半導體直流穩(wěn)壓電源

1、湖南工學院課程設計說明書 課題名稱:半導體直流穩(wěn)壓電源的設計和測試專業(yè)名稱： 電氣自動化技術 班 級： 電氣1202班 學生姓名; 學生學號： 指導老師： 模擬電子技術課程設計任務書半導體直流穩(wěn)壓電源的設計和測試（一）設計目的1、學習直流穩(wěn)壓電源的設計方法；2、研究直流穩(wěn)壓電源的設計方案；3、掌握直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和內(nèi)阻測試方法；（二）設計要求和技術指標1、技術指標：要求電源輸出電壓為±12V（或±9V /±5V），輸入電壓為交流220V，最大輸出電流為Iomax=500mA，紋波電壓VOP-P5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr5%。2、 設計基本要求（1） 設計一個能輸出

2、±12V/±9V/±5V的直流穩(wěn)壓電源；（2） 擬定設計步驟和測試方案； （3） 根據(jù)設計要求和技術指標設計好電路，選好元件及參數(shù)；（4） 要求繪出原理圖，并用Protel畫出印制板圖； （5） 在萬能板或面包板或PCB板上制作一臺直流穩(wěn)壓電源；（6） 測量直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻；（7） 測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)、紋波電壓；（8） 撰寫設計報告。（三）設計提示1、設計電路框圖如圖所示穩(wěn)壓電路若使用分離元件要有取樣、放大、比較和調(diào)整四個環(huán)節(jié)，晶體管選用3DD或3DG等型號；若用集成電路選78XX和79XX穩(wěn)壓器。測量穩(wěn)壓系數(shù)：在負載電流為最大時，分別測得輸入交流比22

3、0V增大和減小10%的輸出vo，并將其中最大一個代入公式計算Sr，當負載不變時，Sr=VoVI/VIVO。測量內(nèi)阻：在輸入交流為220V，分別測得負載電流為0及最大值時的Vo，ro=VO/IL。紋波電壓測量：疊加在輸出電壓上的交流分量，一般為mV級?？蓪⑵浞糯蠛?，用示波器觀測其峰峰值VOP-P；用可用交流毫伏表測量其有效值VO，由于紋波電壓不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定誤差。2、實驗儀器設備自耦變壓器一臺、數(shù)字萬用表、交流毫伏表、面包板或萬能板、智能電工實驗臺、示波器3、設計用主要器件 變壓器、整流二極管、集成穩(wěn)壓器（7812/7912/7809/7909/7805/7905）、電容、電

4、阻若干（四）設計報告要求1、選定設計方案；2、擬出設計步驟，畫出電路，分析并計算主要元件參數(shù)值；3、列出測試數(shù)據(jù)表格。4、調(diào)試總結。（五）設計總結1、總結直流穩(wěn)壓電源的設計方法和運用到的主要知識點，對設計方案進行比較。2、總結直流穩(wěn)壓電源主要參數(shù)的測試方法。目錄第一章 引言 1第二章 方案選擇及比較 1第三章 正負12V、正負5V直流穩(wěn)壓電源的方案設計 23.1 總方案設計 23.1.1方框圖及原理圖 2 3.1.2子框圖作用及原理圖說明2 3.1.3方案選擇33.2 單元電路設計 33.2.1電源變壓器 33.2.2整流器選擇 43.2.3濾波電容選擇 43.2.4負載電阻RL 43.3 工

5、作原理 5 3.3.1整流電路 5 3.3.2濾波電路 6第四章 半導體直流穩(wěn)壓電路的制作 74.1 Multisim10.0軟件介紹74.2 電路仿真 84.2.1輸出電壓84.2.2紋波電壓94.3 部分元件清單 94.4 焊接 94.5 調(diào)試及結果分析104.5.1直流穩(wěn)壓電源的調(diào)試測試方法 104.5.2穩(wěn)壓系數(shù) 114.5.3最大輸出電流 114.3.4直流穩(wěn)壓電源原理圖 11第五章 數(shù)據(jù)分析與討論125.1. 技術指標測量分析12 5.1.1穩(wěn)壓系數(shù)分析 125.1.2誤差計算 135.2 設計總結14第六章 謝辭14參考文獻及附錄 14參考文獻 15附 錄 16第一章 引言直流穩(wěn)

