直流稳压电源课程设计----半导体直流稳压电源的设计和测试.doc

半导体直流稳压电源的设计和测试课程设计任务书（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-p5mv，稳压系数sr5%。2 设计基本要求 1 设计一个能输出12v/9v/5v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。3、设计扩展要求 （1）能显示电源输出电压值，00.0-12.0v；（2）要求有短路过载保护。（三）设计提示 1、设计电路框图如图所示稳压电路若使用分离元件要有取样、放大、比较和调整四个环节，晶体管选用3dd或3dg等型号；若用集成电路选78xx和79xx稳压器。测量稳压系数：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vo，并将其中最大一个代入公式计算sr，当负载不变时，sr=vovi/vivo。测量内阻：输入交流为220v，分别测得负载电流为0及最大值时的vo，ro=vo/il。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、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4、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（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。目录第1章 绪论1第2章 方案选择及论证 第3章 总电路设计及原理分析 3.1 总电路设计3.1.1 设计流程3.1.2 设计概述3.2 原理分析 3.2.1 电源变压器3.2.2 整流滤波电路3.2.3 稳压电路第4章 单元电路设计 4.1 整流电路 4.2 滤波电路4.3 稳压电路4.4元器件选择及参数计算说明 4.4.1 变压器的选择 4.4.2 选择整流电路中的二极管 4.4.3 选择滤波电路中的滤波电容4.4.4 选择集成稳压器确定电路第5章 制作与调试 5.1 制作工艺注意事项5.2 稳压电源各项性能指标的测试5.2.1 空载检查测试5.2.2 负载检查测试5.2.3 质量指标测试 5.3 误差分析第6章 设计总结及结论第7章 谢词附录 元件清单及基本工具参考文献第1章 绪论为了适应现代电子技术飞速发展的需要，更好地培养21世纪的试用型电子技术人才，根据国家教委1995年初决定组织实施的面向21世纪高等工程教育教学内容和课程体系改革的研究与实践，项目结合我校模拟课程的改革试点，以培养学生综合工作能力及动手能力为出发点而开的一门课程课程设计。电子电路几乎都用到直流电源，而人们日常用的电源都是交流的，这就需要一个转换电路把它变成直流电源。这种电路就叫直流稳压电源。电子设备中都需要稳定的直流稳压电源，功率较小的直流电源大多数都是50hz的交流电经过整流、滤波和稳压后获得。整流电路用来将交流变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤出整流够单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。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ewb，protel99等技术的新手段，新工具。本课题的设计达到的目的：除了使没有真正进行过电子技术实验的学生，通过课程设计，能够加深对电路理论知识的理解和掌握，更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。学会运用理论和实验两种研究方法，解决实际问题能力。在本次实践中，得到了本组其他组员和老师的大力支持，也得到了其他一些宝贵意见，在此表示由衷的感谢。由于时间和经验的关系，不足之处望老师加以批评指正，以便提高和完善。 设计者：余佳婵 2010年6月第2章 方案选择及论证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（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。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5v变压器。（二）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）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。 方案中各个电路的具体设计在后面的章节中会做详细的介绍。第3章 总电路设计及原理分析3.1 总电路设计 3.1.1设计流程 设计流程框图如下交流电源变压器整流电路滤波电路稳压电路图3-1 设计流程图 图3-2 整流与稳压过程 3.1.2设计概述220v经电源变压器降为约+24v的交流电，先经过d1整流桥和电容c1进行整流后分别经过稳压芯片u1、u2分别得到+15v和-15v的一个相对稳定的直流电压。为提高提高输出电压的稳定系数，对电子滤波器的性能进行了改善，电源调整管采用复合管的形式。分别在镇流滤波和稳压后加电容c2、c3、c4、c5防止高频自激抑制高频干扰。为了抑制低频干扰分别加电容c6、c7。当vi=0时，为保护稳压芯片加d2、d3，加d4、d5为保护当只有单项输入时稳压不被损坏。经过一系列的改善如：减小输出电压纹波系数，达到优良的滤波效果等，是最终电路达到了设计要求。3.2 原理分析 直流稳压电源由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路组成，各部分电路的作用在后面小节中介绍。