直流稳压电路课程设计说明书.docx

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直流稳压电路课程设计说明书

湖南工学院

模拟电路课程设计说明书

Ø课题名称：

直流稳压电源

Ø专业名称：

电气工程及其自动化

Ø学生班级：

电气本1102班

Ø学生姓名：

陈祺彦

Ø学生学号：

11401240204

Ø指导教师：

龙卓珉

小组成员：

闫云龙贺涉华陈祺彦

电气与信息工程学院

2013年6月26日

课程设计任务书

一、课题名称：

直流稳压电源

二、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；

三、要求和技术指标

1、技术指标：

要求电源输出电压为±12V（±9V或±5V/±3.3V），输入电压为流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/±3V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，并用Protel画出印制板图；

（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）撰写设计报告。

目录

摘要············································4

前言·······················································5

第一章直流稳压电源发展及作用························4

1.1直流稳压电源的发展·······························5

1.2直流稳压电源的作用······························6

第二章系统的组成及工作原理··························7

2.1电源原理构成········································7

2.2单元电路分析及参数确定······························9

2.3直流稳压原理·······································13

2.4稳压电源的性能指标·································14

第三章电路的调试与检测······························15

3.1静态调试···········································15

3.2动态调试···········································15

3.3调试注意事项·······································18

第四章结论·············································18

第五章结束语··································19

附录······················································21

参考文献···········································24

摘要

直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路以及稳压电路所组成。

变压器把家庭用的220V交流电压降压到所要求的低压交流电。

整流器将交流电转变为直流电。

经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压转变为稳定的直流电压并将其输出。

本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现实验要求的±12V∕±9V∕±5V∕±3.3V稳定直流电压。

前言

当今社会人们极大的享受着电子设备所带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路—电源电路。

大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。

当然，这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。

超级计算机计算机的电源电路本来就是一套复杂的电源系统。

通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电能供应。

随着社会科学技术的飞速发展，市面涌现出大量的电子设备，比如：

手机、电脑、IPD、照相机、摄像机、MP4、MP5等耗电设备。

毫无疑问，这些设备需要电力的驱动才能实现自己的功能，然而，不同的电子产品有不同的额定电压与工作电压，但家庭供电系统只能提供220V交流电，为了更好地发挥电子产品的作用，我们需要为其提供符合产品规范要求的电能，此时，电源实现了这一愿望。

而直流稳压电源更能方便快捷、安全可靠、稳定持续地为电子设备提供满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。

因此，直流稳压电源在电源技术中占据十分重要的地位。

第一章直流稳压电源的发展及作用

1.1源的发展

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直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的.稳压电源寿命短、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。

70年代以后，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，并且被广泛地应用于电子计算机、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。

1.2稳压电源的作用

（1）稳定电压

当电网电压出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在±2%以内。

（2）多工能综合组合

　稳压器除了最基本的稳定电压功能以外，还应具有过压保护（超过输出电压的+10%）、欠压保护（低于输出电压的-10%）、缺相保护、短路过载保护最基本的保护功能。

（3）、尖脉冲抑制

　　电网有时会出现幅值很高，脉宽很窄的尖脉冲，它会击穿耐压较低的电子元件。

稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑制作用。

（4）、隔离传导性EMI电磁干扰

第二章系统的组成及工作原理

2.1电源原理构成

直流稳压电源主要由变压器，滤波电路，稳压电路组成，其原理图如图2-1所示：

图2-1电源的原理过程图

根据电源的构造，可以将电源分为三类：

简单并联型稳压电源、输出可调型电源、输出可调开关电源。

有如下方案：

方案一：

简单的并联型稳压电源

并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性

高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因此在本实验中此方案不适合。

方案二：

输出可调的开关电源；

开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因此在本实验中此方案不适合。

方案三：

由固定式三端稳压器（L7812、L7912）组成

由固定式三端稳压器（L7812、L7912）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+12V和-12V，它属于L78**和L79**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。