6、壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設計主要采用直流穩(wěn)壓構成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的±5V直流電，并實現(xiàn)電壓可在3-12V連續(xù)可調(diào)。 電源的發(fā)展經(jīng)歷了整流器時代，逆變器時代、變頻器時代并逐步向綠色靠攏。穩(wěn)壓電源的歷史可追溯到十九世紀，愛迪生發(fā)明電燈時，就曾考慮過穩(wěn)壓器，到二十世紀初，就有鐵磁穩(wěn)壓器以及相應的技術文獻，電子管問世不久，就有人設計了電子管直流穩(wěn)壓器，在四十年代后期，電子器件與磁

7、飽和元件相結合，構成了電子控制的磁飽和交流穩(wěn)壓器。五十年代晶體管的誕生使晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源成了直流穩(wěn)壓電源的中心。六十年代后期，科研人員對穩(wěn)定電源技術做了新的總結，使開關電源，可控硅電源得到快速發(fā)展，與此同時，集成穩(wěn)壓器也不斷發(fā)展。直至今日，在直流穩(wěn)壓電源領域，以電子計算機為代表的要求供電電壓低，電流大的電源大都由開關電源擔任，要求供電電壓高，電流大的設備的電源由可控硅電源代之，小電流、低電壓電源都采用集成穩(wěn)壓器。第二章 方案選擇及比較直流穩(wěn)壓電源主要由濾波電路、穩(wěn)壓電路決定，采用不同的濾波電路、穩(wěn)壓電路可以設計出不同的設計方案。方案一：簡單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電源并聯(lián)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整元件與負載并

8、聯(lián)，因而具有極低的輸出電阻，動態(tài)特性好，電路簡單，并具有自動保護功能；負載短路時調(diào)整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小電流時調(diào)整管需承受很大的電流，損耗過大，因此在本實驗中此方案不適合。方案二：輸出可調(diào)的開關電源；開關電源的功能元件工作在開關狀態(tài)，因而效率高，輸出功率大；且容易實現(xiàn)短路保護與過流保護，但是電路比較復雜，設計繁瑣，在低輸出電壓時開關頻率低，紋波大，穩(wěn)定度極差，因此在本實驗中此方案不適合。方案三：由固定式三端穩(wěn)壓器（7812、7912）組成由固定式三端穩(wěn)壓器（7812、7912）輸出腳V0、輸入腳Vi和接地腳GND組成，它的穩(wěn)壓值為+12V和-12V，它屬于CW78*和CW79

9、*系列的穩(wěn)壓器，輸入端接電容可以進一步濾波，輸出端接電容可以改善負載的瞬間影響，此電路比較穩(wěn)定。根據(jù)實驗設計要求，本實驗采用方案三。任務書要求輸入220伏的交流電，輸出為正負12V、5V的穩(wěn)壓直流電，則首先應該進行降壓處理，然后要對降壓后的交流電進行整流，再其次是對含有交流成分的脈動直流電進行濾波處理，最后對直流點進行最后的穩(wěn)壓處理。第三章 正負12V，正負5V穩(wěn)壓電源的方案設計3.1總方案設計3.1.1方框圖及工作原理圖圖3-1工作原理3.1.2 子框圖作用及原理圖說明（1）變壓器：電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要

10、交流電壓。變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。（2）整流電路：降壓后的交流電壓，通過整流電路變成脈動的直流電，但其幅度變化大（即脈動大）。（3）濾波電路：脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。（4）穩(wěn)壓電路：濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負載RL。3.1.3 方案選擇（1） 根據(jù)設計所要求的性能指標，選擇7812和7912組成的多路集成三端穩(wěn)壓器。核心器件選用穩(wěn)壓器7812和7912組合， LM7812輸出12V的電壓，而LM7912輸出的是12V的電壓，從而達到對稱輸出的目的。得電路原