3.2.1电源变压器 电源变压器的作用是将电网220v的交流电压v1变换成整流滤波电路所需要的交流电压v2。变压器副边与原边的功率比p1/p2=n 式中n为变压器的效率。一般小型变压器的效率如表所示。 表3-1 小型变压器效率副边效率p2/va1010-3030-8080-200效率n0.60.70.80.853.2.2整流滤波电路整流桥将交流电压u2变成脉动的直流电压，再经滤波电容c滤波纹波，输出直流电压vi。vi与交流电压v2的有效值v2的关系为 vi=（1.1-1.2）v2每只整流二极管承受的最大的方向电压vrm=1.414v2通过每只二极管的平均电流i=0.5ir=0.45v2/r式中,r 为整流电路的负载电阻.它为电容c提供放电回路,rc放电时间常数应满足rc(3-5)t/2式中,t为50hz交流电压的周期,即20ms.3.2.3稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压ui会随着变化。因此，为了维持输出电压ui稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。第4章 单元电路设计4.1 整流电路桥式整流电路常采用桥式整流电路，如下图所示，图中v1、v2、v3、v4四只整流 二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。1工作原理和输出波形设变压器二次电压u2=21/2u2sint，波形如电压、电流波形图(a)所示。在u2的正半周，即a点为正，b点为负时，v1、v3承受正向电压而导通，此时有电流流过rl，电流路径为av1rlv3b，此时v2、v4因反偏而截止，负载rl上得到一个半波电压，如电压、电流波形图(b)中的0段所示。若略去二极管的正向压降，则uou2。电压、电流波形在u2的负半周，即a点为负b点为正时，v1、v3因反偏而截止，v2、v4正偏而导通，此时有电流流过rl，电流路径为bv2rlv4a。这时rl上得到一个与0段相同的半波电压如电压、电流波形图(b)中的2段所示，若略去二极管的正向压降，uu2。由此可见，在交流电压u2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻rl，故rl上得到单方向全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出电压平均值为u=20.45u2=0.9u2。桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，在u2的正半周，v1、v3导通时，可将它们看成短路，这样v2、v4就并联在u2上，其承受的反向峰值电压为ur=21/2u2。同理，v2、v4导通时，v1、v3截止，其承受的反向峰值电压也为ur=21/2u2。二极管承受电压的波形如电压、电流波形图4-1在中的(d)所示。由此图可见，在交流电压u2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻rl，故rl上得到单方 向全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压uo提高，脉动成分减小了。 图4-1 桥式整流电路图、简化图及其电压电流波形2.参数估算4.2滤波电路整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。应在整流电路的后面加接滤波电路，滤去交流成分。(一)电容滤波1.电路和工作原理设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，u2为正半周，当u2由零上升时，v1、v3导 通，c被充电，同时电流经v1、v3向负载电阻供电。忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此uo=ucu2，在u2达到最大值时，uc也达到最大值，然后u2下降，此时，ucu2，v1、v3截止，电容c向负载电阻rl放电，由于放电时间常数=rlc一般较大，电容电压uc按 指数规律缓慢下降，当下降到|u2|uc时，v2、v4导通，电容c再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电 过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。2.波形及输出电压 图4-2 桥式整流电路滤波电路电压电流波形（二）型滤波电路为了进一步减小负载电压中的纹波可采用型lc滤波电路。由于c1、c2 对交流容抗小，而电 感对交流阻抗很大，因此，负载rl上的纹波电压很小。 图4-3 型lc滤波电路4.3.稳压电路（一）三端固定输出集成稳压器介绍cw7800 系列(正电源)，cw7900 系列(负电源)。输出电压：5 v/ 6 v/ 9 v/ 12 v/ 15 v/ 18 v/ 24 v 输出电流：78l / 79l 输出电流 100 ma；78m / 9m 输出电流 500 ma ；78 / 79 输出电流 1.5 a 。如cw7805 输出 5 v，最大电流 1.5 a；cw78m05 输出 5 v，最大电流 0.5 a；cw78l05 输出 5 v，最大电流 0.1 a 。封装和符号： 图4-4 封装和符号（二）cw7800 的内部结构 图4-5 cw7800集成稳压器内部电路组成框图启动电路帮助稳压器快速建立输出电压uo；调整电路由复合管构成；取样电路输出固定的电压。cw7800系列稳压器具有过热、过流和过压保护功能。4.4元器件选择及参数计算具体说明4.4.1变压器的选择1）确定副边电压u2:根据根据设计要求：uo=5v根据经验： ui-uo（23）vui=8v 根据 ui =(1.11.2)u2可得变压的副边电压：u2=7.2 v 在这里我们选择副边电压为12v的变压器。