根据实验设计要求，本实验采用方案三。

任务书要求输入220伏的交流电，输出为正负12V、9V、5V、3V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，本设计中使用成品桥式整流器（参数后面介绍）。

（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，选择了四端不可调输出集成稳压器，它主要由两个电解电容以及两个五个二极管、五个电阻和五个电容构成，具体不再介绍，后面的原理图将会给出四输出端输出集成电路的构成图。

（五）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固定值输出集成稳压器。

2.2单元电路分析及参数的确定

2.2.1电源变压器

电源变压器有很多种：

有降压的、有升压的等等，在此次的课题设计中选用的是降压变压器。

根据课程设计要求我们选择的是输入电压为220V/50Hz，输出电压为双12V的变压器。

2.2.2整流电路

整流电路将交流电压Ui脉动的直流电压，完成这一任务主要靠二级管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。

在小功率整流中（1kw以下），常用的整流电路有全波整流、桥式整流（图2-2）。

这里采用单相桥式整流电路，电路图如下：

图2-2桥式整流电路

整流器输出波形如图2-3：

图2-3整流器的输出波形

整流元件参数的计算

负载中的平均值

:

（2-1）

负载电流

:

（2-2）

每只整流二极管承受的最大反向电压

:

（2-3）

通过每只二极管的平均电流

（2-4）

由于

。

该设计中，根据要求使用SEP2W10整流桥将由变压器输入的交流电压转变成直流电压。

2.2.3滤波电路

从上面的分析可以看出，整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。

所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。

在本设计中我们选用电容滤波。

原理图如图2-4。

由于电容的储能作用，使得输出波形比较平滑，脉动（纹波）成分降低输出电压的平均值增大。

电容放电的时间

越大，放电过程越慢，输出电压中脉动（纹波）成分越少，滤波效果越好。

一般取

T为电源交流电压的周期。

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=5V,Vi=12V,△Vop-p=5mA,SV=3×10-3.则由式

（2-5）

由式

得滤波电容，

电容C的耐压应大于

。

故取2只2200μF/25V的电容相并联达到设计要求。

（下图为一只代表性电容代替说明）

图2-4滤波电路原理图

图2-5为滤波电路输出波形

图2-5滤波电路输出波形

2.2.4集成稳压电路

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。

集成稳压器具有体积小、性能稳定、价格便宜等优点，本设计采用三端固定式稳压器。

其通用产品有L7800系列（正电源）L7900系列（负电源）。

输出电压由具体型号中的后两个数字代表，选有3V、5V、9V、12V三个档次。

其额定输出电流以78或79后面所加字母来区分。

L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A。

如L7805表示输出电压为5V，额定输出电流为1.5A。

图4-6为L78XX和L79XX系列塑料封装三端集成稳压器的外形及管脚排列，其是集成稳压器的核心部分。

在本次课程设计中我们采用三端固定输出集成稳压器L7812（+12V）、L7912（-12V）、L7805（+5V）、L7905（-5V）、B1117T（+3V）。

L78XX、L79XX系列引脚图如2-6.

78系列引脚图79系列引脚图

图2-6三端集成稳压器的外形及管脚排列

78/79系列三端稳压器引脚如图2-7所示：

图2-778/79系列三端稳压器引脚

其典型应用电路如2-8所示

图2-8稳压器典型应用电路

如图2-8所示电路中接入电容用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡，接电容能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作，在本次课程设计中我们选取5个0.1uF的非极性电容，所放置地方如附图所示。

如图2-8所示电路中电解电容，以减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

在本次课程设计中，我们选取5个470uF的电解电容，所放置地方如图2-9所示。

图2-9减少低频干扰电路

2.3电路设计图

根据以上理论分析及实验设计要求，可设计电路图如图2-10所示。

图2-10直流稳压电源设计原理电路图

直流稳压电源设计原理图放大图详见附录B

2.4稳压电源的性能指标

稳压电源的技术指标分为两种：

一种是规格指标，用来表示稳压电源的规格，包括输入电压、输出直流电压、输出直流电流、输出功用来衡量输出直流电压的率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.稳压系数Sr：