11、理圖如下：圖3-2電路原理圖3.2單元電路設計3.2.1電源變壓器由公式P=U*I可知若輸出功率P一定，若輸出電壓U越高，則輸出電流I越低。舉例來說，一個輸出功率P=15VA的變壓器，若輸出電壓U=12V,則輸出電流I=0.833A。源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。 副邊功率P/vA<101030308080200效率0.60.70.80.85表（1）變壓器的效率表3.2.2整流器選擇整流二極管的參數(shù)應滿足最大整流電流If>1.5Imax=0.75A，最大反向電壓VR=1

12、6.9V.整流濾波特別應指出的是，電容濾波使電路被接通的一瞬間，整流管的實際電流遠大于Imax，如果If較小，很可能在電路被接通時就已經(jīng)損壞，因此，一般取   If>5Imax=2.5A，查手冊可選定整流二極管VD1-VD4，最終選擇橋堆為（2A.1000V） 的。    3.2.3濾波電容選擇由式RLC>=(3-5)T/2，則 C1=5T/2RL RL為C1右邊的等效電阻，應取最小值，由于電容C1：由式RLC>=(3-5)T/2，則 C1=5T/2R2， 式中T為市電流電源的周期，T=20ms；Imax=

13、500mA，因此RLmin=V1/Imax=33，所以C1=2015uf?？梢姡珻1容量較大，應選電解電容，受規(guī)格的限制，實際容量應選2200uf，其耐壓值可取35V C1的最后取值還需根據(jù)紋波電壓的要求調(diào)整并確定注意:因為大容量電解電容有一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常并入小容量電容用來抵消電感效應，抑制高頻干擾。3.2.4負載電阻RL 由式I0(AV)=Uo/RL=0.9U2/RL可得RL=0.9U2/Io RLmin=0.9U2/Iomax=27受規(guī)格限制可選擇R=303.3工作原理圖3-3 整流電路原理分析圖3.3.1整流電路設變壓器副邊

14、電壓u2 ，U2為其有效值。當U2為正半周時，電流由A點流出，經(jīng)D1，RL，D3流入B點，因而負載電阻RL上的電壓等于變壓器副邊電壓，即U0=U2，D2和D4管承受的反向電壓為-U2。當U2為負半周時，電流又B點流出，經(jīng)D2，RL，D4流入A點，負責電阻RL上的電壓等于-U2，即Uo=-U2，D1、D3承受的反向電壓為U2。這樣，由于D1、D3和D2、D4兩對二極管交替導通，致使負載負載電阻RL上的U2的整個周期都有電流通過，而且方向不變。圖3-4整流電路的示意圖3.3.2濾波電路 當變壓器副邊電壓U2處于正半周后并且數(shù)值大雨電容兩端電壓Uc時，二極管D1、D3導通，電流一路流經(jīng)負載電阻RL，

15、另一路電容C 充電，因為在理想情況下，變壓器副邊無損耗，二極管導通電壓為零，所以電容兩端電壓Uc 和U2相等，當U2上升到峰值后開始下降，電容通過負載電阻RL放電，其電壓Uc也開始下降，趨勢與Uc基本相同，但是由于電容按指數(shù)規(guī)律放電，所以當U2下降到一定數(shù)值后，Uc的小將速度小于U2下降速度，使Uc大于U2從而導致D1、D3反向偏置而邊為截止，此后，電容C繼續(xù)通過RL放電，Uc按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。當U2負半周副值變化到恰好大于Uc時，D2、D4因加正向電壓變?yōu)閷顟B(tài)，U2再次U2，Uc 上升到U2的峰值后又開始下降，下降到一定數(shù)值時D2、D4變?yōu)榻刂?，C對RL放電，Uc按指數(shù)規(guī)律下降；放電到