2）确定变压器副边电流i2 ii=io又副边电流i2=(1.52)io 取io=iomax=500ma则i2=2*0.5a=1a3）选择变压器的功率变压器的输出功率：poi2*u2=12w由于变压器的效率 =0.7，所以变压器原边输入功率p1= p2/=17.2w，为留有余地，选用功率为20w 的变压器。4.4.2 选择整流电路中的二极管 变压器的副边电压u2=12v 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：=17v，桥式整流电路中二极管承受的平均电流为：i d =0.5i0max=250ma选用in4001。查手册选整流二极管in4001，其参数为：反向击穿电压ubr=,最大整流电流if=在这里我们选用整流堆w08m。4.4.3 选择滤波电路中滤的波电容根据：rc（35）t2而 ruiio c=1875uf电容的耐压要大于，考虑到交流电源电压的波动，故滤波电容c取容量为，耐压为的电解电容。注意： 因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常 并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。4.4.4 选择集成稳压器确定电路我们需要得到的是输出为的直流稳压电源。固选择cw78（lm78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；cw79（lm79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。所确定的电路形式如图4-6所示。图4-6 电路原理图第5章 制作与调试5.1制作工艺注意事项 制作前应检查元器件的质量，安装是特别要注意电解电容、集成芯片等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后级安装。 开始安装稳压电源，检查万能板内部结构，确定其内部的电气连接属性 1.检查元器件看是否有损坏，或者不符合规格的，要及时更换。2.安装一个元器件，先要用尖嘴钳将其引脚成型，然后用镊子把引脚放入孔内高度要适中，符合电气标准完毕后，要用万用表测量元器件引脚和电路板之间是否接触良好，然后再安装下一个元器件。3.对于导线要用斜口钳切成适当的长度，然后成型安装安装时必须采用绝缘良好的绝缘导线,在画连线的时候要取好元件与元件的距离.连接的时候线与线之间不能交叉。4.应避免元器件损坏发生，插元器件时候要垂直插拔免行成不必要的损坏。注意：安装前应检查元器件的质量，检测元器件参数，安装时特别要注意电解电容、集成芯片等主要器件的引脚和极性，不能插错。从输入级开始向后级安装。 5.2稳压电源各项性能指标的测试稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指针，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；另一种是质量指针，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5-1所示图5-1 测试电路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针测试。5.2.1 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。5.2.2 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。5.2.3 质量指标测试(1) 稳压系数sr的测试在负载电流，环境，温度不变的情况下，输出电压的相对变化引起输出电压的相对变化。测量稳压系数，在负载电流为最大时。分别测得输入电压比220v增大和缩小10%，所得数据如下表5-1所示：表5-1 稳压系数数据记录表u1uo1uo2198v+5.06v-5.00220v+5.06v-5.00242v+5.06v-5.00将所得数据代入公式 ：sr=vovi/vivo。 得： sr1 =0.00% sr2 =0.00% 所得数据满足设计要求： sr=vovi/vivo。 （2）纹波电压的测试使为u1=220v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。u=0.04v.5.3 误差分析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 电流表内阻串入回路造成的误差; 3 测得纹波电压时示波器造成的误差;4万用表本身的准确度而造成的系统误差.可以通过以下的方法去改进此电路: 1.减小接触点的微小电阻;2.测得纹波时示波器采用手动同步;3.元器件安装前进行检测4.采用更高精确度的仪器去检测.第六章 心得体会通过这次课程设计， 我了解到单单学好理论知识是不够的，重要的是要将理论运用到实际，做出一个实物并不简单，从中我也中学到了很多。首先，对元器件的参数、性能、好坏选择有一定的了解。在了解的基础上才能将电路更好的完成。其次要掌握好电路原理，这样才能更好的解决问题。然后我们对事的态度也是十分重要的。在整个实践过程中必须还要注意安全。通过这次课程设计，不仅仅加深了我对电子设计理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还体到了要设计好一个课题是需要耐心和细心的，因为在整个设计及制作调试的过程中或多或少的遇到了一些问题，能耐心细心的解决这些问题很重要。面对问题的时候我们不应该急躁，而该更好的去运用我们平日所学的理论知识将问题解决。因而平常有时间也应多动手动脑，就算不做实物的设计，也可以运用软件多做虚拟实验，多讲理论与实际结合起来，才能将理论知识更好的运用在实际上，就不会只是一个