半导体直流稳压电源.docx
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半导体直流稳压电源
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、安装和调试,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=500mA。
(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V0、输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+12V和-12V,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。
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IZmax——稳压管允许长期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rZ=VZ/IZ。
此值越小,管子稳压性能越好。
3.稳压管稳压电路的工作原理
(1)电路图
图1硅稳压管的伏安特性及符号
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:
59.8mA106Ω
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
0.6
0.7
0.8
0.85
(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
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UI。
UI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=9V,Vi=12V,△Vop-p=5mA,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~37V,Iomax=1.5A,最小输入、输出压差(Vi—Vo)max=40V。
组成的稳压电源电路,由式得Vo=1.25(1+RP1/R1),取R1=240Ω,则RP1min=336Ω,RP1max=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-10.48V。
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+=10.50V
IA-=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=47.70Ω
r-=VO-/IA-=10.48V/0.218A=48.01Ω
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
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+]
≈0.00167
SV-=(△VO-/VO-)/(△Vi/Vi)
=[220/(242-198)][(VO1--VO2-)/VO-]
≈0.00168
b、误差分析
1)、误差计算
+Vcc%=(12.00-10.50)/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:
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