16、一定數(shù)值時D1、D3變?yōu)閷?，重復上述過程。濾波電路的分析示意圖如下： 圖3-5濾波電路的示意圖第四章 半導體直流穩(wěn)壓電路的制作4.1 Multisim10.0軟件簡介 圖4. 1 . 1 multisim仿真軟件的操作界面Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很

17、快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強

18、大技術的設計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。為適應不同的應用場合，Multisim推出了許多版本，用戶可以根據(jù)自己的需要加以選擇。目前在各高校教學中普遍使用Multisim10.0，網(wǎng)上最為普遍的是Multisim 10.0，NI于2007年08月26日發(fā)行NI系列電子電路設計軟件，NI Multisim v 11作為最新版本包含于其中，作為最新版本，NI Multisim v 11有很多優(yōu)點，而且加入了很多新的元器件，有很豐富的元器件庫。我所用的就是NI Multisim v 11的版本。4.2電路仿真4.2.1輸出電壓測量穩(wěn)壓系數(shù)：在負載電流為最大時，分別測得輸入交流比220

19、V增大和減小10%的輸出vo，并將其中最大一個代入公式計算Sr，當負載不變時，Sr=VoVI/VIVO。當電壓為220v時的電壓值和波形的測量220v測試值 11.947 v -11.957 v 5.002v -5.324v4.2.2.紋波電壓紋波電壓測量：疊加在輸出電壓上的交流分量，一般為mV級?？蓪⑵浞糯蠛?，用示波器觀測其峰峰值VOP-P；用可用交流毫伏表測量其有效值VO，由于紋波電壓不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定誤差。LM7812輸出端的紋波電壓Vo=2.004Pv4.3部分元件清單1.變壓器：輸出12V2.固定式三端穩(wěn)壓器：LM7812一個 ， LM7912一個， LM7805一

20、個， LM7905一個3.整流橋堆：2W10一個4.電容：電解電容2200uf兩個 電解電容470uf兩個 電容0.01uf四個4.4焊接在焊接電路之前，我們先通過初步測試得到數(shù)據(jù)計算，再經(jīng)過仿真，最后根據(jù)原理圖，將所選元件一一焊接在面包板上焊接時要對各個功能模塊電路進行單個測試，需要時可設計一些臨時電路用于調(diào)試。測試電路時，必須要保證焊接正確，才能打開電源，以防元器件燒壞。注意穩(wěn)壓器的輸入輸出管腳和橋式整流電路中二極管的極性，不應反接。按照原理圖焊接時必須要保證可靠接地。4.5調(diào)試及結果分析:4.5.1 直流穩(wěn)壓電源的調(diào)試測試方法一 、調(diào)試所需器材： 1.直流穩(wěn)壓電源 2.示波器 3.數(shù)字萬

21、用表 4.多功能試驗臺等等二 、在直流穩(wěn)壓電源通電測試前，必須認真對安裝電路進行一下事項的檢查：1.對電源變壓器的絕緣電阻進行測試，以防止變壓器漏電，危及人身和設備安全。如果用萬用表高電阻檔檢測，則其指示電阻均應為無窮大。2.電源變壓器的一次和二次繞組不能搞錯，否則將會造成變壓器損壞或電源故障。3.整流橋的引腳和濾波電容的極性不能接反，否則將會損壞元器件。4.三短穩(wěn)壓器的輸入、輸出和公共端一定要識別清楚，不能接錯。特別是公共端不能開路，一旦開路，輸出電壓UO很可能接近UI，導致負載損壞。5.檢查負載不應該有短路現(xiàn)象。三、 直流穩(wěn)壓電源的調(diào)整測試一般分為以下兩步：1 空載檢查測試：接通220V交