又称电压调整特性。

其定义为在负载不变时，稳压电路的输出电压相对变化量与输入电压的相对变化量之比，即

（2-6）

Sr越小，输出电压越稳定。

2.电压调整率Sv：

一般指

=

10%时的Sr。

3.电流调整率Si：

当输出电流从0变化到最大额定值时，输出电压的相对变化量，即

（2-7）

该指标反映了负载变化对输出电压稳定性的影响。

4.输出电阻Ro：

其定义为输入电压Vi不变时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，即

Ro=

（2-8）

Ro越小，当负载电流变化时，在内阻上产生的压降越小，输出电压越稳定，表示带负载能力越强。

5.纹波抑制比SR：

其定义为输入电压交流纹波峰峰值UIP_P与输出电压交流纹波峰峰值UOP_P之比的分贝数，该指标反映稳压电路输入电压UI中含有纹波电压的有效值经稳压后减小的程度。

SR越大UOP_P表示越小。

第三章电路的调试与检测

3.1静态调试

当接好电路板的线路时，先不要急着通电，而应该从以下几个方面进行测试：

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。

3.2动态调试

3.2.1、稳压电源的性能指标的测试

（1）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：

在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的

，即用开短路法可测得电源内阻。

测得数据如下：

IA+=0.20A，VO+=10.30V

IA-=0.20A，VO-=10.15V

根据以上数据可得电源内阻为：

r+=VO+∕IA+=10.30V/0.20A=51.5Ω

r-=VO-／IA-=10.15V/0.20A=50.75Ω

（2）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

Sr=（△VO/VO）/（△VI/VI）IO=常数，T=常数

Sr的测量电路如图2-1１所示：

图2-１１稳压系数测量电路图

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

Sr=（△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，测试数据如表格2-1２所示：

输入交流电压（V）

输出直流电压（V）

198V

V01+

V01-

11.53

-11.08

242V

V02+

V02-

12.28

-12.06

220V

V0+

V0-

11.86

-12.06

表格　2-12

当Vi=198V时，测得数据为：

VO1+=11.53V，V01-=-11.80V

当Vi=242V时，测得数据为：

VO2+=12.28V，VO2-=-12.06V

当Vi=220V时，测得数据为：

VO+=11.86V，VO-=-12.06V

由以上所测数据，可得稳压系数为：

Sr+=（△VO+/VO+）/（△Vi/Vi）

=[220/（242-198）][（VO1+-VO2+）/VO+]

≈0.31618887

Sr-=（△VO-/VO-）/（△Vi/Vi）

=[220/（242-198）][（VO1--VO2-）/VO-]

≈-0.107794361

（3）稳压系数的测量

　　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。

测试结果如表格2-1３。

纹波电压峰值（mV）

0.2

0.7

1.8

2.0

表格2-13

3.2.2误差分析

1）误差计算

+Vcc%=（12.00-10.30）/12.00=9.71%

-Vcc%=︱10.15-12.00︱/12.00=15.42%

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）测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差；

