能输出+12V的直流稳压电源;
(2)电源变压器只做理论设计
(3)完成全电路理论设计、计算机辅助分析与仿真、绘制电路图;
(4)在万能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;
三、实验仪器自耦变压器一台,数字万用表,万能板,智能电工实验台,示波器,交流毫伏表
四、方案及论证方案由固定式三端稳压器(
7812、7912)组成由固定式三端稳压器(
7812、7912)输出脚V
0、输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+12V和-12V,它属于__78**和__79**系列的稳压器,输入端接电容可以进一步滤波,输出端接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路比较稳定直流稳压电源也可由硅稳压二极管稳压电路来实现,下面仅做简单的论述,本次课程设计主要论述三端可调输出集成稳压器硅稳压管的伏安特性及符号如图1所示滤波电路将脉动的直流电变成平滑的直流电稳压电路抑制电网电压和整流电路负载的变化引起的输出电压变化,将平滑的直流电变成稳定的直流电1.硅稳压二极管的特性1稳压管工作在反向击穿状态2当工作电流满足条件时,稳压管两端电压几乎不变2.稳压二极管的主要参数1稳定电压——稳压管在规定电流下的反向击穿电压2稳定电流IZ——稳压管在稳定电压下的工作电流3最大稳定电流IZ__x——稳压管允许__通过的最大反向电流4动态电阻rZ——稳压管两端电压变化量与电流变化量的比值,即rZVZ/IZ此值越小,管子稳压性能越好..\\flash\\1\\
1.
3.
6.swf3.稳压管稳压电路的工作原理1电路图稳压管稳压电路如图2所示V为稳压管,起电流调整作用;R为限流电阻,起电压调整作用2电路的稳压过程VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑3应用小功率场合图2硅稳压管的伏安特性及符号电路优点是结构简单,使用元件少且容易选择,负载短路时不会烧坏稳压管缺点是输出电压不能调节,负载电流变化范围小,带负载能力差因此适用于小型电子设备4)电路图见下图,如图3所示图3硅稳压电路图
(1)稳压管稳压电路如上图所示Dz为稳压管,起电流调整作用;R为限流电阻,起电压调整作用2电路的稳压过程VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑5)测量硅稳压管两端电压得
6.33v用开短路法测得测量硅稳压管两端电流、电阻分别为
59.8__106Ω任务书要求输入220伏的交流电,输出为正负12V、5V的稳压直流电,则首先应该进行降压处理,然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在此次我们选用的是12V变压器
(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,连接方法此不做说明,在以后的原理图中将做详细的说明
(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LM317芯片和两个电解电容以及两个二极管和若干电阻和电容构成,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
五、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,基本框图如图2各部分的作用图2直流稳压电源基本框架图
(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=η,式中η是变压器的效率其中是变压器副边的功率,是变压器原边的功率一般小型变压器的效率如表表1小型变压器的效率副边功率效率
0.
60.
70.
80.85
(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=(3~5)T/2,或中T为输入交流__周期,RL为整流滤波电路的等效负载电阻图5等效电路图在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路,整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3滤波电路一般由电容组成,其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压UIUI与交流电压u2的有效值U2的关系为在整流电路中,每只二极管所承受的最大反向电压为流过每只二极管的平均电流为其中R为整流滤波电路的负载电阻,它为电容C提供放电通路,放电时间常数RC应满足式中R1一般取120-240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,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
(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
六、参数选择及数据处理
1.数据的选择
1、根据三端可调试输出集成稳压器的特点当输入电压为2~40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2~40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=9VVi=12V△Vop-p=5__SV=3×10-
3.则由式由式得滤波电容,电容C的耐压应大于故取2只2200μF/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=
1.2V~37VIo__x=
1.5A最小输入、输出压差(Vi—Vo)__x=40V组成的稳压电源电路,由式得Vo=
1.251+RP1/R1取R1=240Ω,则RP1min=336ΩRP1__x=
1.49kΩ故取RP1为
4.7KΩ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用于调节输出电压大小二.电路的调试与检测1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2动态调试a、稳压电源的性能指标的测试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+
10.50V,负电源输出电压为-
10.48V2)、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+=
0.22A,VO+=
10.50VIA-=
0.218A,VO-=
10.48V根据以上数据可得电源内阻为r+=VO+∕IA+=
10.50V/
0.22A=
47.70Ωr-=VO-/IA-=
10.48V/
0.218A=
48.01Ω3)、稳压系数的测量稳压系数是指在负载电流I
0、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SV的测量电路如图5所示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VO1;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VO2,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-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=198V时,测得数据为VO1+=
10.12V,V01-=
10.09V当Vi=242V时,测得数据为VO2+=
10.14V,VO2-=
10.11V当Vi=220V时,测得数据为VO+=
10.00V,VO-=
9.98V由以上所测数据,可得稳压系数为SV+=(△VO+/VO+)/(△Vi/Vi)=[220/(242-198)][(VO1+-VO2+)/VO+]≈
0.00167SV-=(△VO-/VO-)/(△Vi/Vi)=[220/(242-198)][(VO1--VO2-)/VO-]≈
0.00168b、误差分析1)、误差计算+Vcc%=(
12.00-
10.50)/
12.00=
12.5%-Vcc%=︱
10.48-
12.00︱/
12.00=
12.67%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:a元件本身存在误差;b焊接时,焊接点存在微小电阻;c万用表本身的准确度而造成的系统误差;d测量方法造成的认为误差3调试中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a.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b.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c.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
7、调整与测试
(一).在通电前认真检查__电路,必须对电路进行以下事项的检查
(1)、电源变压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U
2、U
1、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UOSU=△UO/UO/△UI×100%,且△IO=0△T=0,SU=65%(2)电流调整率SI及输出电阻RO的测试使UI位220伏,分别测量RL=0和RL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SI和RO.测得SI=68%,RO=
0.067欧(3)纹波电压的测试 使UI为220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____《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》高等教育出版社图1硅稳压管的伏安特性及符号PAGE2通信08级。