半导体直流稳压电源的设计和测试课程谢燚3Word格式文档下载.docx

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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

三、技术指标

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%。

进

度

安

排

起止日期

设计内容

6月7日到

9日

确定设计步骤和测试方案

6月10日到

11日

设计好电路，选好元件及参数

6月12日到

15日

印PCB板以及在PCB板上制作一台直流稳压电源

6月16日到

17日

测量直流电源的内阻、稳压系数以及纹波电压

6月18日到

19日

撰写设计报告

主要参考资料

《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

答辩成绩

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

班级：

通信工程1103班

学生姓名：

谢燚

学生学号：

11401340318

指导老师：

第一章前言

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，做什么，怎么做的逻辑思维体系和实验的构成要素为教材内容展开。

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。

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Protel99等技术的新手段，新工具。

在这次课程设计中，非常感谢老师及同学的帮助！

由于时间仓促及个人水平有限，本说明难免有错，敬请老师同学提出批评并指正。

设计者：

2013年06月06日

目录

一前言.......................................

二设计任务...................................

三方案的选择及论证...........................

四原理分析....................................................................

五单元电路...................................................

六参数选择及数据处理.........................

七仿真·

·

八原理图..................................

九元件及工具..............................

十调整与测试·

十一心得体会·

十二参考文献·

十三致谢...........................................

第二章设计任务

（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±

2、设计要求

（2）拟定测试方案和设计步骤；

（4）要求绘出原理图，并用Protel、Visio画出印制板图；

（三）设计提示

图直流稳压电源电路结构框图

3、设计用主要器件

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·

《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。

第三章方案的选择及论证

半导体直流稳压电源主要由滤波电路、稳压电路决定，采用不同的滤波电路、稳压电路可以设计出不同的设计方案。

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。

案三：

由固定式三端稳压器CW78**和CW79**系列组成

由固定式三端稳压器（7812、7912、7805、7905、1117）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它属于CW78**和CW79**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。

选取此方案。

任务书要求输入220伏的交流电，输出为正负12V、9V、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，选择了三端固定输出集成稳压器，它主要由LM7812、7912、7805、7905、1117芯片和五个电解电容以及五个二极管和五个电阻构成，具体不再介绍，后面的原理图将会给出三端固定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输出集成稳压器。

第四章原理分析

1．直流稳压电源的基本原理

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直流稳压电源基本框架图

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=η，式中η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。

图3全波整流滤波

图4桥式整流滤波

各滤波电容C满足RL-C＝（3~5）T/2，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。

图5等效电路图

（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。

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。

测试电路如图7。

图7　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。

第五章单元设计电路

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/P1

（1）

U1：

U2=220:

12

（2）

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。

整流滤波电路

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

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

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。

第六章参数选择及数据处理

一.数据的选择

变压器的选择

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。

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

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。

三端稳压器

选固定三端稳压器LM7812、7912、7805、7905，

由于输出的电压分别+12V-12V+5V-5V发光二极管两端的电压在2V左右所以与之串联的电阻分别为1000Ω1000Ω470Ω470Ω

还做了3.3V的选择固定三端稳压器1117

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+13.60V，负电源输出电压为-13.4V。

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+=0.22A，VO+=13.6V

IA-=0.218A，VO-=13.4V

根据以上数据可得电源内阻为：

r+=VO+∕IA+=13.6V/0.22A=61.8Ω

r-=VO-／IA-=13.4V/0.218A=60.9Ω

3）、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5所示：

图5

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，测试数据如下：

当Vi=198V时，测得数据为：

VO1+=13.12V，V01-=13.09V

当Vi=242V时，测得数据为：

VO2+=13.14V，VO2-=13.11V

当Vi=220V时，测得数据为：

VO+=13.00V，VO-=13.98V

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+]

≈0.00167

Sr-=（△VO-/VO-）/（△Vi/Vi）

=[220/（242-198）][（VO1--VO2-）/VO-]

≈0.00168

b、误差分析

1）、误差计算

+Vcc%=︱12.00-12.17︱/12.00=1.46%

-Vcc%=（12.35-12.00）/12.00=2.91%

+Vcc%=︱5.00-5.09︱/5.00=1.8%

-Vcc%=（5.09-5.00）/5.00=1.8%

+Vcc%=（3.32-3.00）/3.00=10.6%

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：

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。

第七章仿真图与结果

仿真软件Multisim简介

Multisim是NationalInstrumentsElectronicsworkbenchGroup公司2007年推出以Windows为系统平台的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路的设计工作，是非有用的EDA设计套件，可以帮助用户完成电路设计主要工作。

Multisim包含了电路理的图形输入，模拟电路仿真，数字电路仿真，混合模式电路真高频电路仿真真与设计。

图7，1Multisim运行界面

电路图仿真

按原理图在Multisim软件中进行仿真，并将其中输出截图展示。

如图3.2示。

图7，2原理图仿真

电路图仿真输出后的四路直流稳压如图3.4示。

1通道输出约为+5V2通道输出约为-5V

3通道输出约为+12V4通道输出约为-12V

图7.4四路输出分别读数

第八章原理图

第九章主要元器件及工具

元器件

12伏变压器一个

PCB板一块

电源芯片:

78127912780579051117各一个，发光二极管、散热片各5个，

6脚开关1个

电容：

0.1μF，470μF,各5个，2200μF2个。

电阻：

阻值为1000Ω470Ω各2个，300Ω一个；

桥式整荡器一个插头一个排针，导线若干

工具：

尖嘴钳、斜口钳、镊子、刀子；

烙铁、烙铁架；

万用表。

第十章调试与测试

（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U2、U1、UO的大小，观察其是