22、流電壓，用萬用表交流電壓檔測量變壓器的二次交流電壓值，其值應符合設計。2 加載檢查測試：上述檢查符合要求后，則穩(wěn)壓電路基本正常，此時可接上額定負載RI并調(diào)節(jié)輸出電壓，使其為額定值，觀察其是否符合設計值，如有干擾或自激振蕩，則應設法消除。4.5.2 穩(wěn)壓系數(shù)在負載電流、環(huán)境、溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化。4.5.3、最大輸出電流 輸出端接負載電阻RL，使RL逐漸減小，直到VO的值下降5%，此時流經(jīng)負載RL的電流極為Iomax4.5.4、直流穩(wěn)壓電源原理圖4-1電路原理圖第五章 數(shù)據(jù)分析與討論5.1技術指標測量分析：5.1.1穩(wěn)壓系數(shù)分析：（1）測量穩(wěn)壓系數(shù)，先調(diào)節(jié)自

23、藕變壓器使輸入的電壓增加10%，即VI=242V, 測量此時對應的輸出電壓VO1；再調(diào)節(jié)自藕變壓器使輸入減少10%，即VI=198, 測量此時對應的輸出電壓VO2, 然后測量出VI=220V時對應的輸出電壓Vo, 則穩(wěn)壓系數(shù) Sr= = .（2）輸出電壓與最大輸出電流的測試測試電路如圖5-2 圖5-2 穩(wěn)壓電源性能指標的測試電路 測試過程是：先調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓增加 10%，即Vi=242V，測量此時對應的輸出電壓VO1；再調(diào)節(jié)自耦變壓器使輸入電壓減少 10%，即Vi=198V，測量此時對應的輸出電壓VO2，然后再測出Vi=220V時對應的輸出電壓VO，則穩(wěn)壓系數(shù)SV=（VO/VO）/（

24、Vi/Vi） =220/（242-198）（VO1-VO2）/VO （3）輸出電阻的測量 保持穩(wěn)壓電源的輸入電壓，在不接負載RL時測出開路電壓Uo1 ，此時Io1，然后接上負載RL，測出輸出電壓Uo2和輸出電流Io2，則輸出電阻為： （4）紋波電壓的測試 用示波器觀察U0的峰峰值，（此時Y通道輸入信號采用交流耦合AC），測量U0p-p的。測試結果（寢室電壓為246v）理論輸出值+5V+12V12V-5V實際輸出值+5.06V+12.15V-12.00V-5.10V5.1.2誤差計算UCC+12%=（12.15-12.00）/12.00=0.0125%-UCC-12%=(-12.00+12.00

25、）/-12.00=0UCC+5%=（5.06-5.00）/5.00=0.012%-UCC-5%=(-5.10+5.00）/-5.00=0.02%綜合分析可以知道在測試電路的過程中可能帶來的誤差因素有:1 測得輸出電流時接觸點之間的微小電阻造成的誤差; 2 電流表內(nèi)阻串入回路造成的誤差; 3 測得紋波電壓時示波器造成的誤差;4萬用表本身的準確度而造成的系統(tǒng)誤差.可以通過以下的方法去改進此電路: 1.減小接觸點的微小電阻;2.測得紋波時示波器采用手動同步;3.元器件安裝前進行檢測4.采用更高精確度的儀器去檢測.5.2 設計總結1.輸出電壓+11.98V和-11.98V，符合設計的基本要求，為提高精確度可使用穩(wěn)壓管2.電路中C3,C4用于抵消輸入線較長時的電感效應，以防止電路產(chǎn)生自激振蕩，其容量一般較小，一般為1uf，這里采用的是2A104J。C5,C6用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，可取小于1uf的電容，可取幾十微法甚至于幾微法的電容，一便輸出較大的脈沖電流。常選瓷片電容104。第六章 謝辭本設計直接采用7812和7912，設計比較復雜，我們從最開始的一無所知，通過去圖書館查找資料，去網(wǎng)上找教程學習，還有找學長請教一些問題，從最開始電氣規(guī)則檢查40幾個錯誤，一個一個去改正，一個一個去請教，再到生成網(wǎng)絡表格，做封裝，導入PCB板，一步一步改正錯誤