2）电路板焊接造成的轻微短路或者短路；

3）测得纹波电压时示波器造成的误差；

4）PC板石墨覆盖不严实，导致腐蚀后的线路不完整，有缺口；

5）稳压芯片受温度影响或者芯片不够准确；

6）焊点不够好，造成接触不良，导致一些误差产生。

3.3调试注意事项

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

用同一台测量仪器进行测量时，测量点不同，仪器内部进行的误差大小将不同。

（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流，测量方便。

若需知道某一支路的电流值，可以通过测该路上电阻两端的电压，经过换算而得到。

第四章结论

交流输入220V的电压通过降压变压器副级输出电压约为12V，由变压器降压后可以产生12V的交流电。

交流电通过利用二极管单向导电性制作的整流桥以产生相对而言形成的直流电，但这种直流电不够稳定，需要稳压芯片和电容电路装置滤波之后才能产生我们所需相应的直流电。

第五章结束语

很荣幸这个学期我们专业开设了本次模电的课程设计，这一次的设计对于我来说是一种锻炼，不仅锻炼我的动手能力，同样也锻炼了我的脑力活动。

这为了我以后能设计出更多更好的电子产品打下坚实的基础。

本次课程设计是个令人头疼为难而又充满趣味性的专业方面的初步体验，说实话，选择好设计课题后，经过一番仔细研读和针对课程问题的思考，才发现自己选择的课题——直流稳压电源其实没有想象中的那么容易，不是课题要求表面上那么简单的。

首先，课题必不可少的使用Protel99划出电路图以将线路打印到PC板上。

然后，之前听都没听过Protel99这款软件。

经过几天的参考资料与自主设计，终于设计出了符合要求的直流稳压电源的设计原理电路，然后再使用Protel99软件画好电路并打印在PC板上。

板子打好后，学着使用三氯化铁溶液腐蚀双面板，使不用的铜路腐蚀掉。

板子腐蚀好再用打孔机打出元器件安插孔，之后的工作就是焊接元器件。

焊接元件的过程是枯燥乏味的，由于PC板腐蚀地不怎么好，所以有很多线路是断开的，这就需要我们用焊锡去焊接。

经过几个小时的焊接，电路板焊接完毕。

通电检测后，发现效果并未达到预期的效果，于是断电后用万用表检测电路各处。

经过一段时间的修复，板子出现的故障和问题排除了，效果逐渐恢复到预期效果。

在制作电路时，通过查找资料，让我们初步了解了电子实物设计的基本步骤。

首先，要确定设计的方案和设计的可行性，以及元件系数的确定，准备好设计所需的元器件。

其次，用Protel99画出原理图,在画图时，连接电路一定要认真仔细，而且要确保每条导线接接触良好。

每条线段是否正确直接关系到我们原理图的正确与否，同时，更决定此次实物是否成功。

在接电路之前，一定要把电路的原理搞清楚。

之后，是对原理的封装工作。

封装工作是我们很需要小心的工作，此项工作若做错，会导致我们做PCB板时结果错误。

特别是对元器件图形的把握，比如封装的时候要注意对需要散热片的芯片留足空间，或是对一些元器件的引脚的距离计算，并要弄清楚每个芯片的管脚的功能，明白每个元件的各个管脚与哪里相对应。

在封装后，要进行PCB的连线工作，连线时，特别要注意线条不能交叉。

做好PCB板时，就是对元器件的焊接及连接等工作。

因为有了电工实习的基础，我们掌握了焊接技巧，在这一块做起来还比较轻松。

在设计过程中，要将理论知识与实践相结合。

此次制作加深了我们对基础理论知识的理解与运用，了解到了变压器降压的基本原理以及桥式整流电路、电容

滤波电路的工作原理。

在制作实物时，提高了我们的动手能力。

直流稳压电源的

制作是一项非常细致的工作，容不得我们一点点马虎，整个电路的制作牵一发而动全身。

通过这学期的模电课程设计，使我从中受益匪浅，我认识到了自己的以前许多许多的不足和缺点。

我明白了要想把理论和实际，还是有一定距离的。

我懂得了一个实用的实物来，并不是自己想象中的那样简单。

附录

附录A　　　直流稳压电路ＰＣＢ图

附录B直流稳压电源设计原理图放大图

附录C

实物图片

附录D

元器件清单

序号

元器件名称

型号及参数

数量

备注

1

12伏变压器

220V/50Hz

1台

2

PCB电路板

1块

3

稳压管

LM7805

1个

LM7812

1个

LM7905

1个

LM7912

1个

B1117T

1个

4

LED发光二极管

5